适用于高层隔震结构的地震动强度指标研究

近年来,功能可恢复已逐渐成为地震工程领域的研究热点。隔震技术是实现高烈度区高层结构震后功能可恢复的重要手段。地震作用下,关键工程需求参数（主要包括上部结构最大层间位移角MIDR、顶层最大位移MRD和楼面最大加速度MFA以及最大隔震层位移MBD）是评价该类结构是否满足功能可恢复需求的重要指标。合理的地震动强度指标是预测结构响应和评价结构地震功能可恢复能力的重要基础,该研究基于4个高层隔震案例,考虑结构体系、高度、隔震方案、屈重比和地震动类型等因素的影响,评估了25个地震动强度指标与高层隔震结构关键工程需求参数的相关性。识别了与各关键工程需求参数相关性最佳的地震动强度指标,明确了综合平衡性最佳的地震动强度指标,并讨论了各因素的影响效应。该研究成果可为基于功能可恢复的高层隔震结构抗震性能的评估和设计方法的提出提供参考。     

适用于圆形隧道损伤评价的地震动强度指标研究

地震动强度指标是影响结构地震风险评估准确性的重要参数,在基于性能的地震工程研究框架中发挥着重要作用。合理的地震动强度指标可以使结构地震反应预测结果更加准确。为研究适用于圆形隧道损伤评价的地震动强度指标,该文基于整体式非线性动力时程分析方法,建立圆形隧道-围岩相互作用二维有限元分析模型,采用FEMA-P695推荐的近场无脉冲及远场地震动作为输入,并以衬砌横断面整体压缩损伤指数和拉伸损伤指数作为结构损伤指标评估衬砌损伤状态,对比分析了工程中常用的20种地震动强度指标在圆形隧道损伤评价中的适用性。研究结果表明:基于有效性、实用性、有益性和充分性判别准则,适用于圆形隧道损伤评价的最优地震动强度指标为持续最大加速度SMA,其次为加速度谱强度ASI。     

三维地震动作用下适用于高耸结构的地震动强度指标

烟囱、水塔和广播电视塔等高耸混凝土结构属于高柔的悬臂结构。现有的地震动强度指标多集中于一维或二维地震动作用下的建筑结构,而高耸混凝土结构对竖向地震极其敏感,有必要开展考虑竖向地震动作用的地震动强度指标研究。该文针对混凝土烟囱和水塔结构,提出了一种同时考虑高阶振型和周期延长效应的复合型地震动强度指标,并分别在三维远场地震动和近断层脉冲地震动输入条件下,对该指标的充分性和有效性进行分析和检验。通过和既有的15种地震动强度指标的有效性对比,发现该文提出的指标在三维条件下对这类结构具有较强的适用性。因此,该指标可作为评价高耸混凝土结构抗震性能的一个合理的指标。     

适用于我国抗震设计规范的位移设计谱方法EI北大核心CSCD

由于位移参数更能科学、直观地描述建筑结构的抗震水平,基于位移的抗震设计法已成为地震工程领域研究的热点。位移设计谱是基于位移的抗震设计方法中确定地震作用的重要参考依据,但我国现行抗震设计规范(后简称规范)中尚未有关位移设计谱的相关规定。为便于实际应用,该研究基于实际地震动位移反应谱的特征,提出一种能够适用于规范的位移设计谱法;该方法未对规范参数作任何调整,仅增加了控制点周期T_(D)和峰值地面位移(peak ground displacement,PGD)两个参数,且所增参数与规范相关参数具有一一对应的关系。鉴于基于力的抗震设计在工程实践中仍占据主导地位,该研究给出的位移设计谱可与加速度设计谱互相转化。为避免与规范矛盾,当周期小于5T_(g)(场地特征周期)时,加速度设计谱与规范加速度设计谱一致;在长周期段,位移设计谱能反映地震动平均位移反应谱的主要特征,且加速度设计谱与平均加速度反应谱吻合。试验表明,该研究工作能服务于基于位移的抗震设计方法的工程应用,为规范中设计谱相关内容的修订提供指导意见。     

地震动加加速度反应谱的概念及特性研究

加加速度是加速度关于时间的变化率,反映了结构受力变化情况。地震动加加速度及其反应谱的研究可以加强人们对地震动非平稳性的认识。阐述了加加速度的力学意义及研究价值,探讨了计算加加速度的动力学方法并对其优缺点进行了比较。建立了地震动下弹性及弹塑性加加速度反应谱的求解方法。根据场地类型、放大系数、延性系数及折减系数等影响因素对加加速度反应谱的特性进行了研究,并提出了冲击折减系数的概念。结果表明加加速度对中短周期的建筑结构作用较明显,适当提高延性将有效降低加加速度造成的冲击效应。冲击折减系数随着结构周期增大明显增大,加加速度对于长周期结构的影响一般可以忽略。     

海域地震动竖向加速度反应谱阻尼修正系数

该文提出了一个用于调整5%阻尼比海域地震动竖向加速度反应谱的阻尼修正系数(Damping modification factor, DMF)模型。基于S-net台网的5680条海底竖向地震动记录,利用DMF比值和Z检验分析了地震类型对DMF的影响,提出了考虑阻尼比和谱周期的DMF模型,与陆域DMF模型进行了对比,并获取了不同阻尼比下的竖向加速度反应谱,最后对残差及标准差进行分析。研究表明：地震类型对DMF的影响可以忽略;可用三次多项式模拟阻尼比对DMF的影响;由于海域地震动特性导致海陆DMF模型之间差异显著;阻尼比能够影响5%阻尼比反应谱1倍标准差的谱值;残差分析表明可引入矩震级、断层深度和震源距改善DMF模型的拟合度。该文提出的海域地震动加速度谱竖向DMF模型,为海域工程多阻尼抗震设计谱的确定提供了参考。     

地震动强度指标与结构地震响应的相关性研究

目前结构抗震分析时使用的地震动强度指标较多,各种地震动强度指标的适用性尚未有统一的定论,缺乏系统的分析。采用考察结构最大地震响应与地震动强度指标之间的线性相关性的方法,选取具有代表性的100条原始地震动记录作为输入,基于不同周期的SDOF系统和实际减隔震桥梁,研究各地震动强度指标与结构地震响应的相关性。根据研究结果,将地震动强度指标划分为4类,其中以Sa(T1)为代表的第Ⅰ类强度指标与不同周期结构的相关程度都较高,而以PGA为代表的第Ⅱ类和以PGD为代表的第Ⅲ类强度指标分别对短周期和长周期结构的相关程度较高,以PGV为代表的第Ⅳ类强度指标相对较稳定,建议采用第Ⅰ类强度指标作为衡量地震动强度的指标参数。并通过工程实例进一步论证了对于自振周期已知的结构,地震动的不同强度指标与结构地震响应的相关性不同。     

考虑谱形影响的地震动强度指标研究进展

合理地选择与调整地震动记录是影响结构弹塑性时程分析结果可靠性的重要因素之一。该文首先选择15条地震动记录作为输入,以基本周期T₁对应的谱加速度S_a(T₁)作为地震动强度指标来调整原始地震动记录,对一榀六层三跨钢筋混凝土平面框架结构进行了增量动力分析,分析了结构线性和非线性地震响应指标如最大层间位移角与不同周期处谱加速度值的相关性。分析结果表明,不同周期处谱加速度值与结构地震响应的相关性不同,且相关程度与结构是否进入非线性和进入非线性的程度有关。这一结果表明,由于高阶振型的影响或进入非线性阶段的周期延长效应,仅按单一强度指标如S_a(T₁)调整地震动记录对结构进行动力分析,所得结果的离散性必然较大。因此发展考虑地震动谱形特征的强度指标是进一步完善结构地震反应分析和抗震性能评估的基础。基于此,该文较为系统地对目前已提出的能够考虑谱形的地震动强度指标及其应用现状进行了综述总结,以期为我国开展合理的地震动记录选择与调整等研究提供一定的参考。     

适用于区域RC框架结构隔震韧性提升的简化模型

近年来,区域建筑地震韧性提升已逐渐成为国际防震减灾领域的研究热点。该文以典型区域建筑RC框架结构为例,综合考虑区域计算效率和精度,以关键设计指标把握能力、关键结构响应预测能力和韧性水准评价结果为核心目标,研究了适用于该类结构隔震韧性提升的简化模型。基于基本案例,首先评价了广泛使用的基于剪切梁的组合简化模型的精度,结果表明：该模型无法把握关键设计指标底部剪力比,更重要的是无法预测影响韧性水准的关键结构响应最大楼面绝对加速度。鉴于此,该文建议了一种基于铁木辛柯梁的组合简化模型,可准确把握上述关键设计指标和结构响应。以一栋既有RC框架结构为例,实现了基于该简化模型的隔震韧性提升,并用于指导该结构的隔震韧性提升实际工程设计,结果表明：该模型可较好把握关键设计指标和预测关键结构响应,且韧性评价结果与精细模型评价结果相对误差小于4.5%,而基于剪切梁的组合简化模型预测的修复费用和工时误差分别高达177%和31.5%,表明该文建议的简化模型可服务于区域RC框架结构的隔震韧性提升。     

考虑土-结构相互作用的核电厂楼层反应谱研究

楼层谱是核电厂设备、管道抗震设计和抗震裕度评估的重要依据。为了研究不同烈度下场地土对核电厂楼层谱的影响,该文使用叠层剪切土箱模拟土体及其边界条件,对某新型核电厂房进行1∶25缩尺模型地震模拟振动台实验。选取10组水平加速度地震动记录,按照运行安全地震动(OBE)0.15 g、极限安全地震动(SSE)0.30 g和超设计基准地震动(ULE)0.75 g作为输入。在考虑土-结构相互作用条件下,研究不同地震动强度引起楼层谱的变化规律,并对《核电厂抗震设计规范》中楼层谱确定方法的输入基准地震动进行讨论分析。根据设备响应比分析,揭示了现有核电设备抗震裕度评估方法具有一定的保守性,特别是设备响应比为1/1.5～1.5,采用现有抗震裕度评估方法得到的设备抗震裕度可能小于审核地震动。为了得到该设备的真实抗震裕度,建议对这些设备做更详细分析。     

超高层建筑顺风向加速度的干扰效应研究

通过刚性模型同步测压风洞试验,获得了各种干扰工况下受扰超高层建筑表面风荷载,并对不同折减风速下的超高层建筑顶部顺风向加速度响应进行计算,详细研究了不同截面宽度、不同高度施扰建筑干扰下受扰建筑顶部顺风向加速度干扰因子包络值的分布规律以及涡激共振干扰机理,并进一步分析了不同截面宽度、不同高度建筑施扰下的干扰因子包络值之间的相关特性。结果表明,由于涡激共振的影响,宽度比为0.4及0.6时的最大干扰因子包络值分别达到2.3和2.06,在工程结构抗风设计中需重点关注高度相仿但截面相对较小的施扰建筑的潜在干扰影响。在非共振情况下,随着宽度比（施扰建筑与受扰建筑截面宽度之比）的增大,放大干扰效应显著的区域越来越大,相应的最大的干扰因子包络值也呈增大趋势。高度比（施扰建筑与受扰建筑高度之比）为1.2和1.0时的干扰因子包络值之间的相关系数达到91%,当施扰建筑高度达到受扰建筑的1.2倍后,包络干扰因子的分布基本不变。     

关于瞬态应力强度因子和裂纹扩展加速度之间的关系探讨

将动态焦散线法与高速摄影技术相结合,本文记录了高分子材料悬臂梁内裂纹扩展加速、减速过程。一方面,利用动态焦散线可确定扩展裂尖的瞬态应力强度因子;另一方面,利用最小二乘法将裂纹扩展的水平、垂直位移分量拟合成时间(t)的四次多项式,描述了裂纹扩展方向、裂纹扩展加速度以及裂纹扩展加速度与动态应力强度因子的关系。结果表明:裂纹扩展加速度与动态应力强度因子之间存在一定的依赖关系;利用最小二乘法将裂纹扩展的水平、垂直分量拟合成时间(t)的四次多项式,可以对裂纹的扩展方向、加速度进行定量分析。     

基于内力的高层建筑顺风向等效静力荷载研究

该文应用振型加速度法求解高层建筑的顺风向风致随机内力响应,得到以恢复力表示的包含拟静力项和惯性力项的内力解。在此基础上提出了基于风致内力的等效静力荷载及简化分布公式。考察了目前国内外多种等效静力荷载方法的有效性,最后通过数值算例的比较说明该方法具有适用范围广、精度高、收敛快的特点。     

基于模糊神经网络爆破效果评价模型

露天矿爆破效果的好坏直接影响矿山后续生产工序和效益。为此建立一种科学有效的爆破效果评价模型,对爆破效果进行分析,然后根据分析结果指导后期矿山生产。于是基于模糊神经网络理论,选取了大块率、根底、爆破振动、延米爆破量等8个评价指标,采用10分制将爆破效果等级划分为5级,建立了爆破效果综合评价模型。选取研山露天矿实际爆破数据,利用MATLAB软件,对三种不同孔径爆破方案进行评价。评价结果表明:φ250 mm孔径爆破评价结果在Ⅱ级及以上的比例达到74.07%,效果最好;φ310 mm孔径爆破评价结果在Ⅱ级及以上的比例为50.85%,效果最差。结果表明模型分析结果与现场实际情况符合,评价结果可为矿山爆破方案制定与决策提供依据。     

田湾核电站深孔爆破震动加速度反应谱分析

在减震沟开挖前后 ,于田湾核电站 2 # 核岛结构物附近进行了深孔爆破试验 ,同时进行了爆破震动监测。根据震动加速度监测结果 ,采用单自由度体系结构动力响应分析方法 ,建立了田湾核电站2 # 核岛结构物的爆破震动加速度反应谱 ,并作出了抗爆破地震设计反应谱。     

基于ICM法的高层建筑大型支撑体系拓扑优化

提出应用连续体结构拓扑优化ICM法对高层建筑大型支撑体系进行拓扑优化。针对高层建筑规范对结构刚度限值是以层间相对位移差形式给出、并结合结构拓扑优化特点,推导了相对位移差敏度分析的伴随法公式,有效提高了计算效率。应用ICM法建立位移约束下结构重量极小化的优化模型,与高层建筑规范对结构刚度限值要求的提法更符合,得到的最优拓扑完全满足规范要求。所提方法应用在概念设计阶段,提供了一种自动化的分析计算及优化设计工具,可以有效地弥补基于经验设计的不足。     

高层建筑中利用竖井进行排烟的可行性分析

从理论和模拟两方面论述了利用竖井进行排烟的可行性。研究结果表明,影响竖井排烟效果的主要因素是进入竖井的烟气温度和外部力(包括外界空气的热阻力和竖井壁的粘性力),并且两者对烟气流动的作用相反,前者加快烟气运动,后者减缓烟气运动。最后提出,通过对竖井的合理设计,可以增大热烟气的动压,达到理想的排烟效果。     

运行列车引起高层建筑物振动的试验研究及数值分析

通过现场试验和数值分析的方法对运行列车引起的铁路线附近高层建筑物振动特性及其影响因素进行了研究。结果表明:列车引起的建筑物振动属于低频振动,且在软土场地上产生的振动比在硬土场地上的大;建筑物的振动水平随楼层的上升呈曲折分布,楼板的竖向振动大于横向振动;各楼层的振动随列车速度的提高而增大;货物列车因其荷载较重引起的振动比客车大;建筑物整体刚度的变化会对楼层的振动产生影响,且对竖向振动的影响比横向要复杂;距离轨道中心线越近,建筑物楼板的振动就越大。