近断层/远场地震动作用下隧道结构易损性研究

以川藏铁路线控制性工程——折多山隧道为研究对象,建立隧道动力时程分析模型.结合场地地震动设计反应谱,选取近断层脉冲型地震动及远场地震动记录,用于增量动力分析隧道工程结构的抗震性能水平.初步探讨适用于隧道结构的地震动强度指标IM,分析不同特征部位隧道结构易损性,对比分析近断层脉冲型地震动及远场地震动作用下隧道结构的地震易...     

Effectiveness of sliding isolators with variable curvature in near‐fault ground motions

Recent studies have revealed that a sliding isolator with variable curvature (SIVC) can mitigate the resonance phenomenon likely to occur in seismic response of a conventional friction pendulum system (FPS) isolator due to its constant isolation frequency. The present study simulates four SIVC isolators and an FPS to find the optimum range of initial isolation period and coefficient of friction and employ them in comparing the effectiveness of SIVC in different peak ground acceleration (PGA) scales of near‐fault earthquakes. Velocity‐dependent coefficient of friction and modified viscoplasticity model have been used to simulate nonlinear friction force of the isolators. Results indicate identical performance of all SIVC isolators in PGA scales up to 0.4 g. When subjected to PGA scales from 0.4 g to 1.0 g, polynomial friction pendulum isolator (PFPI) and variable curvature friction pendulum system (VCFPS) reduce base displacement greatly, while conical friction pendulum isolator (CFPI) and variable frequency pendulum isolator (VFPI) show amplified responses. However, in mitigating structural acceleration, performance of CFPI and VFPI, unlike PFPI and VCFPS, which perform poorly, is excellent. Thus, in a strong near‐fault earthquake, PFPI and VCFPS or CFPI and VFPI can be chosen based on whether reduction of base displacement or super‐structural acceleration is the main concern of designer, respectively. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

近断层脉冲型地震动对基础隔震结构水平向减震系数的影响分析

水平向减震系数是基础隔震设计的重要参数之一。为研究近断层脉冲型地震动对水平向减震系数的影响,以单自由度体系为研究对象,基于反应谱法,给出单自由度体系的水平向减震系数计算公式,考虑近断层影响,分析不同方法中水平向减震系数的差异;以多自由度体系为研究对象,选取36条近断层脉冲型地震动,同时剔除其中的主脉冲成分,得到36条非脉冲型地震动,将这72条地震动作用于多层基础隔震结构,基于时程分析法,对比了在脉冲和非脉冲型地震动作用下的水平向减震系数变化规律,并分析脉冲周期、场地类别和断层距对水平向减震系数的影响。研究结果表明：现行方法虽有一定的合理性,但是难以准确考虑近断层脉冲型地震动对水平向减震系数的影响。随着地震动强度的增大,水平向减震系数呈先减小后增大的趋势,相同地震动强度下,近断层脉冲型地震动作用下结构的水平向减震系数更大,变化幅度更大。近断层脉冲型地震动对水平向减震系数有放大作用,水平向减震系数的放大系数随着近断层地震动脉冲周期的增大,呈整体增大的趋势。当断层距较小时,水平向减震系数的放大效应更为显著,而与场地类别无明显关系。在近断层基础隔震结构设计中,水平向减震系数的放大系数建议取1....     

水平双向地震作用对摩擦摆基础隔震结构隔震支座位移的影响

对不同场地条件下、不同周期的摩擦摆基础隔震结构在水平双向和单向地震作用下的隔震支座位移进行了对比分析,表明水平双向地震作用下隔震支座的总位移均明显大于水平单向地震作用下的支座位移。因而,在简化设计中确定摩擦摆基础隔震结构隔震支座位移时,可将水平单向地震作用下的隔震支座位移增大30%,以考虑水平双向地震作用对摩擦摆基础隔震结构隔震支座位移的影响。     

近断层地震作用下斜拉桥黏滞阻尼器参数简化设计方法

黏滞阻尼器是漂浮体系斜拉桥常用的减震耗能装置,但传统的阻尼器参数设计需要通过反复的非线性有限元时程计算来确定,这种方法不够简便有效。本文根据近断层地震的脉冲特点以及斜拉桥动力特性,通过建立斜拉桥的双质点模型的运动微分方程,推导出近断层脉冲作用下的动力反应计算公式;并基于等效线性化方法,得到非线性黏滞阻尼器参数与等效阻尼比的关系,从而利用主梁目标位移反向确定所需设置的黏滞阻尼器参数;最后通过一座斜拉桥实例验证本文方法的正确性,并提出了黏滞阻尼器参数设计简化方法的流程。     

近场方向性效应等效脉冲地震动模型的频域分析

等效脉冲模型在反应近场地震动对结构的影响上较反应谱方法有明显的优越性,然而由于缺乏对等效脉冲模型本身的深入研究,采用不同等效脉冲模型的研究结果之间往往不具有可比性,模型本身的缺陷也可能导致研究结果出现偏差。本文通过解析方法对常用的三种等效脉冲模型进行分析,明确三种模型之间的定量关系,指出了矩形脉冲模型的缺陷。结果表明,等效脉冲模型速度、加速度傅里叶变换各阶分量振幅的比例关系不随脉冲周期改变。当脉冲周期相等时,不同等效脉冲模型速度、加速度同阶分量之间存在固定的比例关系。正弦脉冲模型与三角脉冲模型速度、加速度各阶分量振幅数值较为接近。矩形等效脉冲能量集中于奇数阶分量,该特性与实际地震动不符。当结构固有频率较低且接近等效脉冲偶数阶分量频率或较高阶分量频率时,矩形等效脉冲激起的结构响应与正弦等效脉冲和三角等效脉冲相比可能有较大差异。当短周期结构固有频率接近等效脉冲较高奇数阶分量周期时,矩形等效脉冲激起的结构响应与正弦等效脉冲和三角等效脉冲可能有较大差异。     

近断层地震动作用下基础隔震结构的一体化动力优化设计

首先讨论了近断层地震动的脉冲运动特征和特性参数,并以台湾集集地震实际脉冲型近震记录作为地震动输入,以上部结构最大层间位移和构件体积最小化为目标,应用含潜在约束策略的序列二次规划算法,对安装铅芯橡胶隔震支座的钢筋混凝土框架隔震结构进行一体化优化设计,同步确定隔震器参数和上部结构构件截面几何尺寸。然后输入ElCentro(1940)、Hachinohe(1968)非脉冲型近断层地震动记录进行隔震结构一体化优化设计。计算结果表明,本文隔震结构优化设计得到的结果是合理的,与其他作者通过参数分析确定的隔震器最优参数具有可比性;对考虑脉冲型近断层地震动作用的隔震结构进行参数优化设计后,该隔震结构能同时满足脉冲型和普通非脉冲型近震作用的结构设计需求。反之,对非脉冲型近断层地震动作用的隔震结构进行参数优化设计后,该隔震结构不能满足脉冲型近震作用的设计需求。     

近断层脉冲地震动对基础隔震结构放大效应的量化分析

为量化分析近断层脉冲地震动对基础隔震结构的地震放大效应,建立多层和高层两个基础隔震结构模型,根据隔震结构基本周期,采用基于能量的脉冲量化识别方法,得到40条脉冲地震动,并剔除其中的主脉冲,产生40条非脉冲地震动。将这80条地震动分别输入两个隔震结构,量化分析脉冲地震动对其层间位移角、楼层剪力、楼层加速度和隔震层位移的放大效应。结果表明：脉冲地震动作用下基础隔震结构的反应明显大于非脉冲地震动,脉冲地震动对隔震层位移放大系数最大,而楼层加速度放大系数对脉冲地震动比较敏感,呈现出波浪形的变化特征。两个隔震结构所得到的隔震层位移的放大系数平均值约为2.0,层间位移角、楼层剪力、楼层加速度的放大系数平均值约为1.5。     

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。     

Ambient vibration test and finite element modeling of tall liquid storage tanks

This paper addresses the experimental and numerical investigations of the dynamic parameters, natural frequencies and mode shapes, of fixed roof, ground supported, steel storage tanks. Three tall liquid storage tanks with aspect ratios greater than unity are considered. The considered tanks have similar height of 12.190 m and different radius of 6.095, 8.00, and 9.144 m. The effect of the aspect ratio, along with the liquid level on dynamic parameters is discussed. Finite element models of tanks are constructed using the finite element package ANSYS. The fluid-structure interaction is governed in the models. Yet, before using numerical techniques for analyzing the tank-liquid systems, they should be validated by experimental results. For this purpose, a series of ambient vibration tests are carried out to determine the natural frequencies and, if possible, the modes of the vibration. Comparison between numerical and experimental values shows good agreement. The new feature considered in the paper is the influence of roof on the natural frequencies and the modes of vibration. It is found that the influence of roof on the natural frequency of vibration of the considered tanks is negligible, while it does restrain the tank top against radial deformations and has significant effect on the mode shapes of tank.     

基于本征模态函数重构的近断层地震动识别与响应谱验证

为了充分考虑近断层地震动对中长周期结构的不利影响,提出了一种近断层速度脉冲型地震记录的量化识别方法。该方法基于经验模态分解(EMD)数据自驱动特征,充分考虑了本征模态函数(IMF)对原始记录脉冲尺度和形状的自适应匹配能力,以及单阶IMF固有的平滑特征,借助Tanimoto相似度的去中心化表达,给出了一种基于IMF信号自适应重构的地震记录去噪算法,用于识别主脉冲的幅值和周期。为了对主脉冲包含的能量进行度量,给出了基于指数函数的脉冲能量指示器,并验证了其有效性。通过与既有方法在周期、波形、反应谱等各方面的对比表明,本征模态函数与原始地震记录信号间的相似度可以作为筛选本征模态的重要依据。动力响应反应谱分析表明,抽取的脉冲对主脉冲中长周期的动力特性保留更为完整。总体上,由于经验模态分解方法的数据自驱动效应,所提方法对波形显著非对称的脉冲和多脉冲记录识别更为有效。     

基于速度脉冲地震动的边坡地震位移统一预测模型

采用基于小波变换的多向地震动速度脉冲特性鉴定方法,从NGA数据库及汶川地震动记录中提取出了196条速度脉冲地震动数据;基于Newmark非耦合滑动模型,考虑土体非线性特征。通过计算速度脉冲地震动作用下不同强度(k_y)及初始自振周期(T_s)边坡模型的地震位移,对比分析了边坡地震位移与速度脉冲地震动参数之间的相关性,并建立了适用于近断层速度脉冲地震动的边坡地震位移统一预测模型。结果表明：既有边坡地震位移预测模型低估了近断层速度脉冲地震动引起的位移值,而用于预测近断层非脉冲地震动引起的边坡地震位移离散较小;近断层速度脉冲地震动引起的边坡地震位移与其速度脉冲特性密切相关,地震位移与速度脉冲地震动参数(峰值速度PGV)相关性最好;采用1.5倍边坡自振周期对应的加速度反应谱(S_a(1.5T_s))和 PGV分别代表速度脉冲地震动的频谱成分及速度脉冲特征,能够综合反映速度脉冲地震动对边坡地震位移的影响;建立了基于边坡参数(k_y, T_s)和脉冲地震动参数(PGV, S_a(1.5T_s))的边坡地震位移预测模型,为考虑近断层地震动速度脉冲特性影响的边坡地震位移概率灾害分析提供了基础。     

近断层脉冲型地震作用下防屈曲支撑-钢筋混凝土框架结构的抗震性能

具有向前方向性效应和滑冲效应的近断层脉冲型地震动对建筑结构的破坏已受到工程界的广泛关注。为了解设置防屈曲支撑（BRB）的混凝土框架在近断层脉冲型地震动激励下的抗震性能,采用基于能量平衡的塑性设计方法完成了3个V形BRB支撑的RC框架结构的抗震设计。分别选取具有向前方向性效应和滑冲效应的脉冲型以及非脉冲型三组共36条近断层地震动,对结构进行罕遇地震作用下的非线性动力分析,研究了结构的最大层间位移角、最大顶点加速度、最大顶点位移和BRB的轴向性能;分析和评估了结构在3条典型地震动激励下的地震响应。结果表明：近断层脉冲型地震动比非脉冲型地震动对结构会产生更大的地震响应,且响应显著集中于速度脉冲时刻;BRB能充分发挥其耗能特性,提高RC框架结构体系的抗震性能。     

Response of vibration-isolated object to ground motions with intense vertical accelerations

This paper reports the results of shaking table tests performed to assess the response of an object placed on a vibration isolator to intense ground motions whose peak accelerations are close to or over the gravity acceleration in both vertical and horizontal directions. The passive vertical and horizontal vibration isolator, developed by the authors, has rolling load-bearing elements and constant-force springs to provide piecewise-constant restoring forces. First, we performed shaking table tests, wherein only the horizontal vibration was isolated. An unexpected finding from the tests is that, when the vibration isolator was subjected to ground motions with intense vertical accelerations, not only vertical but also horizontal accelerations were amplified. This led to a large rocking response or overturning of the object placed on the vibration isolator. A likely reason for the amplification is rocking of the upper portion of the vibration isolator above the rolling load-bearing elements induced by intense vertical accelerations. Next, we performed shaking table tests, wherein both vertical and horizontal vibrations were isolated. In this case, the vertical as well as horizontal accelerations were significantly reduced and the rocking response of the vibration-isolated object was suppressed. These results suggest potential risks in conventional horizontal vibration isolators having rolling load-bearing elements when they are subjected to ground motions with intense vertical accelerations. The results also demonstrate the effectiveness of vertical vibration isolation to avoid such risks.     

长周期地震动作用下LNG储罐外罐的动力性能研究

外罐是确保LNG储罐安全的关键设施,研究长周期地震动作用下外罐的动力性能对LNG储罐具有重要意义.本文以160000 m3 LNG储罐为背景,考虑了重力与预应力筋作用,采用集成化的通用结构分析与设计软件SAP2000建立外罐的三维有限元模型,分析了外罐的变形、加速度和基底剪力以便证实长周期地震动作用下外罐受力性能良好并...     

GPC和LQR算法在压电摩擦阻尼隔震结构中的应用

将压电摩擦阻尼器与叠层橡胶垫组成可控隔震系统,根据压电摩擦阻尼隔震系统的特性选择了线性二次型最优控制(LQR)和广义预测控制(GPC)作为整套隔震系统的控制算法,并将半主动控制算法作为控制输出策略;用时程分析法对结构的动力反应进行对比,验证了其隔振效果。结果表明:无论是多遇地震还是罕遇地震,这种隔震体系都可以大大降低结构的地震反应,其中各楼层加速度反应减小75%以上,层间位移减小70%~80%,结构的位移反应主要集中在隔震层;该控制算法大大降低了隔震层的位移,改善了控制效果。     

大型储罐CFG桩复合地基变形性状和变刚度调平设计

大型储罐对地基的承载力要求高,对不均匀沉降量有严格限定,天然地基不能满足要求,需要进行地基处理。通过现场试验和数值分析相结合的手段研究了大型储罐CFG桩复合地基的变形性状,揭示了大型储罐CFG桩复合地基的沉降呈内大外小的碟形分布,距储罐地基中心0.7R(半径)范围内沉降值较大且变化幅度不大(约为20%),定义为储罐地基沉降核心区,影响沉降最主要的因素是CFG桩的桩长,在此基础上提出大型储罐复合地基空间变刚度调平设计方法,即增加沉降核心区的地基刚度或同时减小沉降非核心区的地基刚度,以有效减小储罐地基的差异沉降,改善储罐结构的受力状态。     

三维层状地基竖向激振波阻板主动隔振分析

为了研究三维层状地基中波阻板的隔振效果,基于薄层法在研究层状介质中波的传播问题的高效性、边界单元法处理无限域问题的精确性,结合两种方法的优点,提出三维层状地基薄层法基本解答,利用薄层法格林函数建立半解析边界单元法,分别对上软下硬和上硬下软两种三维层状半空间地基中波阻板的隔振效果进行分析。研究表明:增加波阻板的厚度、提高波阻板的弹性模量可以显著提高隔振效果,分层土体厚度和土性参数对于径向和竖向的位移振幅衰减系数有较大影响。     

近场脉冲型地震作用下黏滞阻尼器对双柱#br# 摇摆桥墩减震作用研究

为研究黏滞阻尼器对双柱摇摆桥墩在近场脉冲型地震作用下的减震作用,基于摇摆刚体假定和拉格朗日方程,对采用黏滞阻尼器的双柱摇摆桥墩进行实例分析、参数分析和抗倒塌能力分析。研究结果表明：黏滞阻尼器可减小双柱摇摆桥墩的地震位移反应,且作为速度型阻尼器,其在近场脉冲型地震作用下的减震效果比远场地震更为显著;在近场脉冲型地震作用下,随着黏滞阻尼器的无量纲阻尼常数(λ)的增大和阻尼指数(n_v)的减小,桥墩位移反应随之变小,当阻尼器失效位移大于120mm时桥墩峰值位移反应无显著变化;黏滞阻尼器的减震作用可有效提高双柱摇摆桥墩在近场脉冲型地震作用下的抗倒塌能力,λ越大和n_v越小,桥墩的抗倒塌能力越强。     

Earthquake response control of a super high‐rise structure subjected to long‐period ground motions via a novel viscous damped system with multilever mechanism

A novel viscous damped system and its principles are proposed in the paper. It is a novel viscous damped system with multilever mechanism that can improve the energy dissipation capacity of conventional viscous dampers. In order to compare the damping effects of the novel viscous damper with that of the conventional viscous damper, a shaking table test of a three‐story steel frame structure is performed. Testing results indicate that the novel viscous damped system is more efficient. The elastic time‐history analysis of a super high‐rise frame‐core tube structure is studied under the frequently occurring earthquake. Dynamic loads take two groups of ground motions with different period characteristics into account. Main response values such as base shear, interstory drift, and acceleration factor under long‐period ground motions are apparently larger than the seismic results due to standard ground motions. Responses between the undamped structure and the damped structure with conventional viscous dampers or the latest products are compared. It is concluded that the proposed viscous damped system can perform more effectively in reducing high‐rise structural responses subject to long‐period ground motions.