汶川地震动弹性和弹塑性反应谱分析

利用汶川地震获得的数字强震记录研究了汶川近场无速度脉冲、近场含速度脉冲和远场(盆地效应)地震动的弹性和弹塑性反应谱,后者包括等延性强度折减系数谱Rμ、等延性位移比谱Cu和等强度折减系数位移比谱CR。与相同场地条件PEER近场无速度脉冲、集集近场含速度脉冲地震动的谱进行了比较。汶川近场含速度脉冲地震动的弹性反应谱在0.2～0.8s周期内明显偏小,而它的弹塑性反应谱在短周期段(0.1～0.4 s)与汶川近场无速度脉冲地震动谱差别不大,但等延性强度折减系数谱Rμ要大于集集地震含速度脉冲地震动的谱,而等延性位移比谱Cu和等强度折减系数位移比谱CR则小于集集地震动情况,此后随周期增长(至0.6～1.0 s后)它们都逐渐过渡至与集集地震动的谱相当。汶川远场(盆地效应)地震动的弹性反应谱具有较宽并随周期缓慢增长的平台值和较长的特征周期,可达1.7s及以上。提出了远场(盆地效应)与近场地震动的弹性反应比谱和弹塑性位移比谱的概念。

应用弹塑性反应谱对IDA方法的改进研究

针对传统IDA方法中结构的加速度反应远高于SPO分析结果的现象,采用弹塑性反应谱作为IDA的烈度度量,同时给出随地震烈度改变而不断变化的屈服强度系数,提出了改进的IDA方法,更有效地考虑了结构的非线性地震反应特征。实际工程分析表明,改进的IDA方法能够体现结构的非线性受力反应,同时兼顾结构的动力反应特征,与SPO曲线和由规范计算得到的结构承载力有更好的可比较性。

考虑我国场地土类型的弹塑性反应谱法在高层混合结构中的应用

弹塑性反应谱法中,强度折减系数、延性系数、周期之间的关系模型(R-μ-T关系)是影响计算结果的一个重要参数。各国学者考虑不同地震动记录、滞回模型、场地土条件、阻尼比等参数,提出了不同的模型,但在场地特征对关系影响上存在不同认识。本文按考虑我国场地土类型的模型,分别进行了某高层混合结构在设防7度、7.5度、8度、8.5度、9度下的弹塑性反应谱计算,得到了一系列结构最大层间位移角,并与增量动力分析(IDA)的结果进行了对比。分析表明,考虑我国场地土类型的高层混合结构弹塑性反应谱计算结果与IDA分析50%均值曲线吻合较好。本文计算结果可为弹塑性反应谱法在复杂高层结构中的应用提供基础。

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.

结构地震弹塑性反应谱--损伤谱

首先,本文基于各国广泛使用的由Park和Ang提出的双参数损伤模型,研究基于损伤性能的弹塑性反应谱(损伤谱)的分析方法。其次,文中考虑结构极限状态设计,并通过自编DBDS程序,研究得到了损伤反应谱(简称"RD谱"),RD谱综合考虑了结构最大弹塑性位移和结构累积滞回耗能的耦合影响,更加合理地反映结构在罕遇地震作用下的弹塑性行为。第三,通过大量时程分析和拟合得到回归公式及其相关系数,研究成果可供抗震性能评估使用。最后,由本文提倡的RD谱和已有研究的Rμ谱做了定性比较分析,说明了考虑地震动持时的必要性和重要性。

梁式桥抗震设计的近场地震弹塑性反应谱

依据国内外规范对近场地震动的定义,收集了215条近场地震动,进而对近场地震弹塑性反应谱(加速度谱、位移谱、残余位移谱、强度折减系数谱)进行参数影响研究,得到地震动特性(地震震级、场地土质、PGA)和恢复力模型动力参数(不同恢复力模型、屈服后刚度比、阻尼比、位移延性系数)等因素对近场地震弹塑性反应谱的影响规律。与中远场地震弹塑性反应谱相比较可知:(1)Ⅰ~Ⅲ类场地近场地震弹塑性加速度谱的下降段较缓,Ⅳ类场地弹塑性加速度谱的敏感区更宽;(2)Ⅰ~Ⅲ类场地近场地震弹塑性位移谱的谱值相比Ⅳ类场地的谱值更大。在此基础上,建立了与我国桥梁抗震设计规范场地类型相对应的近场地震弹塑性反应谱,可用于近场地震下的桥梁抗震设计,并可为后续的近场地震能力谱法的研究提供近场地震需求谱。

框架结构弹性及弹塑性反应谱研究

对大量不同结构类型平面框架进行地震弹塑性时程分析,得出地震响应时程曲线;根据曲线上的最大值绘出弹性及弹塑性反应谱,并拟合其反应谱计算公式,比较了它们之间的异同。参考现行抗震规范提供的反应谱计算公式,将不同结构类型的反应谱进行规准化,并与规范计算公式进行比较,结果表明现行规范反应谱计算方法比较粗糙,不能很好反映不同结构类型的地震反应特点。

弹塑性反应谱的分析

为了分析结构在地震作用下的弹塑性反应,该文探讨了弹塑性反应谱。该文推导了弹塑性反应谱的基本方程,计算了等延性强度需求谱;描述了通过强度折减系数、延性系数及结构周期之间的关系建立弹塑性反应谱的方法;参照弹性反应谱理论分别得到了四种弹塑性反应谱。计算结果表明:当延性系数较小且土质较硬时,该文计算的弹塑性反应谱与范立础的弹塑性反应谱近似相等;当延性系数较大且土质柔软时,该文计算的弹塑性反应谱相对安全。

弹塑性反应谱及其在抗震设计中的应用

由于当采用抗震规范中的弹性反应谱估算结构弹塑性变形时有许多局限性,该文提出了在抗震设计中直接使用弹塑性反应谱计算在罕遇地震作用下结构的弹塑性反应。该文利用弹性反应谱和Vindic模型中的R-μ-T关系,通过理论分析,推导了弹塑性反应谱的一般表达式,并且提出了弹塑性反应谱在地震作用计算中的应用方法。根据算例分析,延性系数越大,楼层地震剪力越小,但延性系数对层间位移的影响很小。另外,在罕遇地震作用下根据该文提出的方法计算而得到的层间弹塑性位移比根据抗震规范中所提出方法得到的层间弹塑性位移小。

双向地震下刚度偏心体系的弹塑性反应谱研究

针对实际地震动的多维性、偏心引起结构多分量反应的耦合作用以及结构非线性的空间耦合特性,建立了可考虑刚度偏心影响的单层体系弹塑性等延性拟强度折减系数谱。根据对硬、中、软三类场地60条地震动记录进行时程计算的结果,分析了不同场地类型、相对偏心距、扭转频率比等因素对拟强度折减系数谱的影响,为进一步建立可应用于工程实际的多维弹塑性设计反应谱奠定基础。

深覆盖软土场地弹塑性反应谱分析

基于汶川地震中不同震中距处获得的实测基岩地震动,以不同震中距来考虑不同的设计地震分组,通过典型深覆盖软土场地地震反应分析得到地表加速度响应,以弥补目前深覆盖软土场地实测地震动记录的不足。对得到的地表加速度响应的弹塑性反应谱进行了分析和拟合。分析表明,在等位移准则或等延性系数下,设计地震分组对深覆盖软土场地弹塑性反应谱的折减系数和衰减规律影响显著,完善了目前弹塑性反应谱研究时未考虑设计地震分组的不足。同时,通过相应的物理边界条件和数学条件,提出基于设计地震分组的深覆盖软土场地弹塑性反应谱拟合函数,得到了可供工程应用的弹塑性设计反应谱。

抗震结构弹塑性反应谱的研究与应用

随着基于性能抗震设计理论的提出,以及对结构弹塑性地震反应研究的深入,弹塑性反应谱的研究得到更多的重视与发展。文中首先阐明了弹性和弹塑性反应谱的基本概念;其次,归纳和讨论了国内外弹塑性反应谱的研究现状,阐述了现有一些弹塑性反应谱研究的不足,并指出研究的基于Park和Ang双参数损伤模型的弹塑性反应谱,能够综合考虑了结构最大位移反应和结构累积滞回耗能的耦合作用,使弹塑性反应谱的研究进一步深化;最后,指出了弹塑性反应谱在基于性能抗震评估中的应用,但要将弹塑性反应谱应用于抗震设计规范中还存在诸多困难。

普通混凝土结构与自复位结构的地震弹塑性反应谱

针对钢筋混凝土结构的典型滞回模型(Clough模型)与新型自复位结构的旗帜型模型,通过对国内外大量地震波输入下的单自由度体系弹塑性反应谱分析,结合我国规范规定的各类场地特征,给出了适用于普通混凝土结构与自复位结构的等延性折减系数谱。并对其进行了多段折线函数拟合,拟合结果在结构的常见周期段内误差小于10%,可满足工程实践的精度要求。比较Clough模型与旗帜型模型弹塑性反应谱的差异,结果表明,自复位结构在相同的变形预期下有着更高的承载力需求,必须对结构的耗能能力与承载力进行合理设计才能满足预期的变形要求。

FPS支座隔震桥梁的弹塑性反应谱分析

弹塑性反应谱分析法是将结构等效线弹性化后,利用修正的弹性反应谱进行分析的方法。因此简述了FPS支座的优点及基本原理,并提出FPS隔震桥梁的等效线弹性化和弹塑性反应谱分析方法。选择3种阻尼影响系数的计算方法,研究结构阻尼对反应谱的影响。以1座4跨连续梁为例,进行弹塑性反应谱分析并将其结果与非线弹性时程分析结果进行对比。对比结果表明结构阻尼对地震响应结果影响较大,同时弹塑性反应谱分析结果与时程分析结果吻合较好,可为今后FPS隔震桥梁的设计分析提供一定参考与借鉴。

梁式桥抗震设计的弹塑性位移反应谱

合理选取四类场地320条强震记录,研究地震动特性及恢复力模型动力参数对弹塑性位移谱与残余位移谱影响。结果表明,给出某一标准设防烈度的弹塑性反应谱,其它设防烈度下弹塑性反应谱可据PGA设防烈度与PGA标准烈度比值调整获得;可忽略屈服后刚度比对弹塑性位移谱影响,但应选择偏于保守的屈服后刚度比统计残余位移谱,由此建立的残余位移谱只适用短周期、低延性一般规则桥梁中、低矮桥墩的抗震设计;阻尼比与位移延性比为影响弹塑性位移谱及残余位移谱重要因素,阻尼比增大会减少桥梁非弹性变形及震后残余位移。基于该结果建立适用于我国梁式桥抗震设计的弹塑性及残余位移谱,为考虑残余位移影响的梁式桥基于性能的抗震设计提供重要参考依据。

弹塑性地震反应谱的长周期特性研究

在基于性能抗震设计中弹塑性反应谱在计算结构地震位移反应方面越来越受到重视。利用统计分析方法研究了等强度的延性需求谱和等延性的强度折减系数谱的长周期(至5 s)区段的特性,关注的重点是等位移准则和场地条件影响。给出了若干具有工程价值的结论:一是周期介于1.5Tg(地震动特征周期)和2.5 s之间的结构可近似认为等位移准则成立且与场地条件关系不大,这样确定的强度折减系数当位移延性系数小于等于4时结果将是偏于安全的;二是结构周期大于2.5 s后以硬土场地等延性强度折减系数谱或等强度延性需求谱代替软土场地谱求解系统强度需求或延性需求,将会得到偏于安全的结果。

考虑场地类别与设计分组的延性需求谱和弹塑性位移反应谱

非线性反应谱是基于性能的抗震设计理论中亟待解决的基础性课题之一。本文将四种场地类别上的641条地震记录,按我国现行抗震规范设计分组的要求分为12组,对大量具有不同屈服强度系数的单自由度体系作了弹塑性时程分析。研究了结构强度水平、周期、场地类别以及设计分组等因素对延性需求的影响。结果表明,在给定屈服强度水平下结构的延性需求强烈地依赖于场地条件、设计分组等因素。对于短周期结构,延性需求随场地土变软而增大,同类场地随设计分组特征周期增大而增大。通过非线性回归分析,建立了与场地类别、设计分组相对应的延性需求谱μ-ξy-T的计算公式。在此公式的基础上,结合现阶段抗震设计规范构建了弹塑性位移反应谱,可用于结构弹塑性位移需求的简化计算,同时讨论了弹塑性位移反应谱的基本特点。

地震动特性对隔震结构弹塑性位移反应谱的影响研究

根据特定震源机制、震级、断层距和场地条件选取69条地震动记录并进行分组,利用Nspectra软件计算隔震结构的弹塑性位移反应谱,分析断层距、场地条件、震级、阻尼比对弹塑性位移谱的影响,探讨隔震层的力学参数对地震能量耗散的影响。研究结果表明:相较于远场,处于近场的隔震结构最为不利,隔震层位移谱值受场地条件、地震加速度和速度大小影响较大;随着断层距的增大,位移谱值衰减较快,且在软土场地中隔震层的位移谱值衰减幅度大于硬土场地;地震震级大小对位移谱形状的影响不明显,但能够使隔震层的位移谱值产生整体缩放效应;阻尼比在小于0.4的范围内,隔震层在不同地震动特性作用下位移谱值差别较大,但在大于0.4以后,位移谱值及谱形基本趋于一致;屈服力较小(恢复力/重力小于等于1)的隔震层随自振周期增大其耗能性能更加突出。

抗震结构基于最大弹塑性位移耦合作用的滞回耗能谱

针对抗震结构研究了能够综合考虑结构弹塑性位移耦合作用的滞回耗能谱(简称"VH谱")。通过自编的Matlab程序,进行了大量的单自由度体系非线性时程分析,计算得到了一系列VH谱曲线,并拟合回归了4类场地的VH谱公式及其相关系数。VH谱综合考虑了结构最大弹塑性位移和结构累积滞回耗能的耦合作用,更加合理地反映结构在罕遇地震作用下的弹塑性行为,研究成果可供抗震结构基于能量性能设计或评估使用。

基于规范弹性反应谱建立需求谱的方法

阐述了通过力的折减系数R和延性系数μ建立弹塑性反应谱的原理,并由新《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）的加速度反应谱建立了弹塑性需求谱,为结合新抗震规范应用能力谱方法进行结构弹塑性分析奠定了基础。同时本文比较了不同的R-μ关系对需求谱的影响。