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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

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。     

远场长周期地震动作用下减隔震连续梁桥的动力响应特性研究

近几年发生的几次大地震均出现了远场长周期地震动的破坏现象,为了揭示自振周期较长的减隔震连续梁桥在远场长周期地震动作用下的动力响应特性,采用非线性时程分析的方法,分别研究了常规地震动和远场长周期地震动作用下减隔震连续梁桥的地震响应,以及远场长周期地震动作用下减隔震和非减隔震连续梁桥地震响应的差异。结果表明:与常规地震动作用相比,远场长周期地震动作用时减隔震连续梁桥的地震响应明显增大,但依然小于板式橡胶支座桥梁的地震响应。这说明,在常规地震动作用下,铅芯橡胶支座减隔震性能发挥良好,在远场长周期地震动作用时,其减隔震性能依然能够发挥,但发挥效应相对常规地震动作用时较弱。这一现象在有关隔震桥梁的设计中应予以关注。     

地震动频谱特性对罐液体系地震响应的影响分析

基于拉格朗日方法建立考虑流固耦合效应的位移格式的运动方程,运用ANSYS建立立式拱顶储罐的三维有限元模型,分别选取短周期成分丰富(S1)、普通地震波(S2)和长周期成分丰富(S3)的三条天然地震波,分析了地震波频谱特性对液体晃动、罐底剪力、弯矩以及罐壁响应等结果的影响。研究表明,罐液体系自振频率存在两个明显频段,即液体晃动低频率段(长周期)和罐液耦联振动高频率段(短周期)。罐液体系的动力响应对地震波频谱特性的影响较为敏感。S3地震波卓越周期最接近罐液晃动周期,引起液面大幅度晃动,较其他增长4倍。罐液耦联振动对轴向应力响应影响最大,S1地震波卓越周期最接近罐液耦联振动周期,其引起罐底轴向压应力超过规范许用应力,出现明显"象足"屈曲变形。罐底剪力和弯矩受耦联振动影响最大,而液体晃动对其影响较小,地震激励仅引起液体表面少量单元产生对流运动。     

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。     

大型储液罐的抗震性能分析及复合支座隔震研究

大型常压储液罐在地震作用下所受破坏将带来巨大的经济损失与次生灾害。为获取大型储液罐在地震作用下的响应并分析对其采取隔震措施后的效果,利用精细化有限元方法,建立了大型立式储液罐的模型,计算其振型,然后计算在不同储液量时,不同地震动作用下的储液罐地震响应,随后引入隔震支座,计算了隔震后的结构特性及地震响应,分析了隔震效率。结果表明,不同地震动作用下储液罐的地震反应有明显差异,随着储油量增加,其地震响应增大,满罐时的储液罐根部截面应力超过空罐时的2倍。利用铅芯橡胶隔震支座与滑动支座组合隔震后,能为结构带来较好的隔震效果,且随着储油量的增加,隔震效率随之增加,最大接近50%。     

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。     

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。     

泄漏工况下的LNG外罐温度场仿真研究

为研究LNG储罐泄漏后外罐温度场的变化,以16万m3LNG预应力混凝土全容式储罐为研究对象。借助有限元软件ANSYS下的FLUENT建立了储罐的保温层和外罐壁的二维平面模型。考虑储罐内液体动态泄漏过程中和泄漏完成后超低温液体对混凝土外罐的影响,对储罐的温度场进行了模拟分析。分析表明,泄漏后不同高度外罐壁温度变化与泄漏孔位置和孔洞大小有极大的关联。外罐壁温度先降低,后升高,最后达到平衡。在热保护角的作用下,底部外罐壁温度变化明显减小。在热保护角高度范围内,混凝土外罐壁在高度方向上存在温度梯度,温度从底部向上逐渐减小。     

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。     

高土石坝地震响应特性振动台模型试验与数值模拟

通过大型振动台模型试验,研究了不同幅值、不同频率和不同持时的地震动作用下高土石坝的地震响应特性,分析了高土石坝的地震破坏模式和破坏机理,并采用有限差分程序结合模型试验进行了动力数值模拟。研究结果表明:加速度响应沿坝高存在明显的顶部放大效应;坝坡加速度响应相对于同高程坝体内部呈现表层放大效应;当输入地震波的卓越频率与坝体自振频率接近时,坝体加速度响应更为强烈;坝体地震永久变形需要一定的时间累积,地震动持时对永久变形有较大影响。在振动台模型试验中,坝体破坏首先从坝顶部开始,破坏模式主要表现为坝顶部堆石松动、滚落、坍塌,甚至局部浅层滑动,其主要原因是加速度响应在坝顶部和坝坡表层存在放大效应,以及坝顶堆石围压低、抗剪强度低三个因素的叠加作用,因此,坝顶部是高土石坝抗震设计的关键部位,研究结果可为高土石坝的抗震设计提供参考。     

冲击荷载作用下LNG储罐外罐力学性能数值仿真分析

为了解LNG储罐在导弹等飞行物冲击荷载作用下的力学性能,借助于CAE程序ANSYS/LS-DYNA,选择钢材和混凝土材料适用的本构模型,建立了导弹和16万方LNG储罐外罐模型,分析了导弹冲击作用下LNG储罐外罐的力学性能。结果表明:外罐所受的最大有效应力持续时间及扩散范围受导弹初速度的影响较大,但弹体质量的影响并不明显;储罐外壁中的预应力筋可对冲击起到一定的阻抗作用,但当冲击速度达到音速时,钢筋的抗冲击作用不明显;导弹冲击对罐壁影响范围有限,只会对LNG储罐局部区域产生破坏,对储罐穹顶有轻微影响,对罐底基本无影响。建议从战略安全角度对LNG储罐外罐进行设计时要考虑导弹等冲击偶然荷载的影响。     

地下储液罐抗爆炸地冲击作用的流固耦合有限元分析

储液罐的抗震性能虽然得到了较为深入的研究,但对其抗爆炸产生的地冲击作用的研究还十分罕见。本文通过建立流固耦合的数值分析模型,研究爆炸地冲击作用下地下立式储液罐的动力特性,包括储液晃动波高、罐壁的应力和应变、底板的提离和浮放储液罐的"象足"变形产生原因及破坏机理等。研究结果表明,储液罐在爆炸地冲击荷载和地震荷载作用下的动力响应有明显区别,地震荷载作用下的储液罐抗震验算方法不适用于爆炸地冲击荷载。     

考虑地震动转动分量作用的砌体结构易损性分析∗

为考虑地震动转动分量对砌体结构地震响应和易损性的影响,基于 ABAQUS 有限元软件平台建立了村镇区域典型单层砌体结构有限元模型,选取层间位移角最大值作为性能指标来分析地震动转动分量对结构响应及易损性的影响;首先,选取三组典型地震动分别进行调幅,研究了结构在不同强度地震动平动和转动分量作用下的地震响应;其次,在 PEER 数据库选取 80 条地震动,研究了地震动转动分量对砌体结构地震易损性的影响,建立了地震易损性曲线。结果表明：（1）同时考虑地震动平动分量和转动分量作用时的结构层间位移角最大值比仅考虑地震动平动分量作用时有明显增大,随着 PGA 的增大,转动分量对结构的影响有增大的趋势;（2）由于地震动转动分量的作用,结构发生不同极限破坏状态时的超越概率均高于仅考虑平动分量作用的情况。该研究成果可为村镇砌体结构抗震设计与性能提升提供理论参考。