基于能力谱法的单自由度结构易损性分析

为进行基于能力谱法的结构地震易损性分析,采用选定的250条地震波对单自由度结构进行了弹塑性时程分析和弹性时程分析,建立了结构弹塑性时程分析最大位移与Pushover分析最大位移比的平均值和变异系数与相关参数的关系式,其中Pushover分析中的需求谱采用的是按相同地震波进行弹性时程分析建立的反应谱;通过Monte-Carlo方法分析了随机结构参数下Pushover分析得到的最大位移的概率特性,给出了最大位移平均值和变异系数的表达式;采用可靠度计算理论,给出了结构易损概率的计算公式和可靠指标的简化计算公式。结果表明:提出的易损性分析方法通过Pushover分析实现了传统结构易损性分析方法需要进行大量弹塑性时程计算才能达到的目标。     

概率地震需求分析的简化方法研究

概率地震需求分析的主要工作是获得不同地震动强度水平下结构地震需求的概率分布。本文采用与结构基本周期对应的线弹性加速度反应谱Sa作为地震动强度指标,结构的位移延性为地震需求指标。通过对大量单自由度体系非线性时程分析结果的统计及回归分析,获得了在给定结构强度折减系数R、周期T的条件下,延性需求的均值和标准差的拟合公式,并建立了概率的等R延性需求谱。基于该谱,提出了简化的概率地震需求分析方法。算例分析表明,建议方法的计算结果与增量动力分析方法的计算结果接近,但计算量却大为减少。     

考虑高阶振型影响的时程分析加权调整选波方法

针对长周期结构抗震时程分析输入地震波选择问题,提出一种在较宽的周期范围内实现反应谱与目标谱一致性匹配的地震波选择及调整方法。在匹配误差指标（SSE）和地震波幅值调整系数（SF）计算中采用了加权形式的最小二乘法,引入由归一化振型参与系数确定的结构前几阶振型的权重系数,以充分考虑高阶振型对结构地震反应的不同贡献。以美国SAC Steel Project提出的20层抗弯钢框架结构为实例,以该计划提出的代表3种超越概率（即50年超越概率50%、10%和2%）的各组地震波平均反应谱作为目标谱,以这3组地震波（每组10个台站双向记录,即20条波）时程分析得到的结构最大层间位移角均值为各超越概率下的目标反应;以简单地震信息初选的小型地震波数据库（共40条波）作为备选波,选用3条、7条和10条3种地震波数量及不同排序原则的6种分组方式,将加权调整选波方法与不考虑权重的等权调整方法所得各分组地震波反应谱,以及结构时程分析结果进行比较。研究表明,加权与等权方法对估计结构反应（如最大层间位移角）均值具有相同的准确性,但在降低结构反应离散性方面,加权方法具有较大优势。此外,若任意选择地震波组进行时程分析时,采用加权方法也可在一定程度上降低结构反应计算结果的离散性。     

地面运动强度参数的选择对结构地震反应的影响研究及其现状

在基于性能的地震工程学中,采用地面运动强度参数(IM)来量化工程场地的地震活动性。一个理想的IM应该包含足够的关于地面运动特性的信息,可以将地面运动强度水平与结构地震反应水平有效地对应起来,还必须考虑到在地震工程学中,通过概率地震危险性分析进行地面运动危险性水平计算的可行性问题。因此,合理地选择IM,可以更加准确地预计在特定地震灾害环境下结构可能遭受到的最大破坏以及破坏规律,显著提高概率地震需求模型、工程需求参数危险性曲线以及易损性曲线等的精确性和计算效率。     

地震波峰值包络曲线对结构地震反应的影响

根据目标地震反应谱,采用三角级数叠加法生成有效峰值和持续时间均相同,但峰值包络曲线不相同的一系列人工地震波,运用Midas Building软件对一个6层钢筋混凝土框架结构进行地震波反应弹性时程分析。计算结果表明:地震波峰值包络曲线是影响结构地震波反应的主要因素。     

近断层脉冲地震作用下基础隔震体系动力响应

针对近断层地震作用下基础隔震体系地震响应,分析了近断层(近震)地震波的反应谱,以及远震地震波的反应谱,并进行了比较分析近断层地震和远震的能量谱,研究了近震及远震能量谱的特点,以及从隔震机理上分析了近震对隔震结构的影响。以某基础隔震结构为算例,采用相同地震的相同近断层(近震)地震波及远场地震波作为地震激励,分析了其对基础隔震结构地震响应的影响,进而探讨了基础隔震结构在近震下动力响应的特点。结果表明,近断层脉冲型地震动对基础隔震结构的地震反应有较大的影响,可能造成上部结构发生破坏,在近断层地震区进行基础隔震结构设计时,地震动的长周期脉冲效应不能忽略,应予以关注。     

隔震结构动力弹塑性分析地震记录选择的波谱分类法研究

高层隔震结构动力弹塑性时程分析地震记录选择是隔震结构地震响应分析的关键,针对地震记录选取提出基于模糊聚类算法结合地震动强度指标进行地震波子集选取的波谱分类法。首先采用动力弹塑性时程方法对隔震结构的等效单自由度简化模型和三维空间模型进行了地震加速度峰值、地震波速度峰值、地震波位移峰值、地震波速度峰值与加速度峰值之比、加速度反应谱、等效速度反应谱6类地震动强度指标与工程需求参数相关性的比较研究,确定了适合隔震结构的有效地震动强度指标。隔震整体结构工程需求参数包含上部结构层间变形、顶层加速度和隔震层位移响应。其后采用构造的地震动指标矩阵应用于地震波样本属性的表征,并基于模糊聚类算法对地震波样本进行了分类。以某15层高层钢框架-混凝土核心筒隔震结构为例,通过将未分类的地震波集合与分类地震波子集作用下结构的地震响应离散性对比研究,确认了波谱分类法在地震动筛选应用中的有效性。     

兆瓦级风力发电结构地震作用研究

近年来,国内外的风力发电发展迅速,位于地震高烈度区的风电场越来越多,风电结构的抗震设计日趋重要。然而,目前国内外还没有针对风力发电结构抗震设计的成熟标准。虽然IEC等规范给出了简略的风电结构抗震计算方法,但这些简化对于这种特殊的高耸结构是否准确合理还需要验证。为了论证IEC简化方法、底部剪力法、振型分解反应谱法等国内外的规范方法对风力发电机构地震作用评估的合理性,文中采用这些规范方法对风电结构的地震作用做了分析。选取了一组实际地震波,使它们的反应谱与规范反应谱相接近,用这一组实际地震波的反应谱对风电结构进行振型分解反应谱法计算。计算结果与规范反应谱方法很接近,说明这组地震波能够反映规范反应谱的特性。以这组地震波作为输入,用有限元方法对风电结构进行了地震作用计算。通过对规范方法和有限元方法的结果进行比较,发现规范方法在风电结构的抗震设计中是偏于保守的。     

关于双塔式直流电压发生器结构输入地震波的讨论

通过不同类型地震波激励下的双塔式直流电压发生器地震反应的对比分析,讨论选择合理输入地震波的重要性。数值结果表明:当双塔式直流电压发生器结构中各塔架的自振频率相差较大时,采用传统的正弦共振3波和共振调幅5波进行时程分析时,存在低估结构地震反应的可能性;在时域内进行双塔式或多塔式直流电压发生器结构地震反应计算时,应重视输入地震波的选择问题,建议选择多条与工程实际场地相一致的实测地震波或人工地震波作为结构地震反应计算的基底地震输入。     

某超高层建筑场地地震设计反应谱研究

场地地震设计反应谱是超高层结构抗震设计的重要依据,关系着结构设计的安全性和成本。结合某超高层设计案例,分析了不同超越概率对场地地震设计反应谱和水平加速度峰值的地震危险性概率贡献分布的影响,比较了场地地震设计反应谱与天然波平均反应谱的取值,验证了场地地震设计反应谱的可靠性。结果表明,对于超高层结构的抗震设计除考虑近场地震影响外,还应考虑远场大震影响,利用本文所述方法获得的天然波反应谱可用于结构抗震设计验算并能提高结构设计安全性。     

Probabilistic seismic response and uncertainty analysis of continuous bridges under near-fault ground motions

Performance-based seismic design can generate predictable structure damage result with given seismic hazard. However, there are multiple sources of uncertainties in the seismic design process that can affect desired performance predictability. This paper mainly focuses on the effects of near-fault pulse-like ground motions and the uncertainties in bridge modeling on the seismic demands of regular continuous highway bridges. By modeling a regular continuous bridge with OpenSees software, a series of nonlinear dynamic time-history analysis of the bridge at three different site conditions under near-fault pulse-like ground motions are carried out. The relationships between different Intensity Measure (IM) parameters and the Engineering Demand Parameter (EDP) are discussed. After selecting the peak ground acceleration as the most correlated IM parameter and the drift ratio of the bridge column as the EDP parameter, a probabilistic seismic demand model is developed for near-fault earthquake ground motions for 3 different site conditions. On this basis, the uncertainty analysis is conducted with the key sources of uncertainty during the finite element modeling. All the results are quantified by the “swing” base on the specific distribution range of each uncertainty parameter both in near-fault and far-fault cases. All the ground motions are selected from PEER database, while the bridge case study is a typical regular highway bridge designed in accordance with the Chinese Guidelines for Seismic Design of Highway Bridges. The results show that PGA is a proper IM parameter for setting up a linear probabilistic seismic demand model; damping ratio, pier diameter and concrete strength are the main uncertainty parameters during bridge modeling, which should be considered both in near-fault and far-fault ground motion cases.     

近场地震作用下型钢-混凝土组合结构桥易损性分析

考虑近场速度脉冲型地震动特征,对型钢-混凝土组合结构桥梁的地震易损性进行分析。以一座工字型钢-混凝土组合梁桥为例,从PEER数据库挑选60条近场地震动记录作为输入,对桥梁结构整体性能和局部性能两个层次的易损性进行分析,给出了桥梁结构的整体和局部地震易损性曲线。通过与远场地震作用下的桥梁结构地震易损性分析结果的对比研究,发现：近场速度脉冲型地震引起的桥梁结构整体和局部地震需求均显著大于远场地震|在近场地震作用下,桥墩是型钢-混凝土组合桥梁的最易损构件,混凝土横梁与栓钉的易损性水平低于桥墩。     

Comparison of dynamic response of isolated and non-isolated continuous girder bridges subjected to near-fault ground motions

The dynamic response of seismic isolated continuous girder bridges subjected to either near-fault or far-field ground motions is compared to the non-isolated ones. Near-fault earthquake ground motion data are collected from the 1999 Taiwan Chi-Chi earthquake. The earthquake data recorded at the same sites from other events serve as far-field ground motions. Typical three-span continuous concrete box girder bridges designed under Taiwan seismic design specifications of highway bridges are adopted for this study. These bridges are assumed straight, founded on rigid rock and only the longitudinal response is considered. Parametric studies for the dynamic responses of isolated bridges by input near-fault ground motions are developed. The PGV/PGA value of near-fault earthquake records is identified as the key parameter governing the bridge response.     

基于地震易损性解析函数的概率地震风险应用研究

在采用全概率方法的基于性能的地震工程研究中,定量反映地震作用和工程结构中存在的不确定性是研究的关键。利用地震易损性和地震风险的概率解析函数,针对一栋按我国相关规范设计的五层三跨钢筋混凝土框架结构进行了地震易损性分析和风险评估。采用100条实际地震动作为输入以考虑地震动的不确定性,提出了基于控制变换拉丁超立方体抽样技术的随机Pushover方法以考虑结构不确定性对其抗震能力的影响。结果表明：算例结构在50年内发生完全破坏的概率不超过2%,发生严重破坏的概率不超过10%,发生轻微破坏的概率基本不超过63.2%,基本满足我国“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准要求。     

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.     

抗震结构最不利设计地震动研究

在结构的抗震研究和设计中,如何选择实际的地震动记录作为输入一直是地震工程中至关重要的问题之一。首先给出最不利设计地震动的概念、确定原则及方法,然后利用估计地震动潜在破坏势的综合评价法,对四种场地类型分别给出长周期、短周期和中周期结构的国外、我国台湾地区及大陆地区的最不利设计地震动,给出的最不利设计地震动适用于特别重要的结构或地震危险性较高地区结构的抗震分析和研究。另外,根据地震动的潜在破坏势,还给出适用于一般重要性结构或地震危险性较低地区抗震验算的输入地震动。最后,通过工程结构的地震反应分析,初步验证文中所确定的最不利设计地震动的可靠性和正确性。     

跨倾滑正断层桥梁地震响应数值模拟

为揭示跨倾滑正断层桥梁的地震响应规律，以海文大桥跨断层引桥为研究对象，根据地震震级和断层参数间的关系构建了铺前-清澜断层的物理模型，并基于空间随机场模型生成该断层滑动的空间非均匀分布；采用基于断层破裂物理过程的地震动混合模拟方法生成断层两侧可能发生的最大永久位移地震动；同时，采用OpenSees建立了全桥三维动力有限元模型，分析了永久位移地震动频带、桥梁与断层相对位置、竖向地震动及减隔震方法对该桥地震响应的影响规律。研究结果表明：所采用的地震动模拟方法可以合理考虑断层断裂的复杂性，生成地震动的反应谱在短周期段和设计反应谱吻合良好，在长周期段具有显著的滑冲效应特征，可有效模拟断层两侧的永久位移地震动;在跨断层桥梁地震响应分析方面，断层错位和高频带地震动对跨断层桥梁地震响应均有较大的贡献，跨断层桥梁地震响应分析须采用具有永久位移的宽频带地震动作为地震动输入，仅采用高频带地震动或者采用断层错位进行静力分析均会低估桥墩的地震响应；而位于断层同侧的桥梁主要受高频地震动的影响，跨断层桥梁的地震响应远大于断层同侧桥梁的响应；不考虑竖向地震动会低估跨倾滑断层桥梁纵桥向的地震响应，且跨径越小竖向地震动的影响越大，在进行跨倾滑断层桥梁抗震设计时，应选取较大跨径的简支梁桥来减轻竖向地震动的影响。同时，合理的限位拉索设计可利用桥墩的抗震能力明显改善跨断层桥梁的支座变形，减小因断层错位引起的桥梁损伤。     

Statistical evaluation of the damage potential of earthquake ground motions

This study focuses on the damage potential of earthquake ground motions based on the inelastic dynamic response of equivalent single degree of freedom structures. Their yield resistances are selected in accordance with seismic design codes. An index accounting for the accumulation of damage due to inelastic excursions is used to represent structural damage. A set of 94 ground motions are employed for this analysis, which are all scaled to the same peak ground acceleration of 0.4 g. Earthquake ground motions are classified with respect to both the ratio of peak velocity to peak acceleration (V/A ratio) and their effective excitation duration. The effect of these parameters on damage potential is investigated by using sensitivity analysis and probabilistic techniques. It is concluded that both V/A ratio and effective duration significantly influence the damage potential of earthquake ground motions, although they are not represented appropriately by the spectral definitions of earthquake excitations in seismic design codes.     

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。