近场脉冲型地震作用下结构响应预测研究

选择典型的具有速度脉冲的近场地震动记录组成地震记录库,建立了3个处于不同周期范围的墩柱结构模型,利用非线性动力分析考察了采用非弹性位移响应谱值作为近场脉冲型地震动的强度参数来预测结构地震响应的有效性,并探讨了非线性振子的参数选取对利用非弹性位移响应谱值预测结构地震响应的影响;以模型的静Pushover分析得到的屈服位移...     

典型铁路梁桥抗震设计地震动破坏势排序

输入地震动的选取是桥梁抗震分析中的重要环节,不同的输入地震动引起的桥梁结构反应有显著差异。为了对铁路桥梁抗震设计地震动的选择提供定量依据,将"最不利设计地震动"的概念拓展并应用到桥梁抗震领域,研究典型铁路梁桥在不同地震动作用下的结构响应,得到基于结构相应参数的输入地震动破坏能力排序。首先确定了桥梁地震动输入以及评价指标,使用OpenSees对桥墩模型输入大量地震动记录进行有限元分析,通过调幅手段研究幅值与单一参数的关系,并引入颜色映射理论研究幅值与多参数的关系。研究表明:(1)当较低幅值地震动作用在结构上时,结构的地震响应与第一周期反应谱值相关性最好;(2)随着幅值的增加,结构周期增长,地震响应与更长周期反应谱值以及速度、位移参数、持时参数等的相关性会逐步提高;(3)通过动力时程计算并对墩顶位移进行比较,给出了模型在设定地震作用下的排序,结果可为相关桥梁结构的输入地震动选取提供参考。     

考虑土-结构相互作用的结构残余位移比谱EI北大核心CSCD

结构残余位移是抗震性能评估和地震损失评估的重要参数。以往针对结构残余位移的研究主要基于刚性地基假定,而地震作用下基于刚性地基假定和考虑土-结构相互作用效应得到的结构响应存在差异。鉴于此,建立了考虑土-单自由度体系相互作用效应的模型,基于大量分类地震动记录,通过时程分析分别建立基于刚性地基假定和考虑土-结构相互作用(soil-structure interaction,SSI)效应的结构残余位移比谱,研究场地类别、屈服强度系数和高宽比对结构残余位移比谱及其离散性的影响,建立了考虑SSI效应的结构残余位移比谱预测方程。结果表明:存在临界周期点,当周期小于临界值时考虑SSI效应的结构残余位移比谱值小于基于刚性地基假定的结构残余位移比谱值,且SSI效应程度越大结构残余位移比谱越小;当周期大于临界值时,考虑SSI效应和基于刚性地基的结构残余位移比谱差距很小;AB类、C类、D类和E类场地的临界周期分别为0.5 s,0.5 s,0.8 s和1.2 s;基于刚性地基假定的结构残余位移计算结果偏于保守。     

地震波随机模型对隔震结构地震需求分析的影响

利用谐小波变换对实际强震记录的时变谱进行估计,并统计分析了与抗震规范相容的3类不同场地上地震波的时变谱特征,利用均匀调制非平稳随机模型和时变修正Kanai-Tajimi非平稳随机模型模拟地震波的时变谱,把非线性函数的参数识别问题转化成求解无约束优化问题,利用拟牛顿迭代法求得最优解,得到3类不同场地上这两种模型的参数的具体取值以及参数函数集的具体表达式;研究了以谱强度因子的平方根为强度参数的双向地震动作用下隔震结构概率地震需求分析的步骤,对比了不同的地震动随机模型对隔震结构概率地震需求分析的影响,研究发现在小震作用下,地震动随机模型对隔震结构的地震响应影响不大,但在大震作用下,地震动随机模型对结构响应有较大影响,而且,对于不同场地类别,地震动随机模型对隔震结构概率地震需求分析的影响也不相同.     

梁式桥抗震设计的弹塑性位移反应谱

合理选取四类场地320条强震记录,研究地震动特性及恢复力模型动力参数对弹塑性位移谱与残余位移谱影响。结果表明,给出某一标准设防烈度的弹塑性反应谱,其它设防烈度下弹塑性反应谱可据PGA设防烈度与PGA标准烈度比值调整获得;可忽略屈服后刚度比对弹塑性位移谱影响,但应选择偏于保守的屈服后刚度比统计残余位移谱,由此建立的残余位移谱只适用短周期、低延性一般规则桥梁中、低矮桥墩的抗震设计;阻尼比与位移延性比为影响弹塑性位移谱及残余位移谱重要因素,阻尼比增大会减少桥梁非弹性变形及震后残余位移。基于该结果建立适用于我国梁式桥抗震设计的弹塑性及残余位移谱,为考虑残余位移影响的梁式桥基于性能的抗震设计提供重要参考依据。     

P波斜入射下非基岩场地中核岛结构地震响应规律研究

随着我国核电产业飞速发展,核电站厂址的选择将不可避免地遇到非基岩场地。针对地震动斜入射下非基岩场地中核电结构抗震问题,建立了包括CAP1400核岛结构和岩土场地的土-结构系统三维有限元模型,基于黏弹性人工边界和斜入射地震动输入方法,研究了P波斜入射角度和非基岩分层场地对核岛结构地震响应的影响规律。研究表明:非基岩场地将增大核岛结构加速度响应和楼层反应谱,多数条件下也将增大楼层相对位移;P波入射角度增大,核岛结构竖向响应减小、水平响应增大,楼层反应谱的频谱特性发生改变。     

基于概率的多点激励地震场强度参数研究

该研究建立了人工模拟地震场形成的记录库,通过建立简单的多点激励受力模型,应用增量动力分析和统计推论分析的方法分析了结构关注部位的响应谱加速度作为强度参数的适用性,研究了给定强度参数水平下结构工程需求参数的概率分布,评估了给定地震危险性水平下结构抗震性能。研究结果表明:响应谱加速度可以作为地震场的强度参数,并被用来进行基于概率的结构抗震性能评估。     

近断层地震作用下弹性位移反应谱的研究

为研究近断层地震作用下基于位移的抗震设计方法,选择了30次地震,132组近断层地震记录作为统计样本,根据得到的平均弹性位移反应谱,给出了近断层地震设计弹性位移反应谱表达式,该表达式可以反映震源机制和场地土等因素的影响作用。研究结果表明：提出的近断层地震弹性位移设计反应谱与实际地震波平均弹性位移反应谱较为接近,可以应用于近断层地震作用下结构的抗震设计中。     

基于云图法的规则桥梁概率地震需求模型

基于性能的结构抗震设计需要建立在概率理论的基础之上,结构概率地震需求模型是其中的一个关键环节。针对公路梁式桥中的规则桥梁,利用OpenSees软件,建立了8座具有一定代表性的规则桥梁样本;选取三类不同场地条件下2390条国内外地震动记录,基于云图法对8座桥梁样本逐一进行了时程分析;以阻尼比为5%、与结构基本周期相对应的谱加速度S_a作为地震动强度指标,以墩顶位移漂移率D作为工程需求参数,分析了三类不同场地条件下、不同桥梁样本的地震动强度指标与工程需求参数之间的概率分布特征。结果表明:三类不同场地条件下,规则桥梁与结构基本周期对应的弹性谱加速度S_a与墩顶漂移率D之间近似服从指数函数分布。利用分析结果,建立了三类不同场地条件下规则桥梁地震动强度参数与地震需求参数之间统一的简化计算公式;算例验证表明,所建立的简化概率地震需求模型具有良好的计算精度,可大大简化规则桥梁概率地震需求的计算。     

空间相关多点地震位移输入峰值控制对结构非线性响应的影响

在空间相关多点地震动人工拟合中,一般控制大跨结构不同支撑点处的地震加速度反应谱及加速度峰值相同,而相应于不同支撑点处位移时程的峰值则是不同的。为了研究地震动特性及不同的位移控制条件对结构响应的影响,引入两种不同的包线函数分别模拟地震动强度或频率非平稳特性,并且按照控制不同支撑点处时程的加速度峰值或位移峰值相同,拟合了6 组空间相关多点地震动;采用多点地震动加速度/位移输入模式,对三跨连续梁桥进行了非线性响应分析。结果表明：控制地震位移时程的峰值对结构的内力和位移响应有较大的影响,位移峰值越大,结构进入的非线性程度越深,得到的结构响应越大,且与位移时程的形状无明显相关性;以加速度反应谱和加速度峰值为目标的地震动拟合中,各支撑点处位移时程的峰值离散性比较大,为了保证结构的安全,空间相关多点地震动拟合中应控制位移峰值的最小取值;地震加速度时程的频率非平稳特性对桥梁位移和桥墩扭矩影响较大,如果仅考虑地震动强度非平稳特性,则存在低估结构响应的风险。因此,大跨结构抗震分析中应合理刻画地震动时间-空间耦合特性、非平稳特性及位移输入的最小峰值,充分估计结构的非线性响应,以保证结构抗震设计的安全性。     

基于位移目标的性态谱

达到位移目标时确定结构的地震需求, 是性能抗震设计的一个重要课题。研究了结构位移目标, 确定了位移性能目标参数, 推导了单自由度结构体系的位移性能目标与周期的关系。将1085 条地震波, 输入到不同周期的单自由度弹塑性动力微分方程, 调整地震动, 反复迭代, 达到位移目标, 获得地震需求与周期、位移目标之间的函数关系, 建立了具有统计意义的三维坐标下的性态谱, 并拟合了性态谱的计算公式。研究表明:性态谱是反映不同位移目标下结构地震需求的一种有效方法。性态谱曲线随着结构周期的增大明显减小, 并随着位移目标的增大, 逐渐增大。性态谱曲线已无平台段, 与场地的共振效应消失, 场地对性态谱的影响总体不明显。性态谱可快速地、简便易行地预测达到不同性能目标时结构的地震需求, 拟合的性态谱计算公式可进行结构抗震性能评估。     

双向地震激励下基于二维屈服面模型的残余位移谱研究

为了研究地震动的多维性和结构响应的空间耦合性对结构残余位移需求的影响,建立了恢复力特性符合二维屈服面模型的单质点双自由度体系(SMDDOF),提出双向地震激励下的等强度残余位移谱模型,对比分析了单向和双向地震激励下单自由度(SDOF)体系的残余位移谱。以不同场地类别的140组地震动记录为双向激励,建立统计平均的等强度残余位移谱,分析场地条件和两主轴方向刚度比对双向地震激励下单自由度体系残余位移谱的影响。结果表明:通过单自由度体系单向地震动输入建立的残余位移谱可能会低估结构残余位移需求;中长周期范围内,双向地震激励下的残余位移比谱值随刚度比的增大而增大;恢复力耦合效应对结构残余位移响应的影响取决于两主轴方向损伤的相互制约,其中一个主轴方向刚度的削弱会增大该主轴方向的残余位移需求,而另一主轴方向的残余位移需求则会有所减小。     

基于概率地震需求分析的铅芯橡胶支座抗震性能研究

选取谱加速度为地震动强度参数,最大墩底弯矩为工程需求参数,对铅芯橡胶支座隔震简支梁桥和非隔震简支梁桥进行了概率地震需求分析,从概率的角度定量计算研究了铅芯橡胶支座在提高桥梁结构抗震性能上的作用。概率地震需求模型计算结果表明,隔震桥梁结构回归方程的斜率均小于非隔震桥梁结构回归方程的斜率,这反映出隔震结构对地震动强度改变的敏感性小于非隔震结构;场地危险性分析表明,在同一场地上,桥梁结构体系遭遇某水平谱加速度的超越概率,隔震结构小于非隔震结构,隔震支座的应用降低了桥梁结构对应的场地危险性;概率地震需求危险性分析表明,在本文设定的场地和结构参数下,铅芯橡胶支座隔震桥梁结构发生墩底纵筋屈服的年超越概率远小于非隔震结构相应的概率。本文的研究表明,概率地震需求分析方法作为一种基于概率的定量分析方法,可以用于不同结构体系的桥梁结构抗震性能的评价上。     

考虑谱形影响的地震动强度指标研究进展

合理地选择与调整地震动记录是影响结构弹塑性时程分析结果可靠性的重要因素之一。该文首先选择15条地震动记录作为输入,以基本周期T₁对应的谱加速度S_a(T₁)作为地震动强度指标来调整原始地震动记录,对一榀六层三跨钢筋混凝土平面框架结构进行了增量动力分析,分析了结构线性和非线性地震响应指标如最大层间位移角与不同周期处谱加速度值的相关性。分析结果表明,不同周期处谱加速度值与结构地震响应的相关性不同,且相关程度与结构是否进入非线性和进入非线性的程度有关。这一结果表明,由于高阶振型的影响或进入非线性阶段的周期延长效应,仅按单一强度指标如S_a(T₁)调整地震动记录对结构进行动力分析,所得结果的离散性必然较大。因此发展考虑地震动谱形特征的强度指标是进一步完善结构地震反应分析和抗震性能评估的基础。基于此,该文较为系统地对目前已提出的能够考虑谱形的地震动强度指标及其应用现状进行了综述总结,以期为我国开展合理的地震动记录选择与调整等研究提供一定的参考。     

基于弹塑性谱位移的钢筋混凝土框架概率地震需求分析

地震动参数的选择是影响概率地震需求分析中输入地震动的选择和调整以及分析结果可靠性的重要因素。开展概率地震需求分析时,常采用的地震动参数主要有峰值加速度和对应于结构基本周期的加速度反应谱值。但是,一方面,结构响应与地震动峰值加速度的相关性较差。另一方面,对应于结构基本周期的加速度反应谱值不能体现结构基本周期之外的地震动频率成分对结构地震反应的影响。以弹塑性谱位移作为地震动参数开展RC框架结构的概率地震需求分析研究。基于模态Pushover分析提出了弹塑性谱位移的计算方法;借助云图法和改进的增量动力法开展典型框架结构的概率地震需求分析,基于回归拟合及残差分析研究了弹塑性谱位移的充分有效性,并与弹性谱位移进行了比较。研究表明:弹塑性谱位移能够反映大于结构基本周期的地震动频率成分对结构弹塑性地震反应的影响,改善了弹性谱位移仅反映单一地震动频率成分对结构反应影响的不足,可以较合理地揭示由于结构软化导致自振周期延长后地震动的破坏作用。     

近断层脉冲型地震动的残余位移系数谱研究

残余位移是基于性能抗震设计过程中一项重要性能指标。为研究近断层区域脉冲型地震动下结构的残余位移计算方法,采用同时包含场地特征周期T_g与地震动脉冲周期T_p的双周期规准法(TTN),以226条脉冲型地震动为输入,对单自由度体系进行线性与非线性时程分析,通过统计分析生成了TTN残余位移系数均值谱;探讨了场地条件、结构自振周期T以及强度折减系数R与残余位移系数C_r的关系,并拟合得到了TTN残余位移系数设计谱;研究结果表明:①采用TTN方法生成的残余位移系数谱能直接体现出速度脉冲效应对长周期结构动力响应的增大作用;②T和R是影响C_r的主要参数,而不同场地条件下的TTN残余位移系数谱具有一致性,可生成统一场地谱;③提出的TTN残余位移系数设计谱数学表达形式简洁,能够反映C_r与T,R的相关性,可用于预测近断层区域结构残余位移。     

近断层地震动斜输入下水电站厂房非线性地震响应研究

与远场地震动相比,近断层地震动往往有较大的速度和位移脉冲效应,且由于其发震断层埋深较浅,地震波垂直地表向上入射假定一般不再适用。目前关于水电站厂房抗震研究均未考虑近断层脉冲型地震动斜输入的影响。选取符合某水电站场地条件的近断层脉冲型和非脉冲地震动记录各5条,依据波动理论,采用黏弹性动力人工边界法,推导了SV波三维斜入射下的人工边界等效结点力计算公式,并进行了算例验证。建立了水电站厂房三维塑性损伤有限元分析模型,分析了水电站厂房在脉冲型和非脉冲地震动垂直和斜输入条件下的非线性地震响应。结果表明,近断层脉冲型地震动斜输入可以激起厂房结构的高阶振型,引起水电站厂房下部结构较大的损伤、位移、及应力响应,对厂房的破坏作用最强。     

基于结构响应极值前四阶矩的桥墩抗震可靠度

为研究桥墩非线性地震响应下的抗震可靠度,引入随机函数-谱表示模型与高阶矩法,提出了基于结构响应极值前四阶矩的桥墩抗震可靠度分析方法。考虑三线型恢复力模型,建立了桥墩的单墩模型;利用随机函数-谱表示模型生成非平稳地震加速度时程样本并对桥墩进行非线性时程分析,在此基础上,建立了结构响应极值前四阶矩(均值,标准差,偏度和峰度)的计算框架;最后,考虑桥墩位移界限,给出了桥墩位移的功能函数,进而利用高阶矩法计算桥墩抗震可靠指标。通过对桥墩结构分析,验证了该方法的高效性与精确性;计算结果表明:与Monte Carlo模拟结果相比,该方法计算的前四阶矩、抗震可靠指标(失效概率)的最大相对误差分别为0.28%,1.92%(4.92%),该方法为桥墩抗震可靠度评估提供了一种有效的途径。     

双向地震动作用下刚度偏心单层体系弹性反应谱研究

目前的工程抗震设计方法是建立在弹性单自由度反应谱的基础上，然而实际地震动的多维性和结构偏心引起的空间耦合性使得基于单自由度反应谱的设计方法存在着局限性。为此，研究并建立了双向地震作用下结构刚度偏心层体系弹性反应谱模型，定义弹性位移比值谱和加速度比值谱。通过对硬土、中硬（软）土、软土3类场地60条双向地震动的弹性比值谱统计平均结果，分析3类场地比值谱的谱值分布特征及相对刚度偏心距、扭转频率比对谱值及谱值分布的影响。结果表明，各类场地的比值谱都具有独特的谱值分布特征，并且这些分布特征受相对刚度偏心距和扭转频率比的影响较小。在每种场地类型的谱值分布特征下，弹性比值谱随相对刚度偏心距和扭转频率比的变化也具有一定的规律性。     

地铁地下车站在非一致性地震输入下的动力响应

由于近年来城市地下空间的开发,修建了一大批地铁车站,这些大尺度地下结构的出现,为工程抗震提出了新的课题。首先详细阐述了基于设计反应谱合成空间相关多点地震波的方法,合成的地震波不仅具有地震动的空间相关性,同时还具有强度和频率含量的双重非平稳性;再分别建立了位于三种场地中的地铁车站三维有限元模型,用无限单元来模拟无限域的影响,在此基础上分析了一致与非一致地震动输入情况下该地铁车站的地震响应特征。结果表明：在软土场地中,地震动的非一致性使车站轴向各中柱位移产生了较大的相位差,同时对侧墙的动应力影响较大;在中等和硬土场地中,地震动的非一致性对结构的动力响应影响较小,一般可以忽略。建议在对软土场地中的大尺度车站结构进行地震反应分析时,应考虑地震动的非一致性影响。