考虑近断层方向性效应的速度脉冲放大作用预测模型EI北大核心CSCD

近断层速度脉冲型地震动对结构有特殊的破坏作用。所以在近断层概率地震危险性分析以及工程抗震设计时需要考虑速度脉冲的影响。而传统地震动预测模型往往会低估速度脉冲的影响。因此,如何可靠地估计速度脉冲的影响是近年来研究的重要课题之一。该研究以NGA-West2数据库为基础,另外收集近年最新获取的近断层地震动记录,考虑脉冲方向的不确定性,基于小波方法定量进行速度脉冲识别,共获得316条速度脉冲记录。基于该数据,采用最小二乘法拟合得到新的速度脉冲放大作用分段预测模型,并与已有的速度脉冲放大作用预测模型进行比较,验证了其有效性。该模型考虑了近年实际地震动观察结果,在已有的速度脉冲放大作用预测模型基础上,进一步提高了脉冲放大系数的平台高度。基于所提出的脉冲放大作用经验预测模型,通过对传统地震动预测模型进行修正从而对近断层速度脉冲型地震动进行了有效估计。     

基于中国规范的近断层区竖向抗震设计谱研究

针对近断层区结构抗震设计缺乏专门竖向抗震设计谱的现状,以近断层竖向地震动为研究对象,基于《建筑抗震设计规范》,开展近断层区竖向抗震设计谱的研究。选取198条近断层脉冲型地震动的竖向分量,分析得到实际近断层地震动竖向反应谱,将计算得到的反应谱与中国抗震规范中的近断层竖向设计谱进行了对比。研究结果表明,中国抗震规范未充分考虑近断层竖向地震动的特点,表现为部分周期段上规范设计谱的谱值小于实际近断层竖向地震动反应谱,难以保证近断层区结构具有足够的抗震安全性。根据近断层竖向地震动的分析结果,基于中国抗震规范设计谱的基本形式,提出了谱值放大系数取1.5、特征周期下限取0.40 s(多遇地震)和0.45 s(罕遇地震)及减小曲线下降段衰减系数的修正方法。该竖向抗震设计谱工程应用简便,可为近断层区的结构竖向抗震设计提供参考。     

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。     

近断层地震动斜输入下水电站厂房非线性地震响应研究

与远场地震动相比,近断层地震动往往有较大的速度和位移脉冲效应,且由于其发震断层埋深较浅,地震波垂直地表向上入射假定一般不再适用。目前关于水电站厂房抗震研究均未考虑近断层脉冲型地震动斜输入的影响。选取符合某水电站场地条件的近断层脉冲型和非脉冲地震动记录各5条,依据波动理论,采用黏弹性动力人工边界法,推导了SV波三维斜入射下的人工边界等效结点力计算公式,并进行了算例验证。建立了水电站厂房三维塑性损伤有限元分析模型,分析了水电站厂房在脉冲型和非脉冲地震动垂直和斜输入条件下的非线性地震响应。结果表明,近断层脉冲型地震动斜输入可以激起厂房结构的高阶振型,引起水电站厂房下部结构较大的损伤、位移、及应力响应,对厂房的破坏作用最强。     

近断层地震动作用下多塔悬索桥的地震反应分析

以泰州大桥为原型研究了多塔悬索桥近断层地震动作用下的地震反应特点,在此基础上以近断层地震动反应幅值与普通地震动反应幅值的比值作为放大系数,进一步研究了速度脉冲效应和场地土效应对桥塔和主梁地震反应的影响规律。分析结果表明:1) 近断层地震动作用下多塔悬索桥位移和内力的分布规律与普通地震动基本相同;2) 纵向+竖向地震输入下坚硬场地上近断层地震动对主梁竖向位移的影响最大,对主梁竖向弯矩的影响次之,对桥塔纵向位移和纵向剪力的影响相对较小。当场地土由硬变软时,边塔的地震反应增幅明显,中塔次之,主梁相对较小;3) 横向+竖向地震输入下坚硬场地条件上近断层地震动对中塔横向位移的影响最大,对主梁竖向位移的影响次之,对桥塔横向剪力和主梁横向弯矩的影响相对较小。当场地土由硬变软时,主梁的横向弯矩增幅明显,桥塔次之,主梁竖向位移相对较小;4) 在近断层地震动速度脉冲特性以及场地土固有周期特性的共同作用下多塔悬索桥边塔、中塔以及主梁的地震反应存在明显差异,在抗震设计时需要引起重视。     

近断层脉冲型地震动作用下大跨斜拉桥地震响应分析EI北大核心CSCD

为研究近断层脉冲效应和土-结构相互作用(SSI效应)对大跨斜拉桥地震响应的影响规律,以苏通大桥斜拉桥为研究对象,采用系统化的集总参数模型表征地基土的动力特性,建立了考虑SSI效应的结构动力数值计算模型,计算分析了破裂前方效应脉冲、滑冲效应脉冲和无脉冲三组近断层地震动作用下结构的地震响应。计算结果表明:相对于塔底固结模型,SSI效应降低了斜拉桥自振频率,并改变了高阶振型的产生次序;近断层地震动作用下,SSI效应可增大主塔位移响应,对其内力有削弱作用,并可降低纵桥向激励时主梁的位移和内力响应,但横桥向激励时,脉冲效应地震动作用下SSI效应明显增大了主梁的响应;脉冲效应地震动引起斜拉桥地震响应明显高于无脉冲地震动,滑冲效应主要影响纵桥向激励时主塔响应以及纵桥向(或横桥向)激励下主梁响应,破裂前方效应对横桥向激励下主塔响应影响更加显著。研究成果可为大跨斜拉桥在近断层地震动作用下的抗震设计提供借鉴。     

近断层脉冲型地震动作用下大跨斜拉桥地震响应分析

为研究近断层脉冲效应和土-结构相互作用(SSI效应)对大跨斜拉桥地震响应的影响规律,以苏通大桥斜拉桥为研究对象,采用系统化的集总参数模型表征地基土的动力特性,建立了考虑SSI效应的结构动力数值计算模型,计算分析了破裂前方效应脉冲、滑冲效应脉冲和无脉冲三组近断层地震动作用下结构的地震响应。计算结果表明:相对于塔底固结模型,SSI效应降低了斜拉桥自振频率,并改变了高阶振型的产生次序;近断层地震动作用下,SSI效应可增大主塔位移响应,对其内力有削弱作用,并可降低纵桥向激励时主梁的位移和内力响应,但横桥向激励时,脉冲效应地震动作用下SSI效应明显增大了主梁的响应;脉冲效应地震动引起斜拉桥地震响应明显高于无脉冲地震动,滑冲效应主要影响纵桥向激励时主塔响应以及纵桥向(或横桥向)激励下主梁响应,破裂前方效应对横桥向激励下主塔响应影响更加显著。研究成果可为大跨斜拉桥在近断层地震动作用下的抗震设计提供借鉴。     

考虑震源和场地特征的近断层地区竖向地震动合成研究

近断层高风险条件下的结构安全性日渐受到重视,该文建立了一种考虑震源特性的近断层竖向地震动人工合成方法。建立了以断层类型、震级、断层破裂顶部埋深、断层距、场地剪切波速为参量的地震动预测模型,考虑模型参数相关性并保留其变异性,使模拟的地震动可反映实际近断层地震动的最不利效应(强度与频率非平稳、模型参数的变异性);绘制残差图分析了统计效果,验证了回归所得参数的显著性;对比分析了所提模型与前人成果的模型参数差异,以及人工合成地震动与实际地震动时程、反应谱的吻合程度,验证了所建立的方法的准确性、合理性。该文所提方法参数少(仅7个参数,可考虑强度和频率非平稳性);与乘系数法相比,该文方法模拟的地震动特性更符合竖向记录统计规律;可与目前已有的水平分量地震动模拟方法联合构成三维近断层地震动模拟方法,用于地震风险等级高的结构抗震设防分析与设计,也可在匮乏实际地震动记录的地震风险相近地段替代使用。     

近断层地震方向脉冲效应对高速铁路桥梁弹塑性反应的影响

基于PEER-NAG强震数据库,采用ANSYS分析软件、ANSYS-APDL语言和弯矩曲率关系计算程序,以高速铁路多跨简支梁桥为研究对象,建立了近断层脉冲型地震作用下的高速铁路桥梁全桥模型,考虑了轨道不平顺的影响,分析了结构的自振特性,计算了近/远断层地震作用下桥梁的弹塑性地震响应。计算结果表明,近断层方向脉冲型地震作用下的墩底的荷载-变形曲线呈现中间加强的特点,此时需要桥墩有更强的能量释放能力和较好的延性要求,相比远断层地震而言,近断层方向脉冲型地震作用下墩底梁体位移、墩顶位移以及墩底弯矩增大,且导致更大的塑形变形;远断层地震趋向于能量的逐渐释放过程并与较少的滞回环损伤疲劳相联系;由于近断层地震动方向脉冲效应的影响,在一些地震动的某些时段内,对结构破坏起控制作用的因素是速度或位移而不是峰值加速度;由于近断层地震较大的竖向地震动,导致梁体竖向挠度比远断层地震增加较多,《铁路工程抗震设计规范》等取竖向地震为横向的2/3左右,会导致竖向动力响应偏小,建议取竖向地震动的合理范围进行计算较为妥当。     

大跨越输电塔-线体系的近场脉冲型地震反应分析

分析了大跨越输电塔-线体系的动力特性,对比了大跨越输电塔-线体系的近-远场地震反应,研究了大跨越塔-线体系的近场脉冲地震反应规律。结果表明在同幅值的近场脉冲型地震动作用下,大跨越输电塔-线体系的动力反应远大于其在一般地震动下的反应,大跨越输电塔-线体系的近场脉冲型地震反应幅值随地震动脉冲周期增大而增大。将等效脉冲模型引入大跨越输电塔-线体系近场响应分析,结果表明:塔-线体系在等效脉冲作用下的响应与实际地震动相近,将等效脉冲用于分析大跨越输电塔-线体系的地震响应能够弥补实际近场脉冲型地震动数目过少的不足。     

圆高强钢管UHPC梁抗弯性能研究

以含钢率和套箍系数为参数,开展5根圆高强钢管超高性能混凝土(UHPC)梁和2根圆普通钢管UHPC对比梁的纯弯试验;而后,采用已验证的有限元模型,对套箍系数进行了参数分析。试验研究表明,高强钢管UHPC梁发生延性破坏,组合截面满足平截面假定,受压区高强钢管对核心UHPC的套箍作用应被考虑。较普通强度的钢管,高强钢管能更及时地约束UHPC的横向膨胀。随着套箍系数的增加,钢管混凝土梁达抗弯承载力时,中性轴趋近截面中线,受拉区钢管应力减小,受压区钢管和混凝土的应力则增大。承载力计算分析发现,对于高强钢管UHPC梁而言,现有中国规范GB50936?2014的实用计算方法存在不准确且离散性较大等问题,为此该文提出了新实用计算方法。     

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。     

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。     

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。     

Stochastic simulation of velocity pulses of near-fault ground motions based on multivariate copula modeling

Due to the featured high-amplitude, long-period pulses in velocity or displacement time–history, the near-fault ground motion may have a stronger destructive effect on engineering structures. Therefore, studying velocity pulses modeling of near-fault ground motions has been an important topic in the earthquake engineering community. However, the variability and probabilistic correlation of pulse model parameters have not received enough attention. To this end, an elegant method for stochastic simulation of velocity pulses of near-fault ground motions is proposed based on the classical Gabor wavelet modeling and probabilistic correlation analysis of associated model parameters by multivariate copula modeling. Especially, an efficient scheme of iteratively determining the optimal copulas pertinent to edges of a complex vine structure is developed, and two parameters relevant to the near-fault ground motion records, i.e., the rupture distance and the strongest pulse orientation, are introduced which provides a physical basis for addressing the dependence structure among variables. For illustrative purposes, the ground accelerograms recorded by near-fault instruments in the 1999 Chi-Chi earthquake are used. It is shown that the multivariate copula modeling enables the efficient representation of probabilistic correlation between model parameters which is consistent with their physical mechanism. The time histories and spectral characteristics of velocity pulses of near-fault ground motions and their stochastic fluctuations with respect to the rupture distance are well simulated. While the empirical linear regression model does not meet the requirements of random vibration analysis and thus cannot guide the safety design of seismic structures.