抗震结构弹塑性反应谱的研究与应用

随着基于性能抗震设计理论的提出,以及对结构弹塑性地震反应研究的深入,弹塑性反应谱的研究得到更多的重视与发展。文中首先阐明了弹性和弹塑性反应谱的基本概念;其次,归纳和讨论了国内外弹塑性反应谱的研究现状,阐述了现有一些弹塑性反应谱研究的不足,并指出研究的基于Park和Ang双参数损伤模型的弹塑性反应谱,能够综合考虑了结构最大位移反应和结构累积滞回耗能的耦合作用,使弹塑性反应谱的研究进一步深化;最后,指出了弹塑性反应谱在基于性能抗震评估中的应用,但要将弹塑性反应谱应用于抗震设计规范中还存在诸多困难。     

梁式桥抗震设计的近场地震弹塑性反应谱

依据国内外规范对近场地震动的定义,收集了215条近场地震动,进而对近场地震弹塑性反应谱（加速度谱、位移谱、残余位移谱、强度折减系数谱）进行参数影响研究,得到地震动特性（地震震级、场地土质、PGA）和恢复力模型动力参数（不同恢复力模型、屈服后刚度比、阻尼比、位移延性系数）等因素对近场地震弹塑性反应谱的影响规律。与中远场地震弹塑性反应谱相比较可知：①Ⅰ~Ⅲ类场地近场地震弹塑性加速度谱的下降段较缓,Ⅳ类场地弹塑性加速度谱的敏感区更宽|②Ⅰ~Ⅲ类场地近场地震弹塑性位移谱的谱值相比Ⅳ类场地的谱值更大。在此基础上,建立了与我国桥梁抗震设计规范场地类型相对应的近场地震弹塑性反应谱,可用于近场地震下的桥梁抗震设计,并可为后续的近场地震能力谱法的研究提供近场地震需求谱。     

考虑场地类别的基础隔震结构弹塑性加速度反应谱

弹塑性反应谱是基于性能抗震设计理论中的基础性课题之一,而场地条件对反应谱的影响情况,以及如何确定场地影响在规范设计反应谱中的体现形式,是目前工程抗震领域研究和讨论的热点问题。本文将三种场地类别上的1217条强震记录,按照场地条件和地震动峰值加速度分为21组,对两自由度体系的基础隔震结构简化模型作弹塑性时程分析,研究场地类别对基础隔震结构弹塑性加速度反应谱的影响。研究表明,结构的加速度响应依赖于场地类别,在基础隔震结构的自振周期范围内,结构的弹塑性加速度反应谱的谱值随场地土变软而增大。采用平均化的方式研究了反应谱的特性,运用分段线性拟合的方法,建立了与场地类别相对应的基础隔震结构弹塑性加速度反应谱公式,并通过算例验证了该公式的准确性,可将其用于基础隔震结构的抗震设计中。     

深覆盖软土场地弹塑性反应谱分析

基于汶川地震中不同震中距处获得的实测基岩地震动,以不同震中距来考虑不同的设计地震分组,通过典型深覆盖软土场地地震反应分析得到地表加速度响应,以弥补目前深覆盖软土场地实测地震动记录的不足。对得到的地表加速度响应的弹塑性反应谱进行了分析和拟合。分析表明,在等位移准则或等延性系数下,设计地震分组对深覆盖软土场地弹塑性反应谱的折减系数和衰减规律影响显著,完善了目前弹塑性反应谱研究时未考虑设计地震分组的不足。同时,通过相应的物理边界条件和数学条件,提出基于设计地震分组的深覆盖软土场地弹塑性反应谱拟合函数,得到了可供工程应用的弹塑性设计反应谱。     

弹塑性结构的位移比谱

本文从单自由度体系弹塑性反应的计算研究人手,探讨了弹塑性结构最大位移反应与相应弹性结构的最大位移反应之间的关系,找出了有关规律。采用统计平均的方法,作出设计用的弹性位移谱及弹塑性位移比谱,从而可以在已知弹性位移的基础上,方便地求得弹塑性位移反应。本文还讨论了地面加速度峰值与结构屈服限变化对结构弹塑性最大位移反应的影响,找出了其间关系,从而使在计算弹塑性位移反应时,仅计算某一烈度区内的值即可,其他区域,可通过有关规则确定。     

FPS支座隔震桥梁的弹塑性反应谱分析

弹塑性反应谱分析法是将结构等效线弹性化后,利用修正的弹性反应谱进行分析的方法。因此简述了FPS支座的优点及基本原理,并提出FPS隔震桥梁的等效线弹性化和弹塑性反应谱分析方法。选择3种阻尼影响系数的计算方法,研究结构阻尼对反应谱的影响。以1座4跨连续梁为例,进行弹塑性反应谱分析并将其结果与非线弹性时程分析结果进行对比。对比结果表明结构阻尼对地震响应结果影响较大,同时弹塑性反应谱分析结果与时程分析结果吻合较好,可为今后FPS隔震桥梁的设计分析提供一定参考与借鉴。     

长周期结构弹塑性时程分析的地震波选取

长周期结构在大震作用下进入弹塑性状态,结构刚度退化,周期延长,地震波对应的反应谱与规范反应谱在长周期段的拟合程度对结构的安全性判 断有较大影响。提出长周期反应谱拟合系数作为长周期结构在弹塑性时程分析中地震波选取的依据,通过六千多条强震记录的统计分析,得到不同场地条件 下适用于长周期结构弹塑性时程分析的地震波库,保证所选取地震波对应的反应谱与规范反应谱在3~6s段统计意义上相一致。     

钢筋混凝土框架基于位移和延性的等效地震荷载计算

本文提出了在基于位移的抗震设计中利用弹塑性反应谱计算等效地震荷载即基底剪力的方法,并结合相应我国抗震规范的弹塑性反应谱对一个四层钢筋混凝土框架进行了基于不同延性及位移需求的等效地震荷载的计算,最后讨论了基于位移的抗震设计与目前抗震规范设计方法之间的联系与区别,并提出了需要进一步研究的问题.     

框架结构抗震性能评估的可靠性分析

基于静力弹塑性分析方法和随机振动理论,对框架结构进行了分析研究。通过性能评估的能力谱方法,得出罕遇地震作用下结构的层间位移与损伤状态,再利用改进均值反应谱方法计算结构弹塑性层间最大位移的均方响应和不同损伤状态的概率。利用上述方法对规则框架结构算例进行可靠性分析,结果表明,改进均值反应谱方法可以对评估结构进行进一步的概率分析,对结构抗震性能评估具有一定的意义。     

连续梁桥地震弹塑性反应分析

连续梁桥抗震设计工作中,弹塑性分析至关重要,其直接影响到桥梁的施工状况,通过弹塑性反应谱方法,可以为抗震设计工作提供可行的参考。对此,本文以南京仙新路过江通道引桥为背景,引入弹塑性反应谱法,在其支持下展开桥梁地震反应分析工作,希望为类似工程提供参考。     

核电站混凝土结构弹塑性地震楼面响应谱分析

核电站安全相关混凝土结构的抗震分析和设计主要基于线弹性假定,不考虑材料的非线性特征和钢筋同混凝土之间的黏结滑移效应。实际上,核电站运行若干年以后,随着结构的老化,弹塑性特征会逐步显现。以一榀单跨两层足尺实验框架为研究对象,采用纤维梁单元,分别采用线弹性模型和弹塑性模型计算楼面响应谱并同实测值进行对比。分析表明:对在役核电站地震响应评估,应该充分考虑混凝土结构的弹塑性特征,合理地评估结构地震响应和楼面响应谱特性,从而为核电站设备、系统和部件的地震安全评价提供可靠依据。我国早期投运的核电站运行已经超过20年,分析方法和结论对在役核电站地震安全评估有较好的参考价值。     

不同震源机制的近断层脉冲型地震动频谱特性及强度指标研究

将不同场地类别和震源机制上的118条近断层地震记录进行分类,基于基础隔震结构的双自由度体系简化模型,利用状态空间法及四阶龙格-库塔法对结构的弹塑性反应谱进行求解,研究了场地类别和震源机制对反应谱频谱特性的影响。通过分析近断层地震记录的3个强度指标与基础隔震结构最大弹塑性响应的相关性,探讨了基础隔震结构地震反应分析时强度指标的选取问题。结果表明,三种场地类别条件中,速度反应谱规律不明显,但逆断层地震动的平均加速度反应谱和逆斜断层地震动的平均位移反应谱均最大。场地类别和震源机制不同,地震动强度指标与结构响应的相关程度不同。因此在进行近断层脉冲型地震动作用下基础隔震结构地震反应分析时,建议考虑结构所在场地及地震动的震源机制后采用不同地震动强度指标来选择和调整地震动输入。     

建筑抗震设计的新概念--对《建筑工程抗震性态设计通则》的理解

《建筑工程抗震性态设计通则》(CECS160:2004)已经中国工程建设标准化协会批准试用。《通则》总结了近几年来国内外的最新抗震科研成果和工程经验,提出了抗震性态设计、设计地震加速度、结构弹塑性地震反应、结构影响系数、结构弹塑性侧移、高频结构竖向地震反应、建筑抗震设计类别等诸多抗震设计新概念和新方法,对提高我国建筑抗震设计水平将起到积极的推动作用,也为今后修订国家标准《建筑抗震设计规范》提供了较完整的资料。     

底部框剪砌体房屋抗震性能的试验研究

对底部两层框架—砖抗震墙、上部三层砖房 ,底层框架—砖抗震墙、上部四层砖房及底部两层框架—混凝土抗震墙、上部五层砖房 (三榀 ) 1 6比例模型进行了模拟地震振动台试验 ;分析了结构在水平地震作用下的力学性能 ,包括受力特点、变形特征、破坏形态等 ,以及结构在不同受力阶段的动力特性变化规律、地震反应分布规律 ,结构的抗震能力、薄弱层和薄弱部位 ;提出了结构弹塑性动力分析的力学模型和方法 ,尤其框剪层和砖砌体层的恢复力特性计算模型及其特征点的计算公式 ;最后对三种房屋的模型和原型结构进行了弹塑性地震反应分析 ,并在与试验结果对比的基础上 ,提出了抗震设计建议 ,为底部框剪上部砌体房屋的抗震设计与动力分析提供了依据与方法。     

砌体结构在地震下的非线性计算模型

针对目前砌体结构计算模型在弹塑性动力时程分析中的不足,本文采用一种三弹簧单元宏观模型进行整体结构的非线性计算.首先,将其计算结果与单片砌体构件试验结果对比,验证了模型的准确性;随后,采用该模型对一简单空间砌体结构进行静力和动力分析,并计算了不同地震烈度下的结构响应,得到令人较为满意的结果.以层间位移角定义了各墙体构件的弹性、破坏和极限3个阶段,对整体结构的损伤情况给予了评价,并提出以竖向承载构件完全失效作为结构倒塌的判别准则,使三弹簧单元模型在砌体结构抗震研究方面具备一定的适用性.     

基于大震弹塑性时程分析的结构抗震设计

通过大量复杂超限工程大震弹塑性时程分析的研究,提出了基于大震弹塑性时程分析的结构抗震设计理念。详细介绍了该设计方法的设计思路,并将其应用于各种复杂超限工程中。通过对具体案例的详细分析表明,基于大震弹塑性时程分析的结构抗震设计能够作为一种主动设计手段,指导设计人员有针对性地进行结构方案调整和局部构件调整,优化结构设计,在提高结构安全性的同时实现经济性。因此,基于大震弹塑性时程分析的结构抗震设计能够进一步完善我国现有的两阶段抗震设计方法,值得在结构抗震设计领域中推广。     

考虑累积损伤退化的钢材等效本构模型研究

在结构抗震分析中,钢材在循环荷载作用下的一维本构关系是利用杆系模型进行结构弹塑性地震响应分析的基础。为了更准确地模拟结构在强震作用下的反应,提出能够考虑累积损伤、刚度和强度退化的钢材等效本构模型,包括骨架曲线、滞回准则以及退化特征,利用损伤控制因子数学模型对钢构件、节点及结构的损伤退化全程进行描述。根据提出的等效本构模型并利用有限元软件ABAQUS提供的用户材料子程序UMAT,采用Fortran语言开发能够进行钢框架强震作用分析的损伤退化过程计算程序。采用等效本构模型对典型试验进行模拟分析,其结果与试验结果吻合良好,充分证明钢材等效本构模型用于钢构件在强震作用下弹塑性分析的准确性及可行性。     

钢筋混凝土框架结构基于位移的抗震设计

RC框架结构基于位移的抗震设计以框架的侧移曲线为基础,将多自由度体系转化为等效单自由度体系。在等效线性化的前提下,用弹塑性位移反应谱求出结构等效周期,得到层间剪力,进行结构构件刚度和承载力设计。同时将框架结构的弹塑性层间位移转化为梁、柱构件的目标侧移角,以确定构件的配箍特征值,保证结构预期的变形能力。该方法可以很好的控制结构在不同强度水准地震作用下的性能。     

基于设定地震场地相关反应谱的高土石坝抗震安全评价

结合最新颁布的《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB35047—2015)中关于甲类设防重大土石坝工程设计反应谱的规定,重点研究了基于设定地震的场地相关反应谱和一致概率反应谱确定的动参数下高土石坝的动力反应特征。通过240m高长河坝高心墙堆石坝在两种不同反应谱下设计和校核地震动下的计算分析发现一致概率谱得到的坝顶动力响应加速度、动位移、永久变形、坝坡安全系数和塑性滑移等关键安全评价指标均高于场地相关反应谱的结果,进而探讨了两种反应谱对长河坝高土石坝工程极限抗震能力的影响,计算结果表明采用基于设定地震的场地相关反应谱得到的坝体的极限抗震能力明显高于一致概率谱,采用一致概率谱得到的地震动参数进行长河坝抗震设计和抗震加固措施研究易得到较保守的结果。     

高层建筑结构推覆分析及对设计的启示

本文作者及其研究小组在过去的几年中对混凝土高层结构进行了推覆分析的研究,并编制了相应的计算机程序(TBPOA)。为了满足复杂体型高层结构的需要,提出了多种类型的单元,包括梁柱单元、单片墙单元、三垂直杆墙元和筒体墙单元,与试验结果对比分析表明这些模型具有很好的精度,并且能够搜索到结构反应的全过程,甚至结构的软化阶段。3个实际工程的推覆分析结果表明:小震作用下弹性分析所得的结果并不能反映结构可能存在的薄弱部位,罕遇地震作用下的弹塑性变形应该考虑结构二阶效应的影响,抗震规范提供的抗震设计原则和构造要求在某些结构中并不能保证罕遇地震下的抗震性能,对复杂高层结构进行推覆分析或弹塑性时程分析是很有必要的。