基于性能的重力式挡墙地震易损性分析

位于高烈度地震区的支挡结构时刻面临着特大震灾的严峻考验,迄今国内外还没有人针对重力式挡墙系统地做过易损性方面的研究工作。采用增量动力分析方法,考虑地震动输入的不确定性,选取PGA为地震强度参数,挡墙的位移指数D_I为性能参数,基于振动台模型试验划分了挡墙的抗震性能水准,利用FLAC^3D对8 m高的重力式挡墙进行了地震动力响应分析和地震易损性分析,通过易损性曲线对挡墙在不同地震动作用下的易损性进行了评估和对比分析。研究表明：PGA与挡墙的位移指数近似呈指数关系,当地震动加速度小于0.4g时,场地条件对墙体位移指数的影响不显著,当地震动加速度大于0.4g时,土质场地挡墙位移指数与岩石场地挡墙相比显著增大,墙体位移指数受场地条件的影响显著。当PGA<0.4g时,挡墙基本保持完好或以轻微损伤破坏为主;当PGA>0.6g时,挡墙已完全损伤,发生严重损坏的概率也较大;当PGA>0.8g时,会造成挡墙的严重损坏,甚至可能造成整体倒塌,需要采取一定的抗震加固措施。     

地震作用下挡土墙位移模式的振动台试验研究

 设计并完成2个比尺1∶8的边坡大型振动台模型试验,通过水平向(X向)、竖直向(Z向)和水平竖直双向(XZ双向)3种激振方式,研究汶川波地震作用下重力式挡墙、桩板式挡墙、锚杆格构式框架和预应力锚索格构式框架护坡位移模式及变化特性,并且分析各支挡结构的抗震性能。研究表明：(1) X向或XZ双向激振下,重力式挡墙和桩板式挡墙在激振加速度峰值AXmax≤0.4 g时的永久位移,以及Z向激振下桩板式挡墙和预应力锚索框架护坡的永久位移可忽略不计;(2) X向激振下,当激振加速度峰值AXmax＞0.4 g时,重力式挡墙位移模式为向土体方向滑动和绕墙踵向土体方向转动的耦合,且以滑动为主,而桩板式挡墙位移模式为向土体方向滑动。Z向激振下,当激振加速度峰值AZmax＞0.267 g时,重力式挡墙位移模式为向土体方向滑动和绕墙踵向土体方向转动的耦合。XZ双向激振下,AXmax＞0.4 g和AZmax＞0.267 g时,重力式挡墙位移模式为向土体方向滑动与绕墙趾向土体外侧转动的耦合,且以转动为主,而桩板式挡墙位移模式则为离开土体向外侧滑动与绕基础向土体外侧转动的耦合,且以滑动为主;(3) X向和XZ双向激振下,预应力锚索框架和锚杆框架的位移模式相同,都是沿坡体向土体外侧及边坡下端移动。Z向激振下,当激振加速度峰值AZmax＞0.267 g时,锚杆格构式框架护坡位移模式为向土体外侧和边坡上端移动逐渐转变为向土体方向和边坡上端移动;(4) X向或Z向激振下,桩板式挡墙抗震性能优于重力式挡墙,而XZ双向激振下,重力式挡墙抗震性能优于桩板式挡墙。无论哪种激振方式,预应力锚索格构式框架护坡抗震性能优于锚杆格构式框架护坡。     

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。     

土工袋挡墙振动台模型试验研究

为了分析土工袋挡墙的地震动力响应特征,研制一个叠层剪切模型箱,借此开展土工袋挡墙大型振动台模型试验。结果表明:土工袋挡墙作为一种新型的柔性挡土墙型式,在地震过程中依靠自身变形耗散了大量能量,加速度放大系数随墙高的升高而增大,而随输入地震动峰值加速度的增大而有减小的趋势;土工袋挡墙与墙后填土具有相近的基频与类似的频谱特征,墙体与填土变形基本协调,整个结构的基频随着输入地震动峰值加速度的增大与经受的振动次数增加逐渐减小;土工袋挡墙墙–土间峰值动土压力随着输入地震动峰值加速度的增大呈增大趋势,沿墙高分布近似为"S"型(或称为"双峰型");经受多次振动后土工袋挡墙的累计残余水平位移较小,在0.6 g的输入地震动作用下,最大累计位移仅为墙高的0.29%,表明土工袋挡墙具有良好的抗震性能。     

地震作用下饱和回填砂土重力式挡土结构滑动与转动位移分析

 预测地震作用下重力式挡土结构的位移是基于位移抗震设计方法的关键。基于Newmark滑动理论、超孔隙水压力应力模型和累积损伤原理,建立饱和回填砂土中超孔压比时程计算模型,以及墙体滑动和转动临界加速度时程计算模型。基于所建立的模型,提出用于计算饱和回填砂土重力式挡土结构滑动和转动位移的计算方法。采用该方法,分析土体参数和地震动参数对墙体滑动及转动位移的影响,并对墙体滑动与转动的耦合作用进行研究。结果表明,填土不发生液化的情况下,滑动位移对土体相对密度和墙体与地基土间的摩擦角十分敏感;转动位移对输入地震的震级、水平加速度和竖向加速度、填土的内摩擦角、墙背摩擦角和相对密度均较为敏感。超孔隙水压力对墙体滑动和转动位移的影响不可忽视。在地震作用下墙体与墙后填土破坏土楔体共同运动的假设条件下,墙体滑动与墙体转动相互抑制。     

重力式挡墙基于位移的抗震设计方法研究——大型振动台模型试验研究

基于位移的设计方法是岩土工程抗震领域的前沿课题。以大型振动台模型试验为手段,研究重力式挡土墙的位移计算模型,能够为挡土墙基于位移的抗震设计提供支撑。首先系统介绍了实验方案,包括实验装置、模型设计、测试方案、地震波输入及加载制度。然后,研究了不同地震烈度下重力式挡墙墙体位移及位移模式的变化规律,阐述了土压力分布及其与位移的变化关系,并以 Newmark 滑块及 Zeng 和 Steedman 转动块理论为基础,构建了计算地震下重力式挡墙滑移位移及转动位移模型。经比较振动台模型试验与既有滑移位移经验公式结果,提出 Whitman 和 Liao 的均值拟合法适合用于计算重力式挡土墙的滑移位移量。最后,对重力式挡墙基于位移的抗震设计流程进行了归纳。     

汶川地震区路堑重力挡墙震害调查

中国四川省汶川县2008年5月12日所发生的里氏8.0级强烈地震,具有烈度大、持续时间长的特点,由于发生在山区,地震对山区公路边坡产生了严重的破坏作用,尤其是对路堑边坡的重力式挡墙产生了不同类别的损坏,根据对本次地震极重灾区国道G213都江堰－映秀段路堑边坡重力式挡墙损坏状况的震后全面调查,整理归纳了路堑边坡重力式挡土墙的不同震害特征,主要可以分为墙体开裂、墙体局部破坏、墙体部分节段外倾、墙体部分节段滑移、落石砸坏挡墙这5种破坏类别,统计归纳了墙体震害与墙高、墙体材料、墙体所在位置线路走向与发震断层走向之间的关系等重要因素之间的规律性特征,本文结果可为山区公路工程的抗震设计研究提供基础参考。     

基于IDA的阀厅结构地震易损性分析

尽管近年来大型换流站阀厅结构越建越多,但是对阀厅结构的易损性研究仍十分缺乏。考虑到大型换流站阀厅结构在电力系统中的重要性,对这类结构易损性开展深入地研究是十分必要的。在数值模型正确性得到验证基础上,对阀厅结构开展在不同类型地震动作用下的增量动力分析(IDA),基于增量动力分析结果建立阀厅结构处于不同破坏状态的地震易损性曲线。研究结果表明当地震动峰值加速度小于0.5g时,阀厅结构刚度降幅比较缓慢,而随着峰值加速度增大,其刚度降幅逐渐增快。由地震易损性曲线可知,在罕遇地震作用下阀厅结构处于不同破坏状态的超越概率均小于5%,该阀厅结构抗震设计满足要求并具有较大安全储备。     

基于性能的钢框架结构地震易损性分析

结合我国2010版抗震规范,根据结构极限状态定义结构整体地震需求参数的损伤状态极限限值和性能水平,提出基于性能的有效评估结构抗震性能的易损性分析方法。以一钢框架结构为例,考虑地震动输入的不确定性,基于增量动力分析(IDA)获得结构地震需求参数与地震动强度指标之间的关系,回归最大层间位移角与地震动峰值加速度的对数函数关系式,得到结构的易损性曲线,由此确定结构在不同地震作用下处于不同性能水平下的失效概率。并与传统的破坏标准的地震易损性分析结果进行比较,结果表明:不同破坏标准下易损性分析结果不同;规范的各种破坏状态偏于保守;在大震作用下,结构倒塌风险小。为钢框架结构抗震设计、地震灾害损失评估和未来地震的损失预测提供参考依据。     

考虑地裂缝活动影响的钢框架结构地震易损性分析

地裂缝活动对跨骑在地裂缝上的结构抗震性能的影响体现在地裂缝场地地震动输入的上盘效应和地裂缝活动引起结构的初始变形。基于已有振动台试验结果得出由于地裂缝场地上盘地表地震动加速度相对于下盘的放大倍数。地裂缝场地结构的初始变形需同时考虑结构跨骑地裂缝位置与地裂缝两侧的位移差。针对西安f4地裂缝场地,假定地裂缝两侧年累积相对位移差不变,建立钢框架结构地震易损性模型,同时考虑结构和地震动的不确定性,对9层钢框架进行4个龄期(0,10,20,30 a)的随机增量动力分析。对比钢框架结构考虑或不考虑地裂缝场地的易损性结果,表明跨骑在地裂缝之上的钢框架结构在地震作用下的破坏概率大于非地裂缝场地的结构,且随着地裂缝两侧位移差的增加,考虑地裂缝场地影响的结构在地震作用下的失效概率亦随之增加。     

多维地震动作用下曲线连续桥梁地震易损性研究

基于OpenSees有限元平台建立三类曲线连续梁桥,对算例桥梁进行三向平动地震动作用下的增量动力分析,并采用概率性地震需求分析方法绘制三类曲线连续桥梁关键构件的地震易损性曲线。结果表明在地震作用下,曲率半径小的单弯曲线连续梁桥比曲率半径大的单弯曲线连续梁桥损伤概率稍大;S型曲线连续梁桥相对于单弯曲线连续梁桥在桥墩横桥向损伤概率更大,且在多遇地震地震动加速度峰值(PGA=0.2g)以内,支座损伤概率较大。     

地震动持时对RC框架结构易损性与抗震性能影响

作为地震动三要素之一,地震动持时对结构地震易损性的影响有待深入研究。为此,选择分别具有长、短持时特性的两组地震动记录作为输入,以按我国现行规范设计的3个不同高度钢筋混凝土框架结构作为研究对象,采用OpenSees软件,对比分析了不同持时特性地震动作用下钢筋混凝土框架结构的地震易损性,并进一步从失效概率、易损性指数和性能裕度比等3个方面讨论了持时对结构抗震性能的影响。分析结果表明：地震动持时特性对结构地震易损性的影响不容忽视;随着地震动强度和结构损伤水平的增加,地震动持时对地震易损性的影响越发显著;相较于短持时地震动,长持时地震动会使易损性中位值下降超过10%;地震动持时越长,其对结构抗震性能的不利影响也越明显;长持时地震动使结构失效概率增加50%以上,同时提高易损性指数,降低性能裕度比。     

土工格栅返包土工袋加筋土挡墙的地震响应分析及设计建议

为了研究土工袋加筋土挡墙在地震作用下的抗震性能,开展了大型的振动台模型试验。结果表明：随着加载的持续进行,挡墙模型的自振频率降低,阻尼比增加;PGA放大系数随输入地震动峰值加速度的增大而减小,墙高对PGA放大系数的影响反倒不大。土工袋加筋土挡墙的峰值动土压力呈现“中间小,两头大”的分布规律,且墙高越高,输入地震动峰值加速度越大,峰值动土压力越大,而不同地震波形的频谱差异对土压力量值和分布的影响较小。通过数值模拟研究了坡度对土工袋加筋土挡墙力学特性的影响,认为土工袋加筋土挡墙墙后侧向土压力和筋材的拉应力随着墙体坡度的增大而增大,当墙体坡度小于1∶0.75时,侧向土压力较小;当墙体坡度大于1∶0.75时,墙后土压力迅速增加,土压力的分布图式类似呈三角形分布。筋材的拉应力沿长度方向呈单峰型分布,各层筋材的拉应力随上覆填土厚度的增加而增大,但增加的幅度逐渐减小。另外,土工袋加筋土挡墙的剪应变增量、活动区范围以及位移均随墙体坡度的增大而增大。     

不同弯矩增大系数钢筋混凝土框架结构地震易损性分析

设计3个不同柱端弯矩增大系数的钢筋混凝土框架结构模型,考虑结构材料、荷载及地震动参数的随机性,分别对其进行随机增量动力分析(IDA),以地震峰值加速度(a pg)作为地震动强度指标,结构的顶点最大位移角θmax作为结构的反应参数,得到各结构模型的IDA曲线。在IDA分析的基础上,对各结构模型进行地震需求概率分析,通过定义4个抗震性能水平,对各模型进行随机pushover分析,确定各性能水平的限值,分别对各结构模型进行易损性分析,得出各结构的地震易损性曲线。计算分析结果表明:弯矩增大系数的取值对结构的易损性有一定的影响,其取值越大时,结构在地震作用下倒塌的概率越小;在一定的范围内(0.2g≤a pg≤1.0g),当结构的塑性程度发展越大时,提高弯矩增大系数对结构抗震性能的贡献越明显;建议规范修订时可适当增加柱端弯矩增大系数的取值。     

地震动强度参数与地铁车站结构动力响应指标分析

影响地铁车站动力响应的地震动强度参数有多种,研究地震动强度参数和结构地震响应指标的关联性对地下结构抗震设计具有重要的现实意义。为了研究近场地震动作用下适用于评价地铁地下车站的地震动强度参数,以大开地铁车站为原型,基于非线性时程分析结果,通过对22个地震动强度参数与结构地震响应指标进行双对数线性回归分析,从有效性、实用性和效益性对地震动强度参数与结构地震响应指标进行分析评价。研究结果表明:以地表峰值加速度PGA为代表的加速度型地震动参数以和加速度谱强度ASI为代表的谱相关型地震动参数更适合用于研究单层地铁车站结构,适合用于预测结构在地震作用下的动力响应;顶底板层间位移角、中柱底部剪力和中柱底部弯矩适合作为预测地铁地下结构的动力响应指标。     

基于易损性曲线的RC桥墩地震损伤评估

为评估地震作用下钢筋混凝土(RC)桥墩的损伤程度,基于墩顶水平位移的损伤指标,提出了一种新的基于易损性曲线的地震损伤评估方法.建立非线性有限元分析模型,利用IDA增量动力分析得到损伤指标与PGA之间的对数线性关系,并由此获得了不同地震动强度下RC桥墩的易损性曲线.研究表明:本文所提出的地震损伤评估方法计算简单,能够有效地评估RC桥墩在不同地震动强度下的破坏状态,为震后RC桥墩的安全评估与加固提供了理论依据.     

钢筋混凝土框架结构地震易损性分析

为评估按我国现行规范设计的钢筋混凝土框架结构的地震易损性,将钢筋混凝土框架结构的抗震性能划分为四个等级,采用构件端部的塑性转角和结构层间位移角作为性能指标分别从构件层次和楼层层次对抗震性能等级进行量化。考虑地震动的随机性和结构材料强度的随机性,对285 600个结构——地震动随机样本进行弹塑性动力时程分析,形成易损性曲线,研究设防烈度、结构高度、场地类别等因素对钢筋混凝土框架结构地震易损性的影响。结果表明,层数越多,场地特征周期越长,结构在各性能水平的超越概率越大。最后,根据易损性分析结果,对多水准的抗震性能目标进行了分析,为基于性能的抗震设计提供参考。     

基于地震变形易损性的高土石坝抗震安全分析

基于性能的地震易损性分析可有效估计地震作用下结构损害,是抗震安全评估的重要方法之一。以坝顶沉降最大值和坝顶横向水平位移最大值为性能参数,通过考虑坝址区域地震情况确定输入地震动数量,并提出采用性能参数突变点确定性能水平。首先,根据糯扎渡高土石坝坝址区域地震情况合理确定输入地震动数量,并采用改进PZC弹塑性模型和动力固结有限元程序SWANDYNE II进行高土石坝动力分析。以坝顶沉降最大值和坝顶横向水平位移最大值作为性能参数,通过对60条地震动的动力分析,确定性能水平。然后采用弹塑性模型-非线性方法进行动力分析,结合MSA方法得到各性能参数地震易损性曲线。通过分析性能参数平均值和标准差的变异系数与地震动数量的关系,确定地震动数量超过30条时,性能参数的平均值和标准差的变异系数基本不发生波动。最后,以地震易损性和地震危险性曲线确定糯扎渡高土石坝的抗震安全性,成果可为高土石坝抗震性能研究提供依据。     

基于地震变形易损性的高土石坝抗震安全分析

基于性能的地震易损性分析可有效估计地震作用下结构损害,是抗震安全评估的重要方法之一。以坝顶沉降最大值和坝顶横向水平位移最大值为性能参数,通过考虑坝址区域地震情况确定输入地震动数量,并提出采用性能参数突变点确定性能水平。首先,根据糯扎渡高土石坝坝址区域地震情况合理确定输入地震动数量,并采用改进PZC弹塑性模型和动力固结有限元程序SWANDYNE Ⅱ进行高土石坝动力分析。以坝顶沉降最大值和坝顶横向水平位移最大值作为性能参数,通过对60条地震动的动力分析,确定性能水平。然后采用弹塑性模型–非线性方法进行动力分析,结合MSA方法得到各性能参数地震易损性曲线。通过分析性能参数平均值和标准差的变异系数与地震动数量的关系,确定地震动数量超过30条时,性能参数的平均值和标准差的变异系数基本不发生波动。最后,以地震易损性和地震危险性曲线确定糯扎渡高土石坝的抗震安全性,成果可为高土石坝抗震性能研究提供依据。     

木板夹芯房屋抗震性能试验研究

新疆是我国地震频发地区,在历次地震中当地的传统民居会遭受不同程度的损坏.为了解当地木板夹芯房屋的抗震性能,设计了一个1/4缩尺比例的单层木板夹芯房屋模型振动台试验,研究模型结构在各个工况作用下的结构动力特性、加速度和位移反应等.试验结果表明:在8度多遇地震(加速度峰值110gal)时,模型门窗洞口薄弱位置开裂,自振频率和刚度明显下降;在9度罕遇地震(加速度峰值620gal)时,模型上下两道木圈梁出现了明显的开裂,但木柱与墙体的横向木板连接稳固,结构整体性完好,此时模型的位移角为1/23.由此可知,木板夹芯房屋满足新疆大部分地区"大震不倒"的8度抗震设防要求.