弹塑性SDOF系统的地震输入能量谱

以4种场地土条件下40条强震记录为输入,分析了弹塑性单自由度(Single Degree of Freedom,SDOF)系统的地震输入能量谱,并对地震动强度和SDOF系统参数对地震输入能量谱的影响进行了研究。结果表明:能量谱峰值主要由地震动强度决定,阻尼比和延性系数有很大影响。在长周期范围,延性系数一定时,随着阻尼比的增大,能量谱值也有所增大;随延性系数增大,能量谱值随阻尼比增加而增大的趋势有所减缓。采用归一化方法,根据能量谱的特征建议了简化三段式地震输入能量谱,并根据能量谱分析结果的统计,建议了弹塑性SDOF系统能量谱峰值和能量谱曲线参数的确定方法。

弹性SDOF系统的地震输入能量谱

本文以4种场地土条件下40条强震记录为输入,对弹性单自由度(SDOF)系统的地震输入能量谱进行了研究。首先研究了SDOF系统参数和地面运动参数对弹性地震输入能量谱的影响。结果表明,在中长周期范围,弹性SDOF系统的阻尼比和地面运动强度对能量谱峰值有较大影响;在长周期范围,随弹性SDOF系统阻尼比的增大,能量谱值也有所增大。随后,采用归一化能量谱方法,并根据能量谱曲线的特征,建议了简化三段式地震输入能量谱。在此基础上,根据4种场地土条件下40条强震记录能量谱计算结果的统计分析,建议了能量谱峰值和能量谱曲线参数的确定方法。

弹塑性MDOF系统地震输入能量研究

基于地震作用下弹塑性SDOF(Single Degree of Freedom)和弹性MDOF(Multi-degree of Freedom)系统能量输入研究,本文分析了弹塑性MDOF系统能量输入规律。以实测地震记录为输入,采用弹塑性时程分析方法,计算了一阶初始周期≤3s的5、10、20、30层双线性滞回剪切层模型,不同阻尼比、承载力降低系数情况下4800个结构和一阶初始周期>3s的40层结构能量输入,与弹塑性SDOF系统的输入能量谱进行对比。研究表明:一阶周期在3s以内的弹塑性MDOF系统输入能量EI可用相同阻尼比、初始周期、承载力降低系数的弹塑性SDOF系统计算结果近似确定;一阶周期大于3s的弹塑性MDOF系统,可采用MPA方法等效为多个弹塑性SDOF系统,按照振型叠加法计算总输入能。

建筑结构中隔震器对地震输入能量的影响

本文分析了隔震器对结构抗侧移刚度及自振频率的影响 ,通过求解结构在安装隔震器前后的地震输入能量 ,确定了隔震器对结构地震输入能量的降低机理和程度 。

等效线性化方法在地震输入能量谱中的应用

建立弹塑性单自由度系统的地震输入能量谱是基于能量抗震设计的核心问题之一,而等效线性化方法是一种简化计算弹塑性结构地震响应的实用方法,但其在弹塑性系统地震输入能量谱中的应用尚不成熟。目前基于位移一致提出的等效性线性化方法已有很多,选取其中有代表性的4种方法将弹塑性结构简化为弹性结构进行地震输入能量的计算,比较各种方法的计算精度和适用范围,同时分析和讨论了结构参数对各种等效线性化方法计算误差的影响。结果表明:所选4种等效线性化方法均对短周期结构的能量谱预测误差较大;对中等周期和中长周期下的结构其计算误差较小,其中Caltrans法和Iwan法的误差相对稳定,且平均值在10%以内。基于以上分析结果,采用遗传算法对Iwan法进行了修正,改进了其对短周期范围弹塑性结构能量谱的计算精度。

地下结构地震响应分析的高效混合模拟方法

数值模拟是地下结构抗震分析的重要手段之一,然而地震动输入及边界效应、模型尺度规模等因素均会影响数值模拟的计算精度和效率,并且存在计算尺度、计算时间、计算精度之间的矛盾,因此如何高效、精确地模拟地下结构与地层相互作用体系的地震响应仍是亟待解决的关键问题。基于区域缩减法(DRM)将边界元和有限元相融合的核心思想,旨在建立能够合理模拟地下结构-地层系统地震响应特征的高效混合分析方法。首先将地下结构-地层整体模型划分为近场地层-结构内域子模型和远场地层外域子模型,通过构造重合节点保证内域-外域耦合边界处的位移连续性;其次,基于边界元求解外域自由场或地形影响下的非自由场地震动特征,并采用DRM构造矩阵方程将外域动力响应转化为等效地震荷载,可以在保证地震动合理输入的前提下极大地缩减外域模型尺寸,进而实现对内域中地下结构地震响应的快速参数化分析;最后,设计了两组典型算例以检验该方法的可靠性和高效性。结果表明:对于无地形影响下的双线隧道地震响应模拟,通过与远置边界参考解对比验证了方法的有效性;对于受地形条件影响下的双线隧道地震响应模拟,本方法在保证精度要求的基础上极大缩减了包括地形在内的外域模型范围,相比远置边界法和传统黏弹性法,可使计算模型尺度分别缩减97%和83%,计算时间减少72%和58%。此外,该方法还可推广到斜入射地震动作用下地下结构的动力响应分析。

强震下高土石坝不同地震动输入特性评价

基于实测波功率谱合成多点地震动对紫坪铺混凝土面板堆石坝进行多点输入动力有限元计算,并与实测波地震动输入进行比较。研究结果表明,强震下大跨度土石坝地震动多点输入与实测波单点输入动力反应分布规律一致,由于多点输入的相干效应和行波效应使得多点输入时地震反应有明显减小,大坝竖向永久变形、最大动剪应力在多点输入时较小。

非一致地震波动输入下大型钢筋混凝土框架结构-地基体系地震响应规律

为探索非一致地震波动输入对大型钢筋混凝土框架结构地震响应的影响,基于OpenSees软件平台建立二维钢筋混凝土框架结构-地基动力相互作用有限元模型。将El-Centro地震波按P波波形分别以0°、15°、30°和35°角入射该有限元模型进行计算,对比分析框架柱内力和楼层层间位移的地震响应。研究发现非一致地震波输入方法对于大型钢筋混凝土框架结构建筑动力响应影响明显,随着地震波入射角的增大,钢筋混凝土框架结构底层柱的轴力幅值减小,剪力幅值增大,而弯矩幅值变化较小,楼层层间位移幅值也随之增大。研究结果对于大型钢筋混凝土框架结构抗震设计具有参考意义。

易损性分析考虑结构非线性的输入地震波选取方法研究

对于结构抗震设计和研究,地震易损性分析中输入地震波组的选择至关重要,然而现有地震波选取方法对于地震波组的多样性和离散性未作考虑或不够明确,从而影响易损性分析结果的可靠性和意义.针对这个问题,文章提出一个新的选波策略,基于目标结构的简化模型在地震波组激励下的响应,通过改进的地震动强度指标以及信息熵概念来判断输入地震波组的多样性.建立了一个3跨连续梁桥的有限元模型作为数值算例,通过执行新提出的方法验证了简化模型响应的信息熵与实际有限元模型响应的信息熵之间的关系,初步证明了此策略基于输入地震动多样性的筛选能力,可以作为地震易损性分析中输入地震波选取的简便和可靠的依据.

基于波场分离的不规则地形下地震波输入方法

不规则地形条件下斜入射地震波场求解难度较大,以往的方法在计算精度和适用范围方面仍有不足。该文结合解析推导和有限元模拟,提出了一种基于波场分离技术的不规则地形条件下地震波输入方法,将地震P波和SV波在不同边界下进行波场分离:垂直入射时在侧面边界上分离为自由波场和散射波场,底部边界上分离为入射波场和边界外行场;斜入射时将输入侧对面的边界改为分离成入射波场和边界外行场;并充分考虑局部地形条件的影响,还基于改进的波动方法以便捷地输入节点力。同时对比了多组不同地震入射角度下规则场地和不规则场地的振动反应。结果表明:该方法在多类地形条件下计算精度与效率均较高,适用范围广且易于推广至复杂场地条件,并发现地震波入射角度和局部场地条件对地表位移响应影响较大。该研究可为不规则地形条件下的振动响应分析提供有效的手段。

考虑双向地震激励的标准化地震输入能量反应谱研究

以往地震输入能量谱的研究几乎都是以单自由度体系和单向地震输入为前提,没有考虑地震动的多维性和结构非线性反应的空间耦合性。于是,建立单质点双自由度体系,假设体系的弹塑性关系为满足二维屈服面函数的理想弹塑性形式,基于此模型提出双向地震动作用下标准化的地震输入能量反应谱理论。以硬土、中硬(软)土和软土三类场的地震记录作为体系的双向激励,建立统计平均的等延性系数标准化地震输入能量谱。分析场地类别、延性系数、两水平主轴方向周期比对标准化地震输入能量谱的影响。分析表明:各类场地分别具有独自的谱形特征和规律性;延性系数对硬土场地和中硬(软)土场地的谱值影响较明显,而对于软土场地,除长周期外影响很小;周期比ζ对谱值具有一定影响;基于单自由度体系建立的输入能量谱在某些情况下会高估能量反应。

地震总输入能自抵耗效应研究

通过对单自由度(SDOF)体系弹性和弹塑性地震能量反应的计算,提出了自抵耗能和自抵耗系数的概念,并计算了弹性SDOF体系在地震动作用下的地震总输入能、自抵耗能、地震输入能以及自抵耗系数与体系自振频率和阻尼比的关系。结果表明:当体系自振频率等于地震动卓越频率时,自抵耗系数最小,地震输入能最大,结构的自抵耗能力较弱,且阻尼比对地震输入能的幅值影响较大;当自振频率远离地震动卓越频率时,自抵耗系数增大,地震输入能减小,结构的自抵耗能力增强,且地震输入能受体系的自振频率影响较大,基本上不受阻尼比的影响。文中从能量的角度对汶川地震中的一些实际震害作了相关解释。

土–结构动力相互作用分析中基于人工边界子结构的地震波动输入方法

数值模拟是解决土–结构动力相互作用问题的重要手段,而合理地实现地震波动输入直接影响地震作用下土–结构动力相互作用问题数值模拟的精度.波动法是目前常用的地震动输入方法之一,该方法将输入地震动转化为人工边界上的等效载荷,相较于其他地震动输入方法,波动法模拟精度高,但实施上相对复杂.从有限元模型入手,推导了采用波动法确定等效输入地震载荷的另一种形式,以此为基础,提出了一种在人工边界上实现地震动输入的新方法.新方法通过对土–结构有限元模型中由包含人工边界节点的单元组成的子结构施加自由场位移时程并进行动力分析,直接获得可实现地震波动有效输入的等效载荷,然后将等效输入地震载荷施加在土–结构模型的人工边界节点上,从而完成土–结构动力相互作用问题分析中地震动输入和地震反应计算.与原有波动法相比,新方法避免了需分别计算人工边界上自由场应力和由引入人工边界条件带来的附加力,以及需要根据不同人工边界面确定载荷的作用方向等较为复杂的处理过程,具有等效地震载荷计算简便、地震动输入过程更易于实施的特点.采用竖直入射和斜入射地震波动作用下的弹性半空间和成层半空间地震反应算例验证了新方法的有效性.

汶川地震紫坪铺面板堆石坝地震波输入研究

对国家强震动台网中心紫坪铺面板堆石坝区域台站实测主震记录以及大坝台网实测余震记录进行分析,研究主震与强余震地震动的基本特征。分别选取茂县地办、郫县走石山、成都中和这3组基岩台站实测主震地震动,紫坪铺台站2008年11月6日实测余震地震动以及按水工抗震规范人工生成地震动作为数值计算的地震动输入,对紫坪铺大坝进行三维动力有限元分析,并与实测结果进行对比。研究表明,郫县走石山与成都中和2个远场台站位于断层下盘,其实测地震动的加速度反应谱长周期(0.65 s以后)分量过于丰富,不宜作为断裂带附近紫坪铺大坝的地震动输入;紫坪铺大坝台站实测的余震地震动1 Hz附近(大坝基频)的频率成分相对较少,且持续时间较短,以至于难以激发大坝响应;对比坝顶实测地震动加速度反应谱和数值计算反应谱,建议汶川地震中紫坪铺大坝动力计算时可采用茂县地办台站实测地震动或按抗震设计规范反应谱人工生成地震动。

覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法

较多已建和待建的土石坝直接修筑于覆盖层上,合理描述土石坝与覆盖层之间的动力相互作用对大坝抗震安全评价至关重要。基于等效荷载和人工边界的地震波动输入方法能较好地反映出结构-地基之间的相互作用并得到了广泛应用。等效荷载和人工边界参数在均质线弹性地基条件下易于获得,而对于覆盖层地基,土体动力非线性特性给求解带来很大困难。鉴于此,首先根据覆盖层侧向边界的位移模式,发展了能高效、精确地获取多向地震动垂直入射时均质或成层覆盖层自由场非线性动力响应的简化模型;结合能动态实时获取地基材料参数的非线性人工边界,发展了一套覆盖层上土石坝非线性动力响应分析的地震波动输入方法。算例表明,发展的地震波动输入方法可大大减小计算网格量,并能较好地反映覆盖层对地震动频谱特性的影响且具有较高的精度。

高墩桥梁抗震时程分析输入地震波选择

提出考虑高阶振型影响的输入真实地震波选择方法以满足高墩桥梁抗震时程分析需求。首先在PEER强震记录数据库中选择满足震级、距离、加速度峰值及长周期特性的不同场地条件的备选地震波。其次根据场地条件以备选地震波反应谱与设计反应谱,在平台段与高墩桥梁前几阶周期点附近(平均)谱值的相对误差最小为双控指标(小于15%),确定具体的输入地震波以实现时程分析结果与(设计)反应谱分析统计一致性要求。以某百米高墩桥梁抗震时程分析为例验证建议选波方法的有效性。

土-结构动力相互作用分析中基于内部子结构的地震波动输入方法

合理有效的地震波动输入是进行土-结构动力相互作用分析的关键环节,文章基于波动法理论,提出一种新的基于内部子结构的地震波动输入方法。新方法中等效输入地震荷载由计算模型内部截取的子结构的动力分析直接获得,从而使地震波的外源输入问题转化为内源波动问题。与波动法和基于人工边界子结构的地震波动输入方法相比,内部子结构法有效提高等效输入地震荷载求解和地震波动输入的效率;同时在地震波动输入的过程中避免人工边界的参与,从而彻底摆脱以往地震波动输入方法对于人工边界条件的限制,因此该方法更具普适性。文章详细介绍了基于内部子结构的地震波动输入方法在土-结构动力反应分析中的实现方法,并通过地震波斜入射下的自由场算例与土-结构动力相互作用算例,验证新方法的有效性。

多维地震输入下首都机场航站楼T3反应谱分析

首都机场航站楼(T3)下部为混凝土和钢混合框架,上部为复杂的双曲面形双层扁网壳,长960 m,宽780 m,为超大体量大跨度复杂空间钢结构体系。本文采用SAP2000有限元软件,对其进行了单维和多维地震输入下的反应谱分析,研究了单维和多维地震输入对构件内力、节点位移和地震总剪力的影响;研究了多维地震输入下地震响应值与按规范地震组合公式计算所得地震响应值的关系;研究了模态提取数目和质量参与系数的关系,CQC法中参与组合的模态数目与结构地震响应的关系。研究表明,采用振型分解反应谱法时,模态频率越高,对结构内力的影响越小,对于对结构影响较小的高频模态,可以忽略其对结构的影响;根据单维和多维地震反应的对比分析,对超大跨度复杂钢结构宜进行三维地震输入的反应谱分析。另外,本文提出了一种新的地震效应组合方法,可替代多维地震反应分析,并弥补现行规范的不足。

边界条件设置及输入地震波特性对边坡动力响应影响分析

对有限计算域边界处理是边坡动力有限元计算的重要问题之一,利用有限元弹塑性动力分析方法,把边坡动力响应分析中边界条件设置概括为5种情况,输入3条实测地震波,研究边界条件设置和地震波特性对边坡位移响应、加速度响应以及频谱的影响。研究表明设置不同的边界条件及输入不同地震波,边坡动力响应结果有显著差异。研究结果有助于进一步揭示边坡在地震作用下的响应特性,为边坡的动力破坏机理研究和提高边坡稳定性分析评价的可靠性奠定基础。

不同阻尼体系地震能量输入及阻尼能量耗散计算分析

本文给出了复阻尼体系地震能量输入及阻尼能量耗散计算公式。利用天津、ElCentro、迁安记录及Mexico地震Cale记录计算了复阻尼及粘性阻尼体系的地震能量输入及阻尼能量耗散,并绘制了相应的时程曲线。计算所用阻尼比取0.1及0.05,周期分别取0.3s,0.5s,1s,1.5s及5s。通过计算我们观察到,除迁安记录外,在其它几个地震作用下,对固有周期小于1s的短周期结构,复阻尼体系能量输入及阻尼能量耗散时程曲线值高于相应的粘性阻尼体系(对迁安记录固有周期需小于0.5s)。对中周期结构,两组曲线相近,对于长周期结构,复阻尼体系的能量时程曲线值低于相应的粘性阻尼体系值。对于每个地震记录,有一个临界值,体系的固有周期小于此值时,不同阻尼模型的能量输入、阻尼能量耗散时程曲线值无大差异,当周期大于此值时,不同阻尼模型的能量输入及阻尼能量耗散时程曲线差异较大。复阻尼体系对周期的敏感程度远大于粘性阻尼体系。当周期不变,阻尼比增大时,在峰值点之后,复阻尼体系能量时程曲线基本无大的变化,粘性阻尼体系能量时程曲线有抬高趋势。