长周期地震动作用下超高层建筑结构响应研究

超高层建筑结构自振周期相对较长,易受长周期地震动影响,是抗震设计时值得关注的问题。从PEER强震记录库中选取了Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类场地共410条工程中常用的强震记录,以一栋高250m、自振周期为6s的超高层建筑结构为例,从输入与输出两个层面对长周期地震动作用下的结构响应进行研究。输入层面,以规范设计反应谱为比较基准,通过分析地震动加速度反应谱,了解不同场地地震动的频谱特征;输出层面,以规范设计反应谱作用下的基底剪力为基准,通过分析超高层建筑结构在各类场地地震动作用下的基底剪力,获得不同场地地震动作用下的结构响应水平;同时,引用日本国土交通省公布的长周期设计地震动进行横向比较,通过弹塑性时程分析得到的不同时刻下结构塑性转角分布情况及发展规律,揭露长周期地震动作用下结构的响应特征与控制因素。     

适合我国抗震设计规范的地震动选择

考虑反应谱特征周期的物理意义及结构的动力特性的影响,提出适用于我国规范的地震动选择方法。重点控制地震动反应谱特征周期与规范反应谱特征周期相一致,将T_g~6s周期段划分为6个拟合区间及对应的选择区间。并以我国规范时程分析的要求为评价原则,选取3个典型的中高层建筑进行动力时程分析,评估新方法的优劣。结果表明新方法选取地震动记录效果较好,对不同结构都有较强的适用性。     

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。     

隔震结构动力弹塑性分析地震记录选择的波谱分类法研究

高层隔震结构动力弹塑性时程分析地震记录选择是隔震结构地震响应分析的关键,针对地震记录选取提出基于模糊聚类算法结合地震动强度指标进行地震波子集选取的波谱分类法。首先采用动力弹塑性时程方法对隔震结构的等效单自由度简化模型和三维空间模型进行了地震加速度峰值、地震波速度峰值、地震波位移峰值、地震波速度峰值与加速度峰值之比、加速度反应谱、等效速度反应谱6类地震动强度指标与工程需求参数相关性的比较研究,确定了适合隔震结构的有效地震动强度指标。隔震整体结构工程需求参数包含上部结构层间变形、顶层加速度和隔震层位移响应。其后采用构造的地震动指标矩阵应用于地震波样本属性的表征,并基于模糊聚类算法对地震波样本进行了分类。以某15层高层钢框架-混凝土核心筒隔震结构为例,通过将未分类的地震波集合与分类地震波子集作用下结构的地震响应离散性对比研究,确认了波谱分类法在地震动筛选应用中的有效性。     

基于EPA的地震动记录调整方法及应用实例

现行《地震动参数区划图》(GB 18306—2015)明确采用的是地震动峰值加速度PGA,而《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)中由设计反应谱演化而来的结构时程分析峰值加速度建议值实质上为有效峰值加速度EPA,两者概念不同,容易混淆。分析了PGA与EPA的物理含义、关系与区别及其与设计反应谱的关系。指出结构动力时程分析所用地震动记录调整应基于EPA而非PGA,并给出相应流程。对基于EPA地震动记录调整方法的优缺点进行分析,提出一种与地震动记录特性相适应的分段EPA地震动调整方法,并应用于某588m高地标建筑的时程分析中,取得良好的效果。     

不同竖向地震动的选取方式对核电厂结构的影响研究

基于现行技术标准中关于竖向地震动方面的规定,可得到4种不同竖向地震动的选取结果,用这4种不同的竖向地震动反应谱的合成地震动,计算出不同竖向地震动作用下同一个核电厂结构的地震响应,包括各节点峰值加速度和楼层反应谱。计算结果表明:在核电厂抗震设计过程中,竖向设计加速度取水平向所有频段峰值加速度2/3的方法偏于不保守,在核电厂厂址地震安全性评价和抗震设计时,建议竖向地震动的选取应考虑实际场地的地震特征,可依据ASCE4-98推荐的方法。     

基于建筑结构弹塑性时程的地震动记录选取方法

在具体的运行中,地震动记录选取方式也会对结构的地震响应分析结果产生直接影响。对现有的地震动记录选取方式进行分析,并就不同地震动记录选取方式进行比较,希望能够为建筑结构的弹塑性时程分析提供更为可靠的信息。     

脉冲型地震动的潜在破坏能分析

为研究预估脉冲型地震动破坏性的方法,选取Northridge地震的3条脉冲型和3条非脉冲型地震记录(峰值加速度统一调整到200gal),对比了它们的V2时-频反应谱(V2TFRS)。根据V2TFRS定义"累计动能曲线",然后结合结构振型质量参与系数,提出了地震动"潜在破坏能(PDE)"的概念。通过PDE定量地预测所选地震记录对一12层RC框架结构的潜在破坏性,并通过弹塑性时程分析结果进行了验证。结果表明,V2时-频反应谱(V2TFRS)和累计动能曲线均可用来研究脉冲型地震动的动力特性。潜在破坏能(PDE)将所选地震动特性与所分析的结构特性结合起来,有效地反应地震动的工程特性,能够定量地预测地震动潜在破坏性大小。     

双向地震动输入方法对结构时程分析反应的影响

采用时程分析法进行结构反应分析时,若需要考虑双向地震动输入,通常先按照规范要求选择一定数量的单向地震动,然后将这些地震动和相应的另一正交方向的地震动分量组合作为双向地震动。若按照GB 50011—2010中要求,同时对两个方向的地震动进行筛选,则很难选出足够数量的地震动。仅控制了一个方向的地震动反应谱与设计反应谱统计意义上相符,常会导致结构地震反应统计离散性较大。为此,提出一种对两个方向的地震动均进行控制的双向地震动选择方法,该方法可以快速地选出足够数量的符合要求的双向地震动。以多、高层钢筋混凝土框架结构为例,通过对比常规和本文方法所选双向地震动输入下结构反应的差异验证了所提方法的有效性。以70组大样本地震动输入下结构的弹性和弹塑性地震反应为基准,对比了不同地震动输入样本容量时分析结果保证率的差异,并根据对比结果给出弹性和弹塑性时程分析时地震动输入样本容量的建议取值。     

基于天际线查询的最不利地震动选取方法研究

基于天际线查询的最不利地震动选取方法,用于重要结构的弹塑性时程分析。首先,介绍了天际线的概念和天际线查询算法;其次,提出基于天际线查询的最不利地震动选取方法,并提出了能综合反映地震动对特定结构破坏力的五维向量式地震动强度指标来定义地震动的支配关系。然后,以3个剪切层模型为例说明选波步骤,算例模型在天际线子集输入下的地震响应验证了该方法和向量式地震动强度指标筛选最不利地震动的有效性。最后,通过对地震动反应谱形状的分析,以及天际线查询的最不利地震动选取方法与其他最不利地震动选取方法的比较,进一步验证了天际线查询的最不利地震动选取方法能够有效筛选出对特定结构具有高破坏力的小样本地震动集合。     

Comparison of dynamic response of isolated and non-isolated continuous girder bridges subjected to near-fault ground motions

The dynamic response of seismic isolated continuous girder bridges subjected to either near-fault or far-field ground motions is compared to the non-isolated ones. Near-fault earthquake ground motion data are collected from the 1999 Taiwan Chi-Chi earthquake. The earthquake data recorded at the same sites from other events serve as far-field ground motions. Typical three-span continuous concrete box girder bridges designed under Taiwan seismic design specifications of highway bridges are adopted for this study. These bridges are assumed straight, founded on rigid rock and only the longitudinal response is considered. Parametric studies for the dynamic responses of isolated bridges by input near-fault ground motions are developed. The PGV/PGA value of near-fault earthquake records is identified as the key parameter governing the bridge response.     

中美规范关于地震波的选择与框架-核心筒结构弹塑性时程分析

简述了中美两国抗震设计规范中有关地震波选择的相关条文,列举了工程实践中常用的选波方法,并对选出的地震波反应谱特性进行了比较。中美两国规范中建议的选波方法均要求选择能与规范的设计反应谱相一致的地震波,不同之处为中国规范是将地震波峰值加速度调幅至规范规定值,而美国规范是将某一周期范围内地震波反应谱调幅至与设计反应谱接近,调幅后的地震波峰值加速度无明显规律。按照中美两国抗震设计规范分别设计了两栋相似框架 核心筒结构,建立了两结构的弹塑性分析模型。根据中国规范建议方法选择出7组地震波,进行弹塑性时程分析。分析结果表明：在相应于中国8度罕遇地震的多组地震波作用下,中美两国规范设计方案在地震作用初期地震响应基本一致,在后期由于结构配筋形式与配筋数量等差异,结构损伤程度不同;按中国规范设计方案的最大层间位移角为按美国规范设计方案的1.03~1.17倍,连梁最大塑性变形为按美国规范设计方案的0.67~0.98倍,剪力墙应变沿层高的分布接近,美国规范设计结构纵筋的屈服应变是中国规范设计方案的1.2倍,按中国规范设计方案的剪力墙损伤程度重于按美国规范设计的剪力墙。     

反应谱离散性对梁桥概率地震需求预计的影响

以一座三跨非规则钢筋混凝土连续梁桥为例,选择2组实际地震波作为输入地面运动,通过IDA分析探讨地震波反应谱的离散度对于梁桥结构概率地震需求预计的影响,得到以下结论：实际地震波的反应谱离散度与桥梁结构概率地震需求预计的离散度密切相关;针对基于概率理论的PBEE和PBSD,合理的选择实际地震波进行动力分析,可以使地震需求的概率分布更加符合实际情况,提高概率地震需求预计、易损性曲线等计算结果的精确性和计算效率。     

基于增量动力分析的大型地下洞室群性能化地震动力稳定性评估

 基于现有研究成果,将增量动力分析引入大型地下洞室群地震动力稳定性评价领域,形成大型地下洞室群的性能化地震动力稳定性评价方法。首先讨论基于PEER-NGA数据库的强震记录选取方法,根据具体工程的地震地质特性针对性地搜索合适的强震记录,为开展增量动力分析提供最优的输入地震动。然后讨论适用于大型地下洞室群的结构损伤性能参数、地震强度因子的选取,为增量动力分析提供合适的地震强度指标和抗震性能表征。继而立足于现有规范,形成了适用于大型地下洞室群性能化地震动力稳定性评估的2级地震动水平和2级抗震性能水平。最后采用本文的方法及步骤对大岗山水电工程地下洞室群进行地震动力稳定性评估。结果表明,该方法较好地考虑了地震动的随机性,给出洞室群的抗震性能,并可进一步对地震动力稳定性进行概率分析,为大型地下洞室群地震动力灾变失稳提供准则。     

盆地场地远场长周期地震动输入的确定

盆地场地的长周期结构在远场长周期地震动作用下震害明显,目前国内设计规范尚未将低幅值的远场长周期地震动记录纳入统计范围。研究盆地场地远场长周期地震动输入方法,可用于国内盆地建筑的抗震补充验算。文中针对日本沉积盆地台站地震动记录数据进行统计,拟合出盆地效应与沉积层厚度的关系曲线。结合国内板壳内地震下的基岩地震动衰减关系、盆地效应与沉积层厚度关系曲线以及局部工程场地放大作用,给出适用于国内的盆地场地远场长周期地震动输入方法。基于渭河盆地内的西安市区以及周边地震环境,进行了远场长周期地震动输入方法的案例分析。分析结果表明：盆地效应对加速度反应谱的放大作用和对地震波到达时刻的影响,均随盆地沉积层厚度的增加而变得更显著。文中方法综合考虑了震源分布、震级、震中距、盆地效应和局部工程场地的影响,可用于估计国内盆地场地远场长周期地震动加速度反应谱及其地震动时程,其模拟的加速度反应谱与地震动时程符合实际远场长周期地震动记录的特征。     

地震震源机制对长周期地震动的影响研究

长周期地震动特性的研究对自振周期较长的大型结构的抗震设计具有重要意义。利用1997年新疆伽师强震群的宽频带数字地震记录,研究了震级大小和震源机制对长周期地震动特性的影响。结果表明:地震震级对长周期地震动的影响较为明显,震级越大,长周期地震动的成分越多;与走滑型地震相比,倾滑型地震的垂直向长周期成分更为丰富;走滑型地震的水平向长周期加速度反应谱值高于正断层型地震的水平向长周期加速度反应谱值。     

RC框架基于典型相关分析的地震动多元破坏势评估

为了更加全面地评估地震动对结构的潜在破坏势,考虑多个地震动强度参数和多个结构损伤参数对地震动破坏势的影响,提出一种基于典型相关分析的地震动多元破坏势评估方法。为说明所提方法,以具有不同高度和不同抗震设防水平的16个钢筋混凝土框架结构为研究对象,采用100条真实地震动记录作为地震输入。将与地震动加速度、速度和位移相关的8个地震动强度参数进行对数线性组合,构造成地震动多元强度参数的典型变量。将结构最大层间位移角、整体损伤指数、最大楼层加速度进行对数线性组合,构造成结构多元损伤参数的典型变量。通过使地震动强度参数的典型变量和结构损伤参数的典型变量的相关系数达到最大,获得可以较好评估地震动破坏势的复合地震动参数。研究结果表明：相比于单一地震动参数,复合地震动参数可以更好地评估地震动的破坏势,其与结构损伤的相关性也更强。     

建筑物三维分析模型及其用于结构地震反应分析的可靠性

日本理化学研究所地震防灾研究中心与加拿大英属哥伦比亚大学的研究人员合作,共同开发和进一步发展了用于研究结构物地震反应的三维分析模型,并采用该模型编制了计算机程序,用于模拟结构物的地震反应,研究地震破坏机理.运用该分析模型的建模方法和对一设有地震仪的钢筋混凝土框架建筑物进行了分析.通过将分析结果与该建筑物在1994年Northridge地震中的记录和损伤情况进行比较,验证了作者所开发的三维分析模型和计算机程序的可靠性.     

Finite element model development,validation and probabilistic seismic performance evaluation of Vincent Thomas suspension bridge

Based on recent findings, the main span of the Vincent Thomas suspension bridge crosses directly over the Palos Verdes fault, which has the capacity to produce a devastating earthquake. In spring 2000, the bridge underwent a major retrofit using visco-elastic dampers. This study focuses on seismic vulnerability of the retrofitted bridge. Three-dimensional member-based detailed and panel-based simplified finite element models of the bridge are developed. In order to show the appropriateness of these models, eigenproperties of the bridge are evaluated and compared with the system identification results obtained using ambient vibration data. In addition, a model validation is performed by simulating the dynamic response during the 1994 Northridge earthquake and comparing with the measured response. Finally, considering a set of strong ground motions in the Los Angeles area, nonlinear time history analyses are performed and the ductility demands of critical sections are presented in terms of fragility curves. The study shows that a ground motion with peak ground acceleration of 0.9 g or greater will result in plastic hinge formation at one or more locations with a probability of exceedance of 50%. Also, it is found that the effect of dampers is minimal for low to moderate earthquakes and high for strong earthquakes.