新抗震规范反应谱的适用性研究

对《建筑抗震设计规范》（GB 50011）反应谱的阻尼比折减系数、拟相对位移谱等进行研究以说明我国抗震规范反应谱的适用性。基于阻尼减震机理,指出较大的阻尼比除能有效地衰减结构相对位移谱值外,并不能始终如一地衰减反而会放大结构绝对加速度谱值;比较了新旧抗震规范给出的对应于各类场地条件、不同阻尼比的地震影响系数曲线的变化规律、阻尼比折减系数及拟相对位移谱;指出在利用人工地震波对长周期、大阻尼比减隔震结构进行时程分析时需注意的问题。     

近断层长周期脉冲型地震动对竖向反应谱影响研究

长周期大幅值脉冲运动是近断层地震动的重要特征,也是引起结构震害的重要因素。在既有的地震动数据库基础上,筛选建立了长周期脉冲型记录的统计样本库,并构建了地震动特征参数的回归关系式。针对竖向反应谱,深入分析了竖向分量与水平向分量的加速度反应谱比值随脉冲周期和结构自振周期的变化规律,结果表明反应谱比值显著大于现行规范取值,进而采用分段线性化方法,建立了竖向反应谱比值随脉冲周期、自振周期变化的简化关系式,并对影响竖向反应谱曲线各拐点周期的特征比值进行统计分析,拟合得到了其随震级和断层距的衰减模型。     

适用于我国抗震设计规范的位移设计谱方法EI北大核心CSCD

由于位移参数更能科学、直观地描述建筑结构的抗震水平,基于位移的抗震设计法已成为地震工程领域研究的热点。位移设计谱是基于位移的抗震设计方法中确定地震作用的重要参考依据,但我国现行抗震设计规范(后简称规范)中尚未有关位移设计谱的相关规定。为便于实际应用,该研究基于实际地震动位移反应谱的特征,提出一种能够适用于规范的位移设计谱法;该方法未对规范参数作任何调整,仅增加了控制点周期T_(D)和峰值地面位移(peak ground displacement,PGD)两个参数,且所增参数与规范相关参数具有一一对应的关系。鉴于基于力的抗震设计在工程实践中仍占据主导地位,该研究给出的位移设计谱可与加速度设计谱互相转化。为避免与规范矛盾,当周期小于5T_(g)(场地特征周期)时,加速度设计谱与规范加速度设计谱一致;在长周期段,位移设计谱能反映地震动平均位移反应谱的主要特征,且加速度设计谱与平均加速度反应谱吻合。试验表明,该研究工作能服务于基于位移的抗震设计方法的工程应用,为规范中设计谱相关内容的修订提供指导意见。     

地震动强度指标与框架结构响应的相关性研究

随着当前结构性能设计及耗能减震技术的普遍应用,根据合理的地震动强度指标来选择和调整实测地震动记录进行结构地震动响应分析,对于保证结构抗震设计的可靠性具有重要的意义。该研究将13种常用的地震动强度指标按照加速度型指标、速度型指标和位移型指标分为3类,对强震作用下13种常用的地震动强度指标与不同周期框架结构响应参数的相关性开展了研究。研究结果表明:3类地震动强度指标中,加速度型指标与短周期框架结构响应参数的相关性最好;速度型指标与中周期和中长周期框架结构响应参数的相关性最好;位移型指标与中长周期框架结构响应参数的相关性相对较好;同一结构在线性反应阶段与非线性反应阶段的响应参数与地震动强度指标的相关性是变化的。     

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。     

基础隔震结构设计反应谱

基础隔震结构具有基本周期长，隔震层变形大，临界阻尼大的特点，规范反应谱没有给出该类结构的设计方法，为了简化基础隔震结构设计方法，便于工程的推广和应用，本文针对基础隔震结构长周期，大阻尼的特点，计算拟合了结构设计加速度反应谱和位移反应谱和位移反应谱，并给出了反应谱计算公式。     

隔震结构弹塑性反应谱分析研究

根据弹塑性反应谱理论,按照非线性恢复力模型的等效阻尼比和位移延性的关系,以单质点弹塑性反应分析结果为依据,建立基于等效阻尼比的隔震结构弹塑性反应谱。进一步比较弹塑性反应谱和我国规范得到的反应谱,结果显示规范的加速度反应谱在长周期段谱值过大,阻尼衰减系数也较大。基于单质点弹塑性地震分析的结果,在我国规范反应谱公式的基础上提出的隔震结构弹塑性反应谱公式。最后通过对5层钢框架隔震结构模型进行振动台试验、数值时程分析、规范反应谱计算、以及用弹塑性反应谱进行计算。结果表明,时程分析法的分析结果和振动台试验的结果比较接近,而按照规范反应谱的等效线形化方法计算出的结果与振动台试验的结果有一些偏差,弹塑性反应谱的地震反应更加接近试验实测的结果,表明了新提出的弹塑性反应谱进行隔震结构的地震反应分析时具有良好的计算精度。     

典型铁路梁桥抗震设计地震动破坏势排序

输入地震动的选取是桥梁抗震分析中的重要环节,不同的输入地震动引起的桥梁结构反应有显著差异。为了对铁路桥梁抗震设计地震动的选择提供定量依据,将"最不利设计地震动"的概念拓展并应用到桥梁抗震领域,研究典型铁路梁桥在不同地震动作用下的结构响应,得到基于结构相应参数的输入地震动破坏能力排序。首先确定了桥梁地震动输入以及评价指标,使用OpenSees对桥墩模型输入大量地震动记录进行有限元分析,通过调幅手段研究幅值与单一参数的关系,并引入颜色映射理论研究幅值与多参数的关系。研究表明:(1)当较低幅值地震动作用在结构上时,结构的地震响应与第一周期反应谱值相关性最好;(2)随着幅值的增加,结构周期增长,地震响应与更长周期反应谱值以及速度、位移参数、持时参数等的相关性会逐步提高;(3)通过动力时程计算并对墩顶位移进行比较,给出了模型在设定地震作用下的排序,结果可为相关桥梁结构的输入地震动选取提供参考。     

基于长周期地震动记录的SDOF体系能量谱探讨

为分析长周期地震动作用下结构的能量反应谱及其影响因素,本文从1985年墨西哥8.1级地震、1999年台湾集集7.6级地震和2003年日本十胜冲8.0级地震记录库中,选取了36条具有可靠长周期信息的强震记录,以此作为输入,采用能量谱面积归一的方法,首先对单自由度体系的弹性能量谱进行了分析,建议了适用于长周期地震动的简化三段式输入能量谱。在此基础上,讨论了延性系数、阻尼比对弹塑性能量谱的影响;给出了通过调整长周期地震动弹性能量谱参数来确定长周期地震动弹塑性能量谱的方法,并与长周期地震动弹塑性能量谱的拟合结果进行了比较,验证了上述方法的可行性。最后,通过分析长周期地震动累积滞回耗能与弹塑性输入能量之间的比值关系,给出了长周期地震动累积滞回耗能比值谱的计算公式。     

脉冲地震动缩放水平对结构非线性位移反应影响的分析

研究缩放速度脉冲型地震动强度水平引起的单自由度(SDOF)体系非线性位移反应的偏差。采用30条速度脉冲地震记录,通过SDOF的体系动力时程分析,分析了速度脉冲型地震动分别缩放到不同目标谱加速度(Sa)、峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)、峰值位移(PGD)水平时,SDOF体系非线性位移反应偏差随系统自振周期和强度折减系数变化的规律;通过对散点数据的对数线性回归确定了位移反应偏差的变化趋势,并比较了不同地面运动强度表征参数下位移偏差的稳定性。分析结果表明：位移偏差对地震动缩放系数、系统的基阶自振周期和系统的强度有一定的依赖性,合理选用缩放系数和地面运动强度表征参数能有效减小估算结构地震位移响应的偏差。     

近断层速度脉冲对钢筋混凝土框架结构地震反应的影响

在加速度反应谱一致的前提下,研究了近断层速度脉冲的工程特性。首先,构造两组加速度反应谱一致的地震动时程:第一组时程为实际强震观测记录且含有明显的速度脉冲;第二组时程为以第一组时程的反应谱为目标谱合成的模拟地震动时程,在合成过程中,利用窄带时程叠加法,通过控制峰值速度可以使得这些时程不再含有速度脉冲。其次,通过分析钢筋混凝土框架结构在这两组输入地震动作用下动力响应的差异,研究了在加速度反应谱一致的前提下,速度脉冲对结构地震反应、尤其是弹塑性地震反应的影响。分析结果表明:对于层剪力、层间位移、各层最大位移等结构动力响应参数,当结构地震反应进入弹塑性阶段后,与不含速度脉冲地震动作用下的反应相比,在含有速度脉冲的地震动作用下,结构的反应有较大幅度的增大,尽管这两组输入地震动的加速度反应谱相同;在这种情况下,加速度反应谱将不能充分地体现出速度脉冲对结构地震反应的影响。     

Evaluation of earthquake ground motions by empirical analysis

Abstract

The design ground motion is based on the seismicity and geologic conditions at the site and expressed in such a manner that it can be applied to the dynamic analysis of structures. For the seismic analysis of safety‐related structures, design ground motions are made based on the evaluation of earthquake ground motion by empirical analysis, of which some important features are discussed in the present study: (1) Develop reasonable peak ground acceleration attenuation form for the Taiwan area. The proposed attenuation forms take into account the PGA level at the near‐field which compensates for the insufficiency of the available data base. (2) Generation of spectra compatible time history with multiple damping. By simultaneously matching several spectral curves for different dampings, the conservatism in design based on a single damping spectrum‐enveloping accelerogram, especially for low damping values, may be substantially reduced. (3) Development of a minimum requirement for the power spectral density function, which is a secondary requirement to prevent the design ground motion from encountering severe power deficiency.     

地震动广义动力放大系数谱及其特性研究

传统地震动力放大系数谱是根据地震动最大加速度和结构最大加速度而确定的,没有充分虑及时域非平稳性。通过比较不同周期结构最大反应出现时刻和地震动峰值出现时刻,验证极大峰值对结构反应同样有重要的作用。提出考虑若干极大峰值作用的等效动力放大系数谱的概念,计算不同场地类型下的统计谱并验证其保守性。鉴于考虑频域非平稳性的动力放大系数标准差谱的合理性,计算相关统计谱并确认其在长周期段谱值较高。综合考虑传统谱、等效谱和标准差谱的特点,基于三种谱外包络提出具有足够的保守性的广义动力放大系数谱的概念。建立广义动力放大系数谱与传统谱的比值拟合公式。通过算例验证按广义动力放大系数谱进行结构抗震设计或验算具有更高的安全性。     

全非平稳地震动过程的概率模型及反应谱拟合

在强度调制函数基础上,发展了一类全非平稳地震动过程的时-频调制函数。结合平稳地震动过程的功率谱密度函数,建立了全非平稳地震动过程的演变功率谱模型,并根据建筑抗震设计规范确定了模型参数的取值。应用非平稳过程模拟的谱表示-随机函数方法,生成具有完备概率的非平稳地震动加速度过程的代表性时程集合,进而计算代表性时程的平均反应谱。为保证计算平均反应谱与建筑抗震设计规范反应谱的一致性,建议了反应谱容许误差的双重控制准则,即平均相对误差和最大相对误差。研究表明,通过对演变功率谱的3次迭代修正,即可实现计算平均反应谱与规范反应谱拟合的目的,为应用结构随机动力学进行实际工程结构抗震设计提供了依据。     

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。     

常延性系数弹塑性位移谱及其应用

采用根据我国现行《建筑抗震设计规范》生成的人工地震波,对单自由度体系进行弹塑性时程分析,讨论了滞回模型、屈服后刚度等对弹塑性位移反应谱的影响。在此基础上,建立了8度设防、Ⅱ类和Ⅲ类场地、设计地震分组为第一组、位移延性系数μ为1~8的单自由度体系最大弹塑性位移与周期的关系,即常延性系数弹塑性位移谱。通过算例,介绍了常延性系数弹塑性位移谱在房屋结构基于位移抗震设计中的应用。     

地震动持时效应对阻尼折减系数的影响

阻尼折减系数是建筑抗震设计中确定设计地震作用的重要参数之一。该文采用简谐正弦波和25条集集地震记录,基于单自由度体系不同阻尼比水平的位移反应谱研究了有效地震动持时对阻尼折减系数影响。分析结果表明:阻尼折减系数随有效地震动持时比和简谐激励循环数的增加而减小。基于分析结果的统计平均值,通过非线性多元回归分析给出了考虑地震动持时影响的阻尼折减系数谱。     

近场脉冲型地震作用下结构响应预测研究

选择典型的具有速度脉冲的近场地震动记录组成地震记录库,建立了3个处于不同周期范围的墩柱结构模型,利用非线性动力分析考察了采用非弹性位移响应谱值作为近场脉冲型地震动的强度参数来预测结构地震响应的有效性,并探讨了非线性振子的参数选取对利用非弹性位移响应谱值预测结构地震响应的影响;以模型的静Pushover分析得到的屈服位移...