考虑脉冲效应的近断层地震动能量谱研究

基于能量的设计方法被广泛应用于结构抗震设计与性能评估,而确定结构能量耗散需求是设计过程中需解决的首要问题。目前针对近断层脉冲型地震动能量谱特征的研究仍然不够充分,很可能低估其对结构的破坏作用。为此,从PEER(Pacific Earthquake Engineering Research Center)强震数据库中选取了789条近断层地震动作为输入,并从中识别出192条脉冲型地震动,重点分析了近断层脉冲型地震动与无脉冲地震动的能量谱差异,研究了地震动特征参数及恢复力模型参数对能量谱的影响,并建立了考虑脉冲效应的近断层地震动实用设计能量谱。结果表明:(1)场地越软,近断层地震动能量谱谱值越大,且各类场地下脉冲型地震动能量谱平均谱的谱值明显大于无脉冲地震动;(2)阻尼比ξ增大对输入能量谱具有削峰作用,并减缓其长周期段的衰减速度,延性比μ增大会提高输入能量谱及阻尼耗能谱峰值,并降低滞回耗能谱峰值,屈服后刚度比α对能量谱影响较小,可近似忽略其影响;(3)脉冲型地震动的输入能量设计谱平台段长度远大于无脉冲地震动,所建立的设计能量谱可为近断层区域基于能量的抗震设计提供参考。

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.

群桩基础三维非线性地震反应分析

针对在强震作用下的桩基础非线性地震反应问题 ,本文采用Drucker -Prager理想弹塑性模型模拟地基土的非线性 ,同时在桩 -土接触面上设置接触单元模拟桩 -土间的接触非线性 ,建立了桩 -土 -桩相互作用及土 -桩 -结构相互作用体系的三维有限元分析模型 ,探讨了桩 -土间的非线性效应对群桩基础的运动相互作用及惯性相互作用问题的影响 ,分析了群桩的内力分布 ,得到了一些有应用价值的结果。

振动台模型试验中地基土域的数值模拟

针对土-结构动力相互作用振动台模型试验中有限地基土域的模拟问题,本文分别采用有限元法和边界元法对地基土模型的侧向人工边界和底部人工边界的合理位置问题进行了计算分析。文中首先采用三维有限元方法,探讨了地基土侧向垂直人工边界不同位置对群桩基础和箱形基础地震反应的影响,提出了侧向人工边界合理位置的具体建议;然后利用层土动力Green函数建立边界元模型,通过对埋入式条形基础的动力反应分析,探讨了底部水平人工边界的合理位置,提出了相应的建议。

长周期地震波作用下高层建筑结构的弹塑性动力响应分析

由于长周期地震动记录的缺乏,目前国内外对长周期地震动特性的研究尚不成熟,对长周期地震波作用下高层建筑结构弹塑性动力响应的研究成果也较少。本文从2003年日本北海道十胜冲地震记录中挑选出长周期TOM(EW)波作为输入,以一30层钢筋混凝土框架-核心筒结构为背景,采用Hilber-Hughes-Taylor递推格式,进行了长周期地震波作用下的高层结构弹塑性时程响应分析,并与普通El Centro波作用下的高层结构响应结果做了比较。通过对结构位移响应、加速度响应和应力分布的比较分析,探讨了长周期地震波作用下高层建筑结构的弹塑性响应特性,获得了有工程参考价值的结果。

沉管隧道结构的空间受力性态分析

目前沉管隧道的结构设计计算大多采用一维弹性地基梁模型,或在此基础上再取若干个横截面进行平面分析。本文以甬江水底沉管隧道为工程背景,采用墙单元和板壳单元建立沉管结构的三维有限元分析模型,用水土分算原理确定沉管结构的水土荷载,对沉管隧道结构水土荷载的空间分布及沉管结构的空间受力性态进行了数值计算与分析,探讨了水位对沉管结构水土荷载值的影响以及沉管板底与基础的部分脱空和沉管顶部覆土厚度等因素对沉管结构内力的影响。在此基础上,文中对沉管结构的设计计算模型以及沉管隧道的有关管理措施提出了建议。

基于环境振动信号的框架结构震后损伤识别

提出了一种新的损伤指标用于框架结构的震后损伤识别.以环境振动作为激励信号,采用小波包分解理论,利用框架结构损伤后振动信号的能量在频域内的变化,构建损伤指标DI,并给出了损伤识别流程图.在此基础上,以某钢筋混凝土框架结构为例,设定4种震后损伤工况,对框架结构进行了震后损伤识别分析,探讨了不同楼层、不同类型振动信号对损伤识别效果的影响.结果表明:本文构建的损伤指标DI可以有效识别框架结构的震后损伤,损伤指标DI与损伤程度之间有近似线性的关系;基于较高楼层振动信号的损伤指标值对结构的损伤识别效果较佳;利用速度信号可获得比加速度信号更好的识别效果.

桩-土接触效应及对桥梁结构地震反应的影响

目前有关涉及桥梁桩基础地震反应的研究大多是基于桩与桩侧土体之间无相对滑动、位移保持协调的假定。本文针对地震作用下桥梁桩基础的接触面效应及其对结构地震反应的影响问题,以某桥梁工程为背景,通过在桩-土交界面处设置接触单元来模拟桩-土间的接触非线性,建立了土-桩-桥梁结构相互作用体系的三维分析模型。利用这一模型,分析了地震作用下桩-土交界面处的动力反应形态,探讨了桩-土间的接触非线性及其对桥梁结构地震反应的影响。初步分析结果表明:在强震作用下,桩-土间会产生较强的接触非线性,在本文模型中,这种非线性主要表现为桩-土交界面处的滑移;考虑桩-土间的接触面效应将使结构的位移反应结果较基于桩-土间位移协调的情形有所增大。

基于正交化HHT法的特殊长周期地震动能量分布研究

强地面运动作为复杂的非平稳信号由多个不同频率信号组成,它的频谱中有多个交叉项。正交化HHT(Hilbert-Huang Transform)法的局部时频特性使它成为非平稳信号局部谱估计的一种好方法。本文针对近断层脉冲型地震动和远场软土层场地类谐和地震动这两类特殊的长周期地震动,分别选取1999年台湾集集地震TCU068台站的NS分量地震动和ILA056台站的EW分量地震动进行了正交化HHT分析,同时选用工程界广泛使用的El-Centro波NS分量进行比较。通过对二条典型的特殊长周期地震动时程以及El-Centro波NS分量时程的局部谱密度、频率局部特性、能量分布和峰值系数的分析与比较,得到了有应用价值的结果。

基于PC集群的三维河谷场地长周期地震动响应并行计算

利用编制的场地地震反应并行计算程序PSAP,分别选取基岩长周期地震波和普通地震波作为输入,采用等效线性化方法,对某河谷场地进行了不同类型地震波作用下的三维有限元并行计算,分析了三维河谷场地的长周期地震反应特点,探讨了不同视波速情形下河谷场地的行波效应。结果表明,行波作用下局部场地产生明显的竖向地震反应,长周期地震波的水平向加速度反应放大系数明显大于普通地震波的结果,利用PC集群并行求解技术可以有效提高大型有限元分析的计算效率。

地铁车站-隧道-土相互作用体系地震反应

为研究地铁车站-隧道-土相互作用体系在地震中的整体力学行为,并探讨地铁车站与隧道接头结构对地下轨道交通结构地震响应的影响,本文建立了地铁车站-隧道-土相互作用体系的大型三维整体有限元模型,借助Ls-dyna有限元软件进行地震动时程分析,探讨了地铁车站-隧道-土相互作用体系的地震反应规律,从定量角度研究了地铁车站与隧道接头结构对车站及隧道地震响应的影响程度及范围。研究表明,地震作用下地铁车站与隧道结构的受力明显不均匀;地铁车站结构的最大层间位移响应在接头部位较车站中间截面显著减小,接头结构的影响距离约为车站纵向跨度的5倍;地铁隧道在接头结构处的应力响应较隧道其他位置显著增大,但增大程度随着与接头部位距离的增大而迅速减弱。

土层随机地震反应分析中侧向边界的影响分析

研究了随机地震激励下土层地震反应及土-结构相互作用分析中有限土域的取值范围对计算精度的影响。分别以基岩白噪声谱和杜修力修正基岩谱作为输入,进行了土层随机地震反应分析,探讨了自由边界、固定边界和黏弹性边界3种人工边界条件下土域的取值范围、土介质阻尼和土体长深比(L/H)对土层随机地震反应的影响,给出了侧向人工边界合理位置的具体建议。在此基础上,选取土体的合理边界范围,建立土-结构相互作用分析模型,分别以基岩白噪声谱、杜修力修正基岩谱以及实测地震波功率谱作为输入,进行了土-结构相互作用体系随机地震反应分析,计算结果验证了侧向人工边界取值在土-结构相互作用体系随机地震反应分析中的有效性。

基于长周期地震动记录的SDOF体系能量谱探讨

为分析长周期地震动作用下结构的能量反应谱及其影响因素,从1985年墨西哥8.1级地震、1999年集集7.6级地震和2003年日本十胜冲8.0级地震记录库中,选取了36条具有可靠长周期信息的强震记录,以此作为输入,采用能量谱面积归一的方法,首先对单自由度体系的弹性能量谱进行了分析,建议了适用于长周期地震动的简化三段式输入能量谱。在此基础上,讨论了延性系数、阻尼比对弹塑性能量谱的影响;给出了通过调整长周期地震动弹性能量谱参数来确定长周期地震动弹塑性能量谱的方法,并与长周期地震动弹塑性能量谱的拟合结果进行了比较,验证了上述方法的可行性。最后,通过分析长周期地震动累积滞回耗能与弹塑性输入能量之间的比值关系,给出了长周期地震动累积滞回耗能比值谱的计算公式。

基于演变谱和正交化HHT法的类谐和长周期地震动合成

结合演变谱理论和正交化HHT法的优点,建立了一种能同时反映强度和频率非平稳特性的地震动人工合成方法.选取1999年台湾集集地震中的2条类谐和长周期地震动记录作为原始地震动进行了人工合成,并进行了局部功率谱密度分析和反应谱分析.分析结果表明,本文建立的地震动合成方法能实现对地震动频率非平稳性的模拟,合成的类谐和长周期地震动时程与原始地震动时程在能量时频分布上具有较好的一致性,且弹性反应谱及弹塑性反应谱的拟合精度较高,可供工程结构地震反应分析使用.

地震波反演两种计算方法比较与频率截断问题的探讨

基岩地震动的确定是场地地震反应与土-结构动力相互作用分析的关键步骤之一。本文首先对通过反演获取基岩地震波的波动法和有限元法做了简要比较,阐述了在深覆盖土层地震波反演分析中频率截断的重要性。然后,以上海某深覆盖土层场地为例,分别采用波动法和有限元法对不同深度土层(包括土层10 m深处、土层20 m深处、土层45 m深处、土层140m深处和土层280m深处)的加速度传递函数进行了计算分析与比较,结果表明,深覆盖土层的加速度传递函数的模在高频处趋近于零。在对传递函数深入分析的基础上,分别选用普通El Centro波和长周期TCU115波进行了反演分析,探讨了不同类型地震波在深覆盖土层反演中的频率截断问题,得到了有应用价值的结果。

地震作用下大型升船机结构的响应特征分析

从振动力学的角度,以某大型升船机建筑结构为背景,对升船机结构的动力特性及在地震作用下升船机结构的确定性和随机反应特征进行了较系统的分析。首先建立了升船机建筑结构的三维分析模型,对升船机结构进行了动力特性及时程响应特征分析。然后,在总结与分析有关地震动随机模型研究成果的基础上,通过比较,选择了具有较全面描述输入地震动随机特性的数学模型,并对升船机结构的功率谱响应特征进行了分析。最后,基于上述结构反应特征分析,给出了升船机建筑结构抗震可靠度计算模型的适用性建议。

大型桩基础动力特性及地震反应分析

本文针对大型桩基础的地震反应问题,以上海“东方明珠”广播电视塔桩基础为工程背景,采用梁单元模拟桩的运动,用8节点块体单元对土体进行离散,通过凝聚法消去桩(梁)节点的转动自由度,建立了“东方明球”电视塔中央部位桩基础的三维有限元分析模型,对桩基础的动力特性进行了计算与分析。在此基础上,以文献[1]根据地震危险性分析和土层反应分析后获得的桩尖处加速度时程作为输入,对桩基础的动力反应进行时程分析,探讨了桩—土动力相互作用和上部结构等因素对地震地面运动和桩承台反应的影响,得到了一些有应用价值的结果。

结构动力学课程多元化教学方法探讨

探讨了结构动力学课程的多元化教学方法。以三维框架结构的ANSYS数值试验、典型地震动加速度时程的获取与处理、结构动力特性的现场测试为例,介绍了改善课堂效果、开展课外实践的有效方法。结果表明,采用丰富的课堂教学形式并结合现场测试实践的多元化教学法,能有效激发学生的学习热情,帮助学生理解结构动力学概念,提高学生的创新能力。

土-桩-结构相互作用体系随机地震反应分析

本文采用随机振动理论与有限元技术相结合的方法,以基岩随机地震作为输入,对群桩基础和土-桩-结构相互作用体系进行了三维随机地震反应分析。文中首先以-3×3群桩基础作为分析模型,探讨了桩-土-桩动力相互作用对承台随机地震反应的影响;然后,用单自由度体系模拟上部结构,分析了上部结构惯性对桩基承台随机地震反应的影响。在此基础上,以某桥桥墩为背景,用多自由度体系模拟上部结构,建立了土-桩-结构相互作用体系的三维分析模型,获得了桩基承台的功率谱响应、以及桩顶处的主应力标准差和主应力速率标准差等结果,探讨了群桩顶部各桩主应力标准差的分布规律,得到了一些有应用价值的结果。

序列地震动作用下复杂高层结构的反应特征分析

现有的结构地震反应分析通常只考虑主震作用,而在历次震害中余震导致建筑物破坏加剧甚至倒塌的事例时有发生.将实测主震加速度时程和余震加速度时程,采取首尾相连、中间间隔零幅值时程的方式模拟主、余震序列地震动,以某98m高的复杂高层结构为背景,分析了主、余震序列地震动作用下复杂高层结构的反应特征,对比了主震作用、余震作用、以及主余震序列地震动作用下结构反应的差异.结果表明:余震对结构损伤加重的影响在各楼层间分布不均匀,主震作用下损伤严重的楼层,在余震作用时的损伤加重程度更大;余震作用使结构的残余位移发生了变化,结构的损伤加重;序列地震动作用下结构的塑性损耗指标较对应主震单独作用时有较明显增大.