不同地震动作用下高层结构响应比较研究

近年的大地震中,远离震中的高层建筑在长周期地震动作用下响应强烈。研究以高层钢筋混凝土结构为对象,选取不同频谱特征的地震波,分别以加速度标准化和速度标准化两种方式调幅进行弹塑性时程分析。结果表明:加速度峰值相同的条件下,长周期地震动对高层结构影响更大,且结构响应受位移控制,速度和能量与高层结构的地震响应关系密切。     

脉冲型地震动对隔震框架结构地震位移反应的影响分析

脉冲型地震动有着不同于一般地震动的特征。采用Seismo Struct建立某12层钢筋混凝土框架隔震结构模型,以集集地震中36条脉冲型地震动作为输入对其进行动力时程分析,分析了隔震结构的支座位移、楼层最大位移、层间位移等位移反应,研究位移反应与脉冲型地震动参数(峰值加速度、峰值速度、峰值速度与峰值加速度的比值、Arias强度、Housner强度、速度脉冲周期与自振周期的比值)的相关性。结果表明,峰值速度PGV和强度类指标HI与隔震结构位移反应的相关程度显著,建议增加PGV为隔震框架结构抗震设计选用地震动提供依据。     

高层隔震结构在长周期地震动作用下的响应分析

将地震波进行经验模态分解(EMD)求得固有模态函数(IMF)并做希尔伯特-黄变换,求得地震动记录的累积能量谱以及边际谱。通过边际谱的平均特征周期或β谱2~10 s的加权平均值的定量方式区分出普通地震动和长周期地震动。为了考察高层隔震结构在长周期地震作用下的响应,建立一有实际工程背景的基础隔震的高层建筑模型;输入经过长周期地震波和反应谱与规范反应谱相符的地震波进行时程分析,比较两者作用下结构响应的异同。分析结果表明:定量的方式可以区分长周期地震动和普通地震动,将经过区分的长周期地震波作为输入,算例在长周期多遇地震及罕遇地震作用下,底部固定高层结构和高层隔震结构的楼层剪力平均值、层间位移角以及高层隔震结构的隔震层位移均较与反应谱相符的地震作用下大,隔震层位移的增大尤其明显。从隔震系数和层间位移角而言,长周期地震作用下的隔震效果较差。符合规范反应谱的时程分析表明该高层隔震结构本身隔震性能良好,上部结构性能接近大震弹性。因此高层隔震结构在等值PGA的输入下,长周期地震作用下,高层隔震结构在小震和大震下都很难满足设计要求,对于存在长周期地震动风险的情况下,需要开发适合于高层隔震结构的隔震体系。同时,拟输入地震动为长周期地震动时,等值PGA不是一个合理的指标。     

粘滞阻尼减震SDOF体系的地震响应与地震动强度指标相关性研究

为了准确预测和分析粘滞阻尼减震结构的地震响应特性,需选用合适的地震动强度指标控制地震动的输入。本文建立了粘滞阻尼减震双线型SDOF体系的计算模型,选取了22条远场地震波,通过非线性时程分析计算了结构的地震响应,详细分析了粘滞阻尼减震SDOF体系的地震响应与18种地震动强度指标的相关性,提出了计算结构的综合地震响应与地震动强度指标相关性的理论公式。研究表明,在0.1sT0.6s周期段,结构的综合地震响应与地震动的峰值加速度PGA相关性较高,建议选用地震动的峰值加速度PGA作为粘滞阻尼减震结构抗震分析用地震动强度指标;在T=0.6~2s周期段,结构的综合地震响应与地震动的峰值速度PGV相关性较高,建议选用地震动的峰值速度PGV作为粘滞阻尼减震结构抗震分析用地震动强度指标;在2sT6s周期段,结构的综合地震响应与地震动的第一周期谱速度Sa相关性较高,建议选用地震动的第一周期谱速度Sa作为粘滞阻尼减震结构抗震分析用地震动强度指标。     

不同震源机制的近断层脉冲型地震动频谱特性及强度指标研究

将不同场地类别和震源机制上的118条近断层地震记录进行分类,基于基础隔震结构的双自由度体系简化模型,利用状态空间法及四阶龙格-库塔法对结构的弹塑性反应谱进行求解,研究了场地类别和震源机制对反应谱频谱特性的影响。通过分析近断层地震记录的3个强度指标与基础隔震结构最大弹塑性响应的相关性,探讨了基础隔震结构地震反应分析时强度指标的选取问题。结果表明,三种场地类别条件中,速度反应谱规律不明显,但逆断层地震动的平均加速度反应谱和逆斜断层地震动的平均位移反应谱均最大。场地类别和震源机制不同,地震动强度指标与结构响应的相关程度不同。因此在进行近断层脉冲型地震动作用下基础隔震结构地震反应分析时,建议考虑结构所在场地及地震动的震源机制后采用不同地震动强度指标来选择和调整地震动输入。     

峰值位移输入对单自由度体系地震反应的影响

在加速度反应谱与峰值速度不变的条件下,研究输入地震动峰值位移对单自由度体系动力反应、尤其是弹塑性动力反应的影响。利用在时域内叠加窄带时程的方法合成加速度反应谱和峰值速度相同而峰值位移相差1倍的两组人工地震动时程,按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的要求,将合成的输入地震动采用不同设防烈度多遇地震的峰值加速度标定,进行体系的弹性分析。结果显示,输入地震动峰值位移的变化对弹性动力反应基本无影响。将输入地震动采用相应烈度罕遇地震的峰值加速度标定,并以上述多遇地震作用下弹性最大位移反应作为罕遇地震作用下结构弹塑性分析的屈服位移,进而分析输入地震动峰值位移变化对弹塑性动力反应的影响规律。结果表明:峰值位移的增大将会明显增大中长周期结构弹塑性位移反应和速度反应,这种放大效应对位移反应尤为显著,其规律在不同设防烈度区具有一致性,即随着设防烈度的提高,输入地震动峰值位移的增大引起的大部分中长周期结构弹塑性位移及速度反应的放大效应减小。因此,在进行结构动力分析时,应充分考虑输入地震动峰值位移变化对计算结果的影响。     

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。     

基于系列地震试验基础隔震结构的减震性能及地震波参数的影响研究

为了研究基础隔震结构的减震性能及地震波参数的影响,对1个基础隔震结构模型进行了一系列工况的振动台试验。以隔震结构的减震率为指标,分析近场和远场地震下其减震性能的变化,研究相同地震动强度下平均周期、卓越周期、地震动峰值速度与峰值加速度之比、断层距和地震波方向对其减震性能的影响,分析不同地震动强度和多维地震输入下其减震性能的变化,探讨系列地震下其减震性能的退化。研究结果表明,与远场地震相比,近场地震下基础隔震结构模型的减震率相对较低,其减震性能相对较差;地震波参数中卓越周期、断层距和地震动峰值速度与峰值加速度之比及地震动强度对其减震性能的影响明显,宜作为隔震结构减震性能的主要影响因素;系列地震试验表明铅芯橡胶支座具有良好的抗性能退化能力,可以确保隔震结构的减震性能的稳定性。     

基于汶川地震记录的地震动强度指标与SDOF体系响应的相关性

选择2008年5月12日汶川地震四川台站中峰值加速度值大于200Gal的18组水平地震动记录,对周期为1.0s、阻尼比为5%的双线性SDOF体系,利用时程分析方法分别计算其有代表性的地震响应指标,如加速度、速度和位移,利用统计分析方法研究不同地震动强度指标,如峰值加速度、累积绝对速度、Arias强度、速度谱强度、加速度谱强度、均方根加速度、特征强度及Housner强度等与线性、非线性响应最大值的相关性。结果表明,不同地震动强度指标与SDOF体系最大响应的相关性差别很大,其中速度谱强度、Housner强度与SDOF体系最大响应的相关性较好,而加速度谱强度、峰值加速度与SDOF体系最大响应的相关性较差。另外,速度谱强度和Housner强度对SDOF体系非线性最大响应的相关性明显好于其对于线性体系最大响应的相关性。因此,对传统的基于峰值加速度选择和调整时程分析输入地震动记录的合理性及可靠性需进一步探讨。     

地震动强度指标选取对IDA结果的影响

增量动力分析(IDA)方法是种基于弹塑性时程分析的参数分析方法,可以反映出结构在地震作用下的动态特性、抗震性能等特性。本文以一栋钢筋混凝土框架结构为例,选取地震动峰值加速度、阻尼比为5%结构自振周期对应的加速度谱值、地震动峰值速度作为地震强度指标,比较分析了不同指标参数对IDA结果的影响,表明以谱加速度数值为指标参数时,评测结构的倒塌性最保守。     

Shaking table test of super high-rise structure on liquefied ground

为了研究液化地基上超高层结构在地震作用下的动力特性和动力响应,设计了液化场地超高层结构模型,并对其进行振动台试验。分析了超高层结构的自振频率、阻尼比、振型、加速度响应、位移反应、结构顶层加速度响应组成和地基孔隙水压力。结果表明：随着加速度峰值的增大,结构的自振频率下降,阻尼比增大;由于结构刚度变化不大,结构振型曲线的形状变化不明显;结构的动力响应不仅与输入地震波的加速度峰值有关,还与地震波的频谱特性有关;结构顶层的加速度反应主要由结构弹塑性变形加速度分量组成,其次是基础转动引起的摆动加速度分量和平动加速度分量;当地震波加速度到达第1个峰值时,砂土层的超孔隙水压力存在负值。     

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.     

汶川地震动衰减特性及其大跨高墩连续刚构桥的地震响应规律

为分析不同断层距下,汶川地震动对大跨高墩连续刚构桥的作用效应演变规律,收集了全国129个汶川主震地震台站记录。从工程地震学角度,分析了汶川地震动记录强度指标的衰减特性,总结了PGA、PGV和反应谱的衰减规律。以庙子坪大桥主桥为工程背景,构建了两类不同墩高形式的大跨连续刚构桥梁样本组,对两类桥梁自振周期的代表值进行了对比讨论和分析|基于反应谱分析,拟合得到两类桥梁响应谱随断层距变化的峰值响应曲面,讨论了不同断层距,大跨高墩连续刚构桥的响应特点。研究表明,不同断层距的大跨高墩连续刚构桥梁的地震响应具有明显差异,近断层地震响应明显强烈。研究成果可为大跨高墩连续刚构桥的桥墩布置形式和桥址选择提供借鉴和参考。     

超高层结构地震位移及剪力响应峰值时滞效应研究

近年结构震害表明,超高层结构在远场地震动作用下出现了楼顶长时间大幅值晃动现象且时滞效应明显,其中大幅值晃动造成非结构构件破坏严重,现行设计方法对地震作用下超高层结构大变形的控制还有不足。因此,文中简要分析了结构响应峰值机理,对长周期结构进行了近场及远场地震波作用下的时程分析,研究了长周期结构响应峰值与地震波中和结构基本周期对应频率的脉冲族之间的相关性,讨论了结构弹塑性对超高层结构响应峰值时滞特征的影响。结果表明：超高层结构与地震波中对应频率的脉冲族产生类共振是引起结构大幅值晃动的主要原因,仅基于加速度反应谱拟合精度选出的地震波不能较好预测超高层结构的大变形;类共振出现在地震波衰减段时会引起时滞效应;结构弹塑性引起的刚度退化会影响结构响应峰值及其出现时刻。     

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.     

地震基岩面的选取对深厚场地地表地震动参数的影响

地震基岩面的选取对场地设计地震动参数取值的合理性有重要影响。以苏州城区的钻孔剖面为研究对象,选取剪切波速介于400~800 m/s的9个土层顶面作为地震基岩面,采用等效线性方法考虑土的非线性特性,采用一维波传法分析地震基岩面的选取对地表地震动特性的影响。结果表明:1地表峰值加速度PGA随地震基岩面剪切波速的增大而增大,PGA的增大幅度随输入地震动强度的增大而减小;2地表加速度反应谱放大系数?谱谱值也随地震基岩面土层剪切波速的增大而增大,且?谱谱值随输入地震动强度的增大而减小;对于中强地震的近场地震动作用,基岩面深度对周期小于1.0 s的?谱谱值的影响较大;而对于特大地震的远场地震动作用,基岩面深度对周期小于4.0 s的?谱谱值均有较大影响;3远场地震动作用时的?谱谱值明显大于近场地震动作用的?谱谱值;4取剪切波速不小于700m/s的土层顶面为地震基岩面较为适宜。     

梁式桥抗震设计的近场地震弹塑性反应谱

依据国内外规范对近场地震动的定义,收集了215条近场地震动,进而对近场地震弹塑性反应谱（加速度谱、位移谱、残余位移谱、强度折减系数谱）进行参数影响研究,得到地震动特性（地震震级、场地土质、PGA）和恢复力模型动力参数（不同恢复力模型、屈服后刚度比、阻尼比、位移延性系数）等因素对近场地震弹塑性反应谱的影响规律。与中远场地震弹塑性反应谱相比较可知：①Ⅰ~Ⅲ类场地近场地震弹塑性加速度谱的下降段较缓,Ⅳ类场地弹塑性加速度谱的敏感区更宽|②Ⅰ~Ⅲ类场地近场地震弹塑性位移谱的谱值相比Ⅳ类场地的谱值更大。在此基础上,建立了与我国桥梁抗震设计规范场地类型相对应的近场地震弹塑性反应谱,可用于近场地震下的桥梁抗震设计,并可为后续的近场地震能力谱法的研究提供近场地震需求谱。     

适用于超高层建筑的改进地震动强度指标

地震动强度指标选取是基于性能抗震设计的重要组成部分,地震动强度指标是联系结构地震响应和地震动记录的关键参数。合理的地震动强度指标可以使结构地震响应预测结果更加准确。为此,以超高层建筑结构为基本研究对象,考虑超高层建筑结构地震响应中高阶振型参与显著的特点,并考虑地震动强度指标表达形式的简便性,提出了适合于超高层建筑结构抗震分析用的地震动强度指标,利用大量的时程分析给出了振型参与数量的取值方法;基于2个超高层建筑结构的倒塌分析实例,比较了建议的地震动强度指标和部分现有地震动强度指标对超高层建筑结构的适用性。分析表明：与已有的地震动强度指标相比,采用建议的地震动强度指标表征结构临界倒塌的地震动强度时,其变异系数最小,能较好地反映超高层建筑结构中高阶振型的影响,对超高层建筑结构的抗震设计具有较好的适用性。     

考虑多维地震作用的高耸钢筋混凝土烟囱结构易损性分析

竖向地震作用对高耸烟囱结构动力响应有不可忽略的影响。选用240m高的某钢筋混凝土烟囱作为研究对象,考虑结构损伤,通过有限元软件ABAQUS,采用复合壳单元建立相应的非线性有限元分析模型。为考虑地震动的不确定性,根据谱相容性原则,选择20条合理地震动记录,进行增量动力分析。输入的地震动分别为一维、二维、三维。分别以材料应变和地面峰值加速度作为结构地震需求参数和地震动强度参数,结合增量动力分析获得的结构地震响应,采用能力需求比模型的曲线拟合法计算易损性曲线。通过钢筋和混凝土的材料应变定义四个损伤状态限值,最终得到在不同维数地震动输入时高耸钢筋混凝土烟囱结构的地震易损性曲线和倒塌概率曲线。研究结果表明,考虑多维地震作用比只考虑一维地震作用时高耸烟囱的结构易损性和倒塌概率增大。     

基于离心振动台的堆积型滑坡加速度响应特征

 加速度响应规律是解释滑坡震害、合理确定地震影响系数的基础。为此,设计完成了50倍重力加速度条件下的堆积型滑坡离心振动台模型试验,用来研究堆积型滑坡的加速度响应特征及规律。模型滑坡放置于600 mm×400 mm×500 mm(L×W×H)的刚性模型箱内,采用汶川地震清溪台站反演的基岩波作为基底输入,调整其幅值,研究不同强度地震动作用下堆积型滑坡的加速度响应特征及规律。试验结果表明：坡面水平向和竖直向峰值加速度(PGA)放大系数随滑坡的高程增加而增大,趋于坡顶时,增速明显变大,具有明显的高程放大效应;地震动作用下坡面与坡体内部的加速度响应特征明显不同,具有坡面浅表放大效应;滑床岩体自下向上水平向加速度有放大趋势,但与滑坡浅表土体相比,放大倍数则明显减弱;坡顶附近存在显著的波型转换现象;随着输入地震波强度的增大,PGA放大系数总体上表现为递减趋势。所得到的成果初步揭示了堆积型滑坡的加速度响应特征,为解释滑坡震害、确定地震影响系数等提供较可靠的依据。