汶川余震加速度记录的反应谱特征研究

利用584组汶川余震Ⅱ类场地加速度记录,研究震级、震中距对水平向反应谱形状的影响以及竖向反应谱与水平向反应谱的差异。研究表明:①震中距较大时,幅值相同的水平地震动反应谱形状受震级影响较大,震级越大,反应谱峰值越小,峰值周期越大;②竖向与水平向反应谱平均比值V/H与震级相关,V/H值随震级增大有增大趋势,规范中V/H取值应考虑震级影响;③震级较大且距震中较远时,竖向与水平向反应谱平均比值V/H在长周期段大于规范规定值2/3,离震中越远,V/H值越大。     

基于汶川地震记录及遗传算法的加速度设计反应谱

现行加速度反应谱的长周期段太短且其取值出现需要抬高和降低两种大相径庭的研究结论;反应谱的特征周期(T_g)与动力放大系数(b)取值也存在争议。该文从中国国家强震动台网中心（CSMNC）数据库中筛选汶川地震主震记录421条,根据地面运动峰值加速度、场地和地震分组对地震记录进行分类,计算常规地震记录与长周期地震动记录的反应谱,与规范反应谱对比。同时,基于遗传算法和a_max-T_g四阶段拟合模型,利用得到的地震记录进行设计反应谱拟合,并对设计反应谱拟合模型的各种参数进行标定和校验,对规范设计谱的主要特征参数给出修正建议。研究结果表明：常规地震动计算得到的反应谱长周期段的值比规范设计反应谱要低,而长周期地震动反应谱的长周期段的值比规范设计谱要高,揭示了两种不同研究结论的根源;拟合得到的加速度设计谱与实际反应谱吻合程度要好于规范设计谱;说明了补充长周期地震动设计反应谱的必要性,为规范设计反应谱的修订提供参考。      

长周期地震动影响因素及频谱参数研究

依据日本防灾科学技术研究所(NIED)地震动数据库的宽频数字记录,统计地震波的傅立叶谱平均周期Tm和加速度反应谱平均周期Tr,分析长周期地震动的主要影响因素;并根据Tm的双拐点震源谱衰减计算式,统计分析地震动峰值加速度和峰值速度比xa/v与Tr之间的关系。结果表明,场地、震中距和震级是形成长周期地震动的主要因素,Tr适合用来评价长周期地震动,Tr和xa/v呈幂指数衰减,并分别给出了震级为6.1、7.2和9.0的三次地震的拟合系数。     

盆地场地远场长周期地震动输入的确定

盆地场地的长周期结构在远场长周期地震动作用下震害明显,目前国内设计规范尚未将低幅值的远场长周期地震动记录纳入统计范围。研究盆地场地远场长周期地震动输入方法,可用于国内盆地建筑的抗震补充验算。文中针对日本沉积盆地台站地震动记录数据进行统计,拟合出盆地效应与沉积层厚度的关系曲线。结合国内板壳内地震下的基岩地震动衰减关系、盆地效应与沉积层厚度关系曲线以及局部工程场地放大作用,给出适用于国内的盆地场地远场长周期地震动输入方法。基于渭河盆地内的西安市区以及周边地震环境,进行了远场长周期地震动输入方法的案例分析。分析结果表明：盆地效应对加速度反应谱的放大作用和对地震波到达时刻的影响,均随盆地沉积层厚度的增加而变得更显著。文中方法综合考虑了震源分布、震级、震中距、盆地效应和局部工程场地的影响,可用于估计国内盆地场地远场长周期地震动加速度反应谱及其地震动时程,其模拟的加速度反应谱与地震动时程符合实际远场长周期地震动记录的特征。     

近场区竖向地震动对钢筋混凝土框架结构抗震性能的影响

对竖向地震动进行统计分析,采用与水平地震动相比较的方法来间接反映竖向地震的特性。对断层距、震级、场地条件、震源机制进行分类,考察诸因素对加速度峰值比的影响。分析断层距对加速度反应谱比的影响,在近场区及短周期段,竖向地震动伪加速度反应谱值大于水平方向的谱值,远大于规范中所采用的0.65的系数。采用OpenSees程序对一地震模拟振动台的框架试验结果进行分析,验证了分析方法的可行性。8层钢筋混凝土框架结构的非线性动力分析表明,在竖向和水平地震动共同作用下,近场区钢筋混凝土框架柱的承载能力可能由拉-弯和拉-剪受力状态控制。     

考虑场地条件的高层建筑长周期地震反应特征分析

长周期地震动与长周期结构的地震反应是近年工程中研究的热点。本文首先选取了一个典型的含有软弱夹层的II类场地模型,分别输入普通与长周期的基岩记录,计算场地表面地震动及反应谱,并与标准Ⅱ类场地反应谱进行了对比,研究这类场地条件对长周期地震动的影响。再以某一典型长周期高层框架-核心筒结构为背景,分别以这三种地震动作为结构输入,采用SAP2000有限元分析软件,进行结构地震反应分析。研究结果表明:软弱夹层场地减弱了输入的普通地震波加速度峰值,但对其作用下的长周期建筑结构存在不利影响;此外,软弱夹层场地放大了长周期地震动的长周期成分,与上部结构发生共振,使得上部结构的地震反应剧烈。     

远场长周期地震动反应谱拐点特征周期研究

研究远场长周期地震动反应谱两个拐点周期的统计特征以及主要因素的影响规律。考虑震中距、震级和场地类型不同,筛选长周期成分丰富的破坏性浅源强震数字化记录,通过反应谱分析,基于Newmark-Hall模型计算加速度反应谱第一下降段特征点周期和第二下降段特征点周期,分析特征周期的变化规律。结果表明：第一下降段特征点周期和第二下降段特征点周期随震中距和震级的增大而增大,场地类型对第一下降段特征点周期有显著影响,而对第二下降段特征点周期的影响不显著;震中距和震级与第一和第二下降段特征点周期的秩相关性处于中等偏弱水平,表明该两个特征点周期随震中距和震级而变化,采用单一的震中距和震级估算设计反应谱的特征点周期,并非可靠;第一和第二下降段特征点周期的线性相关性为中等偏弱水平,现有规范以第一下降段特征点周期估算第二下降段特征点周期的线性模型并不适用于长周期地震动反应谱。考虑震中距、震级和场地类型的综合影响,给出了长周期地震动反应谱第一和第二下降段特征点周期的计算模型;依据四类场地上的统计平均值,给出第一和第二下降段特征点周期建议取值,可供规范修订时参考。     

长周期结构地震反应的特点与反应谱

讨论长周期结构地震反应的特点,分析我国建筑抗震设计规范中反应谱存在的主要缺陷。对反应谱进行人为的改变,会导致地震动特性的失真。我国规范反应谱的长周期段由于人为的调整,改变了地震动的统计特性,导致加速度反应谱对应的功率谱在长周期段异常,也导致长周期结构在地震作用下的计算位移偏大。抗震规范所规定的最小地震剪力系数仅与地震影响系数的最大值α_max相关,而与场地类别无关,有悖于软土场地上结构地震反应大于硬土场地上地震反应的一般规律。由加速度谱S_a、拟速度谱S _v和位移谱Sd之间的拟谱关系,给出了具有较长周期段(T延长至约10 s)的反应谱建议,可供规范修订时参考。工程算例表明,依据建议的反应谱进行结构的位移验算是可行的。     

基于总输入能量谱与瞬时输入能量谱的设计谱修正

地震动中的长周期成分对长周期结构的影响不容忽视,现行的设计反应谱为了保证长周期结构抗震设计具备保守性,人为增大了特定频段和特定场地条件的谱值。针对目前设计谱的不足,依据线性单自由度体系的地震动总输入能量谱和瞬时输入能量谱,对规范反应谱5Tg～6s直线下降段提出调整方法。从具有速度 脉冲特征的长周期地震记录中选出能量谱值最大的地震记录加以说明,得到修正后的加速度谱与相应的拟速度谱和位移谱。建议的反应谱修正方法综合体现了总输入能量与瞬时输入能量的特征,对于工程结构设计具有重要的理论意义和实用价值。     

长周期地震动输入下某超限高层结构反应分析——以汶川地震和日本东北地震记录为例

由于长周期地震动记录相对缺乏,国内外对长周期地震动作用下高层结构的地震响应研究尚不充分。选取2008年汶川地震和2011年日本东北地震中长周期分量明显的3组地震动记录,首先对其绝对加速度放大系数谱和相对位移反应谱的特性进行研究;进一步以某超限高层结构为研究对象,同时以这3组地震动记录为输入,分别进行了8度多遇地震作用下的弹性分析和罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,提取了结构的主要地震响应指标,并与相应水准El Centro地震动记录输入下的分析结果进行了比较。对比结果表明,长周期地震动输入下结构的地震响应指标如水平最大位移和最大层间位移角明显大于普通地震动记录输入下的响应指标,因此长周期地震动对超限高层结构的影响应引起足够的重视。     

长周期地震动及其在超高层建筑抗震校验中的应用

长周期地震动是由长周期面波叠加放大所形成的长持时地面运动,其孕育条件为大型沉积盆地和远距离大震级地震。长周期地震动作用下的超高层建筑震害明显。简要介绍长周期地震动的震害特点以及国内地震带、大型沉积盆地的分布特点。梳理国内外长周期地震动研究成果和关注热点。给出适用于国内的长周期地震动应对思路。探讨校验长周期地震动的形成、应用,以及超高层建筑响应控制流程。结果表明：国内较多城市有长周期地震动的孕育条件;国内工程界对长周期地震动的研究主要集中在地震动的长周期分量,而不是长周期地震动本身;对按照现行规范设计后的超高层建筑补充长周期地震动的校验分析是较为可行的思路;国内部分区域的超高层建筑有针对长周期地震动进行校验的必要。     

我国抗震设计规范设计反应谱及谱阻尼折减系数研究

在标准加速度反应谱基础上,研究并建立符合强震反应谱统计特征的谱阻尼折减系数是建立长周期、大阻尼比反应谱的一种实用方法。首先研究总结强震反应谱的统计特征,据此对我国建筑物、构筑物、核电厂、公路桥梁、工业企业电气设备等结构的抗震设计规范反应谱及谱阻尼折减系数的合理性进行定性研究,对已有改进抗震规范谱方案的合理性进行分析。结果表明：周期10 s内的相对位移反应谱值和相对速度反应谱值随阻尼比增大而减小,而绝对加速度反应谱值随阻尼比增大既可能增大也可能减小;我国各类结构抗震设计规范谱阻尼折减系数计算方案不甚合理;对规范谱及由有关学者提出的改进方案谱进行转换仅能得到适用范围有限的拟相对位移反应谱。     

建筑物三维分析模型及其用于结构地震反应分析的可靠性

日本理化学研究所地震防灾研究中心与加拿大英属哥伦比亚大学的研究人员合作,共同开发和进一步发展了用于研究结构物地震反应的三维分析模型,并采用该模型编制了计算机程序,用于模拟结构物的地震反应,研究地震破坏机理.运用该分析模型的建模方法和对一设有地震仪的钢筋混凝土框架建筑物进行了分析.通过将分析结果与该建筑物在1994年Northridge地震中的记录和损伤情况进行比较,验证了作者所开发的三维分析模型和计算机程序的可靠性.     

最小地震剪力系数对隔震结构抗震性能的影响

最小地震剪力系数是隔震结构设计的关键控制因素之一。对等效周期为2~6s的单质点隔震体系在远场地震动（FF地震动）、近场含脉冲地震动（NFWP地震动）和近场不含脉冲地震动（NFWNP地震动）作用下的剪力系数分布特点进行分析,并将其与规程中有关最小地震剪力系数的相关规定进行对比,探寻在不同抗震设防烈度下,不能满足最小地震剪力系数的隔震结构的等效周期范围。以位于我国抗震设防烈度8度区的某隔震结构为例,采用三种不同的设计地震剪力取值方法,设计了6种不同的结构模型。通过模型的弹塑性时程分析,比较了地震动的近远场特性对各模型抗震性能的影响,及其在罕遇地震作用下的性能差异。分析结果表明：地震动的近远场特性对隔震结构的楼层设计剪力影响较大;对不满足最小地震剪力系数要求的隔震结构,采用放大设计地震剪力使其承载力满足最小地震剪力系数的方法,能够有效提高其抗震能力;不考虑最小地震剪力系数对结构设计地震剪力的限制,采用结构的实际地震剪力需求进行设计的隔震结构能够满足地震作用下的承载力和层间位移限值要求。     

Seismic hazard analysis in low and moderate seismic region-Korean peninsula

In low and moderate seismic regions, seismic activities have not been well defined. Unexpected large future earthquakes might occur in these regions, and structures can be severely damaged and collapsed since most structures in these regions were designed by considering only gravity loads. The objective of this study is to construct a uniform hazard response spectrum (UHRS) and to generate synthetic uniform hazard ground motions at a site with low and moderate seismicity for evaluating seismic performance of structures located at the site. The Seoul city hall was chosen as a site to simulate ground motions and construct a UHRS. To achieve this objective, this study simulates the epicenters and magnitudes of future earthquakes within 50,000 years based on those of past earthquakes recorded during the last 614 years. This study assumes that the site is affected only by earthquakes that occur within 100 km from the site. For 50,000 years, 36,645 earthquakes occur on the Korean peninsula, of which 4288 occur within 100 km of the selected site. Thus, 4288 ground motions are generated at the site considering earthquake attenuation and soil profiles at the site. Then uniform hazard response spectra (UHRS) are constructed at the site for 10% and 2% probabilities of exceedance over the next 50 years. This study also selects 10 ground motions for a response history analysis of structures, which best fit the UHRS.     

长周期抗震设计反应谱衰减指数与阻尼修正系数研究

对基于地震惯性力的绝对加速度谱和基于滞回恢复力的拟加速度谱进行差异解析,分析了长周期地震动拟加速度谱的衰减指数及其阻尼修正系数谱的变化规律。筛选长周期分量丰富的破坏性浅源强震数字化记录,通过弹性反应谱分析研究拟加速度动力放大系数谱的特征周期、两个下降段的衰减指数以及阻尼修正系数。分析结果表明：基于结构承载力的抗震设计谱应以基于滞回恢复力的拟加速度谱进行标定,以基于惯性力的绝对加速度谱标定对大阻尼比长周期结构的抗震设计偏于保守。拟加速度谱与绝对加速度谱在长周期段的衰减规律不同,大阻尼比长周期段拟加速度谱衰减速度较快。阻尼比0.05的标准抗震设计谱在第一和第二下降段采用形式简单的1/T和1/T²的规律衰减是合理可行的,无需通过修正衰减指数获得基于拟加速度的大阻尼比抗震设计谱。长周期地震反应谱的动力放大系数有显著的场地效应,以Ⅱ类场地为参考,Ⅰ~Ⅳ类场地效应系数分别取0.9、1.0、1.1和1.2较合适。地震动长周期分量对结构阻尼修正系数有很大的影响,基于拟加速度谱与绝对加速度谱的阻尼修正系数在长周期段有显著的差异。结构算例验证了长周期结构建议设计谱的衰减指数与阻尼修正系数取值的合理性。     

Finite element model development,validation and probabilistic seismic performance evaluation of Vincent Thomas suspension bridge

Based on recent findings, the main span of the Vincent Thomas suspension bridge crosses directly over the Palos Verdes fault, which has the capacity to produce a devastating earthquake. In spring 2000, the bridge underwent a major retrofit using visco-elastic dampers. This study focuses on seismic vulnerability of the retrofitted bridge. Three-dimensional member-based detailed and panel-based simplified finite element models of the bridge are developed. In order to show the appropriateness of these models, eigenproperties of the bridge are evaluated and compared with the system identification results obtained using ambient vibration data. In addition, a model validation is performed by simulating the dynamic response during the 1994 Northridge earthquake and comparing with the measured response. Finally, considering a set of strong ground motions in the Los Angeles area, nonlinear time history analyses are performed and the ductility demands of critical sections are presented in terms of fragility curves. The study shows that a ground motion with peak ground acceleration of 0.9 g or greater will result in plastic hinge formation at one or more locations with a probability of exceedance of 50%. Also, it is found that the effect of dampers is minimal for low to moderate earthquakes and high for strong earthquakes.     

Effects of soil-foundation-structure interaction on seismic structural response via robust Monte Carlo simulation

Uncertainties involved in the characterization and seismic response of soil-foundation-structure systems along with the inherent randomness of the earthquake ground motion result in very complex (and often controversial) effects of soil-foundation-structure interaction (SFSI) on the seismic response of structures. Conventionally, SFSI effects have been considered beneficial (reducing the structural response), however, recent evidence from strong earthquakes has highlighted the possibility of detrimental effects or increase in the structural response due to SFSI. This paper investigates the effects of SFSI on seismic response of structures through a robust Monte Carlo simulation using a wide range of realistic SFS systems and earthquake input motions in time-history analyses. The results from a total of 1.36 million analyses are used to rigorously quantify the SFSI effects on structural distortion and total horizontal displacement of the structure, and to identify conditions (system properties and earthquake motion characteristics) under which SFSI increases the structural response.