地震动强度指标与结构地震响应的相关性研究

目前结构抗震分析时使用的地震动强度指标较多,各种地震动强度指标的适用性尚未有统一的定论,缺乏系统的分析。采用考察结构最大地震响应与地震动强度指标之间的线性相关性的方法,选取具有代表性的100条原始地震动记录作为输入,基于不同周期的SDOF系统和实际减隔震桥梁,研究各地震动强度指标与结构地震响应的相关性。根据研究结果,将地震动强度指标划分为4类,其中以Sa(T1)为代表的第Ⅰ类强度指标与不同周期结构的相关程度都较高,而以PGA为代表的第Ⅱ类和以PGD为代表的第Ⅲ类强度指标分别对短周期和长周期结构的相关程度较高,以PGV为代表的第Ⅳ类强度指标相对较稳定,建议采用第Ⅰ类强度指标作为衡量地震动强度的指标参数。并通过工程实例进一步论证了对于自振周期已知的结构,地震动的不同强度指标与结构地震响应的相关性不同。     

地震动强度指标与框架结构响应的相关性研究

随着当前结构性能设计及耗能减震技术的普遍应用,根据合理的地震动强度指标来选择和调整实测地震动记录进行结构地震动响应分析,对于保证结构抗震设计的可靠性具有重要的意义。该研究将13种常用的地震动强度指标按照加速度型指标、速度型指标和位移型指标分为3类,对强震作用下13种常用的地震动强度指标与不同周期框架结构响应参数的相关性开展了研究。研究结果表明:3类地震动强度指标中,加速度型指标与短周期框架结构响应参数的相关性最好;速度型指标与中周期和中长周期框架结构响应参数的相关性最好;位移型指标与中长周期框架结构响应参数的相关性相对较好;同一结构在线性反应阶段与非线性反应阶段的响应参数与地震动强度指标的相关性是变化的。     

长周期地震动的特性分析及界定方法研究

为了给长周期地震动的选取和评价提供依据及量化指标,利用Hilbert-Huang变换理论分析地震动能量特性,提出评价地震动周期特性的方法;并且对典型的常规地震动和近、远场长周期地震动的时域、频谱分布、地震动放大系数谱及周期特性进行了分析,得到了近远场长周期地震动的时频域特性及其与常规地震动的差异。在此基础上,提出用β谱曲线2到10s谱值和周期的平方加权平均值βl作为长周期地震动的界定参数;根据178条近场地震动和151条远场地震动的βl值的统计分析结果提出:βl0.4的地震动为长周期地震动,βl0.2的地震动为短周期地震动(即常规地震动),0.2≤βl≤0.4的地震动为中长周期地震动。这将为柔性桥梁抗震分析时长周期地震动的选取提供依据。     

基于HHT地震动分量分离的长周期地震动界定方法

长周期分量是地震动长周期特性的决定性成分,能反映长周期地震动的基本特性。基于HHT方法,提取加速度反应谱平均周期T_r≥2 s的IMF及残余分量重构并进行基线校正作为该地震动的长周期分量;通过长周期分量与原地震动的相关性分析及其在超高层建筑的结构响应中的影响验证了其界定长周期地震动的合理性。提出了基于长周期分量特性的界定指标LPGI,当LPGI0.6时的地震动为长周期地震动;用长周期分量的归一化Hilbert累积能量曲线从5%增长至95%所经历的时间t_(90%)来表征长周期地震动的脉冲特性,从而区分远场类和谐长周期地震动和近断层脉冲性地震动这两类特殊长周期地震动;为长周期地震动的区分提供了较好的方法与参数指标。     

海域地震动长周期特性及其强度指标研究

为了分析海域地震动的长周期特性。选取893条三分量海域地震动记录,识别出其中长周期特性明显的水平和竖向海域地震动,比较了海域长周期地震动的动力放大系数谱和抗震设计规范谱的差异,研究了海域地震动强度指标PGA(Peak Ground Acceleration),PGV(Peak Ground Velocity),PGD(Peak Ground Displacement)与不同强度折减系数下的弹塑性单自由度体系的最大变形需求间的相关性。分析结果表明:由浅源远场强震(震源深度小于45 km,震中距大于120 km,且矩震级大于6.2)产生的海域地震动的长周期特性十分突出,其动力放大系数谱在长周期段(2~10 s)明显超过了抗震设计规范谱的取值,且竖向地震动的长周期特性比水平向地震动更显著;PGD和单自由度体系的最大变形需求的相关性在长周期段最好,因此建议选用PGD作为海域远场长周期地震动的抗震分析强度指标。     

远场长周期地震下层间隔震结构的非线性减震分析

远场长周期地震动具有长持时、低频成份丰富等特征,部分地震动后期振动阶段产生多个循环脉冲,类似谐和振动;其可能对隔震建筑等长周期结构的抗震性能带来不利影响,需深入探讨。首先讨论远场长周期地震动的运动特征。然后以8条远场长周期地震与3条普通地震记录作为地震动输入,对一幢钢筋混凝土框架层间隔震结构进行了非线性地震反应分析。探讨地震波中的长周期成份,尤其类谐和成份对隔震结构减震性能的影响。提出在隔震层增设黏滞阻尼器,形成组合隔震方案;分析其对隔震层的限位保护效果与对隔震结构的非线性减震效果。结果表明:远场长周期地震作用下层间隔震结构的减震效果相比普通地震作用下的减震效果变差。特别在远场类谐和罕遇地震作用下,层间隔震结构的非线性响应相比抗震结构几乎无减小,甚至显著放大;隔震支座最大位移远超越其允许位移。组合隔震能较有效地控制远场长周期地震、特别是远场类谐和地震作用下隔震结构的非线性反应,尤其可显著减小隔震支座的最大位移,防止隔震支座破坏。     

近场与远场长周期地震动对高层结构作用机理比较分析

以远场类谐和地震动、近断层向前方向性地震动与近断层滑冲型地震动三类长周期地震动为研究对象,在分析长周期地震动最大瞬时输入能与SDOF体系最大位移响应相关性的基础上,提出瞬时输入能比的概念,对比分析探讨不同类型长周期地震动作用下结构的破坏模式;基于Hilbert-Huang变换,以某12层RC框架结构为例,分析长周期地震动作用下控制结构弹塑性地震响应的IMF分量,并对不同类型长周期地震动的瞬时能量曲线及累积能量曲线进行对比分析,在此基础上提出有效长周期地震动、有效峰值及能量梯度的概念,分别从频域与时域角度分析长周期地震动对高层结构的作用机理。结果表明:长周期地震动的有效峰值显著大于普通地震动,揭示了长周期地震动作用下高层结构的地震响应大于普通地震动的内在机理;能量梯度对比分析表明不同类型长周期地震动的能量释放特征差异显著,揭示了远场类谐和地震动的脉冲循环作用机理及近断层向前方向性地震动与近断层滑冲型地震动的脉冲冲击作用机理,其中,前者易使结构发生累积损伤破坏,后者易使结构发生首次超越破坏。     

地震动参数对土坡地震响应的影响权重研究

影响边坡地震稳定性的地震动参数有多种。研究地震动参数与土坡地震响应的相关性对边坡工程的抗震设计和灾后应急救援有重要的理论和现实意义。基于有限元数值模拟和数学方法,选取了100条具有不同地震动峰值加速度(PGA)、地震动峰值速度(PGV)、阿里亚斯强度(AI)、绝对累积速度(CAV)、持时和特征周期的地震动记录,分析了不同特性地震动作用下土坡的动力响应规律,并探讨了地震动各参数与土坡地震动力响应的相关性。研究结果表明,地震动各参数对坡体变形位移的影响权重从高到低分别为PGV、PGA、AI、CAV、特征周期和持时,对坡体加速度的影响权重从高到低分别为特征周期、持时、PGV、AI、CAV和PGA。     

远场类谐和地震动下大底盘单塔楼隔震结构振动台试验研究

远场类谐和地震动具有长持时、低频成份丰富等特征,后期振动阶段产生多个循环脉冲,类似谐和振动,需分析与验证其对隔震建筑等长周期结构抗震性能带来的不利影响。讨论远场类谐和地震动峰值比、持时及反应谱特性;设计一个大底盘单塔楼钢框架结构,分别组装为抗震、基础隔震和层间隔震等三种试验模型,以普通地震动与远场类谐和地震动为激励输入,进行单向振动台试验与数值模拟,探讨地震波中的长周期成份与类谐和成份对隔震结构层间位移、楼层加速度、隔震层变形等减震性能的影响,分析塔楼水平向缩进尺寸比例为1∶1. 5,1∶2,1∶2. 5和1∶3等条件下隔震结构的振动特性。结果表明:远场类谐和地震动作用下的抗震、层间隔震与基础隔震模型的楼层动力响应为普通地震动下结构响应的2～3倍,隔震结构的减震性能也明显劣于普通地震动下的减震性能,隔震层在远场类谐和地震动下的最大变形为普通地震动的3～4倍,易导致隔震支座变形过大而产生破坏;不同的塔楼水平向缩进尺寸比例对隔震结构振动特性并无明显影响。     

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。     

水电站厂房抗震分析中地震动强度指标选择研究

为了探究适用于水电站厂房抗震分析的地震动强度参数(intensity measure,IM),基于某水电站地面厂房工程实例,首先选取42条天然地震动记录作为输入,对17种具有代表性的地震动强度指标与厂房结构的非线性地震响应进行相关性分析,评价各强度指标在水电站厂房地震响应分析中的适用性;然后基于增量动力分析(incre...     

长周期地震下风力发电塔架结构地震反应分析

风力发电在全球范围内得到大规模应用,地震活跃地区已建成和在建风电场数量逐渐增多,地震荷载成为风力发电塔设计中的重要因素。该文针对风力发电塔结构周期较长、对富含低频成分的长周期地震动较为敏感的特性,选择远场长周期地震动与近场脉冲型长周期地震动各20条,并选择20条非长周期地震动作为参照。以一座1.5 MW在役风力发电塔为例,建立其OpenSees的纤维截面梁柱单元模型,并通过现场实测数据对该模型进行了验证。在此基础上,分析了塔架结构在长周期地震下的地震响应,并讨论了近断层脉冲地震动的水平速度脉冲和竖向地震作用对塔架结构地震响应的影响。结果表明:相同峰值加速度条件下,远场长周期地震动更不利,塔顶水平位移和塔底内力均最大,峰值加速度0.15 g远场长周期地震作用与峰值加速度0.45 g非长周期地震作用相当。相对于远场长周期地震动,未发现近场长周期的水平速度脉冲对结构响应产生不利影响;其竖向地震荷载带来的竖向惯性力和P-Δ效应在一定程度上增大了塔架结构的轴力和塔底弯矩,但影响并不明显。近场脉冲型长周期地震动不利的主要因素仍然是其较大的峰值加速度。选择两条主频与塔架基频最接近的长周期地震动并调幅,进行风电塔截面塑性分析。结果表明:距塔底约12 m的截面最先发生屈服。当地震动峰值加速度达到0.5 g时,该截面进入塑性;0.6 g时,达到屈服。     

地震动频谱特性对隔震结构响应及损伤影响研究

针对地震动复杂频谱特性对隔震结构响应及损伤影响进行研究,用加速度反应谱平均周期Tr表征地震动周期特性,用Bouc-Wen模型及刚度退化的Bouc-Wen模型分别描述隔震层与上部楼层的滞变特性,建立隔震结构的质点系非线性分析模型,考虑隔震支座压剪相关性与拉压性能差异建立隔震体系损伤指数模型,分析不同地震动输入加速度幅值及不同Tr与对隔震结构地震反应、损伤影响规律。分析表明,在地震动高频范围内隔震结构响应随输入加速度峰值增加而增加,但对长周期地震动,输入加速度峰值对隔震结构地震反应影响较小,地震反应呈较大离散性、无规律性;在相同加速度幅值输入下隔震层地震反应、损伤的离散性远大于上部结构,在共振区内虽出现最大地震反应,但也会出现较小地震反应,表明隔震结构瞬时共振为非常复杂的过程。研究可为揭示地震动特性与隔震结构地震反应及损伤的关联性提供分析依据。     

长周期地震动作用下高层隔震结构减震性能试验研究

近、远场长周期地震动中的长周期和近场脉冲特性的存在,可能导致长周期的高层隔震结构产生隔震层位移放大效应。通过振动台试验分析与验证其对长周期的高层隔震结构减震性能带来的不利影响,首先分析近、远场长周期地震动的反应谱特性;接着设计制作一个具有典型工程意义的大底盘单塔楼缩尺模型,进行有限元分析与振动台试验,探讨长周期地震动对楼层加速度、层间位移和隔震层位移等减震性能的影响;最后针对可能出现的隔震层位移超限问题,提出在隔震层增设黏滞阻尼器组成的复合减隔震体系,分析验证其减震和限位保护效果。结果表明:远场长周期地震动下隔震结构的响应明显大于普通周期地震动;近场脉冲长周期地震动作用下结构减震效果较差,隔震层位移明显大于位移容许值;复合减隔震体系有效地控制了隔震层的最大位移,降低了大底盘的加速度和层间位移响应,同时对上部塔楼也具有较好的减震效果。     

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。     

高层钢结构考虑长周期地震动的减震加固研究

考虑长周期地震动的影响对一高层钢结构进行了减震加固，并对其抗震性能进行了评估。日本东京新宿地区一高层钢结构经历了“3·11”地震，其强震观测系统记录到了有价值的加速度时程数据，为使其成为人流密集区域的避难场所，拟进行减震加固以提高其抗震性能。基于记录数据进行了频谱分析和时频域分析，发现此次地震具有明显的远场长周期和长持时特征，其长周期分量持续到300 s后才逐渐衰减；利用Ai分布地震力研究了结构的非线性特征和损伤分布，并在此基础上采用基于存储刚度的静力分析方法进行了减震优化设计；选取了包含记录数据在内的长周期长持时地震动和一般地震动对减震加固结构进行了非线性动力分析及损伤评估。结果表明:相较于一般地震动，长周期长持时地震动作用下高层结构的减震效果更明显，优化后的减震加固方案使结构的振动衰减较快，不仅减小了结构的最大响应，而且有效降低了构件的损伤数量和损伤程度。衡量钢支撑局部屈曲的累积轴向应变在长周期长持时地震动作用下明显大于一般地震动，故长周期长持时地震动对钢支撑局部屈曲影响较大。     

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。     

长周期地震动下大跨空间结构空气弹簧-摩擦摆三维隔震体系振动控制分析

该文将新型空气弹簧-摩擦摆三维隔震支座应用于大跨单层球面网壳中,探讨了长周期地震动对三维隔震体系振动控制效果的影响规律。该三维隔震支座可有效降低结构在地震动作用下的响应,当地震动峰值加速度(PGA)相同时,普通地震动下的隔震效果最优,近断层脉冲型地震动下隔震效果次之,远场长周期地震动下隔震效果最差。该现象与长周期地震动与和长周期隔震结构之间的类共振效应有关。随着支座刚度的减小,普通地震动和近断层脉冲地震动作用下的隔震效果提高,远场长周期地震动作用下的隔震效果降低。远场长周期地震动低频分量丰富,其反应谱具有典型的双峰特性,导致结构响应在长周期段随结构周期的延长而增大。进行三维隔震设计时,建议传递比TR取值大于0.2,既保证隔震效果,又能控制三维隔震支座竖向位移响应在设计极限位移内。     

远场类谐和地震动下的高层结构地震响应与损伤机理分析

远场类谐和地震动是一种特殊的长周期地震动,其较大幅值的类谐和波可能给高层结构带来不利影响。通过对远场类谐和地震动的类谐和波段进行分析,探讨类谐和波段与加速度反应谱的第2波峰之间的关系;然后对某高层框筒结构的实例模型进行弹塑性动力时程分析,分析结构的地震位移和内力响应、周期变化曲线、损伤云图、压缩损伤指数以及结构顶点位移响应的功率谱密度,并讨论结构损伤的程度、时刻和位置与类谐和波的关系。结果表明:类谐和波段与加速度反应谱的第2峰值存在一一对应的关系;高层结构在6度中震强度的远场类谐和地震波下的地震位移响应超过了7度大震强度的普通地震波下的值;幅值较大的类谐和波是导致结构刚度迅速衰减的主要原因;结构损伤最严重的时刻并非发生在地震最大能量输入时刻,而是推迟到了类谐和波段,且结构损伤最严重的位置呈现向结构底部移动的趋势。     

类旗帜型滞回模型体系的近断层等损伤位移谱

面向于近断层区域自复位体系的抗震设计需求,为了揭示自复位体系的弹塑性行为,基于Park-Ang双参数损伤模型建立了类旗帜型滞回模型的等损伤位移谱,研究损伤指标模型参数和滞回模型参数对位移谱的影响,分别对比分析了等损伤与等延性位移谱以及近断层脉冲型与无脉冲地震动作用下等损伤位移谱的差异,通过回归分析建立等损伤位移谱预测方程。研究表明:采用脉冲周期进行周期标准化能够反映脉冲效应在短周期段内对位移谱的局部放大作用,同时能降低中长周期段内位移谱的离散性;极限延性系数对短周期段内位移谱值的影响超过20%;等损伤及等延性位移谱的对比分析说明,累积滞回耗能对自复位体系位移需求的影响不能忽视;与无脉冲地震动位移谱值相比,近断层脉冲型地震动位移谱值在标准化周期约为0.5和1.0时增大20%左右。构建的等损伤位移谱预测模型可用于近断层区域自复位体系位移响应的预测。