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。

梁桥结构地震反应分析中输入地震动选取及调整方法研究

针对桥梁结构地震动分析时所输入地震动选择会影响时程分析结果的可靠性,结合结构动力放大系数基本原理及地震波能量原理,通过分析反应谱型特点,将其拟合归纳为以结构自振周期±30%范围及规范规定的0.1s-Tg范围分别定义为低频、高频对比区间,以两个区间反应谱曲线包围面积作为对比参数进行自然地震波选择依据。并据所选地震波提出基于两区间的5种天然地震波调整方法。以典型多跨梁桥为例进行数值分析,以桥墩墩底弯矩、剪力和及墩顶位移作为桥梁地震反应统计量。利用统计分析结果验证双参数地震波选择方法及地震波调整方法的合理性及有效性。

不同频谱特性输入地震动对场地设计地震动反应谱的影响

频谱特性是地震动的三要素之一,具有不同频谱特性的输入地震动对场地设计地震动反应谱会产生不同影响效果。基于一维土层地震反应分析计算方法,选取4条历史地震实测记录[1989年美国加州洛马普列塔(Loma Prieta)6.9级地震、1994年美国加州北岭(Northridge)6.6级地震、2008年汶川8.0级地震和2013年甘肃岷县漳县6.6级地震]和1条典型人工合成地震动(濮阳市人工拟合地震动)进行对比,研究具有高频和低频特性的输入地震动对场地设计地震动反应谱的影响。结果表明,以高频成分为主的历史地震动较以低频为主的人工拟合波对反应谱的影响表现为在短周期阶段具有集中放大的影响效果。这主要表现在两个方面:其一,对峰值平台值具有放大效果,历史地震动结果峰值平台值为2.75～2.80间,人工拟合波结果峰值平台值为2.65;其二,对反应谱特征周期具有缩短效果,历史地震动较人工拟合波减小0.05～0.15s。产生上述影响效果,其可能与其高频成分地震动对固有周期较短的场地特点具有一定的共振影响有关。该结果可为建筑物抗震设防方面的研究提供参考。

高层建筑结构的输入地震动问题探讨

高层建筑结构,因体量庞大、质量巨大,如果建造于非基岩上,则结构的输入地震动也将大大有别于自由场地震动,其上、下部结构动力相互作用将是一个不容忽视的影响因素。本文围绕层状场域内高层建筑的地震动输入问题,针对目前普遍采用的将地基、基础与上部结构整体建模进行地震响应分析的整体法,提出了其合理的输入地震动的选取方法,并结合现行规范,为某实际工程进行地震响应分析的输入地震动进行了选取。

中国尾矿坝地震安全度（2）──大石河尾矿坝基岩输入地震动的确定

在回顾已有确定输入地震动方法的基础上，通过对地震动参数衰减规律的研究分析，结合场地特点，本文提出了三种可用于大石河尾矿坝动力分析的基岩输入地震动时程曲线．

软土隧道基于地震响应的输入地震动排序

为探讨“最不利地震动”概念在地下结构抗震设计中的适用性,以软土地铁区间隧道为对象建立相应的地层-结构动力分析模型.以直径变形率为分析指标,基于动力时程方法研究18条不同输入地震动作用下隧道结构动力响应的分布及差异性,得出基于隧道地震响应的输入地震动排序,并通过调幅手段对比分析了地面峰值加速度(PGA)和隧道埋深变化对隧道结构地震动响应排序的影响规律.最后,评价了不同输入地震动参数,包括峰值加速度、峰值速度、峰值位移、绝对累积速度(CAV)和阿里亚斯(Arias)强度(I_(A))与隧道地震响应之间的相关性.分析结果表明:(1)随着PGA从0.5 m/s^(2)增加到2 m/s^(2),地震动排序发生明显变化,并且不同输入地震动引起的隧道地震响应差异显著提高,最不利地震动引起的直径变形率与平均值的比值从1.1增加到1.9;(2)隧道从浅埋到深埋的过程中,地震动排序结果基本保持不变;(3)PGA为2 m/s^(2)时,隧道地震响应与基岩面峰值速度(PBV)的相关性最好,相关系数达到0.94,其次是与基岩面峰值位移(PBD)和I_(A),相关系数分别为0.62和0.48,相关性最差的是基岩面峰值加速度(PBA)和CAV,相关系数仅为0.37和0.22.研究结论可为今后软土隧道的输入地震动选择提供科学依据.

考虑空间变化的输入地震动的人工模拟方法研究进展

本文介绍了考虑空间变化的输入地震动的两类人工模拟方法,首先介绍了通过地震动随机振动场的功率谱密度或者是反应谱,同时考虑地震动空间变化模型来合成地震动的直接模拟法及其研究进展,然后介绍了根据已有的天然波,提取其相关信息同时考虑地震动空间变化模型来合成地震动的条件模拟方法及其研究进展,最后从工程应用的角度介绍了地震动空间变化的结构效应。

输入地震动维数对FPB隔震曲线桥地震反应的影响

为了研究摩擦摆支座隔震曲线桥梁地震反应的空间耦合效应,分析了输入地震动维数对摩擦摆支座隔震曲线桥梁地震反应的影响。基于空间有限元方法,采用能考虑动轴力影响的多维耦合FPB恢复力模型,以一座2联6跨的预应力混凝土连续箱梁桥为例,输入3条强震记录,分别进行了一维、二维及三维地震动下的非线性时程反应分析及其对比分析。结果表明:输入地震动维数引起的耦合效应对隔震曲线桥梁的地震反应有重要影响;输入地震维数对支座的力-位移滞回曲线形状有较大影响;FPB隔震曲线桥的支座位移大小与输入地震动的维数有关。

输入地震动对面板堆石坝坝体加速度放大系数的影响

采用等效粘弹性模型对某面板堆石坝进行了三维动力有限元分析,分别计算了坝体在不同地震设计烈度(峰值加速度为0.1g^0.4g)下面板堆石坝的地震动力反应。结果表明:坝体的峰值加速度随着输入地震动的增大而近似线性增大;但是峰值加速度的放大倍数随着输入地震动的增大而非线性减小。地震峰值加速度变化规律对面板堆石坝的抗震设防具有一定的借鉴意义。

基于推覆分析的输入地震动加速度记录核定准则

反应谱理论的数学模型是平稳高斯随机过程,反应谱法确定的线性地震反应具有统计意义上平均的数学意义。推广到非线性分析,推覆分析得到的目标位移及层位移曲线等物理量同样具有统计意义上平均地震反应的数学意义。由于地面运动的不可预测性及其动力非线性分析结果的离散性,对于标准设防类和重点设防类建筑物,笔者认为核定1,2条使结构非线性行为能满足统计平均意义的地震动记录作为输入地震动是可以接受的。按此设防原理,提出应用推覆分析的层位移或层间位移曲线作为准则来核定输入地震动加速度记录的理论,并成功地应用于超限高层建筑的抗震性能评估中。

结构时程分析法输入地震波的选择控制指标

时程分析法中选择输入地震波的基本要求通常是使所选波的反应谱与设计反应谱在统计意义上相一致，实践中对此要求却常有不同的理解和处理方法。本文以结构底部剪力、顶点位移和最大层间位移为主要反应统计量，对比分析几种选波方案，提出基于规范设计反应谱平台段和结构基本自振周期段的两频率段控制的选波方案。

地震动输入界面的选取对深软场地地震效应的影响

以天津和上海两个典型的深厚软弱场地为研究背景,探讨了地震动输入界面对场地地表地震动参数的影响。对于场地1(天津)和场地2(上海),分别选择7个和8个剪切波速(vs)大小不同的土层位置作为地震动输入界面,并选用Taft、Northridge地震加速度记录和南京人工波作为输入地震动,将Taft波、Northridge波和南京人工波的加速度峰值水平调整为0.35m/s2、0.70m/s2和0.98m/s2,用SHAKE91程序对这两个场地进行了不同的地震动输入界面、输入地震波和峰值加速度水平的128种组合的场地地震反应分析。与从假想基岩面(vs500m/s)输入地震动的结果(假想的实际值)相比,可得到如下结论(1)随着地震动输入界面深度(剪切波速)的增加,场地地表加速度反应谱逐渐地向实际值接近;(2)地震动输入界面的深度相同时,地震动加速度峰值水平越高,两者的加速度反应谱谱值的相对差异也越大;(3)对于一般建筑物,可以把剪切波速为400m/s左右的土层作为地震动输入界面;对于中长周期的建筑物,则应慎重选择地震动输入界面,最好选取vs500m/s2的土层或基岩面作为地震动输入界面。

抗震结构最不利设计地震动研究

在结构的抗震研究和设计中,如何选择实际的地震动记录作为输入一直是地震工程中至关重要的问题之一。首先给出最不利设计地震动的概念、确定原则及方法,然后利用估计地震动潜在破坏势的综合评价法,对四种场地类型分别给出长周期、短周期和中周期结构的国外、我国台湾地区及大陆地区的最不利设计地震动,给出的最不利设计地震动适用于特别重要的结构或地震危险性较高地区结构的抗震分析和研究。另外,根据地震动的潜在破坏势,还给出适用于一般重要性结构或地震危险性较低地区抗震验算的输入地震动。最后,通过工程结构的地震反应分析,初步验证文中所确定的最不利设计地震动的可靠性和正确性。

基于CMS的核电厂安全壳设计地震动确定方法

选取符合核电厂设计要求的输入地震动进行结构动力时程反应分析是保障核电厂抗震能力的重要环节。基于条件均值谱(CMS)的输入地震动选取方法具有既考虑结构自身动力特性又考虑场地地震危险性特征的优点,已经在地震工程相关领域得到应用。以核电厂安全壳结构为研究对象,从概率地震危险性分析出发,以条件均值谱为输入地震动目标谱,给出了核电厂安全壳输入地震动目标谱的计算流程;在国内外选取的18次典型地震的2 480条地震动数据库中,选取了与目标谱匹配良好的40条地震动;再利用epsilon方法在上述地震动数据库中各选取40条地震动,将这两组地震动分别输入安全壳有限元模型中进行动力时程分析,通过对比两种方法顶点的最大位移平均值与标准差,发现CMS方法选取的地震动记录无偏性最好,是一种高效合理的输入地震动选取方法。

近断层地震动考虑能量损伤效应的非弹性强度需求

由于靠近断层处地震地面运动中速度脉冲作用的存在,导致传统的基于瞬时加速度反应谱的抗震设计,不能有效考虑由此带来的巨大能量耗散和位移需求。笔者采用代表性的脉冲型实际近场地震记录和人工模拟三角函数地震动时程,在分析累积输入地震动耗能和结构位移间关系基础上,提出了等效速度比的表达式;给出了近场地震动的等效变形需求表达式;提出了等价延性系数的概念,来考虑由于地震动能量耗散对结构的强度需求;经非线性时程分析方法对其稳定性进行了验证比较,有利于增强结构的安全性。

可移动文物隔震系统的地震动破坏强度排序

为研究不同地震动对可移动文物的潜在破坏能力,本文以可移动文物隔震装置设计中的输入地震动为研究对象,推荐了典型周期的隔震系统输入地震动破坏强度排序.通过引入累积分布函数,并将结构根据周期划分为短、中、长3个频段,在每个周期段内建立典型隔震系统模型,基于隔震系统的非线性地震响应进行地震动破坏强度排序并合理优化,将优化后排序与基于隔震系统自振周期对应的弹性加速度反应谱值排序进行对比.结果表明:对于Ⅰ类场地,短周期模型的两种排序相似性约为75%;对于Ⅱ类场地,3个周期段模型的排序相似性高达90%以上,可以根据加速度反应谱排序定量选取输入地震动;对于Ⅲ类场地,排序相似性低于前两类场地,但对于中长周期隔震系统仍有70%的相似性.因此,基于单自由度弹性加速度反应谱排序结果,可为可移动文物隔震系统设计时选择输入不同破坏强度的地震动提供定量参考.

典型铁路梁桥抗震设计地震动破坏势排序

输入地震动的选取是桥梁抗震分析中的重要环节,不同的输入地震动引起的桥梁结构反应有显著差异。为了对铁路桥梁抗震设计地震动的选择提供定量依据,将“最不利设计地震动”的概念拓展并应用到桥梁抗震领域,研究典型铁路梁桥在不同地震动作用下的结构响应,得到基于结构相应参数的输入地震动破坏能力排序。首先确定了桥梁地震动输入以及评价指标,使用OpenSees对桥墩模型输入大量地震动记录进行有限元分析,通过调幅手段研究幅值与单一参数的关系,并引入颜色映射理论研究幅值与多参数的关系。研究表明:(1)当较低幅值地震动作用在结构上时,结构的地震响应与第一周期反应谱值相关性最好;(2)随着幅值的增加,结构周期增长,地震响应与更长周期反应谱值以及速度、位移参数、持时参数等的相关性会逐步提高;(3)通过动力时程计算并对墩顶位移进行比较,给出了模型在设定地震作用下的排序,结果可为相关桥梁结构的输入地震动选取提供参考。

软夹层埋深对地表地震动参数的影响

本论文主要研究软夹层埋深对地表地震动参数的影响,对于指导建筑结构抗震设计具有重要意义。通过等效线性的方法进行场地地震反应分析,采用迁安波作为输入地震动,对Ⅱ类场地和Ⅲ类场地分别建立软夹层不同埋深的五种模型,计算场地含有不同埋深的软夹层的场地地震反应。对加速度峰值Amax速度峰值Vmax、反应谱峰值Samax位移峰值Dmax、特征周期Tg进行简要分析,进而得出软夹层的埋深对地表地震动参数的影响规律。

基岩地形对地震动影响研究

已有研究成果表明，地震动反应分析中，除输入地震动特征对其有直接影响以外，地表下基岩地形的影响也不容忽视。因为松散覆盖土层与基岩介质的动力特性相差悬殊，基岩地形的变化很容易导致局部场地条件的差异，从而致使同一地震动作用下建（构）筑物震害程度的显著不同。现阶段研究基岩地形对地震动影响的方法主要有数值法和物理模拟法。

地震动方向对海上风力发电机动力响应的影响

叶轮-塔架耦合及气动阻尼作用使得海上风力发电机前后向、侧向动力特性存在差别。针对NREL 5 MW单桩式海上风力发电机,通过理论分析,探讨海上风力发电机前后向与侧向振型、阻尼特性的差异;然后,针对停机和运行两种工作状态,采用气动-伺服-水动-弹性完全耦合方法,分析输入地震动方向影响海上风力发电机结构动力响应的规律,探讨最不利方向;最后,还分析了平均风速对最不利输入地震动方向的影响。结果表明:输入地震动方向可能显著影响海上风力发电机支撑结构泥面弯矩和塔顶位移幅值;对于运行状态,强震作用下,侧向为最不利输入地震动方向,弱震作用下,前后向为最不利输入地震动方向。