地震动的空间变化特性分析与修正相干模型

利用空间地震动相关性描述度量如相关、相干函数分析地震动在局部尺度内的相关性随空间距离、频率的变化规律。在此基础上,基于随机场基本理论对Harichandran-Vanmarcke模型进行了修正,在原一维模型基础上考虑了空间的二维因素,并通过Smart-1台阵event-40记录给出了模型参数的具体取值。     

地震动随场地深度变化的相干性分析

目前有关地震动相干性研究基本上是限于自由场地的地面运动相干性问题。为探究地震动随场地深度变化的相干性,寻求一种适用于不同类型场地随深度变化的地震动相干函数模型,以日本KiK-net台网采集的2 679对地震动记录为基础,利用随机振动理论和数字信号处理技术对不同类型场地随深度变化的地震动相干性问题进行了研究。通过对水平向地震动分量相干函数计算值的拟合,建立了一种适用于不同类型场地的水平向地震动随深度变化的相干函数模型,并进行了参数回归分析。分析结果表明:震级及震中距(200 km)对相干函数的影响可忽略不计;剪切波速对相干函数产生较大的影响,与浅层土相比,深层土剪切波速的影响更大;水平向地震动的相干函数值随深度和频率的增大呈指数形式衰减;相较于深度的影响,频率对相干函数值衰减速率的影响更加明显。在对地震动相干函数值的估计中,场地条件是不容忽视的因素,随着场地由硬变软,相干函数值随深度的衰减愈来愈快。     

竖向地震动场的空间相干函数模型

根据台湾SMART 1台阵采集的六次重大地震的加速度数据记录,利用数字信号处理技术,对竖向地震动场的空间相干函数进行分析。按照各测点对在波传播方向上的投影距离进行分组,研究了竖向地震动场空间相干函数与它们的空间距离(投影距离)、频率的关系,发现它们随两点的距离增大而减小,且与这两点在地震波的传播方向上的投影距离有较大的关系,不具有“各向同性”的性质;它们均随频率的增大而减小。在总结前人研究成果的基础上,采用Hao提出的相干函数模型来描述竖向地震动场空间相干函数。根据实测地震数据,分别对相干函数理论表达式中的一些参数进行了拟合。结果表明,该模型具有较强的合理性和实用性。     

地震动空间变化对高压输电塔线体系地震反应的影响

通过数值模拟研究了地震动空间变化对高压输电塔线体系地震反应的影响。建立了输电塔线耦联体系三维有限元模型,考虑了输电线的几何非线性特征;在考虑地震动的行波效应、部分相干效应和局部场地效应以及多维性基础上,依据功率谱密度函数、相干函数和《电力设施抗震设计规范》模拟了空间变化地震动时程;分别研究了地震动空间变化的行波效应、部分相干效应和局部场地效应对输电塔线体系地震反应的影响。研究结果表明,地震动空间变化对输电塔线体系地震反应影响显著,忽略这些因素将会低估结构的反应。因此对于输电线路实际工程的抗震设计,需要考虑地震动空间变化效应的影响。     

地震动空间变化效应对大跨度桁架拱反应的影响

研究地震动空间变化效应对实际的大跨度桁架拱结构地震反应的影响,进行了空间变化地震动激励下结构反应的详细数值模拟。考虑了由行波效应、部分相干效应和局部场地效应引起的地震动空间变化。分析了地震动不同行波波速、相干损失和局部场地条件对结构地震反应的影响。在数值计算中,基于经验相干损失函数和《建筑抗震设计规范》定义的反应谱模拟了空间变化地震动。研究结果表明,引起地震动空间变化的每一个因素对桁架拱结构的反应都有重要的影响,在分析中忽略地震动空间变化效应可能低估该类结构的地震反应。为了准确评估结构反应并更好地进行大跨度桁架拱结构的抗震设计,模拟可靠的空间变化地震动十分必要。所获得的结果可为桁架拱结构的实际设计提供参考。     

非一致激励对三塔自锚式悬索桥地震响应的影响

作为一种新型的桥梁结构形式,三塔自锚式悬索桥的静动力性能较传统双塔自锚式悬索桥更为复杂。由于其跨越能力较大,抗震分析中地震动空间效应通常不能忽略。以某三塔自锚式悬索桥为工程背景,根据实际场地条件拟合得到空间多点地震动时程,基于时程分析法研究了波传播效应、局部场地效应、失相干效应等地震动空间效应对三塔自锚式悬索桥地震响应的影响规律。研究结果表明:非一致激励会使得主塔内力增大、主塔索鞍抗滑安全系数下降、主塔纵向加速度和变形增大、主梁内力增大。因此,对于三塔自锚式悬索桥地震响应分析时应考虑多点非一致激励的影响。进一步研究表明,非一致激励对于各构件响应的影响程度不尽相同;即使对于同一构件,不同地震动空间效应的影响规律也相差较大。综上所述,非一致激励的影响规律十分复杂,需要后续更深入地探讨非一致激励对多塔悬索桥地震响应的影响机理。     

空间地震动场的相干性研究

摘 要 地震动的空间变化受震源破裂过程、传播途径和场地条件等因素影响,目前地震动场的相干性研究大多是用台阵实测数据,不具有普适性。本文采用震源位错模型,利用数值方法模拟均匀单一介质随机地震动场的理论地震图,通过对大量计算数据的分析,研究地表地震动场的空间相干性。分析结果表明：本文数值模拟结果所反应的地震动空间相干性规律与实测数据所反应的规律基本吻合,表明本文分析方法和模型的合理性。同时空间地震动场相干性随地震波的传播方向存在各向异性,断层走向是空间地震动场相干性的重要影响因素。本文方法是对地震动场相干性具有普适性的一个尝试。     

集集地震与汶川地震、美国西部地震的近场区视波速比较

视波速是由地震动平动分量计算转动分量的重要参数,本文利用10个台站30条集集地震波加速度记录按文中所述方法得出该场地视波速,并与他人计算的汶川地震和美国西部地区的近场视波速进行了比较。比较结果表明,本文由集集地震的视波速曲线与他人用同样方法分别从汶川地震记录和美国地震记录得到的视波速大小与变化情况均有不同,这种差别会直接影响转动分量的计算精度。美国西部地区随频率增加又减小的趋势,但其他两个地区随频率保持缓慢增加。     

基于地脉动单点谱比的场地特征参数测定方法适用性研究

通过克拉玛依、浙江46个场地的地脉动单点三分向记录和两次地震的强震记录,对比了戈壁荒漠地区地脉动与地震动的H/V谱比,分析了地脉动H/V谱比卓越频率与覆盖层厚度、不同深度等效剪切波速以及特征周期之间的相关性,研究了基于地脉动单点谱比的场地特征参数测定方法在戈壁荒漠等覆盖层较薄以及东部沿海等覆盖层较厚地区的适用性,对该方法的高频、低频部分进行修正,扩展了适用频带范围。结果表明,在戈壁砂砾地区,地震动与地脉动H/V谱比的卓越频率具有很高的一致性;基于地脉动单点谱比的场地特征参数测定方法在计算场地覆盖层厚度、覆盖层等效周期时,对于东部沿海等深厚覆盖层场地会低估,对于戈壁荒漠等浅覆盖层场地会高估;对该方法修正后,适用频带范围扩展到了0.58～12.5 Hz,计算的场地覆盖层厚度、覆盖层等效周期与实测值的平均相对误差提高到了22%和27%;在0.58～12.5 Hz频带,场地V_(s20)、V_(s30)、T_(s20)、T_(s30)、T_s与地脉动卓越频率也体现出了明显的相关性,V_(s30),T_(s30)与地脉动卓越频率的相关性要大于V_(s20),T_(s20)。     

斜交简支梁桥地震碰撞反应参数分析

为研究斜交简支梁桥地震碰撞反应,采用开放式地震模拟软件Open Sees,建立能够考虑梁体与桥台间纵向碰撞、摩擦作用及梁体与挡块间横向碰撞效应的斜交简支梁桥精细化动力计算模型,分析水平地震动输入方向、竖向地震动和斜度等对斜交简支梁桥地震碰撞反应的影响规律。结果表明:忽略横向碰撞时,斜度为α的简支梁桥梁端纵向最大位移、上部结构峰值转角在水平地震动以角度θ=90°-α输入时达到极小值;考虑横向碰撞后,由于挡块的有效限位作用,梁端纵向最大位移、上部结构峰值转角会减小,竖向地震动对地震碰撞反应的数值有一定影响,但对其随斜度的变化规律没有明显影响,钝角处支座上拔力随斜度增大而增大,锐角处支座上拔力随斜度增大而减小,且支座上拔力由钝角处向锐角处逐渐减小,考虑水平地震动输入方向影响时,梁端纵向最大位移随斜度增大而增大,上部结构峰值转角、梁端纵向最大碰撞力随斜度增大呈先增大后减小的变化规律,梁体与挡块间横向最大碰撞力随斜度的增大总体变化不大。     

空间变化地震作用下钢管混凝土拱桥的抗震分析

为了研究空间变化地震作用下钢管混凝土拱桥的抗震性能,以一座钢管混凝土拱桥的实际工程为例,采用虚拟激励法对此拱桥在空间变化地震作用下的抗震性能进行了系统的理论分析。提出了考虑非一致土层分布条件下的空间三维地震动的合成方法,在综合考虑地震动的多维性、不相干效应、行波效应,特别是一致和非一致土层分布条件下局部场地效应的基础上,对钢管混凝土拱桥进行了多维多点随机振动分析。研究结果表明:场地效应会对结构产生显著的影响,软土场地会导致结构产生较大的响应,同时非一致的土层分布也会对结构响应产生不可忽略的影响;地震动的多维性,特别是竖向地震激励会对拱桥结构响应产生较大影响;在抗震分析中应考虑这些因素的影响,以免错误的估计结构的响应。     

Development of differential response spectra for lifeline seismic analysis

An important consideration in the seismic analysis and design of long lifelines is the differential ground motion at their supports, which may induce significant stresses and strains in the structure. Presented herein are empirical, closed from expressions of differential ground motions. These expressions are approximations of the analytical results obtained by Zerva et al.¹ and depend on a few parameters that vary with separation distance.

The empirical approximations, and the results of the analytical model are used as input motions in the evaluation of the dynamic response of a specific lifeline system. Axial and transverse (horizontal and vertical) motions are considered. The results of the analysis indicate that simplified expressions, such as the empirical approximations presented herein, may adequately describe the effect of differential ground motions on lifelines. Finally, the differential response spectrum, namely the variation of the maximum differential displacement in a pipeline with the natural frequency of the system, is introduced.     

Dynamic response of adjacent structures under spatially variable seismic waves

In this paper the dynamic response of a system of two structures placed adjacent to each other is studied. The force on the system consists of earthquake loading applying for its spatial variability over short distances. The spatially variable ground motion is defined and explored by two different approaches. First, the deterministic approach accounting only for effects of wave passage of surface waves and inclined body waves, and second, the stochastic (random) approach considering also degree of coherency between motions at every two points of the ground surface as a factor. Effects of the ground motions identified as above on the response of the system are examined assuming a harmonic excitation and considering type of the wave and angle of incidence of the body waves. It is shown that resonance frequency increases with closeness of structures. Moreover, for some cases depending on the distance between the adjacent structures, the structural response increases. The random approach gives more satisfactory results in this comparison study.     

钢管混凝土拱桥台阵试验研究:场地条件的影响

为了研究不同场地条件对钢管混凝土拱桥地震响应的影响规律,以某钢管混凝土拱桥为原型,设计制作1/16缩尺比例模型,依据NEHRP场地分类标准,选取符合不同场地条件的ChiChi地震波,利用多子台积木式振动台台阵系统,完成了纵向、横向、竖向、横向+纵向和横向+竖向一致地震动输入的对比试验。研究结果表明:场地条件对此类钢管混凝土拱桥响应的影响较为显著,结构响应由A类至E类场地逐类递增,结构在E类场地下的响应为A类场地的1.6倍~4.1倍;相对于水平向加速度响应,拱顶竖向加速度响应对场地条件更为敏感,场地条件对竖向加速度的放大作用要高于水平向加速度,在确定设计加速度反应谱时,如果竖向设计加速度反应谱与水平设计加速度反应谱采用相同的场地系数会使竖向加速度反应谱最大值偏小。     

近断层地震动作用下多塔悬索桥的地震反应分析

以泰州大桥为原型研究了多塔悬索桥近断层地震动作用下的地震反应特点,在此基础上以近断层地震动反应幅值与普通地震动反应幅值的比值作为放大系数,进一步研究了速度脉冲效应和场地土效应对桥塔和主梁地震反应的影响规律。分析结果表明:1) 近断层地震动作用下多塔悬索桥位移和内力的分布规律与普通地震动基本相同;2) 纵向+竖向地震输入下坚硬场地上近断层地震动对主梁竖向位移的影响最大,对主梁竖向弯矩的影响次之,对桥塔纵向位移和纵向剪力的影响相对较小。当场地土由硬变软时,边塔的地震反应增幅明显,中塔次之,主梁相对较小;3) 横向+竖向地震输入下坚硬场地条件上近断层地震动对中塔横向位移的影响最大,对主梁竖向位移的影响次之,对桥塔横向剪力和主梁横向弯矩的影响相对较小。当场地土由硬变软时,主梁的横向弯矩增幅明显,桥塔次之,主梁竖向位移相对较小;4) 在近断层地震动速度脉冲特性以及场地土固有周期特性的共同作用下多塔悬索桥边塔、中塔以及主梁的地震反应存在明显差异,在抗震设计时需要引起重视。     

基于设计地震动的覆盖层场地空间自由场构建

地震波在覆盖层场地的传播、透射及反射特性异常复杂,合理构建及表达覆盖层场地空间自由场是非一致地震动输入的关键。建立了覆盖层场地空间任一点地震动关于入射SV波、P波时程和入射角的表达式,基于地表水平和竖直两向设计地震动获得入射SV波和P波时间历程及入射角,考虑界面多次反射和土层阻尼引起的幅值衰减,构建了基岩-覆盖层场地空间自由场。与La Cienega场地实测台阵记录对比结果表明:不同深度的特征点两向地震动模拟值与实测记录符合良好,场地任意点水平和竖直地震动时程具有空间非一致性。该文提出的空间自由场构建方法为覆盖层-坝体系统非一致地震动输入提供基础。     

车辆荷载引起地面振动的实测研究

对行驶重载卡车引起的地面振动进行现场实测,从加速度峰值、频谱和振级上分析了振动的衰减情况,并用两种方法讨论了扣除背景振动的振级,然后用基于最小二乘原理的模式搜索法拟合出了振动的衰减公式。研究表明：卡车引起的振动主要以垂向为主,随着振源距离的增大,振动逐渐衰减,而且振动在较近的距离内衰减很快,高频部分几乎可以完全衰减,而低频部分的振动随着距离振源的增大,衰减相对较缓,甚至在100米处还有其残余振动。