远场长周期地震动频谱特征周期与强度指标研究

目前尚未有针对远场长周期地震动的频谱特征周期表征参数与抗震分析用强度指标。选择40条远场长周期地震动,采用MATLAB编制程序,分别计算对应于每条地震动的12种代表性频谱特征周期参数与20种强度指标。基于远场长周期地震动频谱特征周期的平均值及变异系数计算结果,分析各周期参数的特性,并通过计算远场长周期地震动的20种强度指标与以周期和延性系数为变化参数的400个弹塑性单自由度体系5种最大地震响应(最大加速度、最大速度、最大位移、最大输入能、最大滞回耗能)间的相关系数,分析各强度指标与地震响应间的相关性。结果表明:不同周期参数所反映的地震动频谱特性不同,稳定性亦存在较大差异,分析建议以Hilbert边际谱平均周期Tmh作为远场长周期地震动的频谱特征周期表征参数;远场长周期地震动强度指标与最大地震响应的相关性和强度指标的类型、自振周期以及延性系数均有关系,其中,PGV与PGD在各周期范围内均与最大地震响应具有较好的相关性,且相关性随自振周期的增大而增强,建议作为远场长周期地震动抗震分析用强度指标。     

基于HHT地震动分量分离的长周期地震动界定方法

长周期分量是地震动长周期特性的决定性成分,能反映长周期地震动的基本特性。基于HHT方法,提取加速度反应谱平均周期T_r≥2 s的IMF及残余分量重构并进行基线校正作为该地震动的长周期分量;通过长周期分量与原地震动的相关性分析及其在超高层建筑的结构响应中的影响验证了其界定长周期地震动的合理性。提出了基于长周期分量特性的界定指标LPGI,当LPGI0.6时的地震动为长周期地震动;用长周期分量的归一化Hilbert累积能量曲线从5%增长至95%所经历的时间t_(90%)来表征长周期地震动的脉冲特性,从而区分远场类和谐长周期地震动和近断层脉冲性地震动这两类特殊长周期地震动;为长周期地震动的区分提供了较好的方法与参数指标。     

长周期地震动作用下高层隔震结构减震性能试验研究

近、远场长周期地震动中的长周期和近场脉冲特性的存在,可能导致长周期的高层隔震结构产生隔震层位移放大效应。通过振动台试验分析与验证其对长周期的高层隔震结构减震性能带来的不利影响,首先分析近、远场长周期地震动的反应谱特性;接着设计制作一个具有典型工程意义的大底盘单塔楼缩尺模型,进行有限元分析与振动台试验,探讨长周期地震动对楼层加速度、层间位移和隔震层位移等减震性能的影响;最后针对可能出现的隔震层位移超限问题,提出在隔震层增设黏滞阻尼器组成的复合减隔震体系,分析验证其减震和限位保护效果。结果表明:远场长周期地震动下隔震结构的响应明显大于普通周期地震动;近场脉冲长周期地震动作用下结构减震效果较差,隔震层位移明显大于位移容许值;复合减隔震体系有效地控制了隔震层的最大位移,降低了大底盘的加速度和层间位移响应,同时对上部塔楼也具有较好的减震效果。     

长周期地震动下大跨空间结构空气弹簧-摩擦摆三维隔震体系振动控制分析

该文将新型空气弹簧-摩擦摆三维隔震支座应用于大跨单层球面网壳中,探讨了长周期地震动对三维隔震体系振动控制效果的影响规律。该三维隔震支座可有效降低结构在地震动作用下的响应,当地震动峰值加速度(PGA)相同时,普通地震动下的隔震效果最优,近断层脉冲型地震动下隔震效果次之,远场长周期地震动下隔震效果最差。该现象与长周期地震动与和长周期隔震结构之间的类共振效应有关。随着支座刚度的减小,普通地震动和近断层脉冲地震动作用下的隔震效果提高,远场长周期地震动作用下的隔震效果降低。远场长周期地震动低频分量丰富,其反应谱具有典型的双峰特性,导致结构响应在长周期段随结构周期的延长而增大。进行三维隔震设计时,建议传递比TR取值大于0.2,既保证隔震效果,又能控制三维隔震支座竖向位移响应在设计极限位移内。     

典型地震动作用下长周期单自由度体系地震反应分析

通过单自由度体系典型地震反应分析探讨长周期结构的类共振及瞬态效应问题。远场类谐和地震动与近断层脉冲型地震动是导致长周期结构发生类共振的两类长周期地震动,而目前对此两类地震动特性以及地震反应的对比分析尚不多见。首先,通过卓越频率与能量时间分布系数对比分析,研究了长周期地震动能量时频分布特性,结果表明：两类长周期地震动的能量均集中在较低频段,且远场类谐和地震动的能量集中频段略低于近断层脉冲型地震动;近断层脉冲型地震动与普通地震动的能量在时域内分布较远场类谐和地震动集中。然后,进行了弹性反应谱对比分析,结果表明：在长周期段,远场类谐和地震动与近断层脉冲型地震动的加速度反应、速度反应、位移反应和输入能量均大于普通地震动,且速度反应、位移反应与输入能量的放大程度明显高于加速度反应;远场类谐和地震动的各反应明显大于近断层脉冲型地震动,且衰减更为缓慢。最后,提出瞬态效应的概念,并进行了实际地震动作用下的瞬态效应分析,结果表明：瞬态效应是地震动高频成分的固有属性,但不足以引起长周期结构的瞬态位移破坏。建议在对长周期结构进行抗震设计时,需要重点考虑两类长周期地震动引起的类共振问题,而不需要考虑瞬态效应。     

高通滤波对近场脉冲型地震动位移反应谱的影响

长周期速度脉冲是近场脉冲型地震动的最重要特征之一,高通滤波会改变低频脉冲成分与其他频率成分的相对大小,进而影响地震动的反应谱形状。选取了一组近场脉冲型地震动,根据脉冲频率f_p定义相对截止频率,考察高通滤波对弹性位移反应谱衰减的影响规律。通过数值分析比较了因果性滤波和非因果性滤波的区别,分析了相对截止频率对最低可用频率、脉冲属性判定和高阻尼比反应谱的影响。分析结果表明:相对截止频率越高,截止频率与最低可用频率的比例系数越小;当截止频率取0.4f_p时,该比例系数与一般远场地震动结果相近;截止频率小于0.4f_p时,脉冲属性和脉冲周期无显著变化。在长周期区段内,相对截止频率小于等于0.4f_p时,阻尼比的影响可以忽略;相对截止频率大于0.4f_p时,应考虑阻尼比的影响。     

海域地震动长周期特性及其强度指标研究

为了分析海域地震动的长周期特性。选取893条三分量海域地震动记录,识别出其中长周期特性明显的水平和竖向海域地震动,比较了海域长周期地震动的动力放大系数谱和抗震设计规范谱的差异,研究了海域地震动强度指标PGA(Peak Ground Acceleration),PGV(Peak Ground Velocity),PGD(Peak Ground Displacement)与不同强度折减系数下的弹塑性单自由度体系的最大变形需求间的相关性。分析结果表明:由浅源远场强震(震源深度小于45 km,震中距大于120 km,且矩震级大于6.2)产生的海域地震动的长周期特性十分突出,其动力放大系数谱在长周期段(2~10 s)明显超过了抗震设计规范谱的取值,且竖向地震动的长周期特性比水平向地震动更显著;PGD和单自由度体系的最大变形需求的相关性在长周期段最好,因此建议选用PGD作为海域远场长周期地震动的抗震分析强度指标。     

基于EEMD的远场类谐和地震动人工合成方法

远场类谐和地震动是一种特殊的长周期地震动,振动阶段后期产生多个循环的长周期类谐和加速度脉冲,易对长周期结构带来不利影响。然而,由于远场类谐和地震动实测记录有限,能直接用于结构抗震分析的地震动记录更少。为弥补这一缺陷,该文提出一种基于EEMD的远场类谐和地震动人工合成方法并对该方法的合理性和可行性进行验证。该方法通过对远场类谐和地震动记录进行EEMD分解,得到地震动低频成分的类谐和主脉冲成分与衰减部分,并对二者的拟合重构形成类谐和主脉冲分量进行特征参数识别和简化,提出由类谐和脉冲函数和衰减函数相结合的主脉冲速度模型,最后叠加分解时剔除的高频IMF分量形成人工类谐和地震动。基于此,重新选取3条任意远场类谐和地震动记录的地震动特征参数合成人工地震动,与原始地震动反应谱进行对比分析。结果表明：采用EEMD方法可有效提取原始地震动的低频成分,基于所提类谐和主脉冲速度模型得到的主脉冲时程与原始地震动速度主脉冲时程吻合较好;利用所提的地震动合成方法合成的人工地震动可较好保留原始类谐和地震动的非平稳特性,且与原始地震动较为吻合。     

长周期地震下风力发电塔架结构地震反应分析

风力发电在全球范围内得到大规模应用,地震活跃地区已建成和在建风电场数量逐渐增多,地震荷载成为风力发电塔设计中的重要因素。该文针对风力发电塔结构周期较长、对富含低频成分的长周期地震动较为敏感的特性,选择远场长周期地震动与近场脉冲型长周期地震动各20条,并选择20条非长周期地震动作为参照。以一座1.5 MW在役风力发电塔为例,建立其OpenSees的纤维截面梁柱单元模型,并通过现场实测数据对该模型进行了验证。在此基础上,分析了塔架结构在长周期地震下的地震响应,并讨论了近断层脉冲地震动的水平速度脉冲和竖向地震作用对塔架结构地震响应的影响。结果表明:相同峰值加速度条件下,远场长周期地震动更不利,塔顶水平位移和塔底内力均最大,峰值加速度0.15 g远场长周期地震作用与峰值加速度0.45 g非长周期地震作用相当。相对于远场长周期地震动,未发现近场长周期的水平速度脉冲对结构响应产生不利影响;其竖向地震荷载带来的竖向惯性力和P-Δ效应在一定程度上增大了塔架结构的轴力和塔底弯矩,但影响并不明显。近场脉冲型长周期地震动不利的主要因素仍然是其较大的峰值加速度。选择两条主频与塔架基频最接近的长周期地震动并调幅,进行风电塔截面塑性分析。结果表明:距塔底约12 m的截面最先发生屈服。当地震动峰值加速度达到0.5 g时,该截面进入塑性;0.6 g时,达到屈服。     

基于中国规范的近断层区竖向抗震设计谱研究

针对近断层区结构抗震设计缺乏专门竖向抗震设计谱的现状,以近断层竖向地震动为研究对象,基于《建筑抗震设计规范》,开展近断层区竖向抗震设计谱的研究。选取198条近断层脉冲型地震动的竖向分量,分析得到实际近断层地震动竖向反应谱,将计算得到的反应谱与中国抗震规范中的近断层竖向设计谱进行了对比。研究结果表明,中国抗震规范未充分考虑近断层竖向地震动的特点,表现为部分周期段上规范设计谱的谱值小于实际近断层竖向地震动反应谱,难以保证近断层区结构具有足够的抗震安全性。根据近断层竖向地震动的分析结果,基于中国抗震规范设计谱的基本形式,提出了谱值放大系数取1.5、特征周期下限取0.40 s(多遇地震)和0.45 s(罕遇地震)及减小曲线下降段衰减系数的修正方法。该竖向抗震设计谱工程应用简便,可为近断层区的结构竖向抗震设计提供参考。     

加速度反应谱长周期段下降规律研究

针对我国现行《建筑抗震设计规范》中加速度反应谱长周期段尚存在的不足之处进行了探讨。按《中国地震动参数区划图》关于场地分类和地震动特征周期T_g的定义,从1 146次震级大于5级的真实强震中筛选出7 274条地震记录并进行分组。基于随机振动理论,由地震动Fourier幅值谱、功率谱和设计反应谱的转换关系得到统计意义上的能量密度分布和加速度反应谱,研究了地震动在长周期段的能量密度分布和加速度反应谱衰减规律。通过回归分析,对不同场地条件给出了设计反应谱长周期段合理的下降形式和斜率取值(周期延长至10 s),为规范修订提供参考。     

近场与远场长周期地震动对高层结构作用机理比较分析

以远场类谐和地震动、近断层向前方向性地震动与近断层滑冲型地震动三类长周期地震动为研究对象,在分析长周期地震动最大瞬时输入能与SDOF体系最大位移响应相关性的基础上,提出瞬时输入能比的概念,对比分析探讨不同类型长周期地震动作用下结构的破坏模式;基于Hilbert-Huang变换,以某12层RC框架结构为例,分析长周期地震动作用下控制结构弹塑性地震响应的IMF分量,并对不同类型长周期地震动的瞬时能量曲线及累积能量曲线进行对比分析,在此基础上提出有效长周期地震动、有效峰值及能量梯度的概念,分别从频域与时域角度分析长周期地震动对高层结构的作用机理。结果表明:长周期地震动的有效峰值显著大于普通地震动,揭示了长周期地震动作用下高层结构的地震响应大于普通地震动的内在机理;能量梯度对比分析表明不同类型长周期地震动的能量释放特征差异显著,揭示了远场类谐和地震动的脉冲循环作用机理及近断层向前方向性地震动与近断层滑冲型地震动的脉冲冲击作用机理,其中,前者易使结构发生累积损伤破坏,后者易使结构发生首次超越破坏。     

近海域地震动的时频特征与工程特性

利用美国加州及日本相模湾近海域地震台站采集的地震动记录,采用希尔伯特-黄变换方法计算得到近海域地震动时频分布特征;将其加速度反应谱、动力放大系数β谱与不同工程领域抗震设计规范进行对比。研究结果表明:近海域地震动含有丰富的长周期成分,优势能量集中于长周期与特长周期段内;归一化边际谱能量分布与震中距有一定的相关性;近海域地震动水平向分量强度远高于其竖向分量。进一步发现,多数近海域地震动反应谱动力放大系数β谱峰值远超目前常用规范标准反应谱的平台值,也就是近海域地震动反应谱的中长周期值远大于现有抗震设计规范的取值,采用现有陆域地震动设计规范开展近海工程地震安全性设计存在风险。近海域地震动长周期特性在大跨桥梁、油气平台等重大近海工程设计中应得到充分关注。     

长周期结构相对位移反应谱研究

在对长周期结构进行抗震设计时,或采用基于位移的性能设计方法进行结构设计时,或采用各种结构控制技术对结构进行减隔震设计时,需要用到相对位移反应谱,而目前各国规范给出的一般都是某种标准化的绝对加速度反应谱。本文指出了国内外目前在用的部分规范提出的长周期反应谱存在的问题,采用80条高通低截止频率（0.025~0.125 Hz）、加速度峰值≥0.10 g的水平向强震记录,计算了周期0~10 s、阻尼比0.10~0.40的相对位移反应谱,研究了位移谱的影响因素及控制参数,建立了考虑震源参数、地震动幅值特性、场地条件、谱控制参数、阻尼比调整系数的可供长周期结构设计使用的弹性相对位移谱,给出了实用化计算公式及地震动位移峰值。结果表明,相对位移谱卓越周期是控制位移谱谱值及形状的重要参数;本文研究得到的相对位移谱能较好地拟合实际相对位移谱。     

近断层地震动作用下大底盘单塔楼隔震结构振动台试验研究

近断层地震动具有长周期、短持时、高能量的速度脉冲,可能导致长周期的大底盘上塔楼隔震结构产生隔震层位移放大效应。通过振动台试验分析与验证其对长周期的大底盘上塔楼隔震建筑减震性能带来的不利影响。首先讨论近断层地震动的运动特征,然后设计一个水平向缩进尺寸比例为1∶3的大底盘单塔楼钢框架模型,分别组装为层间隔震、基础隔震和抗震等三种试验模型,以近断层地震动与远场地震动为激励输入,进行单向振动台试验。探讨近断层地震动长周期的速度脉冲对隔震结构层间位移、楼层加速度、隔震层变形等减震性能的影响,分析与验证近断层地区隔震结构采用考虑近场影响系数设计方法的适用性。结果表明:在近断层地震动作用下大底盘单塔楼隔震结构的层间位移、楼层加速度等动力反应均明显大于在远场地震动作用下的相应值,增大为远场地震动的1.5~2倍,且层间位移与楼层加速度等减震效果相比远场地震动变差;不同隔震形式下的隔震支座变形均达到远场地震动的1.5倍以上,近断层地区隔震结构设计应考虑长周期速度脉冲对减震性能的不利影响。     

远场长周期地震下层间隔震结构的非线性减震分析

远场长周期地震动具有长持时、低频成份丰富等特征,部分地震动后期振动阶段产生多个循环脉冲,类似谐和振动;其可能对隔震建筑等长周期结构的抗震性能带来不利影响,需深入探讨。首先讨论远场长周期地震动的运动特征。然后以8条远场长周期地震与3条普通地震记录作为地震动输入,对一幢钢筋混凝土框架层间隔震结构进行了非线性地震反应分析。探讨地震波中的长周期成份,尤其类谐和成份对隔震结构减震性能的影响。提出在隔震层增设黏滞阻尼器,形成组合隔震方案;分析其对隔震层的限位保护效果与对隔震结构的非线性减震效果。结果表明:远场长周期地震作用下层间隔震结构的减震效果相比普通地震作用下的减震效果变差。特别在远场类谐和罕遇地震作用下,层间隔震结构的非线性响应相比抗震结构几乎无减小,甚至显著放大;隔震支座最大位移远超越其允许位移。组合隔震能较有效地控制远场长周期地震、特别是远场类谐和地震作用下隔震结构的非线性反应,尤其可显著减小隔震支座的最大位移,防止隔震支座破坏。     

远场类谐和地震动下大底盘单塔楼隔震结构振动台试验研究

远场类谐和地震动具有长持时、低频成份丰富等特征,后期振动阶段产生多个循环脉冲,类似谐和振动,需分析与验证其对隔震建筑等长周期结构抗震性能带来的不利影响。讨论远场类谐和地震动峰值比、持时及反应谱特性;设计一个大底盘单塔楼钢框架结构,分别组装为抗震、基础隔震和层间隔震等三种试验模型,以普通地震动与远场类谐和地震动为激励输入,进行单向振动台试验与数值模拟,探讨地震波中的长周期成份与类谐和成份对隔震结构层间位移、楼层加速度、隔震层变形等减震性能的影响,分析塔楼水平向缩进尺寸比例为1∶1. 5,1∶2,1∶2. 5和1∶3等条件下隔震结构的振动特性。结果表明:远场类谐和地震动作用下的抗震、层间隔震与基础隔震模型的楼层动力响应为普通地震动下结构响应的2～3倍,隔震结构的减震性能也明显劣于普通地震动下的减震性能,隔震层在远场类谐和地震动下的最大变形为普通地震动的3～4倍,易导致隔震支座变形过大而产生破坏;不同的塔楼水平向缩进尺寸比例对隔震结构振动特性并无明显影响。     

基于长周期地震动记录的SDOF体系能量谱探讨

为分析长周期地震动作用下结构的能量反应谱及其影响因素,本文从1985年墨西哥8.1级地震、1999年台湾集集7.6级地震和2003年日本十胜冲8.0级地震记录库中,选取了36条具有可靠长周期信息的强震记录,以此作为输入,采用能量谱面积归一的方法,首先对单自由度体系的弹性能量谱进行了分析,建议了适用于长周期地震动的简化三段式输入能量谱。在此基础上,讨论了延性系数、阻尼比对弹塑性能量谱的影响;给出了通过调整长周期地震动弹性能量谱参数来确定长周期地震动弹塑性能量谱的方法,并与长周期地震动弹塑性能量谱的拟合结果进行了比较,验证了上述方法的可行性。最后,通过分析长周期地震动累积滞回耗能与弹塑性输入能量之间的比值关系,给出了长周期地震动累积滞回耗能比值谱的计算公式。     

类旗帜型滞回模型体系的近断层等损伤位移谱

面向于近断层区域自复位体系的抗震设计需求,为了揭示自复位体系的弹塑性行为,基于Park-Ang双参数损伤模型建立了类旗帜型滞回模型的等损伤位移谱,研究损伤指标模型参数和滞回模型参数对位移谱的影响,分别对比分析了等损伤与等延性位移谱以及近断层脉冲型与无脉冲地震动作用下等损伤位移谱的差异,通过回归分析建立等损伤位移谱预测方程。研究表明:采用脉冲周期进行周期标准化能够反映脉冲效应在短周期段内对位移谱的局部放大作用,同时能降低中长周期段内位移谱的离散性;极限延性系数对短周期段内位移谱值的影响超过20%;等损伤及等延性位移谱的对比分析说明,累积滞回耗能对自复位体系位移需求的影响不能忽视;与无脉冲地震动位移谱值相比,近断层脉冲型地震动位移谱值在标准化周期约为0.5和1.0时增大20%左右。构建的等损伤位移谱预测模型可用于近断层区域自复位体系位移响应的预测。     

美国西部水平向基岩长周期地震动反应谱衰减关系研究

利用新近补充的美国西部地区宽频带速度基岩记录,对水平向基岩5%阻尼比地震动反应谱衰减关系的长周期段(T=3～10 s)进行了重新拟合,并将其与短周期反应谱衰减关系(T=0.04～6.00 s)在周期2.0 s附近进行对接。基于新得到的长周期范围0.04～10.00 s的衰减模型,对离散标准差、远场区域归一化反应谱特性等进行了分析。新得到的衰减关系使用的技术方法和强震数据集等与GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》项目编图采用的相一致,适用范围为M_s5.0～8.0,震中距0～500 km。