基于弹塑性谱位移的钢筋混凝土框架概率地震需求分析

地震动参数的选择是影响概率地震需求分析中输入地震动的选择和调整以及分析结果可靠性的重要因素。开展概率地震需求分析时,常采用的地震动参数主要有峰值加速度和对应于结构基本周期的加速度反应谱值。但是,一方面,结构响应与地震动峰值加速度的相关性较差。另一方面,对应于结构基本周期的加速度反应谱值不能体现结构基本周期之外的地震动频率成分对结构地震反应的影响。以弹塑性谱位移作为地震动参数开展RC框架结构的概率地震需求分析研究。基于模态Pushover分析提出了弹塑性谱位移的计算方法;借助云图法和改进的增量动力法开展典型框架结构的概率地震需求分析,基于回归拟合及残差分析研究了弹塑性谱位移的充分有效性,并与弹性谱位移进行了比较。研究表明:弹塑性谱位移能够反映大于结构基本周期的地震动频率成分对结构弹塑性地震反应的影响,改善了弹性谱位移仅反映单一地震动频率成分对结构反应影响的不足,可以较合理地揭示由于结构软化导致自振周期延长后地震动的破坏作用。

普通混凝土结构与自复位结构的地震弹塑性反应谱

针对钢筋混凝土结构的典型滞回模型(Clough模型)与新型自复位结构的旗帜型模型,通过对国内外大量地震波输入下的单自由度体系弹塑性反应谱分析,结合我国规范规定的各类场地特征,给出了适用于普通混凝土结构与自复位结构的等延性折减系数谱。并对其进行了多段折线函数拟合,拟合结果在结构的常见周期段内误差小于10%,可满足工程实践的精度要求。比较Clough模型与旗帜型模型弹塑性反应谱的差异,结果表明,自复位结构在相同的变形预期下有着更高的承载力需求,必须对结构的耗能能力与承载力进行合理设计才能满足预期的变形要求。

应用弹塑性反应谱对IDA方法的改进研究

针对传统IDA方法中结构的加速度反应远高于SPO分析结果的现象,采用弹塑性反应谱作为IDA的烈度度量,同时给出随地震烈度改变而不断变化的屈服强度系数,提出了改进的IDA方法,更有效地考虑了结构的非线性地震反应特征。实际工程分析表明,改进的IDA方法能够体现结构的非线性受力反应,同时兼顾结构的动力反应特征,与SPO曲线和由规范计算得到的结构承载力有更好的可比较性。

汶川地震动弹性和弹塑性反应谱分析

利用汶川地震获得的数字强震记录研究了汶川近场无速度脉冲、近场含速度脉冲和远场(盆地效应)地震动的弹性和弹塑性反应谱,后者包括等延性强度折减系数谱Rμ、等延性位移比谱Cu和等强度折减系数位移比谱CR。与相同场地条件PEER近场无速度脉冲、集集近场含速度脉冲地震动的谱进行了比较。汶川近场含速度脉冲地震动的弹性反应谱在0.2～0.8s周期内明显偏小,而它的弹塑性反应谱在短周期段(0.1～0.4 s)与汶川近场无速度脉冲地震动谱差别不大,但等延性强度折减系数谱Rμ要大于集集地震含速度脉冲地震动的谱,而等延性位移比谱Cu和等强度折减系数位移比谱CR则小于集集地震动情况,此后随周期增长(至0.6～1.0 s后)它们都逐渐过渡至与集集地震动的谱相当。汶川远场(盆地效应)地震动的弹性反应谱具有较宽并随周期缓慢增长的平台值和较长的特征周期,可达1.7s及以上。提出了远场(盆地效应)与近场地震动的弹性反应比谱和弹塑性位移比谱的概念。

弹塑性地震反应谱的长周期特性研究

在基于性能抗震设计中弹塑性反应谱在计算结构地震位移反应方面越来越受到重视。利用统计分析方法研究了等强度的延性需求谱和等延性的强度折减系数谱的长周期(至5 s)区段的特性,关注的重点是等位移准则和场地条件影响。给出了若干具有工程价值的结论:一是周期介于1.5Tg(地震动特征周期)和2.5 s之间的结构可近似认为等位移准则成立且与场地条件关系不大,这样确定的强度折减系数当位移延性系数小于等于4时结果将是偏于安全的;二是结构周期大于2.5 s后以硬土场地等延性强度折减系数谱或等强度延性需求谱代替软土场地谱求解系统强度需求或延性需求,将会得到偏于安全的结果。

考虑场地类别与设计分组的延性需求谱和弹塑性位移反应谱

非线性反应谱是基于性能的抗震设计理论中亟待解决的基础性课题之一。本文将四种场地类别上的641条地震记录,按我国现行抗震规范设计分组的要求分为12组,对大量具有不同屈服强度系数的单自由度体系作了弹塑性时程分析。研究了结构强度水平、周期、场地类别以及设计分组等因素对延性需求的影响。结果表明,在给定屈服强度水平下结构的延性需求强烈地依赖于场地条件、设计分组等因素。对于短周期结构,延性需求随场地土变软而增大,同类场地随设计分组特征周期增大而增大。通过非线性回归分析,建立了与场地类别、设计分组相对应的延性需求谱μ-ξy-T的计算公式。在此公式的基础上,结合现阶段抗震设计规范构建了弹塑性位移反应谱,可用于结构弹塑性位移需求的简化计算,同时讨论了弹塑性位移反应谱的基本特点。

结构地震弹塑性反应谱--损伤谱

首先,本文基于各国广泛使用的由Park和Ang提出的双参数损伤模型,研究基于损伤性能的弹塑性反应谱(损伤谱)的分析方法。其次,文中考虑结构极限状态设计,并通过自编DBDS程序,研究得到了损伤反应谱(简称"RD谱"),RD谱综合考虑了结构最大弹塑性位移和结构累积滞回耗能的耦合影响,更加合理地反映结构在罕遇地震作用下的弹塑性行为。第三,通过大量时程分析和拟合得到回归公式及其相关系数,研究成果可供抗震性能评估使用。最后,由本文提倡的RD谱和已有研究的Rμ谱做了定性比较分析,说明了考虑地震动持时的必要性和重要性。

求弹塑性位移谱的一种简化方法

为给目前基于性能的抗震设计新思路中主要用于评估结构弹塑性位移反应的Pushover方法提供目标位移的评估工具 ,文章以现行抗震规范的弹性加速度反应谱为基础 ,应用单自由度体系的最大位移与最大加速度的关系 ,计算出抗震体系的弹性最大位移反应 ,又以 1735条实际地震记录作为输入 ,进行大样本数值分析 ,以此为基础 ,得到单自由度体系弹塑性最大位移与弹性最大位移的比值随体系自振周期的变化规律 ,回归得出体系的弹性与弹塑性最大位移比值谱及其计算公式 。

考虑我国场地土类型的弹塑性反应谱法在高层混合结构中的应用

弹塑性反应谱法中,强度折减系数、延性系数、周期之间的关系模型(R-μ-T关系)是影响计算结果的一个重要参数。各国学者考虑不同地震动记录、滞回模型、场地土条件、阻尼比等参数,提出了不同的模型,但在场地特征对关系影响上存在不同认识。本文按考虑我国场地土类型的模型,分别进行了某高层混合结构在设防7度、7.5度、8度、8.5度、9度下的弹塑性反应谱计算,得到了一系列结构最大层间位移角,并与增量动力分析(IDA)的结果进行了对比。分析表明,考虑我国场地土类型的高层混合结构弹塑性反应谱计算结果与IDA分析50%均值曲线吻合较好。本文计算结果可为弹塑性反应谱法在复杂高层结构中的应用提供基础。

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.

框架结构弹性及弹塑性反应谱研究

对大量不同结构类型平面框架进行地震弹塑性时程分析,得出地震响应时程曲线;根据曲线上的最大值绘出弹性及弹塑性反应谱,并拟合其反应谱计算公式,比较了它们之间的异同。参考现行抗震规范提供的反应谱计算公式,将不同结构类型的反应谱进行规准化,并与规范计算公式进行比较,结果表明现行规范反应谱计算方法比较粗糙,不能很好反映不同结构类型的地震反应特点。

常延性系数弹塑性位移谱及其应用

采用根据我国现行《建筑抗震设计规范》生成的人工地震波，对单自由度体系进行弹塑性时程分析，讨论了滞回模型、屈服后刚度等对弹塑性位移反应谱的影响。在此基础上，建立了8度设防、Ⅱ类和Ⅲ类场地、设计地震分组为第一组、位移延性系数μ为1～8的单自由度体系最大弹塑性位移与周期的关系，即常延性系数弹塑性位移谱。通过算例，介绍了常延性系数弹塑性位移谱在房屋结构基于位移抗震设计中的应用。

统计意义一致的弹塑性设计位移谱

在统计意义上设计反应谱通常表示多条地震波反应结果的平均,利用等延性强度折减系数谱对弹性设计位移谱进行折减间接建立的弹塑性设计位移谱,在这方面与弹性设计位移谱并不能很好对应.为此基于3类场地各20条地震波的统计分析,研究了利用等延性强度折减系数谱间接建立的弹塑性位移谱与统计平均的弹塑性位移谱的偏差.结果发现前者会导致偏于危险的结果,特别是对软弱场地和位移延性系数大于4时.通过对国内外学者建议的6组等延性强度折减系数谱的比较分析,以精度较高的V id ic等建议的强度折减系数谱为准,并在间接方法中引入与位移延性系数、场地条件及结构周期相关的修正系数,建议了与弹性设计位移谱统计意义一致的弹塑性设计位移谱.

梁式桥抗震设计的弹塑性位移反应谱

合理选取四类场地320条强震记录,研究地震动特性及恢复力模型动力参数对弹塑性位移谱与残余位移谱影响。结果表明,给出某一标准设防烈度的弹塑性反应谱,其它设防烈度下弹塑性反应谱可据PGA设防烈度与PGA标准烈度比值调整获得;可忽略屈服后刚度比对弹塑性位移谱影响,但应选择偏于保守的屈服后刚度比统计残余位移谱,由此建立的残余位移谱只适用短周期、低延性一般规则桥梁中、低矮桥墩的抗震设计;阻尼比与位移延性比为影响弹塑性位移谱及残余位移谱重要因素,阻尼比增大会减少桥梁非弹性变形及震后残余位移。基于该结果建立适用于我国梁式桥抗震设计的弹塑性及残余位移谱,为考虑残余位移影响的梁式桥基于性能的抗震设计提供重要参考依据。

抗震结构的弹塑性位移谱

通过大量的数值计算 ,对反映单自由度体系弹塑性最大相对位移反应和弹性最大相对位移反应两者相互关系的弹塑性位移比谱进行了研究 ,得出了具有统计意义的弹塑性位移比均值谱 。

梁式桥抗震设计的近场地震弹塑性反应谱

依据国内外规范对近场地震动的定义,收集了215条近场地震动,进而对近场地震弹塑性反应谱(加速度谱、位移谱、残余位移谱、强度折减系数谱)进行参数影响研究,得到地震动特性(地震震级、场地土质、PGA)和恢复力模型动力参数(不同恢复力模型、屈服后刚度比、阻尼比、位移延性系数)等因素对近场地震弹塑性反应谱的影响规律。与中远场地震弹塑性反应谱相比较可知:(1)Ⅰ~Ⅲ类场地近场地震弹塑性加速度谱的下降段较缓,Ⅳ类场地弹塑性加速度谱的敏感区更宽;(2)Ⅰ~Ⅲ类场地近场地震弹塑性位移谱的谱值相比Ⅳ类场地的谱值更大。在此基础上,建立了与我国桥梁抗震设计规范场地类型相对应的近场地震弹塑性反应谱,可用于近场地震下的桥梁抗震设计,并可为后续的近场地震能力谱法的研究提供近场地震需求谱。

弹塑性反应谱的分析

为了分析结构在地震作用下的弹塑性反应,该文探讨了弹塑性反应谱。该文推导了弹塑性反应谱的基本方程,计算了等延性强度需求谱;描述了通过强度折减系数、延性系数及结构周期之间的关系建立弹塑性反应谱的方法;参照弹性反应谱理论分别得到了四种弹塑性反应谱。计算结果表明:当延性系数较小且土质较硬时,该文计算的弹塑性反应谱与范立础的弹塑性反应谱近似相等;当延性系数较大且土质柔软时,该文计算的弹塑性反应谱相对安全。

弹塑性反应谱及其在抗震设计中的应用

由于当采用抗震规范中的弹性反应谱估算结构弹塑性变形时有许多局限性,该文提出了在抗震设计中直接使用弹塑性反应谱计算在罕遇地震作用下结构的弹塑性反应。该文利用弹性反应谱和Vindic模型中的R-μ-T关系,通过理论分析,推导了弹塑性反应谱的一般表达式,并且提出了弹塑性反应谱在地震作用计算中的应用方法。根据算例分析,延性系数越大,楼层地震剪力越小,但延性系数对层间位移的影响很小。另外,在罕遇地震作用下根据该文提出的方法计算而得到的层间弹塑性位移比根据抗震规范中所提出方法得到的层间弹塑性位移小。

双向地震激励的标准化弹塑性位移反应谱

针对实际地震动作用的多维性和结构非线性反应的空间耦合特点,建立了双向地震激励的单质点双自由度模型,假定此模型的恢复力关系符合二维屈服面函数。按硬、中、软土场地分类共选择89组双向地震动记录作为系统的激励,建立了统计平均的标准化弹塑性位移反应谱。分析了场地类别、延性系数、两主轴方向周期比对标准化弹塑性位移谱的影响。

弹塑性位移谱法的振动台模型试验验证

弹塑性位移谱法求解结构在指定强度地面运动作用下的位移需求是一种简便合理的方法。本文将弹塑性位移谱法就具体地震波计算的楼层位移需求、层间位移角需求与一比例为1/10的12层钢筋混凝土模型框架振动台试验结果作了比较。设计的12层钢筋混凝土模型框架结构在振动台上经历了7种强度等级地震波的作用,输入峰值加速度依次为:0.090g、0.258g、0.388g、0.517g、0.646g、0.775g和0.904g。求出了弹塑性位移谱法计算的楼层位移和层间位移角需求与振动台试验结果的比值,研究了二者比值的均值及方差沿楼层的分布情况。结果表明:弹塑性位移谱法的计算结果与振动台得到的位移需求值吻合较好,在基于性能的抗震设计中具有较好的应用前景。