近断层脉冲型地震动下调谐黏滞质量阻尼器减震结构易损性分析

选择典型脉冲型近断层地震动记录分别对一安装有调谐黏滞质量阻尼器(tuned viscous mass damper,TVMD)、黏滞阻尼器(viscous damper, VD)和无阻尼器的6层3跨钢框架结构进行增量动力分析,进而基于增量动力分析结果得到3种结构不同损伤状态的易损性曲线。易损性分析结果对比表明:随着惯容单元的引入,减震结构可靠性显著提升;相较于相同阻尼的VD,TVMD可以更有效地提升结构的抗震性能,减小结构在不同损伤状态下的失效概率。随着质量比的增加,TVMD减震结构在不同损伤状态下的失效概率减小,TVMD对结构性能状态的提升不会随非线性的增加而减小,且在结构经历弹性、弹塑性直至倒塌的整个过程中减震控制性能发挥稳定。进一步选取3组不同脉冲周期的近断层地震动记录对三种结构进行时程分析,讨论TVMD在不同脉冲周期近断层地震动下的减震控制效果。结果表明,在近断层脉冲型地震动作用下,TVMD并不都会实现阻尼单元“阻尼增效”,阻尼器的性能发挥与地震动的特性有关。相较于VD,当T_1/T_p≥2时,TVMD可以更好地减少结构能量输入但其能量耗散效率低于VD,不能实现“阻尼增效”;当T_1/T_p <2时,TVMD可以减小结构残余位移,具有更优的减少能量输入和增大能量耗散效率的双重效应,体现了惯容的“阻尼增效”。

近断层地震动引起的公路桥梁车桥分离现象的统计分析

近年来,随着我国人均汽车保有量的增加,国内交通密度增大,交通拥堵加剧,再加上重卡超载现象越来越严重,机动车辆荷载对中小跨径桥梁的影响显著增大,也提高了地震发生时桥上有车的概率;另一方面,近断层地震动具有显著的竖向效应,已有震害表明车辆与桥梁在较强的竖向地震动作用下容易产生车桥分离或碰撞的现象。因此,考虑近断层地震动作用下车辆对桥梁动力响应的影响将有助于准确评估桥梁的抗震性能。文章以一座典型的3跨连续梁桥为工程背景,采用考虑车辆与桥面动态接触或分离的模型对实际近断层地震动作用下的车桥耦合系统的动力响应进行统计分析,研究车辆对桥梁的动力放大作用、车桥分离现象及其影响规律。结果表明,在车桥不分离的情况下,考虑车辆影响在80%的工况下会减小桥梁的竖向位移响应,但随着竖向PGA的增大,车辆对桥梁的动力作用逐渐趋于不利;其次,车桥之间的动力相互作用可能导致不止一次的车桥分离,最大接触力在大多数情况下发生在首次分离与二次分离之间,最大可能达到车辆重量的7.9倍,会对桥面局部受力产生极其不利的影响,且车桥分离的时间随着车辆竖向频率的增大而增加,但这种现象与地震动的竖向PGA没有直接关系,对桥梁的竖向位移响应影响也不大。

近断层脉冲型地震作用下大跨拱桥动力响应分析

为了研究近断层脉冲型地震动的速度脉冲特性和参数对大跨拱桥动力响应的影响规律,首先引入分解叠加(record-decomposition incorporation,RDI)法合成人工近断层脉冲型地震动,对比研究了不同等效脉冲模型的准确性,进而优化和验证了合成方法;然后以某大跨拱桥为工程背景,采用优化后的RDI方法合成了具有不同参数特征的人工近断层地震动,探讨了脉冲成分与残余分量对拱桥动力响应的影响机制;最后研究了不同脉冲参数对拱桥动力响应的影响规律。研究表明:优化后的RDI合成方法能有效模拟原始近断层脉冲型地震动,并得到具有不同脉冲参数的人工地震动;近断层地震记录的高频成分对拱桥结构动力响应具有显著的不利影响;随着脉冲幅值的增大,向前方向性效应和滑冲效应对拱桥动力响应的影响均明显增大;随着脉冲周期的增大,两种脉冲效应对拱桥动力响应均有显著的不利影响;对于脉冲个数的影响,双向脉冲的近断层地震动相比多向脉冲会引起拱桥更大的面内响应。

近断层SV波斜入射下进水塔的非线性响应研究

随着越来越多的水利工程在西部地区发震断裂带建设,使得水利工程遭遇近场地震动的概率也越来越大。近断层地震动由于埋深较浅,地震波垂直入射的假定已不再适用,而目前关于进水塔近断层地震动斜入射下的地震响应研究尚少。以某工程进水塔为例,建立了进水塔三维塑性损伤有限元分析模型,分析了近断层脉冲地震动SV波多角度斜入射下进水塔的非线性响应。结果表明:与地震波垂直入射相比较,近断层地震动SV波斜入射下塔顶位移、加速度响应有明显增大,并且随着角度的增大,塔体损伤面积和损伤程度均有所增大。

近断层脉冲型随机地震动模拟方法及结构动力可靠度研究

以集集脉冲型地震动记录为数据集建立了一种改进的参数化近断层脉冲型随机地震动模型.首先,采用MP03模型和人工蜂群算法从实际地震动记录提取低频脉冲部分,建立随机低频脉冲模型;采用谱表示-随机函数法生成高频部分,二者叠加生成近断层脉冲型随机地震动.然后,采用蒙特卡罗模拟(MCS)法和直接概率积分法(DPIM)分别研究非线性单自由度体系和高层框架结构在不同类型地震动作用下的动力可靠度.结果表明:DPIM与MCS法计算结果相比基本吻合,但计算效率得到较大提升,可以很好地用于非线性结构的时变可靠度研究;脉冲型地震动与非脉冲型地震动相比能够对结构造成更大的变形,极大降低了结构的可靠度,且近断层距越小影响越显著,低频脉冲是使结构可靠度降低的主要因素,而高频部分对结构可靠度的影响较小.

近断层地震动作用下土石坝加速度分布研究

近断层地震动较远场地震动具有频率高、速度快、能量更加集中的特点,在短时间内会释放大量能量,对工程结构具有严重危害。规范提供的加速度分布系数不适用于高度超过150 m的大坝,随着技术不断进步,我国超过150 m的土石坝越来越多,规范已不能满足现有需求。基于中国台湾集集近断层地震动记录,建立随机脉冲型地震动模型,分别对高度为40 m、70 m、150 m和200 m的土石坝进行随机动力分析,研究坝体的动态分布系数。结果表明,近断层地震动的低频速度脉冲使坝体的加速度反应谱有较宽的敏感段,易覆盖坝体自振周期,显著增加坝体的加速度。该研究通过总结近断层区域土石坝的加速度分布规律,建议了近断层脉冲型地震动区域的土石坝坝体动态分布系数,为近断层高地震风险情况下土石坝的抗震理论和方法提供参考。

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。

减隔震技术对9度近断层区框架结构抗震性能影响与经济性分析

为研究减隔震技术对9度近断层区框架结构抗震性能影响及其经济性,以某多层框架结构为研究对象,在保证结构力学指标为85%的规范限值的原则下,对其分别进行抗震、减震、隔震设计,采用ETABS软件建立结构的抗震、减震、隔震模型并对其进行近断层和非近断层地震动作用下的抗震性能对比分析,以及工程量和经济性分析。结果表明,各模型在近断层地震动下的反应大于非近断层地震动下的。在近断层罕遇地震下,相较于抗震模型,隔震模型最大层间位移角减小6898%,楼面峰值加速度减小7677%,楼层剪力减小8367%;相较于抗震、减震模型,隔震模型在近断层多遇地震和设防地震下的响应及填充墙破坏程度最小,隔震结构抗震性能最优。相较于抗震模型,减震、隔震模型造价分别降低857%、554%,所以减震设计的工程造价最低。

不同类别场地近断层地震动平-扭耦合作用对结构动力响应影响分析

为研究不同场地近断层地震动作用下结构动力响应,建立钢框架结构模型,选取I类、Ⅱ类和Ⅲ类场地近断层地震波各10条,分析地震动平动分量与扭转分量耦合作用对结构动力响应的影响。结果表明:平动分量耦合扭转分量相比平动分量单独作用,随场地类别由Ⅰ类到Ⅲ类,各层楼面的角柱与边柱动力响应均有增大,Ⅲ类场地上角柱动力响应的增幅最大,层间加速度增幅22.51%,层间位移角增幅21.68%,柱端剪力增幅10.70%,柱端弯矩增幅22.56%;场地类别相同时,同层楼面的角柱和边柱的动力响应增大,角柱增幅最大,边柱次之。结构设计中需考虑近断层地震动平-扭耦合作用对不同类别场地结构的角柱与边柱动力响应影响。

近断层地震动加速度峰值比和脉冲特征的统计分析

为进一步了解近断层地震动的显著竖向特性和速度脉冲特性,基于NGA-West2强地面运动数据库选取1706组强地震动记录,研究了竖向与水平向加速度峰值比aV/aH的总体分布特征,并探讨了aV/aH随矩震级MW、断层距Rjb、场地类别和断层类型变化的规律。在此基础上,通过Baker脉冲识别方法选取出140组近断层速度脉冲地震动,并提取出每条地震动记录的脉冲周期Tp和速度脉冲峰值PGVp,研究其脉冲参数随矩震级MW和断层距Rjb变化的统计规律及经验模型。结果表明:近断层加速度峰值比aV/aH与地震动参数密切相关,其概率分布呈极值Ⅱ型分布;脉冲周期Tp随矩震级的增大而增大,与场地条件的相关性较弱,脉冲周期Tp经验模型与Shahi和Baker模型在大震级范围内的差异小,且差异随矩震级的增大而减小,说明可忽略是否区分脉冲类型对脉冲周期随矩震级的定量关系的影响;速度脉冲峰值PGVp的大幅值主要出现在大震区和毗邻发震断层区域。

考虑碰撞效应的近断层斜拉桥地震响应研究

为了研究碰撞效应对近断层斜拉桥地震响应影响,该文以一座双塔斜拉桥为工程背景,分析近断层地震动作用下斜拉桥主桥和引桥主梁碰撞响应及碰撞响应对结构地震响应的影响,研究黏滞阻尼器和弹性索对近断层地震动作用下斜拉桥碰撞效应影响,并与远场地震动下斜拉桥地震响应进行对比,探讨碰撞效应对斜拉桥减震率影响。结果表明:与无脉冲地震动相比,近断层脉冲地震动作用下在脉冲时段内斜拉桥主桥与引桥更易发生碰撞,碰撞效应对斜拉桥地震响应影响更显著;设置黏滞阻尼器和弹性索后,斜拉桥主桥与引桥在脉冲时段内仍发生碰撞,但碰撞响应减小,且脉冲地震动作用下碰撞效应对斜拉桥地震响应影响明显降低;在分析脉冲地震动作用下斜拉桥减震率时须考虑碰撞效应。

米林地震的断层破裂过程及近断层地震动特性研究

为了从应力角度揭示2017年西藏米林Ms6.9地震的断层破裂过程,获取该次地震的地震动近断层特性,基于动力学震源模型,以有限断层运动学震源模型反演结果为约束,通过试错法给定震源动力学计算参数,采用谱元法(SPECFEM3D程序)进行了2017年米林Ms6.9地震的单、双断层模式震源破裂过程模拟,对比分析了断层模式对震源破裂过程的影响,分析了模拟地震动的近断层效应。结果表明:构建的动力学震源模型可以很好地再现米林地震的破裂特征;地表地震动具有显著的上盘效应和集中性效应;诱发断层会抑制孕震断层的破裂发展,会局部促进地表地震动的发展,但在整个地震事件中作用有限。

近断层地震下连续梁桥随机振动与易损性分析

由于桥梁建设场地难免会靠近地震活动断层,为了评定近断层地震动作用下连续梁桥的地震安全性水平以及提高抗震性能,亟待发展连续梁桥非线性随机地震动力响应与易损性分析的统一、准确方法。考虑到近断层地震动是典型的随机过程激励,本文提出了基于直接概率积分法的连续梁桥结构非线性随机振动响应与地震易损性准确、通用分析的新框架。发展直接概率积分法,准确高效地计算连续梁桥结构的随机振动响应;结合连续梁桥多种失效状态,根据动力可靠度的首次超越破坏准则,利用直接概率积分法对连续梁桥进行了地震易损性分析。最后,展示了近断层随机地震动激励作用下四跨非线性连续梁桥算例结果,验证了直接概率积分法的准确性特点。比较了近断层脉冲型和无脉冲地震动对非线性连续梁桥地震易损性曲线的影响。结果表明:近断层地震动的速度脉冲显著加剧了连续梁桥结构受到的地震破坏,增大了桥梁结构进入不同破坏状态的超越概率。

行波效应对近断层高低塔斜拉桥地震响应的影响

以一座高低塔斜拉桥为研究对象,采用大质量法模拟非一致激励进行地震响应分析。研究不同纵向约束体系下考虑行波效应的脉冲型近断层高低塔斜拉桥的地震响应;探讨不同地震动类型与地震动传播方向下高低塔斜拉桥地震响应受行波效应的影响规律;分析不同脉冲周期地震动作用下斜拉桥地震响应随脉冲周期的变化规律。研究结果表明:相比于纵向阻尼体系与半漂浮体系斜拉桥,固结体系斜拉桥地震响应对视波速的变化更敏感;不同地震动输入方向下行波效应对斜拉桥地震响应影响规律有所不同;当视波速较小时,视波速对高塔和低塔内力差异影响较大;纵向阻尼体系斜拉桥地震响应随着脉冲周期的增大整体上呈先增大后减小的趋势。塔底内力随视波速的变化规律受脉冲周期的影响显著,当视波速较大,且脉冲周期与斜拉桥纵向一阶周期接近时,斜拉桥地震响应达到最大值。

近断层主余震考虑斜入射下的重力坝响应分析

一次大的地震中一般存在主震和余震,当震源距离地面较近时,近断层主余震序列通常以某一角度斜入射至地基,因此只考虑地震波垂直入射的情况是不适合的,有必要考虑地震波在多个角度下斜入射的情况。选取3条近断层实测主余震序列,推导地震动P波斜入射界面等效节点力公式,并验证其可行性;以Koyna大坝为研究对象,研究了单个主震和主余震序列2种工况下入射角在0°~90°之间时的大坝地震响应,以位移、损伤指数、损伤耗散能3个指标对震后坝体破坏进行了分析,建立了局部损伤指数量化分析损伤程度。研究表明:近断层单个主震和主余震2种工况入射角在15°~75°之间时,大坝地震响应均大于垂直入射情况;在多种性能指标下,主余震序列下的地震响应均大于单个主震。

近断层脉冲型地震作用下连体结构地震反应特征与易损性分析

近断层脉冲型地震作用对工程结构破坏作用较强,连体结构传力机制复杂,研究其在脉冲型地震下的抗震性能至关重要。利用SAP 2000有限元软件建立了连体结构数值模型,研究了其在近断层脉冲型与非脉冲型地震动作用下的结构响应特征,基于增量动力分析法研究了其在两种类型地震动作用下的结构易损性,进而评价了其在脉冲型地震作用下的安全性。结果表明:与非脉冲型地震作用相比,脉冲型地震动作用下连体结构的楼层峰值加速度、最大层间位移角、基底剪力明显较大,平均差异分别可达77%、131%及94%;脉冲型地震作用下连体结构对应各级极限状态的超越概率明显较大,尤其极限状态LS5对应的超越概率差异最为显著。此外,脉冲型地震动作用下的连体结构基本满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。但是地震动脉冲特征对连体结构的不利影响仍然值得关注。

基于概率地震需求模型的兰新高铁桥梁近断层地震易损性分析

位于断裂带附近的兰新高铁硫磺沟大桥长期受到近断层地震作用的威胁。为分析该桥梁的地震易损性,利用OpenSees软件建立含三维土层结构的桥梁非线性有限元模型,采用增量动力分析法和概率地震需求模型,以该桥梁的4个典型连续桥墩为研究对象,考虑桥梁材料的不确定性,运用拉丁超立方抽样方法得到大量模型-地震动样本,进行非线性动力响应分析,并通过一阶界限法得出桥梁系统易损性曲线的上下界限。研究结果表明:桥梁系统抗震性能良好,在该地区的极罕遇地震动下完全破坏概率低于30%;单个桥墩的抗震性能优秀,在极罕遇地震动下完全破坏概率仅为6.92%;地震动荷载达到0.35 g时桥墩处于弹性阶段与塑性阶段的临界点;相对较高的桥墩(3^(#)、4^(#)桥墩)比相对较低的桥墩(1^(#)、2^(#)桥墩)刚度更大,变形和耗能能力更强。文章评估了近断层地震作用下兰新高铁硫磺沟大桥的抗震性能,可为震前的风险预防与震后的救灾减灾决策提供重要依据。

考虑震源不确定性的近断层高山峡谷场地地震动变异性分析

由于震源不确定性客观存在且对近地表地震动特性产生显著影响,尝试将乘子降维法应用至考虑震源不确定性的近断层复杂场地地震动变异性求解,将不确定性分析问题转换为有限次确定性分析,获得与蒙特卡洛模拟一致的地震动参数统计矩,其中单次确定性分析采用边界元法模拟断层破裂—传播路径—场地放大的整个物理过程。基于乘子降维法,以近走滑断层高山峡谷场地为例,分析了在近断层效应、场地效应和震源不确定性三者耦合作用下的场地地震动峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)的空间分布变异性,以及关键地表点谱加速度(SA)的统计值。结果表明:乘子降维法适用于含震源参数不确定性的近断层复杂场地随机地震动求解;高山峡谷地形对地震波的散射效应叠加近断层效应后可引起断层上盘PGA和PGV均值的显著增大,可放大至两倍以上;震源不确定性经由场地传播,导致地表地震动变异性,PGA变异性强于PGV;考虑一倍均方差时,震源不确定性对结构反应的影响可达30%以上,大跨度工程结构还应考虑近断层地震动变异性的空间分布差异。

近断层地震动作用下浅埋综合管廊地震易损性研究

为准确评估近断层地震动作用下浅埋综合管廊的地震损伤,利用ABAQUS建立土-结构整体有限元模型,以综合管廊层间位移角最大值为损伤指标,基于IDA方法进行结构地震易损性分析,重点考察近断层地震动强度指标和场地土特性对综合管廊抗震性能的影响。结果表明:近断层地震动加速度型指标的离散性最小,建议选取加速度型指标PGA、Sa作为地震动强度指标;以有限元计算数据为样本,采用BP神经网络可高效预测综合管廊结构的地震损伤,PGA、Sa及土体剪切模量对综合管廊地震易损性分析的影响较大,随着土体剪切模量的增大,超越概率逐渐减小,同时,LS、CP状态的超越概率变化范围要明显大于OP、IO状态;考虑PGA和Sa双参数更能准确反映不同地震动参数对结构损伤的影响,而仅考虑PGA或Sa单参数有可能高估结构的损伤程度。因此,对综合管廊等浅埋地下结构进行地震易损性分析时,建议综合考虑PGA和Sa的影响。

近断层主余震P波斜入射下水电站厂房地震能量响应

主震造成损伤破坏的水电站厂房若短时间内无法进行除险加固,则在余震作用下会加重损伤破坏。近断层主余震序列具有特殊的地震特性,对水电站厂房的破坏十分严重,研究其斜入射波动输入方法可以更真实地模拟实际情况,为厂房的抗震安全评价提供参考。通过选取近断层主余震序列,考虑P波不同角度斜入射,研究水电站厂房非线性地震能量响应规律。结果表明:主余震P波斜入射下厂房的总输入能和损伤耗散能随入射角的增大而增大,近断层主余震作用下厂房的材料非线性随入射角的增大而增大;余震峰值加速度大的脉冲型主余震作用下厂房总输入能和损伤耗散能增大最明显,其非线性强于其他类型。