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。     

近断层地震作用下基础隔震层组合限位振动台实验研究

近断层脉冲型地震作用下,基础隔震结构隔震层会产生过大变形,导致隔震支座侧倾失稳,隔震体系破坏。设计制作了3层基础隔震钢框架实验模型和11种U型钢板I型铅棒组合限位器,进行了U型钢板静力加载实验和近断层脉冲型地震作用下基础隔震层软碰撞限位振动台模型实验。实验表明:①静力加载时,U型钢板具有很好的弹性性能;②动力作用下,组合限位器残余变形较小,仍具有良好限位复位能力;③近断层地震作用下,基础隔震层软限位效果良好,同时控制上部结构层间变形在允许范围内。     

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。     

弯曲破坏型钢筋混凝土桥墩地震变形成分及影响因素

钢筋混凝土桥墩拟静力试验表明,弯曲破坏型桥墩墩顶位移主要由弯曲变形、滑移变形成分构成。为进一步探讨地震荷载作用下弯曲破坏型桥墩地震变形成分及其影响因素,首先基于Lehman以及李贵乾的桥墩试件拟静力试验,利用OpenSees平台采用纤维梁柱单元模型附加零长度截面单元对试验滞回曲线和墩顶变形成分进行数值模拟;其次建立原型桥墩数值模型,考虑近断层和远断层地震动进行了非线性动力时程分析,探讨了最大侧移角、位移延性系数等结构反应参数,以及剪跨比、纵筋配筋率等构件特征参数对桥墩地震变形成分的影响。结果表明,墩顶总位移中纵筋粘结滑移成分随最大侧移角和位移延性的增大而增大,随剪跨比和纵筋配筋率的增大而减小。考虑纵筋粘结滑移的数值模型与仅考虑弯曲变形纤维梁柱单元模型相比,将增大桥墩的地震位移反应。     

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。     

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。     

砂土液化对基础隔震结构地震反应的影响分析∗

砂土液化会对结构的地震反应产生不可忽视的影响,这一现象也将对基础隔震结构地震反应规律产生影响。 基于有限元方法,采用 ABAQUS建立了土?隔震结构非线性动力相互作用的整体有限元分析模型,针对不同地基液化情况对基础隔震结构地震反应规律及隔震效果的影响进行了深入分析。结果表明：隔震结构下部桩基础能够有效提高下部地基的抗液化能力,进而保证隔震结构的整体稳定性。总体来看,液化场地上隔震结构的隔震效果及地震反应与输入地震动的特性相关,近场地震作用下液化地基上隔震结构的隔震性能保持良好,而远场强震作用下液化地基上隔震结构的隔震效果降低。同时隔震层产生较大的位移反应可能导致隔震支座失稳或强度破坏,设计时需特别注意。     

滑移隔震结构非线性反应的动力相似性研究

滑移隔震结构地震反应的分析和计算可通过滑移隔震结构非线性反应谱进行简化。由于非线性体系不能采用叠加原理,参数较多,所建立的非线性反应谱比较繁琐。本文通过对滑移隔震体系地震反应方程的变换,研究了滑移隔震体系地震反应中的动力相似关系。研究表明,滑移隔震体系虽然不符合叠加原理,但通过其中的动力相似关系,任何输入幅值下滑移隔震结构的任何反应都可由某一固定输入幅值下隔震结构相应反应经修正得到,理论上这种修正是不含任何误差的。利用该动力相似关系,滑移隔震结构体系非线性反应谱可得到极大简化。     

基于高阶动力格式的基底隔震结构地震响应分析∗

隔震支座在强烈地震作用下将产生复杂的动力响应,精确掌握地震响应行为及其规律是研发高质量隔震支座和进行隔震结构设计的基础。在进行结构地震响应分析,特别是非线性分析时,采用传统逐步积分方法以及低阶格式建立起的动力时程分析方法都难以达到高精度,而采用传统高阶时间积分算法则会出现计算过程繁琐,工作量大等情况。本文采用一种基于高阶动力格式的显式时间积分新式算法,应用于基底隔震结构的地震响应分析中。首先通过自由度凝聚缩减原理,建立设置隔震支座钢筋混凝土框架结构简化计算模型;同时采用隔震支座恢复力双切线本构模型构建基底隔震体系运动方程,并转化为状态方程;进而基于微分求积（DQ）原理编制高阶动力格式算法求解状态方程;最后分析一高层基底隔震结构,在高、中、低不同频率地震波下地震响应,验证该方法适用性。结果表明,①利用静态凝聚技术建立隔震结构模型,从而构建地震响应状态方程,是高阶动力分析方法实施的基础。②结构高阶动力分析方法仅通过矩阵乘法运算即可获得结构动力响应,可较好且高效地用于解决非线性地震响应分析问题。③将结构高阶动力分析方法应用于基底隔震结构,能获得隔震结构较为精确的分析结果。     

大跨斜拉桥的近断层地震响应及减震控制

近断层地震长周期成分丰富,存在速度大脉冲效应;而大跨度斜拉桥一般采用半漂浮体系或漂浮体系,所以固有频率较低。为了研究大跨度斜拉桥在近断层地震作用下的反应规律及减震措施,利用ANSYS软件分析了某半漂浮体系的大跨斜拉桥在近断层地震作用下的时程响应,并对其减震控制方法进行了探讨。研究表明,大跨度斜拉桥的近断层地震响应随着PGV/PGA值的增大而增大,且增大幅度较大,近场脉冲效应较为显著;对于近断层地震作用,不建议采用塔梁弹性连接装置作为主梁纵漂的减震措施,而采用参数适宜的铅挤压阻尼器和粘滞阻尼器则均能获得很好的减震效果;由于大跨度斜拉桥的近断层地震反应较大,应提高其支座的设计允许位移。     

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。     

基于汶川8.0级强震记录的近场地震动特征分析

在汶川8.0级大地震中,国家数字强震动台网布设在龙门山断裂带及其周围地区的50多个台站获得了大于100 Gal的加速度记录。选取其中断层附近11个台站的加速度记录,分别进行了地震反应谱分析和基于正交化HHT法的能量分布特征分析,通过对竖向与水平向加速度峰值比、竖向与水平向加速度反应谱比值,以及能量分布和峰值系数的分析与比较,探讨了汶川地震的近场地震动特征。     

多类型地震动作用下高层结构的易损性分析

以低频成分为主的长周期地震动容易引起中、长周期结构的破坏,针对这类特殊的地震动,现行抗震规范没有相应的条文,且有关单独考虑长周期地震动作用下结构动力响应的研究成果很少。以一个30层框架剪力墙高层结构为例,利用Perform-3D三维有限元软件进行建模,选取10条远场长周期地震动、10条近场长周期地震动以及10条普通地震动,将最大层间位移角作为工程需求参数,S_a(T₁,5%)作为地震强度指标。基于增量动力分析方法对该结构进行动力时程分析,并定义了4个结构性能水平,然后统计不同地震强度下的结构需求,获取地震易损性曲线,最终对比评价了三类地震动作用下结构的易损性。     

多维地震作用下偏心结构动力反应的Simulink仿真分析

理论研究与震害经验表明,地震时结构会产生不可忽略的平动与扭转耦合的空间振动,因此,对结构进行平—扭耦联反应分析具有重要意义。本文首先建立多维地震动作用下偏心结构的空间力学模型和动力方程,并编制相应的MAT LAB程序,然后将动力方程所代表的动力学系统用控制理论中的状态空间法予以描述,根据其状态方程在SIMULINK环境下建立仿真分析模型,从而求解动力方程。对一双向水平地震作用下的6层偏心框架结构进行平—扭耦联反应数值仿真分析,得出了一些有益的结论。     

近场地震作用下框架结构的损伤机理

首先讨论了近场地面运动的特征及各种抗震规范对近场地震的设防，然后采用非线性时程分析方法，对一个10层框架结构在近场地震作用下的响应特性进行了研究。同时对该框架结构进行了Pushover分析，通过与非线性时程分析结果进行对比，说明Pushover分析方法不能正确评估结构在近场地震作用下的抗震性能。     

本构模型特性对深厚场地非线性地震反应的影响

采用基于Davidenkov和Matasovic骨架曲线构造的不规则加卸荷应力—应变滞回圈,数值模拟了2个剖面的苏州第四纪深厚场地二维非线性地震反应。结果表明:(1)采用Matasovic模型计算的地表峰值加速度稍大于采用Davidenkov模型计算的地表峰值加速度,但前者计算的地表地震动持续时间稍小于后者计算的。随着基岩输入地震动强度的增大,两者给出的地表峰值加速度差异呈现逐渐增大的趋势,并与土体的横向不均匀特性有关;(2)两者给出的地表谱加速度谱形基本相似,其差异随基岩输入地震动强度的增大而增大;远场地震动作用下地表谱加速度的卓越周期也随输入地震动强度的增大而增大;(3)两者给出的峰值加速度随土层深度和横向的空间变化特征基本一致,远场地震动作用下的地表峰值加速度明显大于近场地震动作用下的地表峰值加速度。     

刚性桩复合地基地震响应的拟静力简化计算方法

刚性桩复合地基在建筑结构中已得到广泛应用,但对其地震作用下的动力响应研究还不够充分。采用上海市《建筑抗震设计规程》8度罕遇地震的规范标准反应谱拟合生成人工地震波,以软土场地中的某10层钢筋混凝土框架结构为对象,将土体自由场变形和上部结构惯性力对桩身内力的影响分开考虑,提出一种拟静力简化计算方法,分析刚性桩复合地基的地震响应。并建立刚性桩复合地基-筏板-上部结构体系整体有限元模型,利用数值方法进行动力时程分析,验证了拟静力方法的合理性。进一步分别计算了自由场位移对桩基的作用、刚性桩复合地基-筏板-上部结构体系整体地震响应以及桩筏基础地震响应。结果表明:拟静力方法与数值方法较为吻合,复合地基的桩身内力和筏板底加速度峰值均小于桩筏基础,褥垫层对地震波具有滤过作用,显著减轻了地震的作用效应。     

二维相关地震动作用下结构的随机反应

假定两水平方向的地震动为平稳随机过程,基于地震动主轴模型的假设,讨论了二维地震动分量的空间相关性,在单分量平稳模型的基础上给出了二维水平地震动随机模型的相关函数矩阵。该相关函数模型可以为二维地震下结构随机反应分析提供地震动输入。利用状态空间方法和随机振动理论建立了线性多自由度体系在二维地震激励下的随机反应分析方法,导出了结构的位移反应相关函数和速度反应相关函数,可在时域内直接计算结构的二维随机地震反应的统计特征。最后,通过一个二层框架结构计算实例,说明了这种方法的运用,讨论了地震动强度以及地震动主轴方位角对结构反应的影响。该方法可以为结构抗震可靠性评估提供基础。