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。     

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。     

新抗震规范反应谱的适用性研究

对《建筑抗震设计规范》（GB 50011）反应谱的阻尼比折减系数、拟相对位移谱等进行研究以说明我国抗震规范反应谱的适用性。基于阻尼减震机理,指出较大的阻尼比除能有效地衰减结构相对位移谱值外,并不能始终如一地衰减反而会放大结构绝对加速度谱值;比较了新旧抗震规范给出的对应于各类场地条件、不同阻尼比的地震影响系数曲线的变化规律、阻尼比折减系数及拟相对位移谱;指出在利用人工地震波对长周期、大阻尼比减隔震结构进行时程分析时需注意的问题。     

近断层脉冲型地震动下位移谱阻尼修正系数

现行规范采用阻尼修正系数（DMF）调整阻尼比不同于5%时的弹性位移反应谱,然而未考虑到近断层脉冲型地震动的影响。本文选取了代表性前方向性脉冲记录,研究了矩震级、场地类别和距离对脉冲周期的影响,同时指出脉冲周期与相应伪速度谱峰值周期之间具有较好的线性相关性,然后以周期与脉冲周期比和阻尼比为双变量,采用Levenberg–Marquardt算法进行非线性回归分析,提出了能够较为准确反映数据点分布规律的DMF模型。结果表明,随着脉冲周期的减小,DMF峰值对应的周期越小,而在中长周期范围DMF越趋近于1.0;与现行规范相比,模型MDF强烈依赖于脉冲周期、结构振动周期和阻尼比,且当三者位于不同取值范围时,规范DMF过低或过高     

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。     

基于四川西昌中强震数据的区域地震动预测模型

为了探讨基于有限的本地数据建立区域性地震动预测模型的可行性,面向建设西部地震科学实验场的需求,基于中强震数据较丰富的四川西昌附近21次地震的1250条地震动,分析了区域性预测模型中距离项、震源项以及场地项的特征,标定了模型系数,建立了符合西昌地区地震动特征的预测模型。结果表明:西昌地区的地震动加速度反应谱在近场短周期的衰减速度快,而在中远场加速度反应谱衰减速率差别不大;随着震级增大,峰值加速度以及加速度反应谱随距离增加衰减速率变慢;加速度反应谱在短周期衰减速率明显快于长周期的衰减速率。与NGA模型比较表明,西昌地区的加速度反应谱在短周期与之相当,而在长周期NGA模型的预测值偏高,表明NGA模型在中长周期对四川西昌地区并不适用。与国内相关模型比较表明,西昌地区中强震在中近场会产生较大的峰值加速度以及短周期反应谱。该研究表明地震动具有显著的区域性差异,宜采用当地有限的地震动数据建立地震动预测模型。     

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。     

弹塑性 SDOF 系统的地震输入能量谱

以4种场地土条件下40条强震记录为输入,分析了弹塑性单自由度(Single Degree of Freedom,SDOF)系统的地震输入能量谱,并对地震动强度和SDOF系统参数对地震输入能量谱的影响进行了研究。结果表明:能量谱峰值主要由地震动强度决定,阻尼比和延性系数有很大影响。在长周期范围,延性系数一定时,随着阻尼比的增大,能量谱值也有所增大;随延性系数增大,能量谱值随阻尼比增加而增大的趋势有所减缓。采用归一化方法,根据能量谱的特征建议了简化三段式地震输入能量谱,并根据能量谱分析结果的统计,建议了弹塑性SDOF系统能量谱峰值和能量谱曲线参数的确定方法。     

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。     

近场地震作用下RC框架鲁棒性分析

基于地震作用下结构的受力的特征,提出构件易损性及重要性系数的改进计算方法,以此定量分析结构在近场地震作用下的鲁棒性。通过分析比较RC框架在近场有无速度脉冲两组地震动,不同强度下的构件易损性系数、重要性系数和结构鲁棒性系数,揭示了RC框架结构在近场地震作用下抗连续倒塌鲁棒性的特点,并依此提出增强结构鲁棒性的措施。研究表明：相比于层间位移角等结构的整体响应指标,鲁棒性则更能具体地反应出结构在近场地震下的状态;与近场无速度脉冲型地震动相比,速度脉冲型地震动会对结构构件的易损性与重要性造成更为明显的影响,从而降低了整体结构的鲁棒性,对结构安全存在更为不利的影响。     

不同类型近断层脉冲型地震动对框架-剪力墙结构的影响

近断层脉冲型地震动对结构有很大的潜在破坏作用。为分析不同类型该类地震动对框架剪力墙结构地震反应的影响,搜集了近断层双脉冲和多脉冲型地震动,计算了这些地震动的加速度反应谱,及其引起的一个22层钢筋混凝土框架-剪力墙结构的时程反应。对比了双脉冲和多脉冲型地震动的平均弹性加速度反应谱,及其引起框架-剪力墙结构的平均基底剪力、平均最大层间位移角、平均顶层位移和平均结构整体破坏指数。结果表明:近断层双脉冲型地震动的平均弹性加速度反应谱谱值均接近或大于近断层多脉冲型地震动;近断层双脉冲型地震动引起的框架-剪力墙结构平均基底剪力、平均最大层间位移角、平均顶层位移和平均结构整体破坏指数均不小于近断层多脉冲型地震动。由此说明,在统计意义上,当分析近断层脉冲型地震动对框架-剪力墙结构破坏作用的影响时,输入地震动可近似仅考虑双脉冲型地震动。     

强震动记录的数据处理流程：去噪滤波

强震动记录一直以来被用于工程结构弹塑性时程分析的地震动输入,其由仪器观测获得,需在使用前进行必要的数据处理工作。中国台网目前已累积了大量强震动观测记录,但始终缺乏标准化的数据处理流程,给使用者造成了诸多不便,不能最大程度发挥其科学应用价值。该文针对我国观测数据现状,提出了一套完整的面向工程应用的强震动记录数据处理流程,给出了高通滤波截止频率的选取原则,包括：记录的傅里叶振幅谱低频段须符合w²震源模型、信噪比须大于3、确保与物理分辨率一致。研究了因果滤波与非因果滤波对记录时程的影响,结果表明：这两种滤波方式具有各自特性,因果滤波会引起记录相变、而非因果滤波则会引起信号前干扰震动;针对芦山地震数据集及2017年部分观测记录,研究了这两种滤波方式对伪加速度反应谱（PSA）的影响,结果表明因果滤波引起的相变会对有效周期范围内的PSA造成计算偏差,因此建议面向工程应用的强震动记录选用非因果滤波方式。此项工作有助于指导和规范强震动记录的合理使用。     

近断层长周期脉冲型地震动对竖向反应谱的影响研究

长周期大幅值脉冲运动是近断层地震动的重要特征,也是引起结构震害的重要因素.在既有的地震动数据库基础上,筛选建立了长周期脉冲型记录的统计样本库,并构建了地震动特征参数的回归关系式.针对竖向反应谱,深入分析了竖向分量与水平向分量的加速度反应谱比值随脉冲周期和结构自振周期的变化规律,结果表明反应谱比值显著大于现行规范取值,进而采用分段线性化方法,建立了竖向反应谱比值随脉冲周期、自振周期变化的简化关系式,并对影响竖向反应谱曲线各拐点周期的特征比值进行统计分析,拟合得到了其随震级和断层距的衰减模型.     

长周期地震动的特性分析及界定方法研究

为了给长周期地震动的选取和评价提供依据及量化指标,利用Hilbert-Huang变换理论分析地震动能量特性,提出评价地震动周期特性的方法;并且对典型的常规地震动和近、远场长周期地震动的时域、频谱分布、地震动放大系数谱及周期特性进行了分析,得到了近远场长周期地震动的时频域特性及其与常规地震动的差异。在此基础上,提出用β谱曲线2到10s谱值和周期的平方加权平均值βl作为长周期地震动的界定参数;根据178条近场地震动和151条远场地震动的βl值的统计分析结果提出:βl0.4的地震动为长周期地震动,βl0.2的地震动为短周期地震动(即常规地震动),0.2≤βl≤0.4的地震动为中长周期地震动。这将为柔性桥梁抗震分析时长周期地震动的选取提供依据。     

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。     

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。     

近断层长周期脉冲型地震动对竖向反应谱影响研究

长周期大幅值脉冲运动是近断层地震动的重要特征,也是引起结构震害的重要因素。在既有的地震动数据库基础上,筛选建立了长周期脉冲型记录的统计样本库,并构建了地震动特征参数的回归关系式。针对竖向反应谱,深入分析了竖向分量与水平向分量的加速度反应谱比值随脉冲周期和结构自振周期的变化规律,结果表明反应谱比值显著大于现行规范取值,进而采用分段线性化方法,建立了竖向反应谱比值随脉冲周期、自振周期变化的简化关系式,并对影响竖向反应谱曲线各拐点周期的特征比值进行统计分析,拟合得到了其随震级和断层距的衰减模型。     

基于数字滤波技术拟合规范反应谱的地震动研究EI北大核心CSCD

在重要结构的抗震设计与分析中,常需要输入拟合设计反应谱的地震动时程。该研究提出一种基于数字滤波技术调整天然地震动记录拟合规范反应谱的方法,以设计谱频率控制点为中心确定频带数目与范围,针对各个频带利用无限冲激响应数字滤波器对强震动记录时程开展带通滤波,并以滤波所得频带分量为基函数重构地震动时程;以重构时程为种子时程,引入影响矩阵方法开展迭代计算逐步调整频带分量的幅值向量,直至时程反应谱与目标谱的拟合精度满足要求为止。选取3个不同类型设计谱为目标谱分别开展拟合计算,结果表明:该方法分解并重构的地震动时程与天然强震动记录在时域和频域的重合度均较高;可与不同设计谱实现高精度拟合,时程反应谱迭代收敛性好,且能较好地保留时程非平稳性,可为工程结构抗震设计与分析提供合适的地震输入。     

地震动持时效应对阻尼折减系数的影响

阻尼折减系数是建筑抗震设计中确定设计地震作用的重要参数之一。该文采用简谐正弦波和25条集集地震记录,基于单自由度体系不同阻尼比水平的位移反应谱研究了有效地震动持时对阻尼折减系数影响。分析结果表明:阻尼折减系数随有效地震动持时比和简谐激励循环数的增加而减小。基于分析结果的统计平均值,通过非线性多元回归分析给出了考虑地震动持时影响的阻尼折减系数谱。