近断层地震动作用下长周期结构的地震动强度指标

选取国内外13次地震的26个近断层地震动记录,研究适用于长周期结构的地震动强度指标.采用时程分析法计算了自振周期3.0～8.0 s的单自由度结构的加速度、速度和位移响应,研究了峰值加速度、均方根加速度、峰值速度、均方根速度、峰值速度与峰值加速度比、峰值位移和均方根位移与这些响应最大值的相关性.在此基础上以宿迁某高层隔震建筑为对象,进一步考察实际长周期结构的最大地震响应与地震动强度指标的相关性.研究结果表明:不同地震动强度指标与长周期结构最大响应的相关性差别很大,加速度型地震动强度指标的相关性最差,速度型强度指标随着结构周期的增加其相关性愈差,位移型强度指标随着结构周期的增加其相关性愈好.相比峰值加速度和峰值速度强度指标,近断层地震动作用下长周期结构时程分析时,选择位移型地震动强度指标用于选择和调整地震动输入更为合理.     

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。     

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.     

近断层地震下层间隔震结构楼层反应谱

近断层地震动富含长周期、大峰值的速度脉冲的特性,而目前对近断层地震动作用下非结构构件动力响应的研究较少.本文对一个5层钢框架结构进行非隔震与层间隔震振动台试验和ABAQUS有限元模拟,研究表明:(1)结构设置隔震层,能明显降低屋面楼层加速度反应β_(ac)谱谱值,谱值随着隔震层的升高而增大;同时增大了屋面楼层位移反应β_d谱谱值,随着隔震层设置位置的升高,谱值大幅度减小.(2)与抗震和隔震结构的自振周期有相近脉冲周期的地震波能明显增大屋面楼层位移反应β_d谱和屋面楼层加速度反应β_(ac)谱谱值;非隔震与隔震结构屋面楼层加速度反应β_(ac)谱和楼层位移反应β_d谱主要峰值周期与主体结构基本自振周期接近.(3)近断层地震波与结构周期比值越近,断层距越小,有脉冲作用,屋面楼层加速度反应β_(ac)谱和楼层位移反应β_d谱谱值越大.     

基于能量法的结构瞬时最优控制的参数影响

基于瞬时最优控制方法和能量法的基本原理研究,推导出瞬时最优控制算法的能量平衡等式.进行基于能量法的瞬时最优控制算法的参数分析,考察时间间隔对结构动力反应以及结构能量分配的影响.结果表明:时间间隔增大会使结构的位移和速度响应减小,对加速度反应的影响还与结构自振周期相关;对能量分配的影响也随之减小;控制力和控制能与时间间隔和位移或速度的综合作用相关,时间间隔越大,输入地震动能量受结构周期影响越小.     

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.     

脉冲型地震动模拟与隔震桥墩性能的能量分析

用改进的三角函数方法来模拟近断层地震地面激励,对非线性隔震桥梁单墩模型进行了地震响应和能量分析.通过对波形、脉冲周期和峰值速度等地震动参数的调整来表征不同的脉冲效应,在前向、前后向和多环3种不同的脉冲渡作用下,隔震桥墩反应规律类似,以第3种冲击形式结构的响应值最大、输入结构的地震动能量最多.脉冲周期是决定地震动破坏能力的重要参数,通过定义累积滞回耗能比和瞬时耗散能量比,表明隔震支座有效耗能能力在短周期脉冲作用下较小,在长周期部分趋于稳定,而在中短周期部分单纯依靠隔震支座耗能不足以有效降低地震危害.通过引入瞬时输入能量概念,表明瞬时地震输入能量和结构地震响应密切相关,用瞬时输入能量来表征地震动强度是合适的指标.     

长周期地震动的能量反应谱

选取139条长周期地震动记录作为输入,研究了恢复力模型参数(恢复力模型、刚度比η、阻尼比ξ、位移延性比μ)和地震动特性(周期T、震级MW、场地、PGA)对长周期地震的输入能量谱SEI、滞回耗能谱SEH和阻尼耗能谱SED的影响.研究表明:1)恢复力模型对长周期(常规)地震能量谱的影响很大(小);η对长周期和常规的地震动的能量谱的影响都很小;随着ξ增加,长周期(常规)地震的SEI的长周期段谱值增大(减小);随着μ增加,长周期(常规)地震的SEH的峰值平台段延长(缩短)且峰值降低(增大).2)MW越大,结构损伤越大;场地土越软,能量谱值越大;若已知基准PGAref的能量谱,其他PGAoth的能量谱可由(PGAoth/PGAref)2调整得到.基于以上的参数影响研究,采用三段式拟合函数,建立了长周期地震弹性输入能量设计谱,并拟合了μ和ξ对长周期地震能量谱的影响公式,进而得到长周期地震非弹性输入能量设计谱.     

地震动反应谱对土石坝二维地震反应的影响

针对目前土石坝抗震计算中对频谱特性考虑的不足,分析了输入地震动加速度反应谱、速度反应谱、位移反应谱对土石坝地震反应的影响.研究结果表明,如果加速度反应谱卓越周期与土石坝的自振周期相近,土石坝地震反应则相应出现最大值,但不能从结果中简单得出周期的长短对坝体反应的影响;仅靠加速度谱的卓越周期不能完全反应地震动的频域特性.     

基于小波包分析地震作用下单自由度体系结构动力响应的特点

在小波包分解技术和简谐波动力计算的基础上,对地震作用下单自由度体系结构的动力响应特点进行研究.结果表明,利用小波包分解技术的拟合简谐波对地震动的响应分析是可行的.地震动可引起长周期结构很大的位移响应,这种位移响应有两个显著的特点:①数值上可能超过共振位移达到最大;②最大位移发生的时间通常落后于地震动最大峰值的时间(时延),甚至在某些情况下,地震动完全消失之后,结构位移响应才达到最大,此时位移响应由瞬态振动控制.此外,还对惯性力、阻尼力和弹性力在结构中的作用进行了初步分析.     

基于能量准则的SDOF阻尼减震结构最大地震位移

粘滞阻尼耗能能减小结构地震反应。根据振动等能量准则 ,由地震动力能量方程推导了单自由度 (SDOF)弹性体系的地震最大位移反应与阻尼比的关系。与地震动力时程数值分析方法计算得到的结果对比表明 :该文理论结果较好地反映了 SDOF结构的最大地震位移反应。在地震动特征周期处产生类共振时阻尼减震效果更为显著。利用振动等能量准则方法可较为简便地确定阻尼减震结构体系的最大位移反应和进行减震设计。     

流固耦合对脱硫塔结构简化模型的动力反应分析

为研究流固耦合对脱硫塔结构简化模型动力反应的影响,采用有限元程序(Adina)模拟脱硫塔结构简化模型在地震作用下的流固耦合效应.首先对脱硫塔结构进行合理简化,在不同液位下进行了脱硫塔结构的模态分析,研究了塔内液位高度对脱硫塔结构的频率和振型的影响;其次,通过对脱硫塔结构进行地震波加载,研究了塔内液位高度、地震波输入角度和加速度峰值对脱硫塔结构的位移和加速度的影响,并与试验结果进行比较.结果表明,脱硫塔结构的频率会随着液位增高而减小,塔内液位高度、地震波加载方向及加速度峰值对脱硫塔结构加速度的影响比较大,而对其位移影响不大.     

基于地震动相位谱不确定性模型的单自由度体系响应

提出了一个基于随机微分方程的群延时模型用以描述和模拟地震动相位谱.利用此相位谱模型推导出了线性单自由度结构体系在地震荷载作用下位移响应均值和方差的理论计算公式,采用时域和频域的方法对位移响应的统计特性进行了分析.结果表明:该相位谱模型能较好地模拟实际地震动的相位谱;对于线性单自由度体系,在任一频率处,位移响应相位角的均值与激励群延时的均值成反比;而位移响应相位角的方差与激励群延时的方差成正比;位移响应的均值和方差均与激励各谐波分量相位角的方差成反比,从而位移响应的峰值亦与该方差成反比.     

近断层地震动对高层建筑结构抗震性能的影响

近断层地震地面运动区别于远场地震,具有滑冲效应特性和向前方向性效应特性.其中,具有单方向速度脉冲和阶跃式永久位移的滑冲效应对长周期结构影响较大.取1999年Turkey地震中台站SKR带有滑冲效应的近断层地震记录作为输入获得弹性和弹塑性反应谱,并详细分析具有不同大小线性特征周期的单自由度体系从线性发展到非线性的整个过程中滑冲效应的作用.以某典型的钢筋混凝土剪力墙高层建筑结构为例,具体研究近断层地震滑冲效应对结构抗震性能的影响.结果表明,近断层地震滑冲效应除了对较长周期的高层结构抗震性能具有不利影响之外,对可能产生较大非线性变形的短周期结构的影响同样不可忽视.     

超大跨斜拉桥地震行波效应分析

对多点激励下的振型方程进行了推导,简化成类似于一致激励下的振型方程形式,导出多点激励下的振型参与系数和振型等效地震波,从而可由反应谱判断多点激励对结构振动的影响.以一座试设计的主跨1 400m斜拉桥为例,采用振型分析法分析了考虑行波效应的超大跨斜拉桥振动机理。通过拟静力法分析了行波效应引起的各支承点地震动位移的差异对超大跨斜拉桥结构变形的影响,同时,利用位移输入法,对超大跨斜拉桥进行了地震时程分析,研究了行波效应对超大跨斜拉桥顺桥向耗能体系地震损伤的影响.研究结果表明:行波效应减小了耗能辅助墩的耗能作用,增大了桥塔的地震损伤,对超大跨斜拉桥顺桥向耗能体系地震反应的影响是不利的.视波速为1 000~3 000m·s-1范围内的长周期地震动作用下行波效应的影响尤为显著,因此在超大跨斜拉桥地震反应分析时必须考虑.     

地震频谱特性对独塔斜拉桥纵向地震响应影响

以一座实际的独塔斜拉桥为背景,分别以速度脉冲波和实际地震波作为地震动输入,研究了不同频谱特性地震输入下独塔斜拉桥地震响应特点.结果表明,近断层地震动的长周期速度脉冲对独塔斜拉桥的地震响应影响显著,特别是当地震动峰值速度(VP)与地面运动峰值加速度(aP)比值较大时,速度脉冲波的周期与主梁第一阶竖弯振动周期接近,塔柱、梁体、拉索和支座等受力明显增加,并可能出现支座脱空和拉索松弛等现象.进一步研究了支座脱空和拉索松弛现象,结果表明,支座脱空和拉索松弛对主梁位移、拉索索力和支座竖向反力等响应的影响较大,不考虑支座脱空和拉索松弛可能会低估梁体位移和拉索的地震响应.     

覆盖层厚度对远场长周期地震动能量特性的影响研究

选取汶川8.0级地震中陕西省6个台站的东西向地震动加速度记录,通过HHT计算了各条地震动和其IMF分量的Hilbert能量和输入能量,对比分析了覆盖层厚度对远场长周期地震动能量特性的影响。结果表明：随着覆盖层厚度的增加,地震动的HE峰值、输入能量和Hilbert能量平均周期T_mE逐渐增加,当覆盖层厚度大于400m时,地震动能量主要分布在低频区域,具有显著的长周期特性;当覆盖层厚度为0或很小时,地震动能量主要集中在前2-3阶IMF分量中,多个IMF分量的HE峰值较大,卓越IMF分量对结构的影响较小;随着覆盖层厚度的增加,地震动能量主要集中在高阶IMF分量中,仅1-2个IMF分量的HE峰值较大,其余分量均很小,卓越IMF分量的平均周期T_mE和原始地震动十分接近,对结构的破坏起主导作用,应重点研究。     

基底受地震激励时结构的调谐减震控制

对地震激励下的结构的调谐减震控制（TMD）进行分析,考虑了土体与共同作用,通过拉普拉斯变换,采用传递函数的解法,在不同参数情况下,探讨了有、无TMD结构体系的主结构位移方差随主结构一阶固有频率的变化规律。分析比较表明：调谐减震体系对低频柔性结构有明显的减震效果;当场地卓越频率与主结构频率相近时,非调谐的传统结构发生共振反应,而调谐结构减震效果最为明显。     

近断层长周期地震动前向性效应对峰值影响研究

筛选了断层距不大于15km的具有前向性效应的长周期近断层地震记录,分类汇总建立了统计分析数据样本库,对长周期地震动的竖向分量和水平向分量峰值比进行了分析,研究了震级、脉冲周期、不同分量对峰值加速度比的影响。在此基础上,采用前期建立的回归分析模型,对长周期地震动竖向分量和水平向两分量的峰值加速度进行了回归分析,拟合给出了峰值参数与震级和断层距的衰减关系式,通过拟合曲线与数据样本的峰值实测值对比,说明拟合关系式在一定的范围内可以用于近断层长周期地震峰值的预测。