基于强震记录的统计分析及非定常反应谱研究

强震观测是地震工程学的基础。在汶川地震中,全国的强震观测台站记录下了许多的强震记录,给强震记录分析提供了很好的数据基础。地震反应谱理论是对加速度记录特性进行深入研究分析后而取得的一个重要成果,是结构抗震分析的主要方法。然而传统反应谱理论中结构地震反应最大值仅仅是周期的函数,没有考虑持时要素对反应谱的影响。鉴于此,提出非定常反应谱的概念,它是在常规反应谱的基础之上引入时间因素,将地震动分段来研究,充分表现出反应谱的时变特性。最后以汶川地震强震记录为背景提出两种方法研究持时要素对反应谱的影响。     

基于强震记录的长周期位移反应谱特征分析

高层建筑、大跨结构和大型储液罐等结构在长周期成分丰富的地震动作用下会产生大变形甚至破坏.基于位移的抗震设计相较于基于力的抗震设计更能反映结构和构件的性态,但其亟需可靠的长周期位移设计谱.为此,选取近年来国内外23次地震的数字强震记录1 787条,分析了不同震级和断层距下长周期位移反应谱(简称位移谱)特性,研究了场地条件对于位移谱的影响,最后对现有位移谱模型的适用性和可靠性进行评价.主要结论包括:震级和断层距主要影响位移谱的幅值;位移谱的形态与震级和断层距基本无关,表现为随着周期的增大位移谱先快速增长,随后缓慢增长,之后趋于稳定或稍微下降至地表峰值位移(PGD).采用PGD归一化的位移谱形态可由3个拐点周期划分为4个阶段,即快速上升段、缓慢上升段、下降段和稳定段.震级对以PGD归一化的位移谱的影响明显,随着震级的增大,归一化位移谱幅值增加,卓越周期变长;小震级(矩震级Mw≤6.5)时,卓越周期为1～2s;大震级(矩震级Mw＞6.5)时,卓越周期为6～10s,甚至更大.场地条件对位移谱的影响与断层距有关,近断层时,场地越硬位移谱幅值在中长周期段(如周期T＞5.0s)越低,但断层距大于100 km时,位移谱与场地条件基本无关;场地条件对归一化位移谱的影响基本可忽略.现有归一化位移谱模型尚存在一定局限:曹加良模型未考虑震级对位移谱模式的影响,且模型不能模拟位移谱在长周期段下降并至PGD的过程;Faccioli模型对于矩震级Mw≥6.5时位移谱特征认识不够,10s周期时位移谱并未达到峰值.     

基于强震记录的长周期位移反应谱特征分析

高层建筑、大跨结构和大型储液罐等结构在长周期成分丰富的地震动作用下会产生大变形甚至破坏.基于位移的抗震设计相较于基于力的抗震设计更能反映结构和构件的性态,但其亟需可靠的长周期位移设计谱.为此,选取近年来国内外23次地震的数字强震记录1 787条,分析了不同震级和断层距下长周期位移反应谱(简称位移谱)特性,研究了场地条件对于位移谱的影响,最后对现有位移谱模型的适用性和可靠性进行评价.主要结论包括:震级和断层距主要影响位移谱的幅值;位移谱的形态与震级和断层距基本无关,表现为随着周期的增大位移谱先快速增长,随后缓慢增长,之后趋于稳定或稍微下降至地表峰值位移(PGD).采用PGD归一化的位移谱形态可由3个拐点周期划分为4个阶段,即快速上升段、缓慢上升段、下降段和稳定段.震级对以PGD归一化的位移谱的影响明显,随着震级的增大,归一化位移谱幅值增加,卓越周期变长;小震级(矩震级Mw≤6.5)时,卓越周期为1～2s;大震级(矩震级Mw＞6.5)时,卓越周期为6～10s,甚至更大.场地条件对位移谱的影响与断层距有关,近断层时,场地越硬位移谱幅值在中长周期段(如周期T＞5.0s)越低,但断层距大于100 km时,位移谱与场地条件基本无关;场地条件对归一化位移谱的影响基本可忽略.现有归一化位移谱模型尚存在一定局限:曹加良模型未考虑震级对位移谱模式的影响,且模型不能模拟位移谱在长周期段下降并至PGD的过程;Faccioli模型对于矩震级Mw≥6.5时位移谱特征认识不够,10s周期时位移谱并未达到峰值.     

基于谱比法的我国强震台站场地分类

 目前我国强震台网的部分台站场地资料尚不完整,很大程度限制了我国强震数据的广泛应用。为改变这一现状,本文利用日本KiK-net台站的场地钻孔资料和强震记录,按照我国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)对其中279个台站进行了场地分类,首次利用谱比法统计出了我国I,II,III三类场地的标准谱比曲线,并通过分析谱比曲线卓越周期、谱比峰值和谱形差异,提出了适合我国抗震规范场地类别划分的经验方法。利用四川地区的强震台站钻孔资料进行方法验证,说明地域性差异对场地分类方法准确率的影响不大。最后,处理了中国大陆2007-2011年间的强震记录,按照本文方法对我国113个强震台站进行了场地分类。     

考虑模糊信息的设计反应谱标定方法

本文提出一种考虑地震环境和场地条件模糊性的设计反应谱标定方法。该方法可分为二个步骤求解:1.运用模糊数学方法预测和评判地震环境和场地条件的模糊集;2.依据地震环境和场地条件的模糊集,运用模糊综合评判方法进一步求出设计反应谱的模糊向量。本方法考虑到与抗震设计新规范相协调,因此可以看作是按规范要求对设计反应谱标定方法的补充。本文提出的方法较易掌握,可以作为工程场地和中小城市地震影响小区划中确定设计反应谱的简化方法。     

重大工程抗震设计中实际强震记录的选用研究

时程分析法是进行结构抗震计算的方法之一,《建筑抗震设计规范（GB50011-2001）》要求：在采用时程分析法时,要选用不少于两组的实际强震记录。挑选相匹配的实际强震记录对抗震设计有着重要意义。本文着重讨论了在采用时程分析方法时,实际强震记录选取的原则、方法,并以中央电视台新址实际强震记录选取为例,对在实际强震记录选取过程中对选取结果较敏感的震级、震中距、峰值加速度、谱形特征等因素进行了探讨。     

我国地震反应谱影响因素分析

本文利用我国海城、唐山的175条水平加速度地震记录,统计分析了场地条件、震级和震中距三个因素对标准化反应谱的影响,并采用“移动平均法”验证了它们的关系;表明不同周期β的概率分布符合对数正态分布;也说明场地条件和震级是影响我国加速度反应谱形状的主要因素。最后,还与美国西部的138条地震记录的计算结果作了比较。从而对我国的抗震设计提出了建议。     

汶川Ms8.0地震四川及邻区数字强震台网记录

2008年5月12日汶川Ms8.0特大地震是龙门山构造带逆冲–右旋错动的结果,四川数字强震台网共获取133组三分向加速度记录,结合陕西、甘肃部分台站观测结果,根据原始记录绘制的加速度峰值等值线呈长轴为NE方向的不规则椭圆形,与地震影响烈度分布具有较好的一致性。进一步分析发现,该次地震的加速度记录具有比较明显的方向性效应和断层上盘效应,即沿破裂传播的NE方向加速度峰值衰减显著慢于SW方向;而处于断层NW上盘的地震动峰值衰减明显慢于SE下盘,出现系统性偏高现象,且在发震断裂的映秀—北川段更为显著,与震源破裂的方式和过程具相关性。另一个现象是近发震断裂的竖向(UD)与水平向(H)地震动峰值的比值明显高于远场,在近断层附近比值在1.0左右,与现行的《建筑抗震设计规范》(GB50011–2001)规定的比值2/3存在较大差异。随断层距的增加,加速度反应谱峰值逐渐移向长周期,当断层距大于200km时更为显著,但在近断层100km时存在速度大脉冲现象。     

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。     

从不同场地反应谱形状看设计谱的研究

本文通过对两种场址的土层地震反应分析表明，不同场地的加速度反应谱，在不同地震波的作用下有关明显不同的特性。有些场地的谱特性与输入波关系不大，而有些场地的则反之。现有的规范场地分类方法没有反映这种特性。为此，我们认为在设计谱的选取上如何区别这两种情形是值是讨论的。     

结构地震反应分析中的反应谱理论

介绍了结构地震反应分析中的地震反应谱、设计反应谱等三种反应谱理论,并阐述了他们之间的相互联系和功能区别,论述了几种多自由度体系线性动力反应分析方法,为工程抗震设计提供了便捷、有效地分析手段。     

基础隔震结构反应谱研究

为简化基础隔震结构的设计计算,推广隔震结构的应用,研究了铅芯橡胶支座基础隔震结构设计反应谱与位移反应谱。利用ETABS软件建立单层基础隔震结构计算模型,输入45条地震动记录,进行基础隔震结构的动力时程反应分析,在时程分析和现有规范设计反应谱基础上,提出铅芯橡胶支座基础隔震结构的设计反应谱和位移反应谱计算公式,并用多质点隔震结构的动力时程分析结果验证了新建反应谱的可靠性。结果表明,与规范设计反应谱相比,新建反应谱曲线与多层基础隔震结构地震反应的时程分析结果较一致。     

基于改进差分进化算法的设计反应谱高稳定性标定方法研究

设计反应谱是抗震设计的重要依据,由设计谱的特征参数表征。利用差分进化算法标定设计反应谱,可给出拐点周期、特征周期、平台值和衰减指数等特征参数。但标准的差分进化算法易造成优化结果的早熟或停滞,在设计反应谱的标定中导致标定结果不稳定。为实现设计谱标定结果的最优化,该文从PEER数据库中选取60条不同类型的地震加速度反应谱,比较多种改进的差分进化算法的稳定性和适用性,以期为设计反应谱的标定提供优质的方法。通过对比分析多种方法给出的特征参数和评价指标,论证了方法的精确性和稳定性。分析结果表明,GLDE算法在标定设计反应谱的工程问题中能有效地避免标定结果不稳定的现象,获得比其他方法更精确的特征参数,因此推荐GLDE算法标定设计反应谱和研究设计谱的特征参数。     

基于随机反应分析方法的反应谱研究

以Kanai-Tajimi谱作为随机地震动输入,根据极值理论,确定谱强度因子S0,采用随机方法推导单自由度的最大地震反应,得到了基于随机反应分析方法的反应谱.由于用随机方法所得反应谱与规范反应谱有较大差异,借助于matlab软件通过修正谱强度因子S0得到了与规范反应谱吻合程度较好的基于随机反应方法的反应谱,并给出了各种场地条件下对应的修正系数,为随机方法应用于工程抗震设计提供了初步的参考依据.     

基于小生境遗传算法的设计地震动反应谱标定方法

基于小生境遗传算法,提出了新的设计地震动反应谱标定方法,给出了反应谱标定的验证方法。设计地震动反应谱特征参数包括地震动峰值、第一拐点周期、第二拐点周期(特征周期)、平台高度值及衰减指数等,其标定属于多参数优化问题。利用小生境遗传算法具有多参数的全局寻优能力,提出了以平均标准差最小为目标的地震动反应谱标定模型。拟合给定特征参数的设计地震动反应谱,对比分析标定的特征参数与给定的特征参数,要求两者之间的误差小于给定的精度,以此作为新的验证方法。以某一场地计算反应谱作为算例,采用所提出的模型对其进行了标定。通过验证结果和工程算例,证明了所提出的地震动反应谱标定方法的有效性。     

地震动长周期反应谱数值计算方法研究

阐述了国内外反应谱的通用模型及计算方法,并指出其共性问题,简单介绍了等效线性化位移反应谱数值模型,探讨了抗震设计谱的发展趋势以及所涉及的新课题,从而促进抗震设计谱的研究。     

基于KiK-net强震记录的三维地震动强度非平稳模型研究

地震动强度非平稳特性对结构非线性响应有显著影响,准确描述强度非平稳特性对生成人工地震波有重要意义。该文提出了一种描述三维地震动强度非平稳特性的模型,分别给出了其确定性参数取值和随机参数取值。首先以大量KiK-net强震记录为样本,提取其强度非平稳特性|然后选取地震动强度非平稳模型,并使用遗传算法识别出了模型的参数|最后通过统计回归分析给出了各震级、震中距不同场地类别的三维模型参数取值。结果表明,所得强度非平稳模型能够反映地震动强度非平稳特性的规律,可将其用于结构抗震分析和人工地震动模拟中。     

基于强震记录快速识别场地液化的频率下降率法

提出了一个以频率下降率为基本指标的依据强震记录快速识别场地液化的新方法。将可液化场地简化为双质点模型,给出了液化导致场地水平自振频率下降的计算公式,推导出了频率下降率的下限值。以此为基础建立了一套基于强震记录快速识别场地液化的方法,并用实际地震记录对其可靠性进行了分析。结果表明:应用本文提出的方法,不仅成功地识别了液化场地和非液化硬土场地,也成功地识别了软土但非液化的场地。     

反应谱理论及其应用

简述了反应谱的概念内容,通过分析反应谱的基本理论,研究探讨了反应谱的特点,并结合实际算例进行了计算,指出反应谱法计算简便,值得广泛应用。     

阻尼对比设计反应谱的影响分析

本文通过对国内外有关资料的分析，提出设计反应谱的阻尼影响修正公式，结果表明，采用分段形式的阻尼影响修正系数，即能保持简单方便的特点，又能在中长周期段满足随周期加大其影响减弱的一般规律。