近断层地震作用下考虑P-Δ效应的混凝土结构响应分析*

近断层地震动具有更大的水平地震和竖向地震作用,从而改变结构的p-Δ效应。首先,利用537组近断层地震动,统计分析了近断层地震动的反应谱特性和竖向与水平向加速度峰值比,考察了近断层地震动的特性。其次,分别对近断层脉冲地震动、近断层非脉冲地震动和远断层地震动作用下混凝土结构的弹塑性反应进行了计算,分析了p-Δ效应的影响规律。最后,同时输入竖向和水平向地震动,考虑竖向地震动对结构p-Δ效应的影响。结果表明:近断层地震动有较大的水平向和竖向反应谱值,在近断层区域,将竖向地震动作用简单的按照现行规范中的取水平地震作用的2/3进行考虑是偏于不安全的;加速度峰值一致的前提下,结构在近断层脉冲地震作用下具有较大的响应,但p-Δ效应对结构的响应影响不明显,幅度大多未超过10%;由于地震动的随机性及复杂性,竖向地震动引起的惯性力不一定会增大结构的反应,也有可能会减小结构的反应。     

近场地震动对大跨刚构桥影响的分析

利用4个台站记录到的近场和远场地震动,研究了钢筋混凝土大跨刚构桥在近场脉冲型地震动横向激励下的反应,并与在远场地震动激励下的反应进行了比较;分析了大跨度桥梁在2种类型地震动作用下的反应特性。结果表明:在相同加速度峰值的地震动作用下,横向激励时,近场脉冲型地震动引起的桥梁反应,均比非脉冲型地震动引起的桥梁反应显著。近场脉冲型地震动激励下,桥梁反应均有较大的增加,对不同的结构部位,其影响规律相似。长周期速度脉冲效应会对大跨桥梁结构产生大的位移冲击,应当重视近场地震动中长周期速度脉冲效应对长周期及柔性结构的影响。     

近断层脉冲型地震动耦合效应特征

指出了近断层脉冲型地震动耦合效应的存在。以典型走滑断层型地震动为数据基础,考虑场地条件的影响,对近断层方向性效应地震动分量(CFN)、滑冲效应地震动分量(CFP)以及相互垂直的两耦合地震动分量(C45°和C-45°)的峰值、反应谱分别做了定性的比较。结果表明,各地震动分量的加速度峰值之间差别不明显,但方向性效应地震动分量的速度和位移峰值明显大于其它分量相应的峰值;不同场地、不同周期段的绝对加速度、相对速度和相对位移反应谱谱比呈现不同的变化特点;岩石场地上方向性效应地震动分量长周期段的加速度反应谱最高,而土层场地上各分量加速度反应谱之间的差别不大;近断层结构抗震设计时,地震动分量和设计谱的选取应适当考虑地震动的方向效应。     

可液化场地减震结构体系地震动特性影响效应研究∗

工程结构的地震响应规律与地震动特性紧密相关。为了研究地震动特性对可液化场地装设黏滞阻尼器的桩基‐结构体系地震响应和黏滞阻尼器减震效果的影响,选取24 条不同特性的地震动作为输入,针对可液化场地装设黏滞阻尼器的桩基‐结构体系数值模型进行非线性时程分析。结果表明：相比于远场地震动作用和近场非脉冲地震动作用,近场脉冲地震动作用下,液化场地减震结构体系具有更大的地震响应;近场脉冲地震动作用下,速度型黏滞阻尼器的减震效果得到了充分发挥;相同振幅下,地震动峰值速度(PGV)与液化场地减震结构体系地震响应的相关性最为显著,可作为评价液化场地减震结构体系地震响应的主要指标。研究结果对液化场地黏滞阻尼器的减震设计具有一定的借鉴意义。     

近断层地震动对大型LNG储罐作用效应分析

近断层地震动对长周期结构威胁很大,而大型LNG储罐属于安全等级要求极高的液固耦合长周期结构,为研究各类近断层地震动对LNG储罐的作用效应,采用数值仿真方法计算了16×10~4m~3LNG储罐在不同种类近断层地震动激励下的地震响应,通过对比单向、双向和三向地震动作用下LNG储罐地震响应的差异,验证了对LNG储罐进行三向地震作用研究的必要性。此外,重点研究了在具有向前方向性效应、滑冲效应与无脉冲地震动作用下LNG储罐地震响应的特点。结果表明:含有较大速度脉冲和大位移的地震动会激发储液的剧烈晃动,进而对罐壁顶部产生巨大的冲击,导致罐壁顶部出现应力突变和位移超限,最终引起储罐的菱形屈曲或顶部附属结构物的破坏。     

场地⁃隧道⁃地上建筑结构体系地震响应的振动台试验∗

在土体?结构体系动力响应研究中,输入地震动特性是必须考虑的关键因素。分别考虑地震动的频谱特性差异和速度脉冲特征,选取了两条不同类型的地震动加速度记录及一条人工合成地震动时程作为输入地震动,设计并开展了隧道与地上建筑结构体系模型的振动台试验,基于试验数据分析了地震动频谱与速度脉冲特性对隧道与地上建筑结构动力响应的影响。结果表明：场地?隧道?地上结构体系地震响应中,隧道与地上结构的相互作用效应显著,地上结构的存在对地下隧道地震响应的较高频响成分有更显著的影响;相互作用效应显著地受到场地输入地震动频谱特性的影响;输入地震动的速度脉冲特性对隧道响应的影响主要表现在较高频范围,而对地上结构响应的影响不只表现在较高频范围,对周期 1.0~2.0 的频率范围的响应也具有明显增大作用。     

近断层滑冲型地震动作用下框架-剪力墙-高层结构的IDA研究

近断层滑冲型地震动是一类特殊的长周期地震动,针对这一类地震动,现行抗震规范并未出台相应的条文,且有关单独考虑近断层滑冲型地震动作用下高层结构动力响应的研究成果很少。基于15条可靠的近断层滑冲型地震动,利用Perform-3D非线性分析软件进行建模,对一个30层框架-剪力墙高层结构进行了增量动力分析(IDA)。结果表明,近断层滑冲型地震动频率成分集中在0～2Hz范围段内,且其反应谱谱值在中、长周期段内明显大于普通地震动的。将最大层间位移角作为结构需求,得到正常使用(NO)、立即占用(IO)、生命安全(LS)、防止倒塌(CP)性能水平的量化指标限值依次为1/1 160、1/575、1/361、1/55。依据现行规范设计的框架-剪力墙高层结构,在近断层滑冲型地震动强度相当于多遇地震时,结构能够满足"小震不坏"的抗震设防目标;在相当于罕遇地震时,结构不能满足第三性能水准"大震不倒"的要求。     

多断层破裂下单双峰地震动参数对比分析

大地震多断层破裂方式将导致地震动时程形状的改变和更为严重的震害。为揭示多断层破裂方式对地震动特性的影响,以5·12汶川地震记录为基础,推求了单、双峰地震动的峰值、持时及频谱的衰减关系式,对比分析了单、双峰地震动参数的差异性。研究结果表明:伴随多断层破裂产生的双峰地震动的峰值、持时及频谱均大于单峰地震动的相应值;单、双峰地震动参数随断层距增加的变化趋势相同,变化快慢程度不一致,表现为双峰地震动的峰值加速度和能量持时随断层距变化的变化速度要快于单峰地震,双峰地震动的峰值速度、绝对持时及加速度反应谱值随断层距变化的变化速度则要小于单峰地震。     

剪力墙结构振动台试验的概率密度演化分析

本文将地震动加速度过程分解为两个独立的随机过程:第一个随机过程为已知演变功率谱的全非平稳地震动过程,应用非平稳过程模拟的谱表示-随机函数方法,即可生成代表性样本集合及其平均反应谱;第二个随机过程为修正的非平稳地震动过程,其功率谱密度函数由第一个随机过程的平均反应谱与规范反应谱的拟合误差来计算。通过第二个随机过程演变功率谱的修正,即可生成与规范反应谱拟合一致的全非平稳地震动加速度代表性样本,实现了地震动随机过程的降维表达。得益于该方法,本文生成了7度多遇地震作用下的34条全非平稳地震动加速度代表性样本集合,且每一条代表性样本具有给定的赋得概率,所有代表性样本构成一个完备的概率集。将该代表性样本集合作为一个12层现浇剪力墙缩尺模型结构振动台试验的随机地震激励输入,通过振动台试验测得剪力墙结构的加速度、速度、位移以及层间剪力等动力响应,应用概率密度演化方法,实现现浇高层剪力墙结构在随机地震作用下的概率密度演化分析及动力可靠度评估,为现浇高层剪力墙结构的抗震性能设计提供了有力依据。     

基于一致危险性谱的砌体结构抗震性能分析∗

地震危险性分析和地震动选择对结构抗震设计具有重要作用。一致危险性谱作为概率地震危险性分析的重要结果,通常会被用来做目标谱以选择地震动记录。为改善概率地震危险性分析对震源传播特性考虑的不足,基于随机有限断层模拟与概率地震危险性分析相结合的方法,充分考虑震源机制、传播路径和场地放大效应的影响, 结合目标场地条件对历史地震进行模拟,生成了同一超越概率下的一致危险性谱。分别以一致危险性谱和规范谱为目标谱,各选择 7 条地震波,对一典型砌体结构进行动力时程分析。结果表明：以不同目标谱选择地震动对结构的动力响应差别较大,合理选择目标谱是十分有必要的;一致危险性谱在短周期内谱值较高,以其为目标谱使得短周期结构动力响应较大,可为结构抗震设计提供参考。     

汶川地震黄土地区远场地震动特征分析

远场地震作用对长周期结构的抗震设计依据提出了新的要求,由于缺乏远场地震动实测记录,国内外对远场地震动特性的研究尚不成熟。对汶川地震部分台站记录进行分析,研究远场地震动峰值及反应谱特征,讨论传播距离和场地条件对远场地震动的影响。结果表明:远场基岩场地在周期0.5s以上、土层场地在0.5~2s和3~6s存在明显放大效应;远场Ⅱ类场地、设计地震第二组和第三组的地震动反应谱,在周期1~4.5s之间,谱值明显高于设计谱;远场Ⅲ类场地、设计地震第二组和第三组的地震动反应谱,特征周期值比设计谱明显向右偏移。规范设计谱在强地震动的长周期部分被低估,应适当增大长周期部分的谱值。     

近场地震下评估单层网壳响应的地震动强度参数分析

为了选取近场地震动作用下适于评估单层网壳结构响应的地震动强度参数,以3个矢跨比不同的单层球面网壳和5个矢跨比、长宽比不同的单层柱面网壳为模型,从相关性、有效性及充分性3个方面对多个地震动强度参数进行分析评价。结果表明,对于单层球面网壳结构,水平向的相关系数大于竖向的相关系数.加速度反应谱值S_a(T_1)和S_a(T_2)为近场地震动作用下适于评估单层球面网壳结构响应的地震动强度参数;对于单层柱面网壳结构,跨度方向的相关系数大于长度方向和竖向的相关系数,近场地震动作用下适于评估单层柱面网壳结构响应的地震动强度参数为S_a(T)、速度反应谱值S_v(T)和位移反应谱值S_d(T),当单层柱面网壳的长宽比和矢跨比较大时,T应取第一阶振型的自振周期T_1,当单层柱面网壳的长宽比和矢跨比较小时,T应取第二、三阶振型的自振周期T_2和T_3。     

近断层地震动运动特征对长周期结构地震响应的影响分析

选择台湾集集近断层地震动记录作为地震动输入,系统考察了近断层地震动破裂方向性、上盘效应、脉冲效应等运动特征对双线性单自由度体系、长周期隔震建筑和斜拉桥结构地震响应的影响。计算结果表明,脉冲型地震动对结构的效应随双线性单自由度体系的初始自振周期增大而变大,在长周期段结构的脉冲效应最显著;地震动破裂方向性和上盘效应对单自由度体系位移需求的影响与体系周期有关。对于隔震建筑和大跨度斜拉桥等长周期结构,近断层地震动破裂方向性对结构的效应较显著;上盘效应对长周期结构的影响明显;地震动的速度脉冲运动特征总的来说放大了结构响应。     

地震作用下核环吊楼层反应谱特性研究

核环吊楼层反应谱对评估核电结构和设备的抗震安全性具有重要作用。采用有限元方法,应用ANSYS软件建立三维核环吊结构计算模型,数值模拟了地震作用下核环吊楼层反应谱特性。通过时程分析法,选取3种典型地震动作为输入地震动,模拟得到核环吊楼层的加速度时程曲线,通过Duhamel积分,得到不同阻尼比下核环吊结构的地表反应谱和楼层反应谱。研究表明,核环吊安全壳对地震动存在一种放大机制,与地表反应谱相比,核环吊水平向的楼层反应谱峰值提高2-10倍,而竖向楼层反应谱峰值扩大3-9倍。同时发现合理选择核环吊结构的阻尼和输入的地震动是十分重要的。该结果对于指导下一步核环吊缩尺模型振动试验具有重要意义。     

近、远场长周期地震动界定及分类研究

目前,针对近断层脉冲型长周期地震动和远场类简谐长周期地震动的界定主要根据时程特点进行,在界定时主观性较强,并不具有普适性,因此采用合理的量化标准来对这两类长周期地震动界定有着重要意义。为解决这一问题,本文以1999年Chi-Chi地震长周期地震动为样本,提出了一种结合震中距、场地类别和长周期分量能量累积谱90%能量持时归一化系数T_(0.9)为三参数的长周期地震动的分类方法。该方法首先利用希尔伯特-黄变换(HHT)求得参数T_(0.9),然后利用该参数判断长周期地震动是否具有脉冲特性。然后,根据对Chi-Chi长周期地震动的分析,结合不同场地类别下震中距及T_(0.9)的差异来区分远、近场长周期地震动。最后,以2008年汶川地震渭河盆地中收集到的长周期地震动为例,验证了所提分类方法的有效性。     

近断层强地震动下双层竖向重叠地铁隧道的地震反应

由于近断层地震动的特性显著地不同于距断层较远的地震动,基于江苏省的地震环境和南京地铁的建设背景,以深软场地中的双层竖向重叠隧道结构为研究对象,将地基土-地铁隧道体系视为平面应变问题,以软件ABAQUS为计算平台,考虑土体和隧道混凝土的非线性特性,研究了近断层强地震动作用下地铁双层隧道的水平向非线性地震反应特性,并与单层隧道的地震反应进行了比较。结果表明:在近断层地震动作用下,存在地铁隧道外侧的动应力大于隧道内侧的情况,且隧道的动应力比南京人工波(模拟距离断层较远的中远距离地震动)中震、大震作用下的动应力大1.4～3.4倍;双层隧道上、下两层隧道的动应力幅值均比其对应位置处的单层隧道小;双层隧道的相对水平位移均比其对应位置处的单层隧道大,双层隧道上层顶部的相对水平位移是浅埋单层隧道的1.29～1.69倍;双层隧道底部的加速度反应时程曲线与浅埋或深埋单层隧道的区别不大,其峰值加速度的差异在10%以内。     

大型变电站在近断层地震动作用下的地震反应分析

结合近断层地震动特征,针对我国变电站量大面广的特点,建立了考虑变电站主体结构-电气设备相互作用的三维动力分析模型;选取多条实际近断层地震动记录作为地震动输入,采用非线性动力时程分析方法对大型变电站进行地震反应分析,并与远断层地震动作用下的地震反应结果进行了对比分析。结果表明,大型变电站在近断层地震动作用下的地震反应大于远断层地震动作用下的结果,该类建筑物对近断层地震动的作用较敏感,近断层处变电站的地震破坏影响程度更大。此外,还分析了近断层地震动作用下采用隔震技术的变电站地震反应,发现其抗震性能优于未采用隔震措施的变电站,即隔震技术适用于建造在近断层附近的变电站。     

长周期地震动作用下基础隔震结构抗倾覆能力研究

对极限高宽比的基础隔震结构进行地震响应分析,探究常规地震动与长周期地震动的差异,并从隔震层位移、隔震层拉应力以及结构的抗倾覆力矩比3种导致结构倾覆的参数入手,分析基础隔震结构在长周期地震动作用下的倾覆情况。首先,选取近断层脉冲型长周期地震动和远场类简谐长周期地震动各9条。其次,建立3种不同烈度区下极限高宽比限值时的框架隔震结构模型,分析不同设防烈度下罕遇地震对基础隔震结构隔震层支座水平变位与轴向受力的影响,以及罕遇地震时结构的抗倾覆力矩比。最后,修正高宽比限值简化公式,计算出长周期地震动作用下的理论高宽比限值,根据限值修正结构高宽比后再进行地震响应分析。研究结果表明：在长周期罕遇地震动作用下,基础隔震结构隔震支座位移量普遍超过允许限值,大量支座出现拉应力,其中部分支座拉应力超过允许限值,隔震层受到严重破坏;少数情况下结构抗倾覆比小于1.2,结构有倾覆可能;结合简化公式给出长周期地震动作用下高宽比建议值。     

近断层山体地形三维地震动放大效应谱元法模拟∗

采用勒让德(Legendre)谱元法,结合动力学有限断层破裂理论,对一邻近隐伏发震断层的山体进行三维地震动模拟分析,获得山体表面加速度、速度、位移响应时程和加速度反应谱。结果表明：(1)加速度方面,60°倾角倾滑逆断层作用下,山体背向断层一侧的 PGA 明显大于迎向断层一侧;对 90°直立型断层情况,山体背向断层一侧的水平向 PGA 同样明显大于迎向断层一侧,但对于竖向 PGA 分布,该现象不明显;倾滑断层作用下最大 PGA 一般均出现于山顶附近,60°倾角逆断层情况下山顶 PGA 可达山脚平坦位置的 5 倍左右,而垂直断层情况下则放大 2~3 倍, 同时山体表面多处产生竖向峰值大于水平向峰值的现象;加速度反应谱显示场地山顶处卓越周期明显长于其他位置。(2)速度方面,山体表面各观察点位在时程上表现出单向和双向长周期大脉冲特性,反映出明显的方向性效应。     

基于增量动力分析的近场框架结构楼层加速度响应研究∗

地震作用一般可分解为两个水平分量和一个竖向分量。近场地震的竖向分量较大,但水平与竖向地震动共同作用下楼层组合加速度响应的影响鲜有研究。以三个不同高度的规则钢框架结构作为研究对象,选择与竖向目标谱匹配的竖向地震动及对应的水平向地震动共同作为地震输入,定义楼层水平和竖向绝对加速度的 SRSS 值为楼层组合加速度,研究结构最大水平加速度与组合加速度的比值沿着楼层高度的变化趋势。随后开展增量动力分析,经 KS 检验,发展了最大水平加速度与组合加速度比值的超越概率模型,分析水平加速度占比与地震强度的关系。最后,提出水平加速度占比沿结构高度分布的经验拟合公式。结果表明,随着结构楼层相对位置高度的增加和地震强度的增大,水平加速度占比逐渐减小,且近场非脉冲地震动下的水平加速度占比大于脉冲地震动。提出的拟合公式能够较好地反映水平加速度占比的变化趋势。