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。

基于持时-条件谱双准则选取地震动的RC框架结构地震损伤分析

采用持时-条件谱双准则选择地震动记录,以损伤指数为性能指标对结构进行地震损伤分析。首先,根据选择的性能目标,确定不同水准地震加速度反应谱S_(a)(T_(1),5%),通过概率地震危险解聚分析确定不同水准S_(a)(T_(1),5%)对应的设计震级和设计震中距,结合地震动重要持时预测模型,通过调节持时预测模型标准差系数的范围,构建满足重要持时要求的待选地震动记录库。其次,建立地震动条件谱,从待选地震动记录库中选择地震动,并验证持时-条件谱双准则选择地震动记录方法的有效性。最后,以选择地震动为输入对一钢筋混凝土框架结构进行增量动力分析,结合考虑构件重要性系数的变形-滞回耗能双参数损伤模型,以损伤指数为性能指标分析结构的地震损伤。研究表明,与仅利用条件谱作为目标谱选择地震动相比,基于持时-条件谱双准则的地震动选取方法对结构变形和滞回耗能响应的离散性均可控且效果良好;对结构进行地震损伤分析发现,滞回耗能引起损伤的占比随S_(a)(T_(1),5%)的增大明显增大,同时滞回耗能可使结构的损伤模式发生改变,在地震损伤分析中不可忽略。

地震动持时和不同持时指标对结构地震响应的影响

选取70条具有不同持时的天然地震波,并采用5%~75%重要持时将谱匹配后的地震记录划分为长、短持时地震记录集,对10层RC框架结构进行IDA分析和弹塑性时程分析,研究地震动持时对结构地震响应的影响,进一步选取35条天然地震波,采用有效持续时间、5%~75%和5%~95%重要持时等不同强震持时指标分别截取相应的加速度时程段,构建不同的地震记录集,分析不同持时指标对RC框架结构峰值响应和滞回耗能的影响。研究结果表明:在相同的地震动强度下,长持时地震动会导致更大的结构层间变形和结构倒塌概率,且随着持时的增加,结构总滞回耗能大幅增加;在罕遇地震水准下,可选取有效持续时间和5%~95%重要持时指标用于结构层间变形和楼层峰值位移分析,而在极罕遇地震水准下,选用有效持续时间具有更高的可靠性;对于楼层峰值速度,不同地震集计算结果均值和变异系数未表现出明显差异;在相同地震动强度下,建议优先选用有效持续时间用于结构滞回耗能分析。

地震动脉冲分量表征模型研究综述

通过回顾地震工程研究领域的文献,对研究中采用的地震动脉冲分量表征模型进行了收集与整理。针对各类模型的特点进行了比较与讨论,并对其研究意义以及在结构抗震研究中所发挥的作用进行梳理总结,提炼出了研究框架。根据现有的研究结果指出:考虑地震动脉冲效应的地震危险性分析是研究框架中的核心环节;对于反映相同脉冲特征的不同脉冲表征模型,尽管它们采用的数学表达形式存在差异,但是在动力学上的表现是接近的;具有滑冲效应特征的脉冲表征模型和具有前方向性效应特征的脉冲表征模型之间存在相似性。最后,对结构地震反应计算分析中地震动选取的相关考虑因素进行了讨论。

长持时地震动对建筑结构抗震影响的研究进展

该文综述了长持时地震动作用下建筑结构抗震性能的研究进展。介绍了长持时地震动的定义和特性;梳理了长持时地震动作用下建筑结构数值模拟、试验研究和理论分析的研究进展;详细综述了长持时地震动作用下建筑结构的延性性能、耗能能力、易损性和抗倒塌性能的研究进展。此外,介绍了考虑长持时地震作用影响的建筑结构抗震设计方法,梳理了国内外建筑结构抗震设计规范对长持时地震作用的考虑方法,并对长持时地震动作用下建筑结构抗震性能的研究进行了展望。建议关注长持时地震动作用下建筑结构的抗震性能,进一步研究长持时地震动的定义和特性,改进长持时地震动作用下建筑结构的数值模拟、理论分析和试验研究方法,深入探讨长持时地震动作用下各类建筑结构的地震响应、易损性和抗倒塌性能,为未来结构抗震设计及评估中考虑长持时地震作用的影响和规范修订提供参考。

基于地震学的天山地区地震动衰减关系研究

选取天山地区3171条矩震级为3.5~4.5级测震记录,通过计算S波段速度傅里叶幅值谱,采用微遗传算法,反演得到5个区域地壳介质参数,即应力降Δσ为18.206 MPa,品质因子参数Q 0为444.20,η值为0.35,几何衰减参数R 1和R 2分别为74.30 km和106.59 km。根据地壳介质参数计算加速度傅氏谱,再配合随机相位谱,得到某一震级、震中距下地震动时程,提取其PGA,建立区域地震动峰值加速度衰减关系。研究结果显示,矩震级为5级和6级中远场地震动衰减关系与强震动记录符合较好,尤其是5级结果,在选取的5条经验值衰减关系中,其均值和标准差均为最小,结果最优;矩震级为7级的地震动衰减关系,远场结果高于大多数强震动记录。

我国黄土高原地区地震动衰减关系研究的若干进展

地震动的衰减关系是指地震动随震级、距离和场地条件等变化的经验关系,近年来在我国亦被称为地震动预测方程,是估计地震动及其影响场的主要方法之一,在地震区划和重大工程场地地震安全性评价中被广泛应用。黄土是一种特殊土,在我国广泛分布。我国黄土高原地区地质构造复杂,新构造活动强烈,中强地震频发,地震动的衰减关系有其特殊性,总结我国黄土高原地区地震动衰减关系的研究成果对促进黄土高原地区抗震研究有重要意义。在简要介绍国内外地震动衰减关系研究的基础上,全面系统地总结我国学者在黄土高原地区的地震烈度衰减关系,基岩和土层场地地震动峰值加速度、峰值速度、峰值位移以及反应谱衰减关系方面的研究成果;评述和讨论在黄土覆盖地区地震动衰减研究领域存在的问题和今后的研究方向。文章的研究工作对从事黄土高原地区地震工程研究的科技人员有重要参考价值。

基于宽频带混合法的跨断层地震动模拟研究

跨断层区域地震动(跨断层工程结构所在极近断层区域的地震动,以下简称跨断层地震动)与近场地震动在空间上的分布规律存在显著差异,而跨断层地震动记录匮乏导致跨断层结构抗震研究难以开展。文中简要介绍了宽频带混合法模拟地震动的基本理论,并以则木河断层为工程背景进行跨断层地震动的模拟,系统研究了跨断层地震动的分布规律。结果表明,模拟的跨断层地震动符合断层滑动模式,并且存在显著的方向性效应、上盘效应和滑冲效应,总体上模拟的跨断层地震动强度符合一定的衰减规律,但受断层破裂的影响会导致不规律甚至反规律。同时,实际地表破裂位置与断层破裂大滑移区对跨断层地震动分布规律会造成较大的影响。通过宽频带混合法人工模拟的跨断层地震动时间序列能解决跨断层地震动实测记录不足的问题,为跨断层结构抗震研究提供有力支撑。

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。

复杂地形地质条件下地震动放大系数研究进展

地震动放大系数是评估地震波在地表传播时放大效应的关键参数,复杂地形(如山脊、河谷、盆地、组合地形等)和复杂地质(如岩土特性、层理结构、发震断层、地下水位等)对地震动具有显著的放大作用,这对工程结构的稳定性和安全性构成了挑战。对当前复杂地形地质条件下地震动放大效应及放大系数取值的研究进展进行了综述,分析了地形、地质特征对地震动放大效应的影响,探讨了地震动放大系数的取值范围。在此基础上,探讨了现有研究及规范地震动放大系数取值的有关问题,为地震灾害的预防及应对提供了参考。

不同类型地震动下RC框剪结构协同工作对比分析

确保强震下双重抗侧力结构的协同工作是实现多道抗震防线的关键。基于地震动特性分析,对比了普通地震动、远场长周期地震动、近断层向前方向性地震动及近断层滑冲型地震动作用下RC框架-剪力墙结构的协同工作性能,并分析了刚度特征值及结构周期对其的影响;最后初步提出了特殊地震动作用下RC框架-剪力墙结构考虑内力重分配的框架剪力调整方法,并将其与规范中的调整方法进行了对比。结果表明:三类特殊地震动作用下的框架剪力分担率均大于普通地震动,尤其是远场长周期地震动,在地震动强度较小时也能使框架剪力出现较大增长;周期较大结构的中下部楼层框架剪力增大较快;结构框架剪力分担率随刚度特征值的增大而增大,但内力重分配程度逐渐减小;建议在结构抗震设计时,考虑不同类型地震动特性和刚度特征值对结构内力重分配的影响。

2023年2月6日土耳其M_(w)7.8和M_(w)7.6两次大地震的地震动特征及模拟

2023年2月6日土耳其东南部连续发生M_(w)7.8和M_(w)7.6大地震,强震动观测台网获取到了大量的强震动观测记录,利用两次地震的强震动记录,对比土耳其地区地震动预测方程,分析了地震动的衰减特征,探讨M_(w)7.8地震的震源破裂特征对近断层地震动空间分布、速度脉冲的产生及观测台站方位相关的地震动总残差的影响,采用随机有限断层三维地震动模拟方法给出了基于数值模拟记录的仪器地震烈度图,得到以下结论:(1)两次地震中地震动的震源效应明显强于土耳其地区浅地壳地震的平均震源效应,M_(w)7.8地震对中长周期地震动的震源效应比M_(w)7.6地震更强烈;(2)两次地震中远场地震动的非弹性衰减明显强于土耳其地区的平均水平;(3)M_(w)7.8地震中最强烈的地震动主要集中于卡赫拉曼马拉什—安塔基亚的狭长区域内,该区域观测记录普遍具有双向速度脉冲特征,地震动总残差与台站方位角有明显相关性,推断M_(w)7.8地震沿北东走向的东安纳托利亚断裂向北东向破裂传播,同时沿南南西走向的东安纳托利亚断裂的卡赫拉曼马拉什—安塔基亚段向南南西方向破裂传播;(4)模拟记录能大致反映近断层地震动强度及距离衰减特征,M_(w)7.8和M_(w)7.6地震中破裂面附近地震烈度分别达到Ⅸ和Ⅷ度,烈度分布主要受破裂断层和局部场地条件的影响.

海域地震动强度包络模型研究

人工模拟地震动是目前开展海洋工程结构抗震分析的主要地震输入分析。强度包络函数是人工模拟地震动的重要参数,决定了地震动的强度非平稳性特性,并对地震动持时起控制作用。目前的地震动强度包络模型均是基于陆域地震动记录统计分析得出,无法准确反应海域地震动的强度特性。因此,基于日本K-Net强震动观测台网的实测地震数据库,分析海域地震动在时域中强度分布特性;提出适用于海域地震动的三段式强度包络模型,回归得到震级M、震中距R及关键参数上升段t_(1)、强震平稳段ts、下降段衰减率c(无量纲)的计算表达式;研究震级、震中距对海域地震动强度包络模型的影响规律,并探讨海域地震动与陆域地震动强度包络模型的异同。研究结果表明:海域地震动强度包络模型中关键参数上升段t_(1)、强震平稳段ts、下降段衰减率c的取值范围分别为[13~52 s],[12~79 s],[0.037~0.173];震级对关键参数(t_(1)、t_(s)、c)的影响要大于震中距;与陆域地震动相比,海域地震动的强度包络模型的下降段衰减率c相差显著,且各关键参数的分布范围更大。

考虑下部结构单层球面网壳的地震动参数与易损性分析

目前大跨空间球面网壳结构的地震动参数研究与易损性分析多关注于上部结构,忽视了下部支承体系对整体结构的影响。为选取适于评估带下部结构肋环斜杆型单层球面网壳响应的地震动参数,以6个不同矢跨比、不同下部结构的单层球面网壳为模型,研究下部支承体系对球面网壳动力特性的影响,选取多条三维地震动作为输入对模型进行增量动力分析,从相关性、有效性和充分性三个方面对18个地震动参数进行分析评估。并基于大量算例失效时刻的特征响应,建立了考虑下部结构的单层球面网壳的地震损伤模型。结果表明:有无下部支承对结构基频影响较大,随着下部结构高度的增加,结构基频不断减小,无支承柱结构与带10 m支承柱结构的基频相差高达24%;加速度谱强度、峰值加速度与结构地震响应的相关性、有效性及充分性均优于其它地震动参数,可作为考虑下部结构肋环斜杆型单层球面网壳易损性分析的地震动参数。与此同时,在下部支承结构相同时,矢跨比小的网壳结构抗震性能更好,所致结构倒塌的临界荷载更大;支承高度对网壳抗震性能的影响并非呈线性关系,因此,在结构设计时应合理选取下部支承结构高度。

基于广义条件强度参数的水平和竖向地震动联合选取研究

为了合理地考虑竖向地震作用和实现水平和竖向地震动的联合选取,提出了基于广义条件强度参数的水平和竖向地震动联合选取方法:扩展广义条件强度参数的基本理论,提出水平和竖向地震动广义条件强度参数分布的构建方法,并与“无条件分布”对比,提出基于广义条件强度参数的水平和竖向地震动联合选取方法的基本理论,给出以水平强度参数作为条件的实际算例,利用现有水平-水平、水平-竖向强度参数相关系数模型构建水平和竖向地震动广义条件强度参数目标分布,对目标地震动数据库进行联合选取,将选取结果与传统选取方法进行对比,说明该方法的合理性。结果表明:构建出的水平和竖向广义条件强度参数分布与“无条件”分布之间存在一定差异;水平和竖向地震动联合选取结果与目标理论分布匹配良好;与仅考虑水平向广义条件强度参数地震动选取方法相比,联合选取方法能够考虑竖向地震动特性,并且不会对水平向造成影响,提出的水平和竖向地震动联合选取方法能够更加合理地、全面地考虑水平和竖向地震动特性,为工程结构在水平和竖向地震动作用下的抗震性能研究提供地震动输入基础。

二维层状盆地地震动附加放大特征研究:SV波入射

发展了一种基于谱元法和多次透射边界的平面SV波入射下二维复杂场地波动数值模拟方法。基于该方法,模拟分析了31条地震波输入下二维典型层状沉积盆地中的各场点相比其对应的一维土层模型的模拟地震动的附加放大特征,分析了放大系数对于输入地震波的敏感性。结果表明,该方法具有较高精度和良好的高频稳定性。不同地震波输入下,盆地地面运动及其放大特征存在较大差别。水平分量上平均反应谱放大系数的较大值(最大1.2左右)集中在盆地边缘区域及周期等于0.5倍~0.7倍自振周期附近,垂直分量上较大放大系数(最大0.9左右)紧邻盆地角点且周期为0.3倍自振周期处。同时,盆地对不同周期地震动的放大特征,以及不同位置点的谱放大系数随周期的变化规律均表现出明显不同,相对短周期地震动的盆地边缘效应最为强烈,而相对长周期地震动的放大作用明显减弱。此外,盆地边缘区域的放大系数对输入波最为敏感,不同地震波输入下放大系数值在较大范围内变化;而盆地中间区域的放大系数对输入波不敏感,其值的变化范围相对较小。

基于地下结构整体损伤表征的复合地震动参数构造及其性能验证

在地下结构抗震设计中,不同的输入地震动引起的地下结构响应有显著差异,因此,合理通过地震动参数选择输入地震动是正确开展地下结构抗震设计的重要前提。针对单一地震动参数难以表征地下结构地震动潜在破坏势问题,文章构造了能更好表征地下结构损伤破坏的复合地震动参数。具体开展了以下工作:提出基于变形与滞回耗能的地下结构整体损伤指标作为结构需求参数,以定量化评估地下结构的整体破坏状态。选取64条真实地震动记录作为输入地震动,开展四层三跨地铁车站地震弹塑性动力时程分析。基于分析结果提供的数据样本,采用偏最小二乘法从统计角度构造复合地震动参数。最后,选用100条真实地震动记录开展两层三跨地铁车站弹塑性动力时程分析,对文章所构造的复合地震动参数进行验证。对比分析复合地震动参数、12个常用地震动参数与地下结构整体损伤指数的回归统计特征。结果表明:复合地震动参数与结构需求数之间具有更好拟合优度值,其Pearson相关性、有效性也优于单一地震动参数。

基于谱元法的近场地震动空间相干性分析

由于专门用于地震动空间相关性研究的台阵强震记录偏少,基于强震记录统计回归的经验模型发展受限,采用谱元程序SPECFEM2D合成了不同震源机制引起的近场强地震动。通过对地震动场模拟结果进行地震动空间相关性分析,着重比较了不同的震中距对地震动空间相关性的影响,给出了不同震中距对应的相干函数,并得到如下结论:基岩地震动的相干性随震中距的增加而降低;震中距小于或等于15 km时的相干系数大于倾滑断层结果,震中距大于15 km时的相干系数小于倾滑断层结果,但均大于走滑断层结果;基于地震动模拟结果得到的相干性高于基于实测记录的统计结果。

考虑地震动空间变化的区域公路网连通可靠性研究

区域公路网是社会交通大动脉和地震灾害救援生命线,连通可靠性反映了地震灾害发生后公路网的通行能力,地震动受震源位置及震中距的影响而具有显著的空间变化,对公路网的震后破坏状态具有重要影响。以邯郸地区公路网为研究对象,通过设定震源位置与震级,研究地震动空间变化影响下的区域公路网连通可靠性。首先,设定邯郸市1830年磁县大地震及一个虚拟地震为地震情景,分别设置震级为M6.0、6.5、7.0和7.5,基于地震动衰减关系表达地震动空间变化,得到公路单元对应的PGA。然后,结合地震易损性模型分析公路单元震后通行概率。最后,针对区域公路网空间范围大的典型特征,优化城市道路所用的最大可能状态算法,对邯郸地区公路网进行连通可靠性评估。结果表明,区域尺度下公路网络单元和节点数量多、空间展布复杂,其抗震连通可靠性与既有公路分布、区域城市位置等因素密切相关,地震动空间变化显著影响公路单元的震后破坏状态和通行概率,研究成果可为区域尺度公路网地震灾害评估及抗震韧性研究提供参考。

基于可靠度与易损性的地震动输入修正方法

在基于性能的地震工程理念与经典可靠度理论框架下,分析了地震易损性与结构可靠度的共同特性,阐释了将两者相结合的理论基础与概率方法;以一座三跨连续梁桥为例,基于OpenSees平台建立桥梁有限元模型,通过非线性动力时程分析对结构进行概率地震需求及易损性分析,基于易损性曲线考虑3种抗震目标对桥墩进行抗震设计,并对设计墩柱进行恒载与车辆活载作用下的可靠度分析;考虑不同地震重现期,根据泊松随机过程计算各类地震作用下的目标可靠度,基于概率方法对结构的初始可靠度进行修正,进一步结合地震易损性,确定不同抗震目标下的地震动水平,提出基于可靠度与易损性的地震动输入参数确定方法。结果表明,1000年、475年和50年地震重现期下,修正PGA均值分别为0.25 g、0.24 g和0.22 g,高于仅考虑易损性时的0.21 g。本方法将地震易损性与可靠度相结合,为结构不同层次的抗震设计提供了思路与方法。