海底长周期地震动预测模型:以日本相模湾海域为例

地震动反应谱预测模型是地震危险性分析的基础,基于日本K-NET台网相模湾地区的892组海域地震动数据和4 033组陆域地震动数据,考虑震级、震源距、震源深度以及震源类型和场地,建立了PGA和0.05~15.0 s的海域地震动加速度反应谱预测模型。通过残差分析以及相关性分析检验了模型的合理性,并分析了震源类型以及震源深度对反应谱的影响,对比了海陆地震动预测模型的差异。结果表明:震源类型以及震源深度对模型预测结果影响显著,水平向海域模型以及长周期(T≥1.0 s)竖向海域模型所预测反应谱大于陆域模型所预测的反应谱值,且水平向和长周期竖向模型的场地放大系数均大于1。该模型可为长周期海域地震动模型的建立和概率地震危险性分析提供参考,为长周期海域工程的抗震设防提供依据。

长周期地震动作用下某EPR核电站安全壳的隔震性能分析

核电站安全壳是切实有效保证核电站安全的必备设施。研究长周期地震动作用下的安全壳隔震性能,对安全壳具有十分重要的理论意义和工程应用价值。以某EPR核电站安全壳为研究模型,考虑了该安全壳自重和预应力系统,采用软件ANSYS建立复杂的三维数值仿真模型,探讨长周期地震动作用下安全壳的变形、加速度、基底剪力和预应力筋的平均应力,证实在长周期地震动作用下,该安全壳受力性能良好,并在控制范围内。基于此,引入层叠橡胶隔震器和软钢隔震器并联的新型隔震装置,进而研究长周期地震动作用下安全壳的隔震性能。分析结果表明:由于地震动的特性(例如,随机性、不确定性、空间相关性等),核电站安全壳设计必须从多方面重视长周期地震动。短周期地震动作用下新型隔震装置是有效的,长周期地震动作用下隔震失效。研究结果为核电站安全壳隔震设计提供技术指导。

台湾集集大地震及其余震的长周期地震动特性

用丰富的高质量数字强震记录对台湾集集大地震及余震的长周期地震动特性进行了研究.本文主要研究了长周期地震动的强度随震级、距离及场地条件的变化情况;同时对近断层的长周期地震动特性进行了分析.结果表明,集集大地震及余震的长周期地震动反应谱的形状主要受场地条件和震级控制(D+E类场地的反应谱要比B+C类的宽,震级大的反应谱要比震级小的宽),而受距离影响并不显著;近断层长周期地震动明显受断层活动特性影响:上盘的长周期地震动比下盘的强,北部的比南部的强.

基于Hilbert-Huang变换的长周期地震动能量时频分布比较研究

远场类谐和地震动与近断层脉冲型地震动是两种不同类型的长周期地震动,确定其能量的时频分布特性对理解长周期地震动作用下长周期结构的反应特点及揭示结构破坏机理具有重要意义。各选10条远场类谐和地震动、近断层脉冲型地震动与普通地震动,利用Hilbert-Huang变换,提取出各地震动的3-D Hilbert幅值谱、边际谱、Hilbert能量谱与瞬时能量曲线,在此基础上提出累积能量谱、强频段、能量时间分布系数等概念,定义了多个指标对比分析三类地震动的长周期特性、宽频带特性和脉冲特性。结果表明:与普通地震动相比,远场类谐和地震动与近断层脉冲型地震动的能量主要集中于较低的频段,长周期特性明显,且远场类谐和地震动的能量集中频段低于近断层脉冲型地震动;远场类谐和地震动的强频段宽度小于其他两类地震动,且能量在强频段内的分布比其他两类地震动均匀;与其他两类地震动相比,远场类谐和地震动的脉冲特性不明显;三类地震动的卓越频率与能量时间分布系数均存在明显的分布规律,可以作为地震动的能量表征参数。

长周期地震动作用下高层隔震结构减震性能试验研究

近、远场长周期地震动中的长周期和近场脉冲特性的存在,可能导致长周期的高层隔震结构产生隔震层位移放大效应。通过振动台试验分析与验证其对长周期的高层隔震结构减震性能带来的不利影响,首先分析近、远场长周期地震动的反应谱特性;接着设计制作一个具有典型工程意义的大底盘单塔楼缩尺模型,进行有限元分析与振动台试验,探讨长周期地震动对楼层加速度、层间位移和隔震层位移等减震性能的影响;最后针对可能出现的隔震层位移超限问题,提出在隔震层增设黏滞阻尼器组成的复合减隔震体系,分析验证其减震和限位保护效果。结果表明:远场长周期地震动下隔震结构的响应明显大于普通周期地震动;近场脉冲长周期地震动作用下结构减震效果较差,隔震层位移明显大于位移容许值;复合减隔震体系有效地控制了隔震层的最大位移,降低了大底盘的加速度和层间位移响应,同时对上部塔楼也具有较好的减震效果。

长周期地震动三维有限元数值模拟方法

采用数值方法对长周期地震动进行模拟已成为当前强地面运动预测的研究方向之一。本文提出了一种有限元并行计算的高效地震动数值模拟方法,可以同时考虑震源、传播途径和场地条件对地震动的影响,并根据昆明地区未来可能发生的设定地震对昆明市的影响地震动进行了预测。这一方法可以应用于国内已探测的发震活断层进行地震危害性评价工作。

长周期地震动作用下高层框架结构的损伤分析

为了研究长周期地震动作用下高层框架结构的抗震性能,利用地震损伤评估体系对高层结构进行损伤分析.在分析总结结构地震损伤模型的基础上,以一幢12层混凝土框架结构建筑为研究对象,利用振动台试验结果,采用数值模拟方法,从结构整体损伤和材料损伤2个层次进行了长周期地震动作用下高层框架结构的损伤分析,并与普通地震动作用下的结果进行了比较研究.结果表明:长周期地震动作用下结构的整体损伤指标明显大于普通地震动作用的结果,且混凝土损伤分布范围更广,为高层结构基于性能的抗震设计提供了参考.

基于汶川地震远场强震动记录的厚覆盖土层对长周期地震动影响分析

利用2008年5月12日汶川8.0级地震的远场强震动记录,研究太原盆地厚覆盖土层对长周期地震动的影响,并将其结果与地震安全性评价工作中的土层反应分析结果进行比较。结果表明:厚覆盖土层对长周期地震动有很强的放大作用,覆盖层厚度越厚,峰值出现的周期越大,而相对于基岩最大放大可达9倍左右。另外,对于厚覆盖层的场地,观测结果与场地地震安全性评价计算结果在一定的长周期范围内差别相当大,相对于基岩,观测结果的放大系数至少高于场地地震安全性评价计算结果的2倍以上,最大达到近9倍。

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HHT地震动分量分离的长周期地震动界定方法

长周期分量是地震动长周期特性的决定性成分,能反映长周期地震动的基本特性。基于HHT方法,提取加速度反应谱平均周期T_r≥2 s的IMF及残余分量重构并进行基线校正作为该地震动的长周期分量;通过长周期分量与原地震动的相关性分析及其在超高层建筑的结构响应中的影响验证了其界定长周期地震动的合理性。提出了基于长周期分量特性的界定指标LPGI,当LPGI>0.6时的地震动为长周期地震动;用长周期分量的归一化Hilbert累积能量曲线从5%增长至95%所经历的时间t_(90%)来表征长周期地震动的脉冲特性,从而区分远场类和谐长周期地震动和近断层脉冲性地震动这两类特殊长周期地震动;为长周期地震动的区分提供了较好的方法与参数指标。

高层钢结构考虑长周期地震动的减震加固研究

考虑长周期地震动的影响对一高层钢结构进行了减震加固,并对其抗震性能进行了评估。日本东京新宿地区一高层钢结构经历了"3·11"地震,其强震观测系统记录到了有价值的加速度时程数据,为使其成为人流密集区域的避难场所,拟进行减震加固以提高其抗震性能。基于记录数据进行了频谱分析和时频域分析,发现此次地震具有明显的远场长周期和长持时特征,其长周期分量持续到300 s后才逐渐衰减;利用Ai分布地震力研究了结构的非线性特征和损伤分布,并在此基础上采用基于存储刚度的静力分析方法进行了减震优化设计;选取了包含记录数据在内的长周期长持时地震动和一般地震动对减震加固结构进行了非线性动力分析及损伤评估。结果表明:相较于一般地震动,长周期长持时地震动作用下高层结构的减震效果更明显,优化后的减震加固方案使结构的振动衰减较快,不仅减小了结构的最大响应,而且有效降低了构件的损伤数量和损伤程度。衡量钢支撑局部屈曲的累积轴向应变在长周期长持时地震动作用下明显大于一般地震动,故长周期长持时地震动对钢支撑局部屈曲影响较大。

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。

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.

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。

基于抗震分析的长周期地震动的界定与选取

收集273条地震动信息并进行滤波处理,综合考虑地震动断层距、PGA、PGV/PGA及平均周期等地震动基本参数指标,对比其反应谱、傅里叶谱以及能量谱,归纳了近场脉冲、远场类谐和这2类特殊长周期地震动与近、远场普通地震动的界定标准;通过引入能量持时占比及地震动长周期分量能量占比等频谱参数,用于复核长周期地震动界定结果。结果表明:长周期地震动的反应谱衰减速率慢,在长周期段的谱值大于普通地震动;长周期地震动具有能量大且集中于低频区域的特点。

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.

长周期地震动作用下大跨径斜拉桥响应分析

为研究长周期地震动对大跨径桥梁地震响应的影响,分别选取了若干长周期地震波和普通地震波进行频谱特性对比;以某特大跨径斜拉桥为例,建立了有限元模型,采用非线性时程分析方法对比分析了2类地震动作用下该桥的地震响应。为控制大跨径斜拉桥在2类地震动激励下梁端的位移响应,选用了弹性连接装置和液体粘滞阻尼器2种措施对比研究了其减震效果。结果表明:长周期地震动对大跨径桥梁的位移及内力响应影响显著;在长周期地震动作用下,弹性连接装置的位移控制效率较低,并会导致结构内力的大幅增加;参数合理的液体粘滞阻尼器的控制效果具有较好的广谱性,即在普通地震动和长周期地震动作用下均有较好的减震效果。

长周期地震动强度指标与SDOF体系残余变形相关性分析

为分析两类长周期地震动作用下如何选取合理的强度指标作为结构抗震设计的输入,从2011年东日本9.0级地震、2003年十胜冲8.0级地震和2016年熊本7.3级地震数据库中选取90条可靠的远场长周期地震动。从1994年美国北岭6.7级地震和1999年台湾集集7.6级地震数据库中选取60条近场长周期地震动,以SDOF体系为研究对象,讨论了阻尼比、屈服刚度折减系数和强度折减系数对残余变形与18个地震动强度指标的相关系数的影响,对比分析了两类长周期地震作用下相关系数之间的异同。研究结果表明:在考虑近场长周期地震动作用时,建议应根据结构周期的大小来选择合适的强度指标作为地震动的输入。远场长周期地震动作用下,以PGA、PGV和PGD为代表的强度指标与残余变形的相关程度均较高,PGV稳定性略好于PGA和PGD,建议PGV作为地震动输入的控制指标。残余变形相关系数受阻尼比、屈服刚度折减系数以及强度折减系数影响不大。

长周期地震动频谱特征周期研究

长周期地震动的频谱特性是影响长周期结构动力响应的重要因素,目前关于其频谱特征周期参数的研究尚有欠缺。根据长周期地震动的界定方法,选取65条远场长周期地震动和50条近场脉冲型地震动,计算各条地震动的10个频谱特征周期参数,通过分析各周期参数与长周期地震动低频特性指标的相关性和离散性,探讨合适的长周期地震动频谱特征周期表征参数。结果表明:5个卓越周期均不能合理地反映长周期地震动的频谱特性,且离散性较大;Hilbert边际谱平均周期T_(mh)评价近场脉冲型地震动频谱特性的合理性不足,Hilbert能量谱平均周期T_(mE)评价近场脉冲型地震动频谱特性的稳定性较差。综合比较相关系数和变异系数的大小后建议加速度反应谱平均周期T_(avg)、T_(mh)作为表征远场长周期地震动频谱特性的特征周期,T_(avg)和加速度反应谱特征周期Tc作为表征近场脉冲型地震动频谱特性的特征周期,且T_(avg)是反映长周期地震动频谱特性的最优周期参数。

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M_W、场地、PGA)对长周期地震的输入能量谱S_(EI)、滞回耗能谱S_(EH)和阻尼耗能谱S_(ED)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S_(EI)的长周期段谱值增大(减小);随着μ增加,长周期(常规)地震的S_(EH)的峰值平台段延长(缩短)且峰值降低(增大).2)M_W越大,结构损伤越大;场地土越软,能量谱值越大;若已知基准PGA_(ref)的能量谱,其他PGA_(oth)的能量谱可由(PGA_(oth)/PGA_(ref))^(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.