一种平稳地震地面运动的改进金井清谱模型

该文提出了一种描述平稳地震地面运动过程随机特性的功率谱密度函数模型。假定基岩地震动为某种过滤白谱过程, 通过两个特定频率参数控制该过滤白谱的低频和高频含量, 从而实现对基岩地震动物理特性的模拟。利用金井清滤波器对基岩过滤白谱进行过滤, 得到地震地面加速度的谱密度模型。通过数学推导解释了该模型的物理机制, 选择汶川地震强震观测数据拟合模型中的相关参数, 给出了汶川地震场地相应的模型参数建议取值。该文模型在物理机制上可以认为是金井清谱模型的改进方案, 但修正了金井清谱模型在零频处奇异的缺陷。     

全非平稳地震动过程的概率模型及反应谱拟合

在强度调制函数基础上,发展了一类全非平稳地震动过程的时-频调制函数。结合平稳地震动过程的功率谱密度函数,建立了全非平稳地震动过程的演变功率谱模型,并根据建筑抗震设计规范确定了模型参数的取值。应用非平稳过程模拟的谱表示-随机函数方法,生成具有完备概率的非平稳地震动加速度过程的代表性时程集合,进而计算代表性时程的平均反应谱。为保证计算平均反应谱与建筑抗震设计规范反应谱的一致性,建议了反应谱容许误差的双重控制准则,即平均相对误差和最大相对误差。研究表明,通过对演变功率谱的3次迭代修正,即可实现计算平均反应谱与规范反应谱拟合的目的,为应用结构随机动力学进行实际工程结构抗震设计提供了依据。     

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。     

不同支撑形式的梁在地震作用下的随机响应分析

基于随机振动理论,建立了梁结构在随机地震动作用下的振动方程。将地震地面运动考虑为随机过程,利用地震响应谱方法,推导了结构在随机地震动作用下最大位移响应的计算过程。以某简支梁和悬臂梁为例,推导了其位移功率谱密度函数、峰值位移功率谱密度函数及最大位移反应的功率谱密度函数。     

基于规范反应谱的全非平稳地震动过程模拟

在经典的两类演变功率谱模型基础上,建议了另两类全非平稳地震动过程的演变功率谱模型。为生成与规范反应谱一致的全非平稳地震动时程,将地震动加速度过程分解为两个独立的随机过程,其一为已知演变功率谱的全非平稳地震动过程,其二为修正的非平稳地震动过程。对于第一个随机过程,应用非平稳过程模拟的谱表示-随机函数方法,即可生成代表性时程集合及其平均反应谱。对于第二个随机过程,其演变功率谱是由调制函数和功率谱密度函数组成,而功率谱密度函数则由第一个随机过程的平均反应谱与规范反应谱的拟合误差计算得到。通过对第二个随机过程演变功率谱的修正,可使合成后的全非平稳地震动过程的平均反应谱与规范反应谱拟合一致。最后,算例验证了此方法的有效性和实用性。     

基于部分分层抽样的高墩桥梁随机地震响应分析

为了表征桥梁结构不确定性和随机参数相关性对桥梁结构抗震性能的影响,从概率角度对桥梁进行抗震性能分析,基于部分分层抽样原理建立了时-频非平稳地震作用下桥梁非线性随机地震响应分析方法.基于地震动演化功率谱,采用谱表示方法生成非平稳地震动样本,并采用基于正交函数的思想对谱表示方法中的随机变量进行模拟,通过两个基本随机变量表征...     

非平稳地震动过程模拟的谱表示-随机函数方法

在Priestley演变谱理论的基础上,采用随机函数的思想,建议了一类新的全非平稳过程模拟的谱表示-随机函数方法。在谱表示-随机函数方法中,实现了用2个基本随机变量即可精确表达原随机过程的目的。通过选取基本随机变量的离散代表点集,可以直接由演变功率谱密度函数生成具有给定赋得概率的代表性样本集合。以全非平稳地震动加速度过程的演变功率谱为例,验证了本文方法的有效性和优越性。最后,结合概率密度演化方法,进行了Duffing振子的随机地震反应分析与抗震可靠度计算。     

松软场地上桩筏基础AP1000核岛结构的三维非线性地震反应特性

松软场地上核岛结构的地震安全正成为一个挑战性的重大工程问题。选取代表性的近场强震、中远场强震和远场大震记录作为基岩地震动,考虑场地工程地质特性、土体非线性和人工边界条件,对松软场地-桩筏基础-AP1000核岛结构三维体系进行非线性地震反应分析,结果表明:核岛结构谱加速度的卓越周期与基岩地震动的基本相同,对与核岛主体结构基本频率相近的地震动分量的反应更为强烈,冷却系统水箱“晃动水”的地震反应对核岛结构的影响类似于鞭梢效应;核岛结构的峰值加速度放大系数随结构高度增大,近场和远场强震作用时,该放大效应主要取决于核岛结构自身特性及基岩地震动经土层到核岛底部的传播;核岛结构相对其底部的峰值相对位移随结构高度增大,且远场大震作用时的反应更为强烈;随基岩峰值加速度的增大,核岛结构的峰值加速度放大效应减弱、峰值相对位移反应增大。地基柔性及土-结构相互作用的耦合效应对输入地震动具有高频过滤、低频放大效应,从而使核岛结构下部的峰值加速度显著放大、中上部的峰值加速度显著减小。     

基于部分分层抽样的高墩桥梁随机地震响应分析EI北大核心CSCD

为了表征桥梁结构不确定性和随机参数相关性对桥梁结构抗震性能的影响,从概率角度对桥梁进行抗震性能分析,基于部分分层抽样原理建立了时-频非平稳地震作用下桥梁非线性随机地震响应分析方法。基于地震动演化功率谱,采用谱表示方法生成非平稳地震动样本,并采用基于正交函数的思想对谱表示方法中的随机变量进行模拟,通过两个基本随机变量表征地震动的不确定性;采用基于数论的部分分层抽样方法对地震动-结构随机变量抽样,从而对桥梁非线性随机地震响应进行模拟,减小桥梁随机地震响应分析中的抽样方差;以一座实际高墩连续刚构桥为数值算例,对其进行了非线性随机地震响应分析,详细研究了桥梁结构不确定性和随机参数相关性对其地震可靠度的影响。研究结果表明:随机地震作用下,桥梁随机地震响应是典型的零均值非平稳随机过程,从地震动开始到结束,桥梁结构地震响应概率密度曲线存在由窄边宽,再由宽变窄的演化过程;随机地震作用下,桥梁结构关键响应的平均峰值因子存在一定差异,其通常在1.8~2.2变化;桥梁结构不确定性和随机参数相关性对高墩桥梁地震响应极值分布和地震可靠度的影响较为显著,忽略桥梁结构的不确定性和随机参数相关性将高估桥梁结构的地震可靠度。     

随机有限断层法合成地震动及其相干性研究

从地震动合成出发,在考虑场地条件、震源参数等影响的情况下,采用随机有限断层法合成了基岩场地相隔一定距离处空间各点的加速度时程,进而研究这些点之间的相干性.研究结果验证了基岩场地相干函数计算模型的合理性;同时说明,随机有限断层法得到的地震动加速度时程能够体现地震动的内在特点,可以将其作为高耸结构、大垮桥梁等重要工程结构抗震分析时的多点地震动输入.     

苏通桥对非一致地震地面运动的反应和人工波质量的讨论

台湾集集地震SMART-II密集台阵的,带有GPS国际标准时间校准的7群非一致地震地面加速度记录,和2群以杂交法针对苏通桥桥位断层和地质构造产生的非一致地震人工地面加速度时程历史作为输入,分析了世界最大跨斜拉桥——苏通桥——对非一致地震地面运动的变形和内力反应。每群地震输入由两个或三个台站的三分量加速度记录组成。还考虑顺桥向与波传播方向、断层走向间不同夹角、大桥是否跨越断层的情况下非一致地震地面运动的反应,并与由每群台站记录中含最大水平地面峰值加速度的记录构成的一致地震地面运动的反应做了比较。比较表明:尽管相应的一致地震输入是由一群台站记录中含最大水平地面峰值加速度的记录组成,苏通桥的半数非一致地震反应仍比相应的一致地震反应大,个别情况的非一致反应甚至比一致反应大得多。因此,苏通桥这样的特大桥的抗震设计应当考虑非一致地震的影响。还提出桥梁设计者应根据桥的动力特性对地震安全性评价提出所需的地震动参数。还检查了有关部门对苏通桥抗震设计提供的人工加速度波的反应谱和互相关系数,结果表明桥梁设计者应当在多方面检查所提供的人工波的质量。     

场地条件校正的地震动快速评估方法研究

地表峰值加速度PGA是工程地震预警、烈度速报及结构抗震设计的重要指标参数。搜集整理日本Kik-net台网的地震记录,以我国抗震规范中采用的场地覆盖层厚度D和等效剪切波速Vse为场地特征参数,以基岩加速度峰值PBA为输入地震动强度指标,基于分类回归树CART算法,建立了以地表PGA阈值分别为40 gal、80 gal及120 gal的场地条件修正的地震动预警方法,并给出了参数指标的取值范围。通过对搜集的数据进行回判检验,3种地震强度下总体预警成功率分别为84.7%、90.1%和93.6%。采用我国川滇地区强震数据验证该方法的可靠性,结果显示总体成功率分别为88.4%、92.3%和93.4%。     

琼州海峡海床地震反应特性的一维非线性分析

深软海床上修建跨海通道并确保其地震安全是一项重大的工程挑战。选取拟建琼州海峡海底隧道沿线4个典型钻孔剖面进行一维非线性地震反应分析,研究了输入地震动特性、土体动力本构模型的选取对海床非线性地震反应特性的影响。结果表明:与MKZ模型相比,DCZ模型能更好地模拟地震动的某些高频和中-长周期分量在海床土层中的传播;海床35 m以浅和80 m~160 m深土层对0.6 Hz~1.1 Hz地震波传播的放大效应显著。对于0.2 g基岩地震动水平,海床地表峰值加速度达0.297 g,相当于地震烈度Ⅷ度水平,这与历史最大影响烈度是一致的;依据海床场地效应特征,累积绝对速度CAV是一个更合适的地震动强度指标。在周期0.05 s~0.5 s范围内,依据《中国地震动参数区划图》反应谱设计跨海通道将偏于不安全。     

A study on the stochastic characteristics of earthquake response spectra in seismic hazard analysis

Abstract

For the purpose of establishing seismic design criteria for engineering structures, it is desirable to assess the expected intensity of seismic strong ground motion at a site for various probability levels (i.e., Seismic Hazard Analysis). In order to consider the seismic hazard at a site, the predictive equations of ground motion are needed. A number of predictive relationships derived from regression analysis of strong‐motion data are available for horizontal peak acceleration, response spectral value, and Fourier amplitude value. Of the earthquake data recorded in the Taiwan area, the “rock site” data are chosen for the determination of ground motion parameters. By using the predictive equation of peak ground acceleration, the seismic hazard curve at a site can be calculated, and by using the model of spectral acceleration attenuation, the uniform hazard spectrum is developed. Finally, by using the proposed Fourier amplitude attenuation model and the mathematical theory of the maximum response of a single‐degree‐of‐freedom linear system, the non‐exceedance probability of the earthquake response spectrum at a site at a certain lifetime can also be developed. Comparisons between the effects of different ground motion parameters on the results of seismic hazard analysis are made.     

异跨框架式地铁地下车站结构抗震性能水平与评价方法研究

针对现有异跨地铁地下车站结构抗震分析方法缺乏合理性能评价指标的问题。考虑土体与结构混凝土的材料非线性和接触非线性,建立了土-异跨地铁车站静动耦合整体时域有限元数值模型,通过在基岩处输入不同强度等级和类型的地震动,研究了异跨地铁车站结构的侧向变形规律与地震损伤特性,揭示了该车站结构的地震损伤破坏演化过程,建立了基于层间位移角与损伤破坏状态的异跨框架式地下车站结构抗震性能水平评价方法与物理特征描述。所建议的抗震性能评价方法能初步应用于异跨框架式地下结构的抗震性能水平分析。     

Analysis for vertical velocity of seismic waves

Abstract

Presented here are the results of seismic wave velocities analyzed using the acceleration time‐histories recorded at the downhole strong motion array of the Lotung large scale seismic test site during the May 20, 1986 Hualien earthquake. The spectral ratios between the surface and downhole accelerograms were used to identify the frequencies of maximum amplification of soil layers, and an elastic 1‐D wave propagation model was proposed to estimate the wave velocities of the ground during the earthquake. The results obtained indicate that significant reduction of shear wave velocity as well as soil modulus was induced by earthquake excitation as compared to the values obtained from low strain level soil testings.     

地震动频谱对小湾拱坝非线性响应的影响

将时间信号时—频联合分析的自适应谱方法用于研究地震地面运动的频率非平稳特征、提取频率非平稳信息，统计得到各个频段地震动成分的强度变化过程。在此基础上，应用均匀调制随机过程模型和演变随机过程模型合成人工地震波，以此为输入对高拱坝进行了考虑地震动时—频非平稳性的动力响应分析。结果表明，在地震力作用较小时，影响不大，但对地震力作用较大的高拱坝，地震动的非平稳性对拱坝非线性地震响应的影响不可忽略。     

Nonlinear dynamics of offshore structures under sea wave and earthquake forces

A study of dynamic response of offshore structures in random seas to inputs of earthquake ground motions is presented. Emphasis is placed on the evaluation of nonlinear hydrodynamic damping effects due to sea waves for the earthquake response. The structure is discretized using the finite element method. Sea waves are represented by Bretschneider’s power spectrum and the Morison equation defines the wave forcing function. Tajimi-Kanai’s power spectrum is used for the horizontal ground acceleration due to earthquakes. The governing equations of motion are obtained by the substructure method. Response analysis is carried out using the frequency-domain random-vibration approach. It is found that the hydrodynamic damping forces are higher in random seas than in still water and sea waves generally reduce the seismic response of offshore structures. Studies on the first passage probabilities of response indicate that small sea waves enhance the reliability of offshore structures against earthquakes forces.     

Pore pressure response of earth dams in random seismic environment

The progressive development of pore water pressure due to earthquake loading and associated loss of strength may be a major cause of instability in earth dams consisting of low to medium dense saturated sands and hydraulic fill materials.In this study a procedure is developed for the analysis of pore pressure response of an earth dam subjected to a random seismic environment. The ground motion is modelled as a portion of the stationary random process which may be defined alternatively by (a) Kani—Tajimi spectral density function, or (b) a design response spectrum. The earth dam is modelled as a series of shear slices and is considered to be homogeneous. The nonlinearity in shear modulus and damping are incorporated by using an equivalent linear model for the stress-strain behavior of soils. The dynamic response to vertically propagating shear waves is formulated in the frequency domain providing the transfer functions for various parameters, viz, stress, strain and acceleration, etc. The power spectra of these parameters are then readily obtained.Using a simple linear model for the generation of pore water pressure the expected value of associated damage is obtained. Numerical results of an example analysis and a parametric study are presented.