基于改进JMA烈度的脉冲型地震强度预测方法研究

为解决中国强震观测台网布设稀疏、脉冲型地震记录少、难以评估某一地区脉冲地震烈度大小的问题,提出了一种预测脉冲型地震烈度的方法,根据历史地震情况、场地条件、地质情况,采取人工合成的方法生成脉冲型地震,研究日本气象厅计测烈度(JMA烈度)与脉冲地震的相关性,并利用中国地震仪器烈度滤波器对JMA烈度方法进行修正。通过算例计算了鲁甸地震53QQC台站的JMA烈度,并绘制了鲁甸地震和汶川地震的烈度分布云图;选取汶川地震部分台站,对比分析改进JMA烈度与典型烈度计算方法。结果表明:从历史地震数据中提取的高频成分与根据场地、地质情况等生成的低频脉冲成分相叠加,可实现脉冲型地震动的人工合成;随着脉冲速度不断增大,JMA烈度呈增大趋势,回归分析结果表明JMA烈度与脉冲速度的对数呈线性关系;随着脉冲周期的不断增大,JMA烈度呈上升趋势,回归分析结果同样显示为线性关系,可见JMA烈度与脉冲地震有较强的关联性,可以用来衡量脉冲型地震动强度;相较于原滤波器,改进后的滤波器有效频带明显更宽,有效频带在0.3~3 Hz之间,能够涵盖中国绝大部分工程结构的卓越频率,有效频带内部更加平坦,而在有效频带外部则呈现更陡峭的响应,更接近理想滤波器的特性。

近断层脉冲型地震动下基础隔震结构的碰撞响应

LRB基础隔震结构在近断层脉冲型地震下会产生较大的水平位移,甚至超出预留宽度而与周围挡墙发生碰撞。本文采用数值分析的方法,在SAP2000中建立了精细化的钢筋混凝土结构平面框架模型,通过弹塑性时程分析,研究了碰撞对基础隔震结构的影响规律,并通过参数研究进一步探究了邻近构造物与隔震基础距离、碰撞刚度、不同地震动对碰撞响应的影响。

LRB基础隔震结构在近断层脉冲型地震作用下的动力响应研究

对LRB(Lead Rubber Bearing)基础隔震结构在近断层脉冲型地震作用下的动力响应进行了系统参数研究。考虑到近断层脉冲型地震动记录数量的有限性,为了参数研究的方便,提出了人工合成近断层脉冲型地震动的方法,即以实际的常规地震波(即远场地震)为底波,在此基础上叠加上等效脉冲模型来模拟近断层脉冲型地震;以此为输入,系统研究比较了在近断层脉冲型地震和常规地震作用下,LRB基础隔震结构的动力反应特性、不同的近断层脉冲型类型以及近断层脉冲型地震动参数和LRB隔震系统力学性能对上部结构最大绝对加速度和隔震层最大位移的影响。研究表明:LRB基础隔震结构在近断层脉冲型地震作用下,上部结构最大绝对加速度和隔震层最大位移与常规地震作用下相比,均有较大增加,隔震范围有一定减小;近断层地震动的脉冲类型,以及脉冲周期对LRB基础隔震结构的动力反应有很大的影响。

钢筋混凝土框架结构在近断层脉冲型地震动作用下的动力响应

基于现行的抗震设计规范设计了三层、六层和九层的钢筋混凝土平面框架结构。并对这些钢筋混凝土框架结构在近场脉冲型地震动和一般地震动作用下的动力响应进行了研究,研究发现:对于近断层地震的脉冲效应现行的抗震设计规范考虑不充分,结构的层间位移角并不能满足1/50的限制条件。因此建议不考虑地震调整系数,以此来保证结构在近断层地震作用下的安全。

近场脉冲型地震作用下黏滞阻尼器对双柱摇摆桥墩减震作用研究

为研究黏滞阻尼器对双柱摇摆桥墩在近场脉冲型地震作用下的减震作用,基于摇摆刚体假定和拉格朗日方程,对采用黏滞阻尼器的双柱摇摆桥墩进行实例分析、参数分析和抗倒塌能力分析。研究结果表明:黏滞阻尼器可减小双柱摇摆桥墩的地震位移反应,且作为速度型阻尼器,其在近场脉冲型地震作用下的减震效果比远场地震更为显著;在近场脉冲型地震作用下,随着黏滞阻尼器的无量纲阻尼常数(λ)的增大和阻尼指数(nv)的减小,桥墩位移反应随之变小,当阻尼器失效位移大于120mm时桥墩峰值位移反应无显著变化;黏滞阻尼器的减震作用可有效提高双柱摇摆桥墩在近场脉冲型地震作用下的抗倒塌能力,λ越大和nv越小,桥墩的抗倒塌能力越强。

脉冲型地震作用下独塔自锚式悬索桥碰撞响应试验研究

为了研究脉冲型地震作用下考虑碰撞效应时自锚式悬索桥的地震响应,以某独塔自锚式悬索桥为原型,设计制作了缩尺比为1∶20的试验模型,并选取三条具有不同脉冲周期的近断层脉冲型地震波,利用多子台地震模拟振动台台阵系统,进行了一致激励及行波激励下的对比试验。结果表明:一致激励下梁端碰撞效应会显著增加边墩墩底变形,但会不同程度降低支座的位移响应,且碰撞效应随碰撞间隙的增加先增强后减弱;行波激励会加剧梁端碰撞作用,使碰撞效应对边墩墩底变形和主塔塔底变形的放大作用更显著;脉冲型地震动的脉冲周期与悬索桥基本周期越接近,碰撞效应越强,对边墩墩底变形及主塔塔底变形的放大效应越显著,但对支座位移降低程度的影响不明显;因此,对自锚式悬索桥进行抗震或减震设计时应当考虑碰撞效应、行波效应及地震动脉冲特性的影响。研究成果可为桥梁结构的碰撞响应研究提供参考。

近场脉冲型地震作用下上承式拱桥损伤模式研究

为了研究近场脉冲型地震作用下上承式钢筋混凝土拱桥的损伤模式,采用OpenSEES建立了某实际上承式箱板拱桥的全桥模型,根据N-M相关曲线和能力需求比分别研究了主拱圈与拱上立柱的抗震性能,并基于动力增量分析(IDA)对桥梁的损伤模式进行探讨。研究表明:在纵、横向地震输入下,拱圈的最大弯矩响应均出现在拱脚;当地震沿纵向输入时,较矮拱上立柱的剪力响应较大,而当地震沿横向输入时,拱上立柱将产生双向剪力,且较高立柱的横向剪力大于纵向,较矮立柱的纵向剪力大于横向;主拱圈的潜在抗震薄弱环节是拱脚,且其纵向抗震性能弱于横向;拱上立柱纵向抗震性能优于横向,靠近拱顶的立柱最先发生破坏,且以剪切破坏为主;较高的拱上立柱易发生横向剪切破坏,而较矮的拱上立柱易发生纵向剪切破坏。损伤分析表明,钢筋混凝土上承式拱桥在近场脉冲型地震作用下拱上建筑会先于主拱圈发生损伤。

近场脉冲型地震下增量动力分析烈度指标的选择

合理选择烈度指标IM是基于性能的抗震设计理论的关键.为了研究近场脉冲型地震下合理的烈度指标,以一座常规5跨连续梁桥为例,用增量动力分析方法对OpenSEES软件所建立的有限元分析模型进行一系列非线性动力分析,结果表明:近场脉冲型地震下,不建议采用峰值加速度PGA作为烈度指标,建议采用基本周期对应的谱加速度Sa(T1)或峰值速度PGV.

近断层速度脉冲型地震动对多层校舍减震加固性能影响研究

近断层地震动具有加速度、速度脉冲运动特性,相对于普通地震动对结构可能造成更加不利的影响。本文针对典型多层校舍,对比了其黏滞消能减震加固前后的结构响应,研究了黏滞消能减震加固技术在不同地震动(近断层脉冲型地震动、近断层非脉冲型地震动和远场地震动)下的抗震性能和减震效果。首先,阐述了近断层地震动基本特征,并选择合适的地震动记录。随后,围绕某多层校舍开展了黏滞阻尼减震加固设计。最后,开展了多遇及罕遇地震下结构动力时程分析,对比、评价了结构抗震性能和可恢复性,以及阻尼器工作性能。研究结果表明,黏滞阻尼减震技术有效改善了结构抗震性能,罕遇地震作用下,结构薄弱层层间位移在各地震动工况平均衰减可达62.1%,薄弱层残余层间位移角平均减小71.3%;近断层脉冲型地震使结构产生明显大于同等强度普通地震(远场地震和近断层非脉冲地震)作用下的响应,罕遇地震作用下薄弱层层间位移角达远场地震工况的2.75倍,但黏滞阻尼减震效果受地震动特性变化影响较小。相关研究可为断层附近多层校舍抗震加固设计提供参考。

近场脉冲型地震作用下框架结构特殊反应研究

基于Open Sees平台建立自振周期不同的3层、12层的框架结构模型,并对这些结构在近场脉冲型地震动和普通地震作用下的动力响应进行了研究。通过比较分析,得到了近场脉冲型地震与不含速度脉冲地震对结构反应影响的区别。结果表明:近场脉冲型地震动含有较丰富的低频成分,因此近场脉冲型地震动作用在中长周期的框架结构上产生的层间位移角远大于不含速度脉冲地震加载后产生的层间位移角,而在短周期的结构上二者产生的层间位移角相差不大,近场脉冲型地震动对长周期结构的影响更为明显。

近断层脉冲型地震作用下BRB减震高层建筑结构抗震性能分析

屈曲约束支撑因其在地震作用下具有良好的耗能能力,被广泛应用于高层建筑结构减震中。而含有明显长周期速度脉冲特征的近断层地震引起高层建筑结构较大的变形以及损伤,其对BRB减震效果有何影响值得深入研究。针对某高层建筑结构进行BRB减震参数设计,选取近断层脉冲型地震动进行动力分析,基于结构层间位移角、楼层加速度、结构塑性耗能等指标评估近断层脉冲型地震对BRB减震高层建筑结构抗震性能的影响。结果表明:近断层脉冲型地震作用下BRB减震高层建筑层间位移反应较大,楼层加速度放大不明显,RBR耗能在结构总塑性耗能中占比减小,结构塑性损伤较大。

近断层脉冲型地震设计谱应用研究

采用非线性有限元软件SAP2000建立了以一座主跨144m的典型大跨度连续梁桥有限元模型,对比分析了采用TTN(Tg&Tp双周期规准)近断层设计谱和现行中国铁路规范设计谱的结构多模态反应谱分析结果与实际近断层脉冲型地震动激励下结构时程响应结果之间的差异。检验了TTN近断层脉冲型地震设计谱的适用性。研究结果表明:现行铁路规范反应谱未能有效计入近断层脉冲效应,可能极大低估近断层区域工程结构在实际设防水准下的地震响应,导致结构破坏程度超出预期。基于近断层脉冲型地震设计谱的多模态反应谱分析结果与实际近断层脉冲地震动时程分析结果吻合良好,可适用于近断层区域桥梁结构的抗震分析。

近场脉冲型地震作用下TMDI隔震结构的随机动力响应及参数优化

近场脉冲型地震作用下基础隔震结构(Base Isolation Structure,BIS)的隔震层位移过大会导致隔震层破坏,安装调谐质量惯质阻尼器(Tuned Mass Damper Inerter,TMDI)形成的BIS-TMDI系统能有效减小隔震层位移.然而,从随机振动的角度考察近断层脉冲型地震作用下BIS-TMDI系统的随机动力响应及其参数优化少有研究.为此,采用确定性窄带谐波和宽带随机激励之和模拟近场脉冲型地震动,并提出使用统计线性化方法计算近场脉冲型地震激励下受控结构的随机动力响应.该方法的核心在于将非线性动力方程等效地分解为两组耦合的分别以确定性响应和宽带随机响应为未知量的非线性微分方程.利用统计线性化方法处理得到随机微分方程,并联立确定性微分方程得到总响应.研究表明:结构确定性和随机响应分量是耦合的,脉冲激励会引起随机响应标准差的大幅抖动;TMDI能有效地减小隔震层位移;需要同时考虑确定性和随机响应分量才能更好地在概率意义上优化TMDI控制参数.

近场脉冲型地震下层间隔震结构的隔震层限位减震分析

层间隔震结构在近场脉冲型强震作用下,隔震层易发生过大变形,导致隔震层上部结构倾覆失稳.提出隔震层限位保护系统,进行软碰撞限位.采用Kelvin碰撞模型建立限位保护系统的力学模型与带限位层间隔震的力学模型,推导带限位层间隔震的动力方程.对比分析有、无限位保护系统的层间隔震结构的动力响应,分析限位弹簧的不同预留距离、不同限位刚度对隔震层最大变形和层间弹塑性位移的影响.探讨带限位的层间隔震结构在超越预估强烈地震时的碰撞反应.结果表明:隔震层限位保护系统不影响层间隔震结构在多遇地震下的减震效果,且能有效限制隔震层在强烈地震下的最大变形,避免隔震支座破坏而导致上部结构倾覆失稳;限位弹簧的不同预留距离、不同限位刚度对隔震层最大变形与隔震结构层间弹塑性位移产生很大影响;在超越预估的强烈地震作用下,限位保护系统亦能限制了隔震层最大变形,使隔震结构破坏模式由隔震层瞬间破坏转变为隔震结构塑性破坏.

近场水平地震动选取原则及脉冲型水平地震动弹性谱特性研究

以近40年来世界范围内发生的20次地震总计800条水平地震记录为基础,从加速度反应谱入手,研究震中距、PGV/PGA比值及震级对水平加速度反应谱特性的影响,提出了一种同时考虑震中距、PGV/PGA比值及震级3个指标的近场地震动选取方法。然后对选取的脉冲型水平地震记录作加速度反应谱研究场地类别、震级、PGV/PGA比值等因素对脉冲型水平地震动反应谱特性的影响。研究表明:(1)PGV/PGA>0.2、震中距D<20 km、6.5<M_w<7.0作为近场脉冲型地震动的选择原则具有可行性。(2)PGV/PGA>0.2、震中距20<D<50 km、M_w>7.0作为中远场脉冲型地震动的选择原则需要进一步研究。(3)震级M_w>7.0时脉冲型地震动反应谱谱值在中长周期范围内明显增大。(4)PGV/PGA>0.2时脉冲型地震动平均谱谱值在中长周期范围内明显增大。

脉冲型非一致地震作用下千米级斜拉桥减震研究

首先考虑场地和视波速等因素,从已知脉冲型地震动合成相关点的脉冲型非一致地震动;其次建立了千米级斜拉桥有限元模型,进行了非一致地震反应分析,考虑了几何非线性,结果表明混合场地以及较低的视波速为该类型桥梁的最不利工况;然后对弹性连接和黏滞阻尼器2种减震方式进行了参数分析;最后对2种方式的减震效果进行了比较,结果表明:黏滞阻尼器在脉冲非一致地震动下的减震效果不如在一致地震动输入情况下的明显,对塔底弯矩的减震效果甚至不如弹性连接方式。修建更大跨径的斜拉桥,其脉冲非一致地震动下的减震设计,可能需要另寻它法。

近场脉冲型地震下层间隔震减震分析与层间混合隔震控制

层间隔震的隔震层下部结构类似于抗震体系,其在近场脉冲型地震下易产生弹塑性变形,且隔震层易发生过大变形而导致其上部结构倾覆失稳,这些不利影响需深入探讨。本文对比分析在有、无速度脉冲型地震激励下层间隔震结构的弹性和弹塑性反应,探讨速度脉冲对隔震层变形、隔震结构塑性铰分布所产生的影响,提出在隔震层增设粘滞阻尼器形成层间混合隔震方案,分析其对隔震层的限位保护效果及其对隔震结构非线性反应的减震效果。结果表明:在有速度脉冲型近场地震作用下,隔震层下部结构的峰值层间剪力与峰值层间位移角比原抗震结构有不同程度的增大,隔震层最大变形比无速度脉冲型地震下的最大变形有显著增加,远超越了隔震支座容许变形值。层间混合隔震能有效控制隔震层上部结构、下部结构的非线性地震反应与隔震层最大变形,避免隔震支座破坏而导致上部结构倾覆失稳倒塌。

近远场地震下RC大跨轻柔拱桥减隔震支座方案优化

为探明不同地震动输入对某大跨轻柔拱桥减隔震的影响,通过非线性有限元模型分析近远场地震下桥梁结构的响应规律,得到大桥支座的优化布置方案.首先,基于模态分析,对比该桥与传统钢筋混凝土(RC)拱桥动力特性差异;其次,选取不同脉冲周期的近场地震动、近场无脉冲及远场长周期地震动记录;最后,研究近远场地震下拱桥的响应行为和损伤演化路径,得到优化桥梁的减隔震支座设计方案.研究结果表明:近场脉冲及远场长周期地震下的桥梁结构响应大于无脉冲地震响应;纵竖向地震下高墩柱剪力及弯矩包络曲线呈“S”形,墩身中部易形成塑性铰,高阶振型影响显著;桥梁纵桥向先于横向震损,损伤路径依次为矮柱、高墩柱及拱肋实心-空心截面段;摩擦摆支座减震效果最佳但位移较大,高阻尼支座方案在近场中长脉冲周期及远场长周期地震下仍会发生损伤,板式橡胶支座方案因无法保证支座同步滑移而不能形成准隔震体系;“高阻尼+摩擦摆”混合方案的支座位移小,拱肋及墩柱均处于弹性,是近断层大跨轻柔RC拱桥的优选减隔震方案.

脉冲型地震动对隔震框架结构地震位移反应的影响分析

脉冲型地震动有着不同于一般地震动的特征。采用Seismo Struct建立某12层钢筋混凝土框架隔震结构模型,以集集地震中36条脉冲型地震动作为输入对其进行动力时程分析,分析了隔震结构的支座位移、楼层最大位移、层间位移等位移反应,研究位移反应与脉冲型地震动参数(峰值加速度、峰值速度、峰值速度与峰值加速度的比值、Arias强度、Housner强度、速度脉冲周期与自振周期的比值)的相关性。结果表明,峰值速度PGV和强度类指标HI与隔震结构位移反应的相关程度显著,建议增加PGV为隔震框架结构抗震设计选用地震动提供依据。