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。     

近断层地震动向前方向性效应和滑冲效应对高层钢结构地震反应的影响

为考察近断层地震动向前方向性效应和滑冲效应引起的两种速度脉冲运动对高层钢框架结构地震反应的影响,选择具有向前方向性效应、滑冲效应和无速度脉冲的近断层地震动作为输入,利用SAP2000软件对一座20层平面钢框架进行非线性时程分析。计算结果表明,含滑冲效应和向前方向性效应的脉冲地震动主要激发结构基本振型反应,而无速度脉冲的地震动能够激起结构的高阶振型反应,而且,脉冲型地震动的结构破坏作用远强于无速度脉冲地震动。最后,引入了单自由度体系的能量耗散系数,从能量耗散和高阶振型影响的角度对钢结构动力反应计算结果和损伤破坏状态给出了合理解释。     

近断层脉冲型地震动作用下建筑结构的层间变形分布特征和机理分析

利用广义层间位移谱方法,将高层建筑等效化为一个弯剪型悬臂梁,从地面输入理想的简单脉冲,以及含破裂向前方向性效应脉冲、滑冲效应脉冲和无脉冲三组近断层地震动记录,然后对弯剪组合梁进行层间变形分析。获得了近断层地震动作用下建筑结构层间变形沿高度的分布规律。滑冲效应脉冲主要激起抗弯框架体系的基本振型响应,导致结构的最大层间变形发生在较低楼层;破裂向前方向性效应脉冲能够激起框架结构高阶振型的响应。而且,从脉冲型地震动的不同特征和层间位移谱分析出发,分析了建筑结构产生上述层间变形分布特征的机理。研究表明三组不同类型地震动的平均层间位移谱在整个结构基本周期段差别很大。     

近断层地震作用下混合阻尼隔震结构的响应分析

本文以实际的地震波El-Centro波为底波,在此基础上叠加三角型脉冲运动模拟近断层地震地面的激励;以人工合成的近断层地震波作为输入,研究其对混合阻尼隔震结构的动力反应特性,绘制了上部结构最大加速度和基底最大滑移量的时程图,并讨论了混合阻尼隔震结构的摩擦系数、粘滞阻尼比及滞回阻尼等参数对隔震结构产生的重要影响.研究表明:在混合阻尼隔震结构中,摩擦系数存在一个较优值,粘滞阻尼比对脉冲能量较大的B、C类波的控制有较显著的效果,但对原始波及A类波控制效果不明显,滞回阻尼对隔震结构Smax和amax均有一定影响,通过分析给出了该参数的合理取值.     

不同震源机制的近断层脉冲型地震动频谱特性及强度指标研究

将不同场地类别和震源机制上的118条近断层地震记录进行分类,基于基础隔震结构的双自由度体系简化模型,利用状态空间法及四阶龙格-库塔法对结构的弹塑性反应谱进行求解,研究了场地类别和震源机制对反应谱频谱特性的影响。通过分析近断层地震记录的3个强度指标与基础隔震结构最大弹塑性响应的相关性,探讨了基础隔震结构地震反应分析时强度指标的选取问题。结果表明,三种场地类别条件中,速度反应谱规律不明显,但逆断层地震动的平均加速度反应谱和逆斜断层地震动的平均位移反应谱均最大。场地类别和震源机制不同,地震动强度指标与结构响应的相关程度不同。因此在进行近断层脉冲型地震动作用下基础隔震结构地震反应分析时,建议考虑结构所在场地及地震动的震源机制后采用不同地震动强度指标来选择和调整地震动输入。     

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。     

Probabilistic seismic response and uncertainty analysis of continuous bridges under near-fault ground motions

Performance-based seismic design can generate predictable structure damage result with given seismic hazard. However, there are multiple sources of uncertainties in the seismic design process that can affect desired performance predictability. This paper mainly focuses on the effects of near-fault pulse-like ground motions and the uncertainties in bridge modeling on the seismic demands of regular continuous highway bridges. By modeling a regular continuous bridge with OpenSees software, a series of nonlinear dynamic time-history analysis of the bridge at three different site conditions under near-fault pulse-like ground motions are carried out. The relationships between different Intensity Measure (IM) parameters and the Engineering Demand Parameter (EDP) are discussed. After selecting the peak ground acceleration as the most correlated IM parameter and the drift ratio of the bridge column as the EDP parameter, a probabilistic seismic demand model is developed for near-fault earthquake ground motions for 3 different site conditions. On this basis, the uncertainty analysis is conducted with the key sources of uncertainty during the finite element modeling. All the results are quantified by the “swing” base on the specific distribution range of each uncertainty parameter both in near-fault and far-fault cases. All the ground motions are selected from PEER database, while the bridge case study is a typical regular highway bridge designed in accordance with the Chinese Guidelines for Seismic Design of Highway Bridges. The results show that PGA is a proper IM parameter for setting up a linear probabilistic seismic demand model; damping ratio, pier diameter and concrete strength are the main uncertainty parameters during bridge modeling, which should be considered both in near-fault and far-fault ground motion cases.     

近断层竖向地震动特征统计分析

为研究近断层地区的竖向地震动特性,基于环太平洋地震工程研究中心(PEER)数据库选取890组强地震动,研究了地震动竖向与水平加速度分量峰值比aV/aH与矩震级、断层距、场地条件和断层类型的统计规律,给出近断层竖向加速度与水平加速度峰值比aV/aH的合理取值。采用基于能量的识别方法判定近断层地震动是否包含脉冲,分别研究竖向脉冲和水平脉冲参数与地震参数关系并对比了竖向脉冲和水平脉冲的速度峰值及周期的衰减关系。结果表明：近断层区域竖向加速度与水平加速度峰值比aV/aH受地震参数影响,规范建议值2/3会低估近断层竖向地震;相比较于水平脉冲,竖向脉冲数量少且分布范围小,水平脉冲和竖向脉冲的峰值、周期也存在差异。     

近断层地震动特征及其对工程结构影响的研究进展

简要介绍近断层方向性效应、滑冲效应、上盘效应和显著竖向地面运动等近断层地震动主要特征及成因;概括总结近断层水平和竖向地震作用下工程结构地震响应的研究进展;在此基础上,对目前国内外抗震设计规范中考虑近断层地震影响有关规定进行了介绍和概况总结。提出关于近断层上盘效应引起的脉冲特性以及地震动的随机特性的发生机理等问题的研究仍不够深入,近断层地震作用下已有的结构振动控制技术的安全性和有效性有待进一步确认和验证。建议关注近断层加速度脉冲、竖向及转动分量作用下的工程结构地震响应,可结合地震断层破裂过程的数值仿真技术来弥补近断层地震记录数量的不足,以更好地研究近断层地震动特性及工程结构地震响应,为未来结构抗震设计及评估中考虑近断层地震动效应的影响和规范修订提供参考。     

近断层地震作用下铅芯橡胶隔震结构地震响应评估

建立了近断层地震用下统计平均的等强度延性需求谱,利用建立的等强度延性需求谱公式及规范中的弹性反应谱对近断层地震作用下结构的性能需求进行估计。基于改进的Push-over分析方法,选取铅芯橡胶基础隔震结构在15条近断层地震波作用下的响应计算作为具体的算例,将中美抗震规范的计算结果进行对比,为我国抗震规范中隔震结构分析计算的完善提供参考。     

概率地震需求分析的简化方法研究

概率地震需求分析的主要工作是获得不同地震动强度水平下结构地震需求的概率分布。本文采用与结构基本周期对应的线弹性加速度反应谱Sa作为地震动强度指标,结构的位移延性为地震需求指标。通过对大量单自由度体系非线性时程分析结果的统计及回归分析,获得了在给定结构强度折减系数R、周期T的条件下,延性需求的均值和标准差的拟合公式,并建立了概率的等R延性需求谱。基于该谱,提出了简化的概率地震需求分析方法。算例分析表明,建议方法的计算结果与增量动力分析方法的计算结果接近,但计算量却大为减少。     

近断层速度脉冲地震动对边坡滑移的影响分析

 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(next generation attenuation)数据库及汶川地震动记录中选取196条速度脉冲地震动;基于Newmark非耦合滑动模型,考虑土体动力非线性,通过对比近断层脉冲及非脉冲地震动引起的不同参数边坡的滑移特征,分析近断层地震动速度脉冲特性及边坡本身参数对滑动位移值的影响;同时对近断层速度脉冲地震动参数与边坡滑移量的相关性做了对比分析。结果表明：(1) 近断层速度脉冲地震动引起的边坡滑动位移值远大于近断层非脉冲地震动,对长周期边坡影响尤为明显;(2) 相比非脉冲地震动,脉冲地震动引起的边坡滑动时间较短,且主要发生在地震动起始阶段的较短时间内(速度脉冲段),滑移的坡体具有更大的滑移速度,携带更高的能量,从而对周边环境产生更强的破坏作用;(3) 近断层速度脉冲地震动引起的边坡滑移特征与其速度脉冲特性(持时短、周期长、速度峰值大)密切相关,且峰值地震动速度PGV与边坡滑移量具有高度相关性。最后,通过比较原始速度脉冲地震动及相应的等效脉冲作用下不同参数边坡的滑动位移值,对提取出的等效脉冲预测原始地震动引起的滑动位移的有效性进行分析,并基于此建立脉冲参数–滑动位移曲面。     

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。     

地震动速度脉冲对不同高宽比基础隔震结构抗震性能的影响

为研究近断层地震动的速度脉冲对基础隔震结构地震反应的影响,建立了不同高宽比的传统抗震及基础隔震框架结构有限元模型,选取了6条具有向前方向性效应和滑冲效应速度脉冲的实际近断层强震记录作为结构基础输入地震动,对8个模型进行了非线性动力时程分析,对比分析了传统抗震及基础隔震框架结构模型的层间位移角、支座位移和基底剪力等反应。结果表明：在近断层速度脉冲型地震动作用下,随着结构高宽比的增加,基础隔震结构的层间位移角和基底最大剪力逐渐增加,而隔震支座位移有先增大后减小的趋势,且随着地震动峰值速度与峰值加速度比值的增大,隔震支座位移也逐步增大;基础隔震对高宽比小于3的结构具有较好的减震效果,且高宽比越小其减震效果越好,但是当结构高宽比为4时,基础隔震效果较差;近断层地震动的速度脉冲对基础隔震结构底部楼层的不利影响会导致结构出现倒塌破坏。     

近断层地震地面运动的能量与位移延性需求

针对脉冲型近断层地震动考虑了位移延性和阻尼因素对结构输入能量谱的影响,指出输入能量谱是表征地震动累积破坏能力的稳定指标,分析了地震动输入能量和单自由度结构响应最大位移之间关系,提出了等效速度比的简化解析表达式．基于Park-Ang双参数损伤模型分析了损失指标和最大位移延性之间的关系,并和文献[12]建议公式进行了比较,指出对于确定的损伤指标,近场地震动相对集中的能量输入会导致更高的位移变形需求,和相对较小的累积损伤需求。因而有必要考虑增强结构瞬时耗能能力以减小其变形。     

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。     

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。     

近断层地震动空间分布特征对斜拉桥地震响应影响

为研究近断层地震动空间分布特征对斜拉桥地震响应的影响规律,以台湾集集地震近断层地震动为研究对象,根据台站与断层的空间相对位置,将 近场波分为破裂前方区域(Forward District,FD)、破裂区域(Middle District,MD)和破裂后方区域(Backward District,BD)三类波,对其进行频谱分析 表明,MD区域和FD区域地震动低频成分显著而BD区域高频成分显著。以某主跨为406m的斜拉桥为依托工程,对三个区域地震动作用下地震响应规律进行对比 研究,计算结果表明三个区域地震响应规律和量值均有显著差异,不同区域结构动力响应与地震动特征参数相关程度迥异。MD区域塔顶纵向位移较BD区域增 加3.03倍,塔底弯矩和剪力增加1.0倍;FD区域塔顶纵向位移较BD区域增加1.06倍,塔底弯矩和剪力较BD区域却分别下降了35.5%和32.2%。基于上述结果, 建议对于位于破裂区域的结构进行抗震设计时,须同时提高强度与变形需求,采用PGV及PGA作为结构动力响应参数的评估指标,还应选择合理地震动方向; 对于破裂前方区域,结构动力响应受输入能和PGA影响显著,须重点控制结构的变形;对于破裂后方区域,应着重提高结构的强度需求,首选断层距及PGV作 为地震动输入的控制参数。     

Finite element formulations and theoretical study for variable curvature friction pendulum system

The friction pendulum system (FPS), a type of base isolation technology, has been recognized as a very efficient tool for controlling the seismic response of a structure during an earthquake. However, previous studies have focused mainly on the seismic behavior of base-isolated structures far from active earthquake faults. In recent years, there have been significant studies on the efficiency of the base isolator when subjected to near-fault ground motions. It is suggested from these studies that the long-duration pulse of near-fault ground motions results in significant response of a base-isolated structure. In view of this, an advanced base isolator called the variable curvature friction pendulum system (VCFPS) is proposed in this study. The radius of the curvature of VCFPS is lengthened with an increase of the isolator displacement. Therefore, the fundamental period of the base-isolated structure can be shifted further away from the predominant period of near-fault ground motions. Finite element formulations for VCFPS have also been proposed in this study. The numerical results show that the base shear force and story drift of the superstructure during near-fault ground motion can be controlled within a desirable range with the installation of VCFPS. Therefore, the VCFPS can be adopted for upgrading the seismic resistance of the structures adjacent to an active fault.     

Seismic response of plane steel MRF with setbacks: Estimation of inelastic deformation demands

An extensive parametric study on the inelastic seismic response of plane steel moment resisting frames (MRF) with setbacks is presented. A family of 120 such frames, designed according to the European seismic and structural codes, are subjected to an ensemble of 30 ordinary (i.e. without near-fault effects) earthquake ground motions scaled to different intensities in order to drive the structures to different limit states. The statistical analysis of the created response databank indicates that the number of stories, beam-to-column strength ratio, geometrical irregularity and limit state under consideration strongly influence the heightwise distribution and amplitude of inelastic deformation demands. Nonlinear regression analysis is employed in order to derive simple formulae which reflect the aforementioned influences and offer, for a given strength reduction (or behaviour) factor, three important response quantities, i.e. the maximum roof displacement, the maximum interstorey drift ratio and the maximum rotation ductility along the height of the structure. A comparison of the proposed method with the procedures adopted in current seismic design codes reveals the accuracy and efficiency of the former.