典型地震动作用下长周期单自由度体系地震反应分析

通过单自由度体系典型地震反应分析探讨长周期结构的类共振及瞬态效应问题。远场类谐和地震动与近断层脉冲型地震动是导致长周期结构发生类共振的两类长周期地震动,而目前对此两类地震动特性以及地震反应的对比分析尚不多见。首先,通过卓越频率与能量时间分布系数对比分析,研究了长周期地震动能量时频分布特性,结果表明：两类长周期地震动的能量均集中在较低频段,且远场类谐和地震动的能量集中频段略低于近断层脉冲型地震动;近断层脉冲型地震动与普通地震动的能量在时域内分布较远场类谐和地震动集中。然后,进行了弹性反应谱对比分析,结果表明：在长周期段,远场类谐和地震动与近断层脉冲型地震动的加速度反应、速度反应、位移反应和输入能量均大于普通地震动,且速度反应、位移反应与输入能量的放大程度明显高于加速度反应;远场类谐和地震动的各反应明显大于近断层脉冲型地震动,且衰减更为缓慢。最后,提出瞬态效应的概念,并进行了实际地震动作用下的瞬态效应分析,结果表明：瞬态效应是地震动高频成分的固有属性,但不足以引起长周期结构的瞬态位移破坏。建议在对长周期结构进行抗震设计时,需要重点考虑两类长周期地震动引起的类共振问题,而不需要考虑瞬态效应。     

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。     

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。     

近断层高架连续梁桥地震易损性与振动台试验研究

与远场地震动相比,近断层地震动长周期成分丰富、存在速度大脉冲效应,对柔性结构桥梁具有更高的震损能力。高架连续梁桥是一种常见的桥梁结构型式,距离断层较近时在地震中可能会发生更为严重的破坏。以一座典型四跨高架连续梁桥为例,对比了远场地震动和含速度脉冲近断层记录输入下的地震易损性规律,并通过缩尺模型振动台试验得到了典型近断层地震动输入下的动力响应。结果表明:与远场或设计地震动相比,含速度脉冲的近断层地震动输入下高架连续梁桥的地震易损性更高,在分析桥梁系统易损性时应综合考虑桥墩和支座的损伤指标,振动台试验结果验证了典型近断层地震动输入下高架连续梁桥动力响应更大。     

近断层脉冲型地震动作用下高层建筑组合隔震的减震性能研究

近断层地震动中的长周期、短持时、高能量的加速度脉冲将对长周期高层隔震结构的减震性能产生不利影响,尤其易使LRB(lead-rubber bearing)支座产生超限变形,导致在大的面压与位移共同作用下发生剪压破坏;此外,考虑土-结构相互作用(SSI效应)后隔震结构将产生动力耦合效应,可能进一步放大隔震结构地震响应。提出滑板支座、复位装置相结合的新型组合隔震系统,利用滑板支座承担大的竖向荷载、复位装置因不承担竖向荷载而获得更大的变形能力且起隔震层自复位作用。考察近断层脉冲型地震动作用下长周期高层隔震结构的地震响应规律,揭示隔震体系的损伤机理。基于集总参数SR(sway-rocking)模型,分析不同场地类别与不同地震动类型对隔震体系动力响应影响规律。结果表明:近断层罕遇地震下LRB隔震系统因变形超限而失效;新型组合隔震系统能保证近断层脉冲型地震下隔震的有效性,且具有较为良好的减震性能,但相比普通地震动减震效果变差;对于Ⅲ,Ⅳ类场地类别,考虑SSI效应使隔震体系的刚度弱化,致使层间位移角增大,且随着土质的变软增大的幅度也越明显。     

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。     

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。     

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。     

考虑近断层脉冲型地震动影响的埋地管道地震易损性分析

近断层脉冲型地震动具有短时高能量的脉冲特性,会对埋地管道等长周期结构造成较为严重的破坏。为研究近断层脉冲型地震动影响的埋地管道抗震性能,该文基于简化速度脉冲模型,结合脉冲周期、脉冲峰值的经验统计公式,模拟了不同地震动的方向性脉冲分量和滑冲脉冲分量,通过与ATC-63报告推荐的远场地震动中的高频成份进行叠加,合成了具有多种频率成分的近断层脉冲型地震动;在此基础上,进一步考虑空间变异性,生成了的空间相关多点非平稳地震动。利用ANSYS软件进行有限元建模,输入人工合成的地震动进行增量动力时程分析,建立了PGV与埋地管道最大应变之间关系的概率地震需求模型,结合管道极限破坏状态的划分,进而建立了考虑不确定性的不同管材、管径、壁厚及填覆土的埋地管道地震易损性模型。该模型为跨断层埋地管道地震风险评估中的地震易损性分析提供了理论基础。     

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。     

近断层水平地震激励下巨-子三维隔震结构振动台模型试验

将三维隔震层从地面标高上移至巨-子结构(巨型框架-子框架结构体系)的各子结构底部,可以解决高层三维隔震结构摇摆反应明显的问题,且整体隔震结构不再受高宽比限值的制约。设计加工了一个3层巨型框架结构模型,底层大空间,上部含有2个次框架。在2个次框架底部与主框架楼板相连部位安装4个三维隔震支座;进行了近断层及远场罕遇水平地震激励下,巨-子抗震结构和巨-子三维隔震结构的地震模拟振动台对比试验和数值分析。结果表明:巨-子三维隔震结构将隔震层上移至次框架底部并未延长结构的基本周期。次框架和主框架的动力响应减震效果显著,近、远场及场地类型对隔震率没有明显影响。由于近断层地震动的脉冲效应及其长周期成分与结构周期更接近,近断层激励下次框架和主框架的动力响应比相同场地的远场地震动大10%~20%,Ⅲ类场地近断层地震激励下的结构响应比Ⅱ类场地大10%~25%。     

基于EEMD的远场类谐和地震动人工合成方法

远场类谐和地震动是一种特殊的长周期地震动,振动阶段后期产生多个循环的长周期类谐和加速度脉冲,易对长周期结构带来不利影响。然而,由于远场类谐和地震动实测记录有限,能直接用于结构抗震分析的地震动记录更少。为弥补这一缺陷,该文提出一种基于EEMD的远场类谐和地震动人工合成方法并对该方法的合理性和可行性进行验证。该方法通过对远场类谐和地震动记录进行EEMD分解,得到地震动低频成分的类谐和主脉冲成分与衰减部分,并对二者的拟合重构形成类谐和主脉冲分量进行特征参数识别和简化,提出由类谐和脉冲函数和衰减函数相结合的主脉冲速度模型,最后叠加分解时剔除的高频IMF分量形成人工类谐和地震动。基于此,重新选取3条任意远场类谐和地震动记录的地震动特征参数合成人工地震动,与原始地震动反应谱进行对比分析。结果表明：采用EEMD方法可有效提取原始地震动的低频成分,基于所提类谐和主脉冲速度模型得到的主脉冲时程与原始地震动速度主脉冲时程吻合较好;利用所提的地震动合成方法合成的人工地震动可较好保留原始类谐和地震动的非平稳特性,且与原始地震动较为吻合。     

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。     

2018年台湾花莲M_w6.4地震近断层地震动方向性差异

定量研究了2018台湾花莲地震近断层地震动方向性特性,及其与震源破裂机制、断层距离和空间方位的关系,探讨了NGA-West2方向性模型对本次地震方向性的适用性,并给出工程建设中需考虑地震动方向性差异的断层距范围。研究结果表明:花莲地震近断层地震动随观测方向变化表现出显著的差异,最大加速度反应可以达到最小反应的6.4倍;地震动的方向性差异随周期的增大而增大,特别是在T1.0 s的长周期段更为显著。不同方向上的强度最大值与中值之比的统计均值与NGA-West2方向性模型预测值较吻合;断层距30 km以内地震动具有明显方向性,在断层距5 km范围内的米伦断层附近地震动卓越方向最靠近垂直断层方向;在周期T=0.2 s, 0.5 s, 1.0 s的较短周期段,地震动卓越方向所在方向较为随机;在周期T=3.0 s, 5.0 s, 7.5 s的较长周期段,地震动的卓越方向与断层的相对运动方向高度吻合。建议在断层距约30 km范围的近断层区域内,工程建设中需考虑地震动方向性差异的影响,特别是在断层距约10 km范围内应确保工程结构的薄弱位置尽量避开地震动卓越方向。     

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。     

汶川地震中SDOF体系地震输入能量需求的研究

基于汶川地震断层距150km内112条水平分量加速度记录,分析断层距、场地类型、地震动持时、上盘和下盘效应、方向性效应对SDOF(single degree of freedom)体系弹性地震输入能的影响。结果表明:近断层断层距30km范围应考虑加速度峰值增大对输入能显著提高的影响;场地越软输入能越大,输入能谱的特征周期并不随着场地越软而向右移动;地震动持时对输入能谱峰值相应周期的结构影响显著,持时越长,输入能谱峰值越大。近断层下盘效应和方向性效应对地震输入能有显著影响,断层距大于30km范围内,下盘效应使中、长周期结构的地震输入能显著提高。     

近断层地震动脉冲特性研究综述

近20年来近断层地震动的脉冲效应获得了广泛关注,其与震源过程和结构地震破坏关系密切。该文首先对近断层地震动中速度脉冲的成因进行简要概括,而后对近断层强震记录处理、脉冲识别与特性参数获取方法进行了系统回顾,最后对现有研究中获得的脉冲个数、脉冲周期和脉冲幅值与地震参数间的统计关系进行比较。认为强震记录处理的传统分段校正方法无法在频域最大可能复原有效地震动信息,还存在脉冲识别与提取方法主要基于向前方向性效应引发、相关脉冲参数统计分析中对地质构造和断层类型考虑不足等问题。建议后续研究中多关注基于时频分析的基线校正方法,深入研究滑冲效应引起的脉冲、竖向地震动中的脉冲特性以及地质构造和断层破裂过程等因素对脉冲特性参数的影响。     

近断层地震动脉冲特性研究综述

近20年来近断层地震动的脉冲效应获得了广泛关注，其与震源过程和结构地震破坏关系密切。该文首先对近断层地震动中速度脉冲的成因进行简要概括，而后对近断层强震记录处理、脉冲识别与特性参数获取方法进行了系统回顾，最后对现有研究中获得的脉冲个数、脉冲周期和脉冲幅值与地震参数间的统计关系进行比较。认为强震记录处理的传统分段校正方法无法在频域最大可能复原有效地震动信息，还存在脉冲识别与提取方法主要基于向前方向性效应引发、相关脉冲参数统计分析中对地质构造和断层类型考虑不足等问题。建议后续研究中多关注基于时频分析的基线校正方法，深入研究滑冲效应引起的脉冲、竖向地震动中的脉冲特性以及地质构造和断层破裂过程等因素对脉冲特性参数的影响。     

不同类型近断层脉冲型地震动对框架-剪力墙结构的影响

近断层脉冲型地震动对结构有很大的潜在破坏作用。为分析不同类型该类地震动对框架剪力墙结构地震反应的影响,搜集了近断层双脉冲和多脉冲型地震动,计算了这些地震动的加速度反应谱,及其引起的一个22层钢筋混凝土框架-剪力墙结构的时程反应。对比了双脉冲和多脉冲型地震动的平均弹性加速度反应谱,及其引起框架-剪力墙结构的平均基底剪力、平均最大层间位移角、平均顶层位移和平均结构整体破坏指数。结果表明:近断层双脉冲型地震动的平均弹性加速度反应谱谱值均接近或大于近断层多脉冲型地震动;近断层双脉冲型地震动引起的框架-剪力墙结构平均基底剪力、平均最大层间位移角、平均顶层位移和平均结构整体破坏指数均不小于近断层多脉冲型地震动。由此说明,在统计意义上,当分析近断层脉冲型地震动对框架-剪力墙结构破坏作用的影响时,输入地震动可近似仅考虑双脉冲型地震动。     

近断层地震动作用下大底盘单塔楼隔震结构振动台试验研究

近断层地震动具有长周期、短持时、高能量的速度脉冲,可能导致长周期的大底盘上塔楼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大底盘上塔楼隔震建筑减震性能带来的不利影响。首先讨论近断层地震动的运动特征,然后设计一个水平向缩进尺寸比例为1∶3的大底盘单塔楼钢框架模型,分别组装为层间隔震、基础隔震和抗震等三种试验模型,以近断层地震动与远场地震动为激励输入,进行单向振动台试验。探讨近断层地震动长周期的速度脉冲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,分析与验证近断层地区隔震结构采用考虑近场影响系数设计方法的适用性。结果表明:在近断层地震动作用下大底盘单塔楼隔震结构的层间位移、楼层加速度等动力反应均明显大于在远场地震动作用下的相应值,增大为远场地震动的1.5~2倍,且层间位移与楼层加速度等减震效果相比远场地震动变差;不同隔震形式下的隔震支座变形均达到远场地震动的1.5倍以上,近断层地区隔震结构设计应考虑长周期速度脉冲对减震性能的不利影响。