远场长周期地震动下基础隔震结构非线性减震分析与控制

为研究远场地震动中长周期成份、尤其类谐和成份对基础隔震结构非线性减震性能与损伤演化的影响,分别选取普通地震动与远场长周期地震动进行频谱特性对比.考虑隔震层上部结构梁柱的塑性性能,采用集中塑性铰模型,建立一幢钢筋混凝土基础隔震结构有限元模型,通过非线性分析探讨地震动中长周期成份,特别是类谐和成份对基础隔震结构减震性能的影响.提出在隔震层增设黏滞阻尼器,形成组合隔震方案,控制罕遇地震甚至中震作用下隔震层产生的超限水平位移.结果表明:对减震系数和层间位移而言,远场长周期地震动尤其是类谐和地震动作用下的隔震效果较差,类谐和地震动下层间位移出现放大效应且隔震层上部结构产生塑性损伤变形;远场长周期罕遇地震甚至中震下隔震层位移的增大尤其明显,严重超过隔震支座的允许变形限值.组合隔震能有效地控制远场长周期地震动,尤其类谐和地震动作用下隔震层的超限水平位移,减小隔震层上部结构非线性反应,防止隔震支座损伤破坏.     

考虑支撑加固的框架结构远场长周期地震响应分析

为了研究不同地震作用下、不同自振周期以及支撑加固下结构的地震反应变化规律,选取3条常规地震动和3条远场类谐和长周期地震动,先对其进行反应谱特性分析,然后通过希尔伯特-黄变换(Hilbert-Huang transform)得到各条地震动的Hilbert能量谱,进而得到Hilbert能量谱用于比较分析不同地震动的能量特性。在此基础上,使用SAP2000建立3层和20层框架结构及其支撑加固结构的有限元模型并对其进行地震动作用下的弹性时程分析。结果表明:长自振周期的结构在远场长周期地震动作用下的地震响应远远大于常规地震动作用下结果,并且长自振周期结构的地震反应相比短自振周期结构更为明显;支撑加固对短自振周期结构的加固效果非常显著,而对长自振周期结构的加固效果不明显,且使得结构最大层间位移角所在楼层上移,引起结构中上部楼层存在安全隐患。     

空间相关非平稳地震动反应谱拟合

为了给大跨度结构的抗震分析提供空间多点相关地震动加速度时程,在前人研究的基础上,提出根据标准设计反应谱合成非平稳空间相关多点地震波的方法.从规范反应谱出发得到功率谱,然后由地震动的空间相关性得到功率谱矩阵,用三角级数法生成各点地震动.生成的地震波具有地震动的空间相关性,同时还考虑了强度和频率的双重非平稳性, 在保证相关性的前提下对初始波进行修正使其反应谱与规范反应谱逼近.数值算例表明,利用该方法生成的地震动加速度反应谱具有较高的拟合精度,合成的多点时程可用于大坝等延伸结构多点激励的地震动输入.     

基于近期大地震特征的核电站设计谱

为了评价现行核电站抗震设计反应谱的安全性,基于汶川和集集2次大地震基岩场地的强震动记录,通过对地震动主要参数和反应谱的分析,提出了基于规准和双规准伪速度反应谱不同区段特征确定目标地震设计谱的方法,给出了基于2次地震目标谱的距离相关核电设计谱,并与规范谱进行了比较.分析结果表明:大地震地震动具有长持时、长周期性的特点;地...     

长周期地震动弹塑性反应谱的参数影响

根据长周期地震动的频谱特性,从日本强震数据网K-NET和KiK-net中,合理挑选了47条长周期地震动记录,研究长周期地震动与普通地震动的弹性反应谱的区别.结果表明:长周期地震动加速度谱的卓越周期和长周期段的谱值都明显大于普通地震动的,且其弹性位移谱的谱值比普通地震动的大很多.在此基础上,对长周期地震动弹塑性反应谱(加速度谱、位移谱、残余位移谱、强度折减系数谱)进行全面的参数影响研究,得到地震动特性(场地土质、震中距、地震动峰值加速度)和恢复力模型动力参数(屈服后刚度比、阻尼比、位移延性系数)等因素对长周期地震动弹塑性反应谱的影响规律,为长周期地震动弹塑性设计反应谱的最终建立提供有益参考.     

长周期地震动下框架-剪力墙结构隔减震改造

长周期地震作用是一种特殊的地震动,框架-剪力墙抗震结构在长周期地震动下的响应与普通地震动下的响应明显不同.运用ETABS建立11层框架-剪力墙抗震结构及3种改造结构(即基础隔震结构、层间隔震结构及阻尼减震结构),分别输入远场类谐和长周期地震波、近断层脉冲型地震波和普通地震波3种不同性质的地震波进行罕遇地震下的非线性时程分析.结果表明:4种结构在长周期地震动下的地震响应明显,框架-剪力墙抗震结构的响应最大;长周期地震下,采用基础隔震结构、层间隔震结构和阻尼减震结构进行改造后的地震响应减小,受长周期地震动影响区域的框架-剪力墙抗震结构可以运用基础隔震结构、层间隔震结构和阻尼减震结构进行改造;采用基础隔震结构和层间隔震结构进行改造后的减震效果优于运用阻尼减震结构进行改造.     

基于水工标准反应谱的人工地震动合成及其校正

给出了进行水工建筑物抗震设计时,根据水工标准反应谱合成人工地震波及修正方法,为了消除人工波中残余长周期分量的影响,通过利用最小二乘法拟合原始加速度均值,利用加速度均值对人工地震动加速度进行校正,纠正了位移时程的漂移.     

桥梁结构非平稳随机抗震分析

基于平稳地震动过程的Kanai-Tajimi功率谱密度函数,建立了一类时-频非平稳地震动过程的演变功率谱模型.结合公路工程抗震规范和非平稳过程模拟的随机函数-谱表示方法,生成了610条桥梁抗震设计所用的地震动概率模型的代表性时程集合,通过代表性时程的均值、标准差及平均反应谱值与目标值的比较验证了本文方法的有效性.在此基础上,结合概率密度演化方法,对范和港跨海斜拉桥随机地震反应与抗震可靠度进行了精细化的分析,为桥梁结构抗震分析提供参考.     

基于小波包方法的非平稳地震动模拟和设计谱拟合

提出了一种基于小波包分解和重构的模拟非平稳地震动并拟合设计谱的方法.该方法模拟出工程用地震动并调整频率分量,使其以一定的精度拟合设计谱.首先,利用5个参数生成了构成地震动加速度时程的小波包系数矩阵,并通过小波包重构获得加速度时程,该系数矩阵模拟了实际地震记录中频率随持时逐渐减小的特点.其次,将模拟的地震动利用小波包分解方法分解为具有高分辨率非重叠的小波包系数矩阵,然后根据设计谱调整频率分量.数值算例表明,该方法模拟的不同持时的加速度时程均能吻合同一设计谱,且迭代后仍然能保留地震动的非平稳特性.另外,该方法具有较稳定和较快的收敛过程,能在有限次调整迭代中实现较高的拟合精度.     

长周期随机地震作用下超大跨斜拉桥的行波效应分析

从各个国家和地区的地震记录库中寻找出一些具有良好记录质量和基本场地资料的强震记录,并从中挑选出较为典型的长周期地震波,对比分析了不同场地条件下长周期地震波和普通地震波的平均加速度反应谱及其规范形式的分段拟合曲线.选取软土场地拟合反应谱作为目标反应谱,用迭代方法求取与目标反应谱相对应的功率谱密度函数,分析了基于长周期地震动加速度功率谱密度的特点.在此基础上,以某超大跨斜拉桥结构为背景,利用ANSYS软件建立三维有限元分析模型,分别以文中拟合的长周期地震动功率谱密度和普通地震动功率谱密度作为输入,采用直接求取位移的改进虚拟激励法,对超大跨斜拉桥结构进行了不同视波速下的行波效应分析.结果表明:长周期地震动功率谱密度的卓越频率明显低于普通地震动功率谱密度的卓越频率.长周期地震动功率谱作用下的桥梁左桥塔顶、右桥塔顶和桥面板跨中节点的位移响应功率谱值均明显大于普通地震动功率谱作用下的结果,桥梁塔顶位移响应功率谱均呈双峰分布.在本文算例中,考虑行波效应使超大跨斜拉桥结构的位移响应和弯矩响应结果有所减小.     

基于分量分离方法的地震动反应谱

地震动反应谱统计分析中存在的离散性一直是影响设计谱精确估计的重要因素.地震动加速度反应谱离散性偏大的区段主要集中于长周期部分.为了进一步研究地震动反应谱及其长周期段的特征,建立了一个综合强地震动数据库,考虑地震动反应谱的特征将强震记录分为普通型和低频型2类,采用数字滤波方法将低频型地震动中的长周期分量分离,引入了一种2阶段平稳简谐地震动模型用于等效所分离的低频分量.结果表明:滤波后的低频型地震动与普通型地震动反应谱仍有明显差别;低频型地震动与分离后得到的低频分量以及高、中频分量参数间存在一定的相关性;指出普通型地震动与低频型地震动的设计谱须分别单独标定,其中普通型地震动设计谱采用平均谱标定,低频型地震动设计谱可以在普通型地震动设计谱标定方法的基础上对长周期段进行修正得到.该研究为地震动反应谱特征及规律的认识提供了新的方法,为设计谱的精确标定提供了参考和依据.     

盆地型长周期地震动的判别准则

为了筛选出盆地内超高层结构抗震设计所需的盆地型长周期地震动(简称为长周期地震动)验算波,总结了长周期地震动的形成机理,分析了长周期地震动中面波的卓越性,提出了截取由面波主导的地震动尾波的方法,通过基于尾波特性的统计分析得到了长周期地震动的判别准则.结果表明:沉积盆地边界所激发的面波在盆地内传播、叠加以及依频率放大是长周期地震动的主要形成机理;长周期地震动中由面波主导的尾波段对长周期结构响应起控制作用;长周期地震动判别准则宜定为:速度反应谱卓越周期大于2s,且截取出的尾波与原始波在速度反应谱卓越周期处的谱幅值比大于85%.     

远场长周期地震动作用下高层框剪结构地震反应分析

选取3条远场长周期地震动和2条普通地震动,在比较其能量特性的基础上,采用ETABS软件建立两栋高层框剪结构的有限元模型。对比研究了地震动类型和结构基本周期对结构弹性地震反应的影响规律。结果表明:远场长周期地震动对高层框剪结构的地震反应具有放大作用;在其作用下结构的层间剪力、楼层位移和层间位移角明显大于普通地震动作用下的结果。远场地震动作用下结构的最大层间位移角出现在中下部楼层,且明显超出现行规范1/800的限值要求。普通地震动作用下结构的最大层间位移角出现在中上部楼层,能够满足规范限值要求。随着结构基本周期的增加,远场长周期地震动作用下结构的地震反应随之增大;普通地震动作用下结构的基底剪力、顶层位移逐渐增大;最大层间位移角略有下降、出现的楼层明显上移;顶层位移对长周期地震动、结构基本周期最为敏感。建议在高层结构抗震设计时进行远场长周期地震动作用下结构的抗震性能验算;且将结构位移作为重要的控制指标。     

利用正交Hilbert谱模拟非平稳随机地震动

基于样本记录正交HHT变换的Hilbert谱提出了非平稳随机地震动过程的模拟方法。 利用正交EMD法对IMF分量进行处理,克服了传统EMD分解存在能量泄漏的缺点,使正交HHT法可以精确分析非平稳信号的时频特性。在此基础上,把样本的Hilbert谱均值作为地震动随机过程的目标Hilbert谱,引入随机相位角来进行非平稳随机地震动过程的仿真,并且给出了随机过程的统计特性函数。通过对2个地震动记录的模拟,验证了模拟的地震动样本,能完全反映原记录强度和频率的非平稳特性,在时频分布上和原记录非常接近,具有相同的统计特征,并且模拟样本之间也具有良好的离散性。     

拟合多维能量反应谱及峰值速度的地震动调整方法

基于小波变换原理提出了一种以设计用多维能量反应谱及峰值速度为目标的实测地震动调整方法.该方法首先依据多维能量反应谱与伪加速度谱之间的近似转换关系,在时域内叠加小波函数实现对实测地震动记录的初步调整,保留原始地震动的强度、频率非平稳特性;再应用二阶基数B-样条小波函数模拟上述调整后的多维地震动场,通过循环调整拟合精度较低频段的小波系数和对峰值速度贡献最大的小波分量,实现对设计用能量反应谱及各向峰值速度的同时拟合.算例分析结果表明,该方法具有较高的拟合精度,对初始地震动的能量分布改变较小,为建筑结构基于能量平衡设计时的多维动力反应分析提供了一种新的地震波合成方法.     

近断层地震加速度设计反应谱

研究了近断层地震的加速度设计反应谱,选择了30次地震,132组近断层地震记录作为统计样本,根据得到的实际地震波的平均弹性加速度反应谱,给出了近断层地震设计弹性加速度反应谱表达式,并在此基础上,给出了近断层地震设计非弹性加速度反应谱计算公式.研究结果表明:提出的近断层地震设计弹性加速度反应谱与实际地震波平均弹性加速度反应谱较为接近,所建议的近断层地震加速度设计反应谱形式较为简单.     

断层破裂速度对地震动影响的离散波数有限元法模拟

地震断层的破裂速度是断层破裂过程中的一个重要参数,它对近场地震动及其空间分布,特别是近场地震动的方向性特征有着重要的影响．为从理论上分析断层不同破裂速度对地震动方向性效应的影响,根据设定地震和根据统计关系得到的震源参数,采用离散波数有限元方法数值模拟不同破裂速度下地表观测点的地震动时程,分析地震动的峰值、反应谱和持时3个基本参数及其空间分布特征．研究表明：在地震马赫数为0．700～0．925的破裂速度范围内,断层破裂值均会使地震动及其分布呈现明显的方向性特征;断层破裂前方的地震动峰值和反应谱值大于破裂后方的地震动值,地震动持时则相反;在断层破裂方向的末端一定距离内存在一个典型的区域,在此区域内的地震动显著受到方向性的影响和控制,其地震动峰值和反应谱值显著高于其他区域,而持时则低于其他区域．总之,破裂速度对地震动及其分布的方向性特征有重要影响,随着破裂速度逐渐接近于剪切波速,地震动的方向性特征也越来越明显．     

高层结构非线性地震反应分析

从国内外地震记录库中挑选出2条具有丰富长周期信息的长周期地震波,利用正交化 HHT法对2条地震波进行时频特征分析计算,同时以2条常用地震波为参照,进行时频特征的比对分析。然后,以一实际高层结构为例,利用 ANSYS 有限元软件建立有限元数值模型,分别以前4条地震波为输入,进行该高层结构的非线性动力反应分析。结果表明：高层结构对不同类型地震波的过滤作用不同,对长周期地震波的过滤作用更加明显;长周期地震波作用下的结构响应明显大于普通地震波作用下的结构响应,其中位移响应较加速度响应明显。     

考虑反应谱变异特性的人工合成地震波

在以往产生拟合反应谱的人工地震的方法中，目标反应谱通常采用建筑抗震设计规范给出的标准反应谱。根据其定义，标准反应谱仅仅反映了结构反应谱的均值特性。事实上，诺将地震动视为随机过程，则反应谱也是具有随机性的。因此，上述人工波的合成方法，忽略了反应谱的随机性，则生成的人工波并不能充分体现地震动的随机特性。鉴于此，由随机振动理论提出一种产生人工波的方法，可以同时考虑反应谱的均值特性和变异特性。