考虑桥墩及支座影响的梁桥竖向地震反应分析

将桥墩和支座简化为竖向串联弹簧系统, 考虑桥墩及支座轴向变形的影响, 建立了竖向地震作用下梁桥动力分析模型。考虑边界条件, 采用微分求积法对桥梁连续模型进行空间离散, 将其转化为多自由度体系, 采用逐步积分数值方法求解多自由度体系在竖向地震动下的反应。在此基础上, 通过算例数值分析, 研究了空间离散点数量、桥墩及支座轴向效应对桥梁竖向动力反应的影响;分析了不同外部激励下, 桥墩及支座轴向刚度变化对桥梁竖向动力反应的影响。研究表明:不考虑桥墩及支座影响时, 空间离散点数量对计算收敛性及计算结果影响很小;考虑桥墩及支座影响时, 空间离散点数量对计算收敛性影响很大。不同外部激励下, 桥墩及支座对梁桥反应的作用不同, 需要根据地震地面运动的频谱特性来判断。     

LRB隔震桥梁空间变异性地震随机响应分析

对装有铅芯橡胶支座（Lead—Rubber—Bearing，LRB）的隔震大跨连续梁桥进行了考虑地震动空间变异性的随机响应分析。地面运动加速度功率谱模型为零均值的平稳高斯过程，描述为过滤白噪声施加于支撑各点。地震动空间变异性综合考虑空间不相干效应、行波效应和局部场地土效应。推导了LRB隔震结构多点激励运动方程，并运用随机等价线性化方法以计入铅芯橡胶支座（LRB）的滞回非线性性能。对一大跨LRB隔震梁桥进行了一致激励和综合考虑地震动空间变异性的三种工况计算，得到了各工况下响应的拟静力项、动力项和总响应项的各自最大值的均值，并进行了对比分析。结果表明，对于带有铅芯橡胶支座的减隔震大跨连续梁桥，多点激励效应不容忽视，一致激励会对结构产生不安全的估计。     

行波效应对深水连续刚构桥地震响应的影响

跨海或库区的大跨度桥梁在地震作用下不仅需要考虑水体与桥墩的动力相互作用,同时由于各桥墩间跨度较大应考虑地震输入的行波效应。该文采用辐射波浪理论求解桥墩地震动水压力,建立了考虑地震动输入空间效应的深水桥梁地震响应分析方法,并考虑行波效应对深水连续刚构桥进行地震响应分析。研究表明:动水压力增大了桥梁结构的地震响应,其影响程度随着输入地震波和墩梁约束条件的不同而有所差异;考虑行波效应时地震动水压力对桥梁结构动力响应的影响较一致激励而言有所差别,同时地震动水压力对桥梁地震响应的影响随着视波速的不同而变化。由此得出结论,为合理评价地震动水压力对深水长大桥梁动力响应的影响应考虑地震动输入的行波效应。     

多点地震激励下大跨连续钢构桥易损性分析

针对地震动存在行波效应、场地效应、不相干效应等因素,分析大跨连续钢构桥在一致地震激励输入响应时结构内力和变形会被偏估问题,考虑结构及地震动不确定性,采用蒙特卡罗方法建立一致激励与多点激励两种工况下大跨连续钢构桥-地震动系统随机样本。以桥墩位移延性比表示桥梁破坏状态阶段,对桥梁易损性进行分析,给出大跨连续钢构桥结构的易损性曲线,得到同样程度破坏的多点地震激励与一致地震激励下加速度峰值关系。     

自锚式悬索桥的平稳/非平稳随机地震响应

通过引入均匀调制演变函数,考虑了地震激励幅值的非平稳性。同时考虑了地震动空间效应,包括行波效应、部分相干效应和局部场地效应的影响,对一自锚式混凝土悬索桥结构进行了地震反应分析。计算了平稳/非平稳地面激励下主塔弯矩以及剪力反应。计算结果表明,考虑非平稳因素可使地震反应峰值减小,行波效应和相干效应使结构地震反应增大。     

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。     

近场地震作用下组合横梁桥塔的悬索桥地震响应研究

在近场地震作用下,为减小桥塔塔身弯矩,悬索桥桥塔创新性地设置波形钢腹板横梁。以大渡河大桥为研究对象,基于横梁拟静力试验数据,建立结构动力数值计算模型并输入不同类型的近场地震动计算结构的地震响应,探究采用波形钢腹板横梁悬索桥的优势和近场效应对结构响应的影响规律。研究表明:采用波形钢腹板横梁的桥塔有自重轻、刚度小的优势,更符合强柱弱梁和强剪弱弯;在高烈度的近场作用下,以波形钢腹板横梁的延性作为抗震策略是合理的。脉冲效应对本桥响应影响较大,因此建议此类型桥梁应重视近场脉冲效应;而上盘效应对本桥的响应小于无近场效应的地震动,故处于上盘的桥梁是更安全的;在横向地震激励下,近场脉冲效应对主塔的位移和弯矩影响较大。     

地震作用下大跨度斜拉桥和引桥间碰撞分析

强烈地震作用下大跨度斜拉桥和引桥(一般是简支梁桥或多跨连续梁桥)的纵向振动是耦合的,可能发生碰撞及落梁。采用非线性时程地震反应方法分析了梁端的纵向碰撞效应对体系整体反应的影响,其中对碰撞接触单元的刚度进行了比较分析,然后分别讨论了影响碰撞的几种因素,主要是伸缩缝初始间隙大小、相邻结构周期比等的影响。结果表明碰撞对引桥影响相对较大。     

基于性能的桥梁抗震设计中考虑持时的实际地震波优化选择方法

在基于性能的桥梁抗震设计(PBSD)中,是否考虑持时的效应会显著影响到分析结果的精确性。为了将持时与幅值、频谱的影响进行解耦,选择多组匹配同一目标谱的实际地震波和人工波,并使各组地震波的5-95%显著持时服从不同的概率分布,对一座钢筋混凝土连续梁桥进行IDA分析。对比持时与桥梁结构地震需求的相关性表明:持时的均值、离散度及其概率分布对于位移工程需求参数(EDP)影响较小,但对能量EDP以及包含能量项的疲劳破坏和累积损伤参数的概率预计(均值)、离散度及其概率分布影响显著。因此,在PBSD中如采用能量EDP,则必须考虑到所选地震波的持时均值、离散度及其概率分布均要符合工程场地实际的地震危险性。在此基础上,针对基于全概率理论的PBSD,提出一种能够考虑持时均值、离散度及其概率分布影响的实际地震波优化选择方法,能够显著提高分析结果的精确性和计算效率。     

近断层地震作用下曲线桥碰撞效应及影响试验研究

为明晰近断层地震动作用下曲线梁桥碰撞效应及其影响,以某小半径带坡匝道桥为对象,设计制作1/10缩尺模型及可调式碰撞测试装置,选取同次地震中近断层和远场地震动输入,完成了单向和双向激励条件下试验模型桥的振动台试验。结果表明:与远场地震动相比,近断层地震动作用下曲线梁桥的碰撞效应(碰撞次数和碰撞力)有较为显著的增加,而碰撞效应的增大会增大支座的位移响应,进而增加支座失效或落梁风险,且双向地震动影响更大;碰撞对边墩和中墩沿碰撞力方向的切向位移峰值增加显著,对碰撞力方向上试验模型桥的墩顶有效均方根位移响应均有放大作用,碰撞会增加试验模型桥桥墩的破坏风险。曲线桥抗震设计中应考虑近断层地震动诱发的碰撞效应影响。     

地震空间变异性对车桥系统响应的影响分析

该文研究地震空间变异性对车桥动力相互作用的影响.依据场地特征,采用基于谱理论的无条件模拟方法产生非平稳的多点地震加速度时程;使用临界阻尼振子形式的高通滤波器对其修正,进而得到满足一致化要求的地震记录.影响空间变异性的因素均能够在该地震记录中得到充分反映.推导了绝对坐标系下考虑地震作用的车桥系统运动控制方程;其中,地震激励以位移时程形式作用到桥梁结构上.最后,选取8 节车辆编组的高速列车通过3 垮钢桁拱桥作为研究对象,分别进行了在地震动行波激励以及完全空间变异性激励作用下的动力响应分析;并将结果进行了对比.数值分析结果表明:车桥耦合动力分析中输入地震动需要考虑完全空间变异性的影响,这才能保证所有分析车速范围内车辆响应结果偏于安全.     

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。     

地震动空间变化效应对大跨度桁架拱反应的影响

研究地震动空间变化效应对实际的大跨度桁架拱结构地震反应的影响,进行了空间变化地震动激励下结构反应的详细数值模拟。考虑了由行波效应、部分相干效应和局部场地效应引起的地震动空间变化。分析了地震动不同行波波速、相干损失和局部场地条件对结构地震反应的影响。在数值计算中,基于经验相干损失函数和《建筑抗震设计规范》定义的反应谱模拟了空间变化地震动。研究结果表明,引起地震动空间变化的每一个因素对桁架拱结构的反应都有重要的影响,在分析中忽略地震动空间变化效应可能低估该类结构的地震反应。为了准确评估结构反应并更好地进行大跨度桁架拱结构的抗震设计,模拟可靠的空间变化地震动十分必要。所获得的结果可为桁架拱结构的实际设计提供参考。     

地震地面运动局部谱密度的小波变换估计

已有的不少研究表明,地震地面运动的时频非平稳特性对结构响应有着很大的影响,对这种影响考虑的准确与否直接涉及结构分析的安全性。因此采用能反映时频非平稳特性的时变谱密度(即局部谱密度)来描述地震地面运动是非常必要的。首先从理论上比较了几种局部谱密度的估计方法,指出利用小波变换来估计局部谱密度在精度和速度方面有着相当的优势,有利于局部谱密度在地震动模型化、结构随机响应分析以及动力可靠度评价等方面的应用。然后通过具体算例,对理论分析进行了验证。     

考虑行波效应的大跨度矮塔斜拉桥耐震时程分析

耐震时程法（ETM）是一种采用幅值随时间不断增大的人工地震动作为输入的新型动力分析方法,其只需通过少量的数值运算便可得到不同地震强度下的结构响应。基于此优势,该文探索了在考虑行波效应下,耐震时程法预测大跨度矮塔斜拉桥地震碰撞响应的精确性和有效性。以一座两侧建有桥台的典型山谷地带矮塔斜拉桥为研究对象,通过与天然地震输入下的增量动力分析（IDA）结果进行对比,验证耐震时程法捕捉地震碰撞响应的可行性;并采用此方法参数化分析了不同地震动视波速对碰撞力、塔梁位移和墩柱曲率响应的影响。研究结果表明:耐震时程法能够高效地预测出考虑行波效应的矮塔斜拉桥地震碰撞响应;此外,行波效应对大跨桥梁地震碰撞响应的影响存在两面性,与结构是否进入非线性以及地震动强度和视波速大小有关。     

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。     

空间变化地震作用下钢管混凝土拱桥的抗震分析

为了研究空间变化地震作用下钢管混凝土拱桥的抗震性能,以一座钢管混凝土拱桥的实际工程为例,采用虚拟激励法对此拱桥在空间变化地震作用下的抗震性能进行了系统的理论分析。提出了考虑非一致土层分布条件下的空间三维地震动的合成方法,在综合考虑地震动的多维性、不相干效应、行波效应,特别是一致和非一致土层分布条件下局部场地效应的基础上,对钢管混凝土拱桥进行了多维多点随机振动分析。研究结果表明:场地效应会对结构产生显著的影响,软土场地会导致结构产生较大的响应,同时非一致的土层分布也会对结构响应产生不可忽略的影响;地震动的多维性,特别是竖向地震激励会对拱桥结构响应产生较大影响;在抗震分析中应考虑这些因素的影响,以免错误的估计结构的响应。     

Critical excitation for elastic–plastic structures via statistical equivalent linearization

Since earthquake ground motions and their effects on structural responses are very uncertain even with the present knowledge, it is desirable to develop a robust structural design method taking into account these uncertainties. Critical excitation approaches are promising and a new random critical excitation method for single-degree-of-freedom (SDOF) elastic–plastic structures is proposed. The power (area of power spectral density (PSD) function) and the intensity (magnitude of PSD function) are fixed and the critical excitation is found under these restrictions. In contrast to linear elastic structures, transfer functions and related simple expressions for response evaluation cannot be defined in elastic–plastic structures and difficulties arise in describing the peak responses except elastic–plastic time-history response analysis. Statistical equivalent linearization is utilized to estimate the elastic–plastic stochastic peak responses approximately. The critical excitations are obtained for two examples and compared with the corresponding recorded earthquake ground motions.     

考虑双向地震激励的标准化地震输入能量反应谱研究

以往地震输入能量谱的研究几乎都是以单自由度体系和单向地震输入为前提, 没有考虑地震动的多维性和结构非线性反应的空间耦合性。于是, 建立单质点双自由度体系, 假设体系的弹塑性关系为满足二维屈服面函数的理想弹塑性形式, 基于此模型提出双向地震动作用下标准化的地震输入能量反应谱理论。以硬土、中硬(软)土和软土三类场的地震记录作为体系的双向激励, 建立统计平均的等延性系数标准化地震输入能量谱。分析场地类别、延性系数、两水平主轴方向周期比对标准化地震输入能量谱的影响。分析表明:各类场地分别具有独自的谱形特征和规律性;延性系数对硬土场地和中硬(软)土场地的谱值影响较明显, 而对于软土场地, 除长周期外影响很小;周期比 ζ 对谱值具有一定影响;基于单自由度体系建立的输入能量谱在某些情况下会高估能量反应。     

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.