近断层地震动引起的公路桥梁车桥分离现象的统计分析

近年来,随着我国人均汽车保有量的增加,国内交通密度增大,交通拥堵加剧,再加上重卡超载现象越来越严重,机动车辆荷载对中小跨径桥梁的影响显著增大,也提高了地震发生时桥上有车的概率;另一方面,近断层地震动具有显著的竖向效应,已有震害表明车辆与桥梁在较强的竖向地震动作用下容易产生车桥分离或碰撞的现象。因此,考虑近断层地震动作用下车辆对桥梁动力响应的影响将有助于准确评估桥梁的抗震性能。文章以一座典型的3跨连续梁桥为工程背景,采用考虑车辆与桥面动态接触或分离的模型对实际近断层地震动作用下的车桥耦合系统的动力响应进行统计分析,研究车辆对桥梁的动力放大作用、车桥分离现象及其影响规律。结果表明,在车桥不分离的情况下,考虑车辆影响在80%的工况下会减小桥梁的竖向位移响应,但随着竖向PGA的增大,车辆对桥梁的动力作用逐渐趋于不利;其次,车桥之间的动力相互作用可能导致不止一次的车桥分离,最大接触力在大多数情况下发生在首次分离与二次分离之间,最大可能达到车辆重量的7.9倍,会对桥面局部受力产生极其不利的影响,且车桥分离的时间随着车辆竖向频率的增大而增加,但这种现象与地震动的竖向PGA没有直接关系,对桥梁的竖向位移响应影响也不大。

近断层地震动作用下浅埋综合管廊地震易损性研究

为准确评估近断层地震动作用下浅埋综合管廊的地震损伤,利用ABAQUS建立土-结构整体有限元模型,以综合管廊层间位移角最大值为损伤指标,基于IDA方法进行结构地震易损性分析,重点考察近断层地震动强度指标和场地土特性对综合管廊抗震性能的影响。结果表明:近断层地震动加速度型指标的离散性最小,建议选取加速度型指标PGA、Sa作为地震动强度指标;以有限元计算数据为样本,采用BP神经网络可高效预测综合管廊结构的地震损伤,PGA、Sa及土体剪切模量对综合管廊地震易损性分析的影响较大,随着土体剪切模量的增大,超越概率逐渐减小,同时,LS、CP状态的超越概率变化范围要明显大于OP、IO状态;考虑PGA和Sa双参数更能准确反映不同地震动参数对结构损伤的影响,而仅考虑PGA或Sa单参数有可能高估结构的损伤程度。因此,对综合管廊等浅埋地下结构进行地震易损性分析时,建议综合考虑PGA和Sa的影响。

近断层地震动作用下多塔超高层建筑地震易损性分析

近断层地震动是一类含有高能速度脉冲的特殊地震动,其周期长、破坏性强、能量集中。多塔超高层建筑相比单塔超高层受力更加复杂,自振周期更长,速度脉冲能量更易输入结构,且可能对各塔造成较大的响应差异,但针对此类特殊情况抗震规范并未出台相应条文。对此,以一个三塔超高层建筑为例,以多种近断层、非近断层地震动,及高能速度脉冲为地震动输入,利用大型有限元软件进行地震时程分析,并以层间位移角和最大位移为主要分析对象,对主塔副塔结构进行地震易损性分析。结果表明:算例结构在各种地震动作用下,均可以满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”要求;但近断层地震动对于结构产生的响应远大于非近断层地震动;比较各种损伤状态的损伤概率,近断层地震动较非近断层地震动平均上升11.79%。进一步分析其中高能速度脉冲发现:速度脉冲是造成近断层地震动对结构损伤的重要因素,较小的速度脉冲就有可能对主塔产生较为严重的结构损伤。

基于ICEEMDAN的近断层地震动识别方法改进

近断层地震动严重威胁重要结构的安全,然而地震动波形复杂导致近断层地震动识别困难,经典Baker识别方法因采用小波技术,而存在母小波与潜在脉冲差异过大,致使识别产生误差。针对该问题,利用具有自适应噪声的完全集成经验模式分解(ICEEMDAN)对Baker方法进行改进,改进方法利用白噪声对信号分解过程进行辅助,从而增强了信号分析方法对地震动这类复杂信号的应对能力。为提高改进方法的识别效率和质量,对太平洋工程抗震中心数据库中的3 655条地震动进行识别。结果表明,由于ICEEMDAN技术的加入改进后的地震动识别方法共识别出192条近断层地震动,比经典Baker方法则识别出的163条近断层地震动多识别出17.79%的近断层地震动。为进一步探讨识别出的近断层地震动的近断层特性,从地震反应谱和地震损伤入手进行分析,两种方式获得近断层地震动反应谱长周期反应剧烈、峰值周期高,有明显的近断层特征;在地震损伤方面,以一典型钢管混凝土拱桥为案例,对两种方式识别出的近断层地震动及远场地震动进行地震响应计算。结果表明,两种方法获得的近断层地震动有着极为相似的地震损伤规律,且均较远场地震动的损伤有明显的增加。综上,两种方法识别出的近断层地震动均有明显的近断层特性,而基于ICEEMDAN技术的改进方法增加了17.79%的近断层地震动数量,将ICEEMDAN技术引入可以利用该技术较强的鲁棒性,从而对波形较为复杂的速度脉冲进行识别,进而在不降低近断层地震动识别质量的前提下,提升Baker识别方法的识别效率和准确性。

近断层地震动的一种随机模型及其参数识别

近断层脉冲型地震动是一类特殊的破坏性地震动,但此类地震动记录数量匮乏,难以满足近场工程结构抗震分析需求。本文首先从PEER强震数据库中选取典型近断层脉冲型地震动记录,形成近断层脉冲型地震动数据库。然后,将基于小波包变换的随机地震动模型与速度脉冲模型相结合,建立了一种考虑竖向分量的脉冲型地震动随机模型。在此基础上,利用非线性规划方法进行了模型参数识别,并选取走滑断层和逆断层地震动记录各一条,将实际地震动与模拟结果进行对比,验证了模型有效性。结果表明:本文模型可对近断层区域的水平向及竖向地震动进行有效模拟,文中给出的模型参数识别方法可在时域上和频域上均获得与目标地震动相匹配的结果。

近断层地震动下减隔震连续梁桥向量型强度指标选取

强度指标是描述地震动特性及对结构反应影响的重要指标,在性能抗震设计框架下则构成了联系地震动水准和结构反应的量化参数。目前对具有速度脉冲特性的近断层地动的强度指标的研究仍有限。本文以某减隔震连续梁桥作为研究对象,基于OpenSees有限元软件建立三维分析模型,通过输入40条典型近断层地震动,得出算例需求参数DM(支座滞回能、桥墩滞回能、总输入能、墩顶漂移率、支座位移和主梁位移),然后通过线性回归分析对常见的23种强度指标和需求参数进行相关性分析,以可决系数R^(2)大小作为标准,建议Housner谱烈度(HI)可作为单一近断层地震动强度指标的最优选择。进而考虑向量型强度指标,以方差膨胀系数VIF作为标准,以解决参数间的多重共线性;随后,分别以峰值速度(PGV)和HI作为主变量,进行两组多元线性回归。结果表明,HI和峰值位移(PGD)适用于减隔震连续梁桥抗震性能评估,且较好表征近断层地震动的最优向量型强度指标。

近断层地震动作用下易液化深厚覆盖层场地上高土石坝动力响应

我国水能资源丰富的西部地区,河床覆盖层深厚、靠近发震断裂带等问题难以避免,软弱土层受震液化是土石坝地震安全评价主要内容之一。针对建在含有易液化夹层的深厚覆盖层上的高沥青混凝土心墙土石坝,提出了可同时考虑动孔压和永久变形累积发展过程的改进孔压-变形耦合有效应力分析(improved effective stress,IES)方法,开展了近断层脉冲和非脉冲地震动作用下,软弱土层液化特性及对其上沥青混凝土心墙土石坝响应影响研究,揭示了近断层地震动的脉冲特性对土层液化的触发影响机制,论证了忽略孔压的总应力法相对于考虑孔压的有效应力法在计算液化和坝体加速度响应的误差,分析了地震动的脉冲特性、孔压对坝体竖向永久变形累积发展过程的影响。结果表明:总应力法所得液化区和有效应力法相比虽然位置相同,但分布面积却远大于有效应力法;脉冲特性使得软弱土层多数特征点的孔压在短时间急剧上升,触发液化迅速;动孔压使得坝顶和坝底加速度相对于不考虑孔压情况有20%~30%的减小;脉冲型地震动作用下,动孔压使得坝顶沉降量最大增大35%,竖向沉降发展过程在脉冲期有明显的激增,对坝体抗震安全稳定性构成了严重的威胁。

近断层地震动下摇摆-自复位桥墩连续梁地震反应

为讨论近断层地震动下摇摆-自复位(Rocking Self-Centering,RSC)桥墩连续梁的地震反应及其抗震优缺点。基于OpenSees有限元分析平台讨论了RSC桥墩三维建模方法,通过对6个试验构件的模拟,比较模拟与试验桥墩滞回曲线、预应力筋最大应力等指标,验证了模型准确性。建立设置RSC桥墩和普通钢筋混凝土(Reinforced Concrete,RC)桥墩的上部结构相同的两座连续梁桥,输入3组含有强速度脉冲的近断层地震波进行非线性动力时程分析,对比其抗震性能。结果表明:在0.4 g近断层地震动下,RSC桥墩与普通RC桥墩相比,RSC桥墩的最大位移角为普通RC桥墩的78.1%~97.6%,墩底曲率延性系数仅为普通RC桥墩的24.0%~34.0%,减小了桥墩的最大变形,也减轻了桥墩地震损伤,不利的一点是使用RSC桥墩会导致支座位移增大。RSC桥墩震后的残余位移较小,且预应力筋处于弹性受力阶段,为实现震后桥梁功能的快速恢复提供了条件。

利用谱元法研究震源参数对于近断层地震动上盘效应的影响

国内外已有诸多学者基于强震记录或数值模拟方法开展了近断层地震动的上盘效应分析,并获得了初步的认识,但上盘效应随震源参数的变化规律仍有待深入探讨。本文使用运动学有限断层震源模型,运用高精度谱元法模拟逆断层破裂模式下近断层区域地震动,对比上、下盘地震动差异进而分析近断层地震动上盘效应。通过改变单一震源参数,研究断层上界埋深、震级大小以及断层倾角对地震动上盘效应的影响规律。研究结果表明:(1)使用运动学有限断层震源的谱元法数值模拟可以较好地反映近断层上盘效应;(2)上盘效应随测点到断层上界在地表投影的水平距离Rx的增加先增大后减小,最终趋于稳定。(3)上盘效应随断层上界埋深的增加先增大后减小,且随着断层上界埋深的增加,上盘效应峰值区会向远离断层破裂迹线的方向扩展。(4)上盘效应受矩震级影响较小,但总体随矩震级的增大而增大;上盘效应峰值区到断层破裂迹线的距离不随矩震级的变化而变化。(5)随着断层倾角的增加,上盘效应先增大后减小,当断层倾角为45°时上盘效应最为明显;随着断层倾角增加,上盘效应峰值区会向远离断层破裂迹线的方向扩展;当断层倾角为90°时不存在上盘效应。

近断层地震动作用下平面不规则结构双层隔震体系抗震性能分析

为探究平面不规则建筑采用双层隔震体系受水平方向近断层地震动影响时的抗扭情况,对某一12层平面不规则框架结构模型,考虑中间隔震层位置不同的影响,使用SAP2000有限元软件建立三种不同的双层隔震体系模型,即三层、六层、九层隔震体系,并与基础固定模型和传统基础隔震模型相对比,以X和Y两个水平方向对结构输入两种类型的近断层地震波进行数值模拟,分析结构输出的各种与抗震性能相关的动力响应参数。结果表明:五种模型中,三层隔震体系能使结构的自振周期增加1.8倍,且周期比更小;三层隔震体系的层间剪力最小;三层隔震体系可有效减小结构的层间位移角;三层隔震体系对平面不规则结构楼层加速度控制能力优于其他模型;三种双层隔震体系的扭转位移比均远小于基础固定模型,其对小跨度方向扭转位移比的控制更明显;三层隔震体系相比于其他模型具有更好的抗震性能且布置时应注意中间隔震层的参数选择。

近断层地震动作用下黏滞阻尼器的减震研究

为研究近断层地震动对减震建筑的抗震性能和结构设计带来的影响,本文通过介绍黏滞阻尼器的研究现状和减震分析,简单阐述近断层地震动的定义以及其运动特性,并以4条近断层速度脉冲型地震动输入到ETABS建立的减震模型和非减震模型中进行时程分析,从顶层位移时程曲线、顶层加速度时程曲线、底层剪力时程曲线以及减震结构中黏滞阻尼器的滞回曲线等角度分析黏滞阻尼器的减震效果。研究结果表明:1)减震结构的地震反应小于非减震结构,黏滞阻尼器可以减小近断层速度脉冲型地震动;2)设置黏滞阻尼器可以提高建筑结构的抗震性能。本文研究结果可为今后的建筑结构减震设计提供一定的参考。

考虑脉冲参数随机性的近断层地震动降维建模

根据50组近断层脉冲型强震动记录,采用连续小波变换提取最强速度脉冲分量,建立最强速度脉冲峰值时刻的统计模型。对近断层地震动加速度高频分量的演变功率谱模型参数进行识别,并利用谱表示-随机函数方法实现了降维模拟,进而积分得到速度高频分量。对脉冲参数进行随机化处理,并采用改进Gabor小波模型随机模拟速度低频分量。将速度高频分量与低频分量叠加得到近断层地震动速度时程。数值算例表明,近断层地震动加速度代表性时程集合的幅值谱和反应谱均与实测记录拟合一致,验证了降维模拟方法的工程适用性。近断层脉冲型地震动的降维模拟与概率密度演化理论相结合,可实现工程结构的随机地震反应与抗震可靠性精细化分析。

近断层地震动特性研究综述

由于近断层地震动对结构的影响比普通地震动的影响大,近断层地震动特性及其影响引起各国学者的广泛关注.通过对近断层地震动的定义与近断层地震动的脉冲特性等相关研究进行归纳总结,梳理近断层地震动对结构地震需求及抗震性能的影响,明确近断层地震动在结构抗震分析中的模拟方法及关键问题.

近断层地震动的基本特征

本文对近断层地震动的基本特征作了详细分析,这些基本特征主要包括近断层强地震动的集中性、地表破裂、地面永久变形、破裂的方向性效应、近断层速度大脉冲和上盘效应。这些特征虽然在一次地震中不一定同时出现,但它们是已经被强震观测资料和数值模拟证实了的,在模拟和预测近断层地震动时,必须充分考虑这些特点,合理的近断层地震动模拟或预测模型和方法应当在结果中再现这些特点。

近断层地震动作用下长周期结构的地震动强度指标

选取国内外13次地震的26个近断层地震动记录,研究适用于长周期结构的地震动强度指标.采用时程分析法计算了自振周期3.0～8.0 s的单自由度结构的加速度、速度和位移响应,研究了峰值加速度、均方根加速度、峰值速度、均方根速度、峰值速度与峰值加速度比、峰值位移和均方根位移与这些响应最大值的相关性.在此基础上以宿迁某高层隔震建筑为对象,进一步考察实际长周期结构的最大地震响应与地震动强度指标的相关性.研究结果表明:不同地震动强度指标与长周期结构最大响应的相关性差别很大,加速度型地震动强度指标的相关性最差,速度型强度指标随着结构周期的增加其相关性愈差,位移型强度指标随着结构周期的增加其相关性愈好.相比峰值加速度和峰值速度强度指标,近断层地震动作用下长周期结构时程分析时,选择位移型地震动强度指标用于选择和调整地震动输入更为合理.

近断层地震动下减隔震桥梁地震反应分析

为了解采用减震榫和拉索限位器的连续梁桥在近断层地震动下减震系统的减震效果,以1座(40+64+40)m高速铁路预应力混凝土连续梁桥为背景,采用结构分析软件SAP2000建立了考虑邻梁碰撞效应的动力弹塑性计算模型,通过输入具有速度脉冲特性的近断层地震动和无速度脉冲地震动进行非线性时程反应分析。结果表明:在具有速度脉冲效应的近断层地震动下,采用减震榫和拉索限位器的组合减震系统可以起到较好的减震效果,其减震率可以达到60%以上;具有速度脉冲效应的近断层地震动对减震桥梁会产生更强烈的地震反应,也更容易引起邻梁碰撞,忽略碰撞效应将会高估减震效果。

近断层地震动运动特征对长周期结构地震响应的影响分析

选择台湾集集近断层地震动记录作为地震动输入,系统考察了近断层地震动破裂方向性、上盘效应、脉冲效应等运动特征对双线性单自由度体系、长周期隔震建筑和斜拉桥结构地震响应的影响。计算结果表明,脉冲型地震动对结构的效应随双线性单自由度体系的初始自振周期增大而变大,在长周期段结构的脉冲效应最显著;地震动破裂方向性和上盘效应对单自由度体系位移需求的影响与体系周期有关。对于隔震建筑和大跨度斜拉桥等长周期结构,近断层地震动破裂方向性对结构的效应较显著;上盘效应对长周期结构的影响明显;地震动的速度脉冲运动特征总的来说放大了结构响应。

近断层地震动方向性效应对混凝土重力坝累积损伤特性的影响

随着人们对近年来发生的强地震动研究,发现近断层地震动方向性效应所包含的长周期、短持时速度大脉冲对结构安全性具有重要影响。文中选取3次强震事件中的28条实测地震动记录,利用可以考虑混凝土软化特性并能反映实际损伤耗能的混凝土塑性损伤本构模型,对近、远断层地震作用下混凝土重力坝损伤累积破坏效应进行了非线性动力仿真分析,根据大坝损伤开裂及其发展特征,建立大坝局部与整体损伤累积破坏指标,对比分析近断层破裂向前方向性效应与远断层地震动对大坝损伤累积破坏的影响。结果表明:近断层地震动方向性效应包含的速度大脉冲对大坝损伤累积破坏具有着显著的影响,大速度脉冲作用导致较大的损伤累积破坏,在重力坝抗震设计中应予以重视。

近断层地震动下的高速铁路桥梁减震设计

在"功能分离"设计理念基础上,提出减震榫与拉索限位器组合的高速铁路桥梁减震方案,通过减震榫的屈服耗能作用减小桥梁的地震响应,通过拉索限位器控制减震榫的过大变形和防落梁,给出减震榫和拉索限位器在多遇地震、设计地震和罕遇地震下的设计准则和设计方法。以1座高速铁路连续梁桥为例,研究在具有向前方向性效应、滑冲效应和无速度脉冲效应的近断层地震动下,采用组合减震方案桥梁结构的抗震性能。结果表明:仅采用减震榫的桥梁在速度脉冲型近断层地震作用下可能因减震榫变形过大而不安全;加设拉索限位器后,能有效地控制减震榫的变形及墩梁的相对位移,起到了较好减震效果,其减震率在60%以上。

近断层地震动破裂向前方向性与滑冲效应对典型地铁车站结构动力响应的影响

以台湾集集地震的近断层地震动记录TCU051-EW、TCU052-EW、TCU054-EW、TCU068-EW、TCU068-NS、TCU082-EW作为输入,使用有限差分程序FLAC对北京市拱形断面结构形式的单层三跨典型地铁车站进行了水平向弹塑性动力时程分析,研究了近断层地震动破裂向前方向性与滑冲效应引起的两种不同形式地震动对典型地铁车站结构动力响应的影响。计算结果表明:虽然破裂向前方向性效应与滑冲效应的输入地震动峰值加速度设置相同,但由滑冲效应地震动引起的结构相对水平位移差、峰值加速度及地震应力明显大于由破裂向前方向性效应地震动引起的结构相对水平位移差、加速度及地震应力,滑冲效应地震动较向前方向性效应地震动对地下结构的破坏更具危害性;输入破裂向前方向性效应近断层地震动时,拱形中跨顶板中部、边跨拱形顶板中部及中柱上端的水平方向加速度峰值均大于结构底板及中柱下端、底板中心等部位水平方向加速度峰值,即破裂向前方向效应地震动对结构上端的加速度反应特性具有放大作用,而输入滑冲效应近断层地震动时,结构上端水平方向加速度峰值却均小于结构下端水平方向加速度峰值,即滑冲效应地震动对结构上端的加速度反应特性具有减小作用,意味破裂向前方向性效应地震动造成结构上端动力响应较大,而滑冲效应地震动会使得结构底部动力响应较大。