跨断层工程输入地震动模拟及地震响应

为解决跨断层结构输入地震动的问题,揭示其地震响应规律,基于断层物理模型并引入等效脉冲函数,构建考虑地震动空间变化特征的转换矩阵,提出一种高、低频叠加的混合模拟方法,实现断层两侧输入地震动的模拟。首先,依据建立的桥址场地断层模型,采用随机有限断层方法生成目标点位的高频地震动;再由走滑断层两侧地震动的脉冲效应和永久位移的特征,采用不同的等效脉冲模型分别模拟断层平行向和法向的低频脉冲分量,两者在截止频率处采用Butterworth滤波器进行高通和低通滤波,依据场地模型以及走滑断层两侧地震动的空间相干性,建立转换矩阵以模拟其空间变异性,最终将匹配滤波后的高、低频分量在时域叠加得到断层两侧的输入地震动。从时程、频谱以及结构响应三方面验证了模拟结果的合理性。以实际的跨断层悬索桥为研究对象,基于OpenSees建立全桥的三维有限元模型,采用模拟的断层两侧地震动进行动力时程分析。研究结果表明:桥梁跨断层的角度和位置,以及永久位移幅值对跨断层桥梁地震响应有显著影响,较大的残余内力和残余位移是造成跨断层桥梁破坏的重要原因。

建立基于力的变截面梁单元质量矩阵的新方法

基于位移的有限梁单元中三次Hermite插值函数不能有效地描述变截面梁单元内部位移变化,只能通过加密网格增加单元数解决,会造成计算量增大。基于力的有限梁单元由于使用的力插值函数不受截面形状变化的影响,在处理变截面梁时有很大优势,可以得到精确的位移插值函数,利用较少的单元可以达到很高的精度,解决了基于位移的有限梁单元在处理变截面梁时的不足。本文得到了考虑剪切变形的位移插值函数和考虑转动惯量的一致质量矩阵。利用算例验证了本文理论的正确性和高效性。

基于弹性网络回归的地震动参数排序与比选

为合理选取地震动参数以有效减小结构损伤预测的不确定性,基于弹性网络回归技术对多个地震动参数进行了比选。基于多种地震动参数以及大量单自由度(SDOF)模型的增量动力分析结果建立弹性网络回归模型,定义回归模型中回归系数值以及回归系数值为非零值的个数分别为地震动参数的敏感性系数和频数。基于地震动参数敏感性和频数分析结果对多种地震动参数进行排序,研究结构恢复力模型、地震动集和结构极限状态对地震动参数排序结果的影响。基于一座8层钢框架结构分析结果验证了基于弹性网络回归的地震动参数比选方法的有效性。结果表明:选取代表性的地震动参数加入最小二乘回归模型时,不同结构极限状态下回归分析中残差标准差显著减小。基于大量SDOF体系的地震动参数排序结果比选出了受地震动集、结构恢复力模型和结构极限状态影响较小的地震动参数。结果可为结构抗震能力预测用地震动参数的比选提供理论基础。

跨断层工程输入地震动模拟及其应用研究进展

跨越活动断层的桥梁和隧道等工程结构面临巨大的地震风险,断层破裂产生的脉冲效应和永久位移是造成跨断层结构破坏的主要原因。研究跨断层工程的地震响应并采取相应的抗震设防措施显得十分重要,而合理的地震动输入是揭示跨断层结构地震破坏机理的基础。但目前缺乏跨越断层两侧的实际地震动记录,各类规范也没有提供合理的面向跨断层工程的输入地震动的模拟方法。为了分析跨断层工程输入地震动的研究现状,文中总结了相关研究提出的断层区域地震动的几种模拟方法,重点对基于脉冲函数和基于断层物理机制的方法进行详细介绍,分析其特点和存在的问题;综述了在上述方法模拟的断层地震动激励下跨断层梁式桥、缆索承重桥梁的地震响应特征。结果表明:断层地震动非常复杂,模拟方法不仅需要考虑脉冲效应、上下盘效应以及永久位移特征,而且应合理地考虑断层两侧地震动的空间相关性和相干性,才能为跨断层工程提供合理的输入地震动。

适用于我国抗震设计规范的位移设计谱方法

由于位移参数更能科学、直观地描述建筑结构的抗震水平,基于位移的抗震设计法已成为地震工程领域研究的热点。位移设计谱是基于位移的抗震设计方法中确定地震作用的重要参考依据,但我国现行抗震设计规范(后简称规范)中尚未有关位移设计谱的相关规定。为便于实际应用,该研究基于实际地震动位移反应谱的特征,提出一种能够适用于规范的位移设计谱法;该方法未对规范参数作任何调整,仅增加了控制点周期T_(D)和峰值地面位移(peak ground displacement,PGD)两个参数,且所增参数与规范相关参数具有一一对应的关系。鉴于基于力的抗震设计在工程实践中仍占据主导地位,该研究给出的位移设计谱可与加速度设计谱互相转化。为避免与规范矛盾,当周期小于5T_(g)(场地特征周期)时,加速度设计谱与规范加速度设计谱一致;在长周期段,位移设计谱能反映地震动平均位移反应谱的主要特征,且加速度设计谱与平均加速度反应谱吻合。试验表明,该研究工作能服务于基于位移的抗震设计方法的工程应用,为规范中设计谱相关内容的修订提供指导意见。

地震断层形态研究综述

随着我国工程建设事业的不断发展,一大批土木工程基础设施正不断向地下深部、深海和中西部地区延伸转移,如地铁工程、跨海跨湾工程铁路和铁路工程(如川藏铁路)等都具有里程长、规模大的显著特点,在我国特殊的地震地质构造背景下,会不可避免地遇到地表或地下深部地震断层的作用。断层的作用方式与断层破裂的形态关系密切,研究不同场地的地表断层形态对工程结构抗断层错断设计有重要意义。本文归纳了不同场地条件下地震地表断层的形态和断层的空间展布特征,总结了地震断层形态的研究现状,分析了影响地震断层形态的因素,探讨了当前研究工作的不足与今后的研究方向,以期能为相关研究工作提供参考。

深厚沉积层对地震动持时影响的初步分析

基于NGA⁃West2和NIED数据库,以地震动70%重要持时和90%重要持时为研究对象。利用获取的9361组强震记录,采用随机效应回归和残差分析的方法,对典型持时预测模型进行改进,并探究了深厚沉积层对地震动重要持时的影响规律。结果表明:(1)场地沉积层厚度对地震动持时有显著影响,随着沉积层厚度的增大,地震动持时呈现出对数线性增长的趋势;(2)地震动持时的沉积层厚度效应与地震动强度具有相关性。重要持时随Z2.5的对数线性变化系数随地震动强度的增大而减小;(3)地震动持时分别随着震级和断层距的增大而增大,随着VS30的增大而减小;(4)在强震、远场以及软弱场地条件下,深厚沉积层对地震动持时的放大作用越显著。在高层结构的抗震设计时,考虑深厚沉积层场地对地震动持时的影响是有必要的。

地震动反应谱的长周期特性

长周期结构的抗震设计正越来越引起人们的注意。但是,只是在高性能的数字强震仪问世以后,我们才能够得到可靠的地震动长周期信息,本文收集分析了在中国和墨西哥得到的约200条数字强震仪加速度记录,计算了周期从0.02秒至15秒的绝对加速度反应谱、相对速度反应谱和相对位移反应谱,并讨论了震级、场地条件和震中距的影响。所得到的初步结果为长周期结构的抗震设计提供了重要的依据。

最不利设计地震动研究

实际记录到的真实地震动在工程结构的抗震研究、分析和设计中往往作为一种施加到结构上使结构振动 ,直至破坏的地震荷载 .如何合理选择真实的地震动记录作为研究结构地震反应的输入 ,一直是国内外抗震研究和设计中引人关注的重要问题 .本文首先提出了最不利设计地震动的概念 ;然后在收集到的国内外 5 0 0 0余条被认为有重要意义的地震动记录基础上 ,利用综合估计地震动潜在破坏势的方法 ,对 4种场地类型分别给出了长周期、短周期和中周期结构的国内外最不利设计地震动 ;最后通过几类不同结构的地震反应分析 ,初步验证了本文所确定的最不利设计地震动的可靠性和合理性 .

唐山响堂三维场地影响观测台阵

1994年7月中国地震局工程力学研究所在唐山余震区响堂镇建成了我国第一个三维场地影响观测台阵。该台阵目前有四个测点，分别布设在基岩地表、上层地表、地下17m和地下32m处。它安装了分辨率为16位的井下数字观测系统，主机和从机同步运行，系统时钟采用Omega导航信号自动校对（精度1ms），地震数据采用固态方式（CMOS）存储，每个测点均布设一组三分量力平衡式加速度计。该台阵自投入运行至1997年12月已取得了60个包括不同深度的地震加速度记录（ML＝1.5～5．9），最大地表峰值加速度为60．11cm/s2。这些记录震相完整，波形清楚，计时准确，为进行局场地条件对地震动影响的研究提供了宝贵的数据基础。

核电工程应用隔震技术的可行性探讨

本文旨在观察和分析有关基底隔震技术在核电工程中应用的相关问题,重点讨论如何将此类已经相当成熟的技术应用于核电这一类十分特殊、十分重要、十分敏感而又十分复杂的工程中。文中指出隔震技术有很多优点,可以整体改进核电工程的安全性和可靠性,有利于促进未来核电厂设计和建造的标准化,缩短建设时间,降低建厂的初始投资和生命周期中的运行成本。同时也指出要在核电工程中应用隔震技术还需要在隔震系统的设计、施工、采购、测试以及质量控制和质量保证等方面解决一系列科学和技术上的问题,更要注意改变目前尚缺乏将这一类技术应用于核电工程的各种规范和标准的局面。

基于抗震性态的设防标准研究

以基于性态的抗震设计为出发点 ,并以我国为例 ,针对目前国内外抗震设防标准的若干问题和不足 ,提出了基于性态抗震设计的三环节抗震设防方法 .将现有的设防内容改为确定结构的抗震设计类别、确定设计烈度或设计地震动参数、确定建筑的重要性等级 3个方面 ,并分别在每一方面进行具体深入的研究 ,从而形成了一套完整的基于性态的抗震设防标准确定的原则、方法和框架 。

论工程抗震设防标准

本文论述了工程抗震设防标准在防震减灾工作中的重要作用和地位,总结分析了工程抗震设防标准工作的发展、现状和存在的问题,探讨了工程抗震设防标准工作的涵意和内容。作者认为工程设防标准工作应包括确定合理的设防原则、适当的设防目标、科学的设防环境(地震)、便于应用的设防参数、与社会经济条件相符合的设防水准和设防等级。文中并对设防水准与等级的表述方式提出了具体的建议,从而为制定工程抗震设防标准工作建立起一个科学合理的框架,并根据这个框架提出了研究和制定工程设防标准的总体思路和数学模型,讨论了研究最佳设防标准的基础和条件,提出了如何在设防标准中考虑人员伤亡的设想。作者认为我国目前已经具备制定符合中国国情的工程抗震设防标准的条件,并对开展进一步的研究提出了建议。

论土木工程灾害及其防御

土木工程是人类文明的重要载体,往往也是众多灾害的温床。首先给出了灾害的一般定义,并在此基础上提出了土木工程灾害的概念,阐述其特点、分类、成因及其防御技术。土木工程灾害本质上是由于土木工程抗灾能力不足导致的。不当的选址、不当的设防、不当的设计、不当的施工、不当的使用和维护管理都会造成土木工程抗灾能力的不足。许多所谓的自然灾害,包括伴随着地震、风、洪水、滑坡、泥石流等自然现象发生的灾害,本质上都是土木工程灾害。土木工程灾害在世界各地频繁发生,是众多灾害中与人类关系最密切的一类灾害。强调指出了只有依靠土木工程方法,人类才能减轻和防御包括许多自然灾害在内的各种土木工程灾害,并论述了研究与防御土木工程灾害的主要目标和相关的科学技术问题。

基于GIS和AI的地震灾害危险性分析与信息系统

本文介绍了子课题“基于GIS和AI的地震灾害危险性分析与信息系统”的总体研究思路、1994年的进展以及今后的工作安排。在这一年之中,本课题进行了调研,了解了GIS技术的最新进展,总结了当前灾害研究的一些特点;对华北的一部分地区建立了试验性的地震构造信息系统,经过多种空间操作,产生了一系列新的数据集合;在矢量数据与栅格数据转换的基础上,提出了实用的网格单元特征的提取方法;初步研究了GIS与AI的结合途径。

数字减灾系统

自然灾害是人类可持续发展过程中面临的挑战。本文首先澄清了自然灾害与灾象的概念，分析了当代自然灾害产生的特征，结合计算机技术的发展和人类对自然灾害的认识，提出了建设数字减灾系统的设想。数字减灾系统是一种以遥感技术、地理信息系统、全球定位系统、网络技术等作为主要技术支撑，用数学和物理模型通过多维虚拟现实技术研究灾象成因、发生机理、传播规律和作用于人类环境形成自然灾害全过程的信息化的计算机系统，它既可用于为人类和社会对灾害作出反应，进行防震减灾行为和制订决策的一种系统，也可以直接用于研究灾害本身，包括灾害形成及其防御的各个环节。作为今后防灾减灾领域的一个重要发展方向，数字减灾系统具有满足社会和经济发展急需，对科学发展的推动作用大，科学创新点明确，内涵丰富，技术路线可行而且具有高起点、高效率的特点。

防震减灾中卫星遥感技术应用分析

卫星遥感技术在减轻自然灾害中发挥了十分重要的作用，但也不得不指出，卫星遥感技术在防震减灾工作中，无论在国内或国外均尚未得到有效的应用。这一方面固然是由于地震事件十分复杂，地震孕育和发生的规律尚未搞清，难以发挥卫星遥感技术的作用；另一方面也由于可以使用的卫星遥感技术的分辨率还不够高，重复观察的周期长，限制了这一技术在防震减灾工作中的应用。有鉴于近年来卫星遥感技术有了新的进展，使其有可能在防震减灾中发挥特殊的作用，本文旨在对卫星遥感技术在防震减灾工作的应用，对它的可行性、有效性、经济性和与此相关的科学技术问题进行探讨，使这项技术能在防震减灾领域早日得到应用，以促进我国防震减灾工作的发展。

论土木工程灾害及其防御

土木工程是人类文明的重要载体,往往也是众多灾害的温床。首先给出了灾害的一般定义,并在此基础上提出了土木工程灾害的概念,阐述其特点、分类、成因及其防御技术。土木工程灾害本质上是由于土木工程抗灾能力不足导致的。不当的选址、不当的设防、不当的设计、不当的施工、不当的使用和维护管理都会造成土木工程抗灾能力的不足。许多所谓的自然灾害,包括伴随着地震、风、洪水、滑坡、泥石流等自然现象发生的灾害,本质上都是土木工程灾害。土木工程灾害在世界各地频繁发生,是众多灾害中与人类关系最密切的一类灾害。强调指出了只有依靠土木工程方法,人类才能减轻和防御包括许多自然灾害在内的各种土木工程灾害,并论述了研究与防御土木工程灾害的主要目标和相关的科学技术问题。

城市防震减灾能力的定义及评估方法

城市防震减灾能力本身是一个涉及因素众多的复杂体系,对它的评估也是涉及到地震科学、社会科学和经济科学的交叉学科问题。本文首先提出了城市防震减灾能力的概念,把人员伤亡、经济损失和震后恢复时间3方面作为衡量城市防震减灾能力的准则;围绕这三个准则,从影响城市防震减灾能力的众多复杂因素中归纳出6大因素,并用一些简单、可测量的指标来代表这6大因素,建立起城市防震减灾能力指标体系;然后再分别建立这些指标体系中的各种因素或其子因素与评价三准则中的人员伤亡、经济损失和恢复时间的联系;最后,用灰色关联分析方法将3个评价准则综合成一个防震减灾能力指数。从而为城市防震减灾能力评估提供了一个较系统、完整的理论体系框架。城市防震减灾能力评价体系的建立能够对城市的防震减灾能力进行定量的评价,从而指导城市进行防震减灾努力的决策。

唐山主震近场地震动的模拟

本文建立了非均匀的唐山主震断层模型,利用广义反射-透射系数矩阵和离散波数方法,考虑局部场地效应,给出了唐山、迁安、宁河、玉田、天津、北京等地地震动时间过程的数值模拟结果。文章通过比较分析并结合唐山地震震害特点论述了数值模拟结果的合理性。