汶川地震远场地震动特征及其对长周期结构影响的分析

汶川8.0级大地震中,中国数字强震动台网获得了大量的数字强震动记录,这些记录特别是远场记录具有丰富的长周期地震动分量。本文根据东南强震动中心获取的区域数字强震动记录,分析汶川8.0级地震的远场地震动特征,研究了基岩场地及深厚软弱场地的长周期地震动及其差异;根据长周期结构的特点,选取建于深厚软弱场地上的江苏A050强震台的超长地震记录进行结构地震反应分析,研究汶川8.0级地震对远场长周期结构的影响,并结合实际震害特点,提出了长周期结构抗震及地震安全对策中一些值得注意和思考的问题。     

基于遗传算法的长周期地震动加速度反应谱的拟合

目前,规范设计反应谱因长周期段幅值偏小,衰减形式单一,并不能很好地反应长周期地震动特性,因此采用合理的设计反应谱模型来反应长周期地震动反应谱有着重要意义。为解决这一问题,本文以1999年台湾集集地震中长周期地震动为例,首先,对其按地面加速度、场地类别和抗震设计分组进行分组,并将其与规范设计反应谱进行对比分析;其次,基于长周期加速度反应谱的特点提出了一种适用于长周期地震动的设计反应谱,并对比了其与常规设计反应谱的优劣。研究表明:本文提出的长周期设计反应谱具有更好的适用性;采用遗传算法对长周期地震动反应谱逐一进行拟合并给出相应的谱参数建议取值,并利用2008年汶川地震渭河盆地收集到的长周期地震动验证了谱参数建议取值的合理性,为规范设计反应谱的修订提供了参考。     

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。     

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。     

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。     

长周期地震动作用下大型立式储罐晃动波高问题研究

大型立式储罐储液受地震作用晃动波高问题是储罐抗震设计的重要指标,该指标的设计是否合理直接关系到储罐在地震作用下的安全性能,特别大型储罐在长周期地震动激励下会产生大幅晃动,对储罐本身和周围环境构成重大威胁。因此,针对长周期地震动作用下立式储罐的晃动效应,本文进行了各国规范之间的对比、振动台试验、数值仿真的研究。结果表明:中、美、欧、日储罐抗震规范在适用范围、场地分类、设防基准和反应谱等方面存在差异,但规范波高计算值相差不大,满足了对中短周期地震动激励波高的设防要求,对长周期地震动激励波高设防明显不足;储罐在含有丰富长周期波形的地震波作用下,产生的试验波高较大,且随地震动峰值加速度的增加呈一定的线性增加;利用傅里叶谱卓越周期作为频谱特性参数来拟合波高具有可行性,并与激励波高由一定趋势的函数关系;选用傅里叶谱低频幅值占比率λ进行长周期地震波界定,并运用多阶振型叠加SRSS方法进行规范波高公式修正,计算结果对长周期地震动激励波高有较高的设防。     

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。     

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。     

给定地震场景下的随机地震动降维模拟∗

建立了一种可根据地震场景预测和模拟随机地震动加速度过程的降维模型。首先,挑选了1 766 条实测强震记录,根据断层类型和场地类别进行了分组,并识别了各组地震动的演变功率谱参数;然后,基于地震场景参数和演变功率谱参数,训练了两者的高斯过程回归模型（GPRM）,并采用K-fold 交叉验证法,验证GPRM 预测的有效性和精确性;最后,基于非平稳随机过程的谱表示法,通过引入随机函数的降维思想,实现了在给定地震场景下的随机地震动降维模拟。数值算例表明,预测的样本在频谱、峰值、强震持时等方面均与实测记录保持一致,体现了本文方法良好的工程适用性。这为地震动目标地区提供较为合理的人工地震动数据以及工程结构的随机地震反应分析与可靠性评价奠定了基础。     

川滇甘陕地区反应谱阻尼折减系数研究

阻尼折减系数是建筑抗震中校正阻尼比不是5%的弹性反应谱。本文根据我国近20年来川滇甘陕地区大震时获得的强震记录的长周期特性,利用差分进化算法标定了每条强震记录并给出了不同场地上的设计谱的特征参数;最后研究了阻尼折减系数与衰减指数随震级、震中距和场地类别的影响。结果表明,建筑抗震规范中的反应谱平台值与特征周期值明显偏小;阻尼折减系数与衰减指数不随这震级、震中距与场地这三个主要地震参数的变化而变化;最后根据统计分析给出了川滇甘陕地区的阻尼折减系数与衰减指数建议公式。本文的研究将为我国抗震规范的相关修订提供了一定的参考。     

工程结构地震反应与地震动输入关系研究

工程结构地震动输入是结构抗震设计研究中的重要问题,输入的合理与否直接影响着结构抗震能力。本文以框架结构为分析对象,将结构振动周期作为结构动力参数,地震记录加速度反应谱的特征周期作为地震动特征参数,通过计算对比发现:场地条件相同、峰值加速度相同、震中距相近的情况下,反应谱特征周期与结构基本周期接近的地震记录会让结构产生较大的地震反应。     

近断层速度脉冲对RC框架的地震反应影响

强烈的速度脉冲运动严重影响结构的地震响应,而目前的抗震设计规范并未对结构的速度响应作出全面分析。因此,根据汶川地震记录筛选出两组具有代表性的近断层强震数据:一组3向均含有速度脉冲;另一组3向均不含速度脉冲。对选出的6条地震动的速度反应谱、V~2时-频反应谱、累积动能曲线进行了分析比较。在此基础上,以某钢筋混凝土框架结构为例,探讨了结构在这两组输入地震动作用下的动力响应差异和速度脉冲对钢筋混凝土结构的地震反应影响。结果表明:近断层速度脉冲型地震动对各频率段的单自由度体系均有较大的能量输入,且对长周期结构具有更大的破坏作用。     

远场类谐和地震波加速度反应谱的双峰特征分析

远场类谐和地震波作为一种特殊的长周期地震波,其加速度反应谱具有显著区别于其他类型地震波的双峰特征,本研究对其产生原因进行分析。首先,分析了集集地震和汶川地震中部分典型的远场类谐和地震动的运动特征;然后,基于希尔伯特?黄变换时频域分析方法及等效简化法,分析了远场类谐和地震波时域特征对其加速度反应谱双峰特征的影响规律。结果表明,所选远场类谐和地震波加速度反应谱长周期段的峰值与高频段的峰值比 (峰值比系数 α)较大,对该地区内基本自振周期为 5~7 s 的高层结构影响显著;当远场类谐和地震波存在脉冲周期和脉冲幅值较大的类谐和脉冲时,其加速度反应谱表现出明显的双峰特征。     

地震环境下不同重要性建筑的抗震设防水准

针对我国进行建筑物重要性分类时没有考虑地震环境影响的现实,采用地震危险性分析的方法将我国划分为地震危险性不同的3个区.同时,在采用调整设计基准期来标定建筑的重要性类别的基础上,利用地震动参数的危险性曲线,分析了不同重要性建筑在不同危险性特征分区内、不同设防概率水准(常遇、偶遇、罕遇地震)下的地震动参数(设防烈度、地震影响系数和地震地面运动加速度)的取值,最终证实调整结构的设计基准期并考虑地震环境的影响是标定结构的重要性从而调整设防等级的一种好方法.     

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。     

基于《电力设施抗震设计规范》的地震动随机模型参数研究

依据《电力设施抗震设计规范》(GB50260-96)中的设计反应谱,对随机地震动功率谱参数的取值进行了具体研究。首先,采用时间包络函数考虑地震的非平稳特性,给出了地震动持时的取值;然后,根据加速度峰值等效原则,迭代计算得到地面的加速度功率谱密度曲线;最后,选定Clough-Penzien修正过滤白噪声模型作为拟合函数,通过非线性拟合技术拟合了与《规范》中的地震烈度、场地类别相对应的谱参数。研究结果表明,Clough-Penzien修正过滤白噪声模型能较好地拟合其曲线形状。本文给出了相对于规范中的地面加速度功率谱参数值,可供这种模型作为地震地面运动输入时选用。     

抗震设计中应用地震危险性分析结果的探讨

文中针对地震危险性分析结果给出不同概率水准地震动参数的特点,提出最优设防标准的定义,并以此选取合理的地震动参数。根据考虑同等烈度震中距的概率分布建立其与常规抗震设计的联系,最后以一具体算例加以说明。     

厚软场地上大跨径桥梁设计反应谱研究

大跨径桥梁塔高、跨径大、自振周期长,深厚、软弱场地的长周期地震动对桥体结构影响较大。我国《公路工程抗震设计规范(JT J004-89)》也只适用主跨不超过150 m的梁桥和拱桥,国内长期以来没有一个适用于大跨径桥梁的抗震设计规范或指南。本文结合大跨径桥梁工程实例,根据场地土层静、动力性能参数的原位测试和动三轴试验结果,进行厚软场地土层地震反应分析,研究厚软场地的地震动效应,讨论了不同地震动强度时厚软场地的设计反应谱特征,分析了现行规范设计反应谱应用的局限性,成果对相关工程有重要指导意义,对大跨径桥梁抗震设计规范的制定也有借鉴作用。     

日本地震实时监测系统中液化识别方法可行性研究

日本地震超高密度实时监测系统(SUPREME)建设中的核心技术之一是依据强震记录对液化场地进行反演识别,系统中目前使用的是Suzuki法,但实际应用效果并不理想。选取不同地震下多种类别场地上的实际地震记录,对Suzuki法的适用性进行了研究,讨论了其不同指标对不同类别场地识别结果的影响。分析表明:Suzuki法对不同类别非液化场地的识别能力不同,最显著的缺陷是易将软土场地与液化场地混淆;方法所使用的4个识别指标中,过零周期为控制参数,其它指标仅起到初判作用;方法出现误判的原因是液化场地的过零周期范围与非液化中软土场地上的过零周期范围存在明显交叉,而这一点理论上是无法避免的客观存在;改进的方法是应放弃现有进行绝对值对比的做法,改用地震动某些参数的相对变化作为新的识别指标。     

基于修正随机有限断层法的沉积盆地地震动模拟∗

基于随机有限断层法理论框架,采用间接边界元方法求解沉积盆地地震动放大效应,以此修正场地放大因子,发展了一种可考虑盆地效应的修正随机有限断层法。基于该方法,模拟了 2021 年 2 月 13 日日本 M_W7.1 海域地震中日本关东盆地地震反应,并与常规随机有限断层法及实测地震记录进行了对比。结果表明：与常规随机有限断层法相比,采用修正随机有限断层法模拟盆地地震动表现出更显著的空间变异性,盆地边缘地震动峰值加速度较常规方法放大了 6.24 倍,与实测地震记录吻合度更高;区域地震动峰值加速度空间分布整体特征与实测地震记录基本一致;相较于不考虑场地影响下的结果盆地内部分台站长周期下的谱加速度值扩大了近 5 倍,表明深厚沉积盆地在长周期范围内的场地放大更加明显。