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。

近断层速度脉冲型地震动特征周期的估计与调整

基于美国NGA数据库,在断层投影距小于25 km范围内挑选了1387条地震加速度记录,分别按照断层距和场地条件进行分组,对近断层速度脉冲型地震动的频谱特性、特征周期,及其与断层距、震级的相关性予以分析。结果显示:①出现速度脉冲型地震动的比例与断层投影距之间存在明显的线性相关关系,但其与震级的变化不相关;②地震动速度脉冲周期与震级之间存在强相关;③对于近断层速度脉冲型地震动,采用动态变化的加速度和速度反应谱峰值周期进行特征周期的计算,更加符合真实情况;④地震动速度脉冲有放大地震动特征周期的作用,水平向放大的比例与竖向相当,且放大作用与场地条件相关,在较硬场地上放大较多。本文基于上述近断层地震动的统计分析结果,对现行抗震设计规范中定义的特征周期提出了适合于工程应用的调整系数,并建立了速度脉冲周期与震级之间的关系模型,分析结果显示二者的拟合效果较好。

近断层速度脉冲型地震动相关问题研究

近断层速度脉冲型地震动研究对揭示建筑结构的破坏机理、开展抗震设防以及抗震设计具有重要价值。首先,对速度脉冲成因进行了系统的总结,并探讨了区分方向性效应速度脉冲和滑冲效应速度脉冲的思路;其次,系统地介绍了近断层速度脉冲的识别方法,评述了各种脉冲识别方法的优缺点;然后,基于速度脉冲特性,探讨了前方向性效应对速度脉冲特性的影响以及速度脉冲对反应谱的放大作用;最后,对速度脉冲型地震动输入方法以及对结构响应研究进行了系统总结,探讨了速度脉冲型地震动输入的关键问题。基于丰富的理论研究,未来对于速度脉冲型地震动研究工作应当充分结合实际工程需求,推进理论成果的规范标准化与工程实践。

近断层速度脉冲型地震动识别方法研究综述

速度脉冲型地震动对近断层区域工程结构有特殊的破坏作用,是造成近断层区域震害的主要影响因素之一.开展近断层速度脉冲型地震动研究对揭示近断层区域工程结构的地震破坏机理、开展抗震设防以及抗震设计具有重要价值.速度脉冲的有效识别是关键环节,主要历经定性、半定量、定量的过程.其中定量识别方法具有可重复性、可批量处理等优点,越来越受到广泛认可和应用.然而目前定量速度脉冲识别方法尚未有统一的、明确的判别原则.本文从识别条件、基本原理、关键步骤、应用范围等方面系统总结并详细介绍了目前国内外常用的三类定量速度脉冲识别方法,即基于连续小波变换的速度脉冲识别方法、基于能量的速度脉冲识别方法以及多速度脉冲定量识别方法,并推荐了这三类方法中的代表方法,分析了其优缺点.分析指出速度脉冲识别方法的不同,本质是速度脉冲主要特征波形的提取手段以及量化的判别标准的不同.各种方法都有自身的优势,但由于速度脉冲记录波形的不稳定性,没有任何一种方法可以达到百分之百的识别率.此外,现有的定量识别方法都是基于信号处理方法和脉冲特性基本原理,并未考虑速度脉冲产生机制.因此需要综合上述三点来综合判别速度脉冲,形成完善的脉冲判别体系.最后,探讨了定量的速度脉冲识别方法进一步提升的关键问题和研究重点.

近断层脉冲型地震动下调谐黏滞质量阻尼器减震结构易损性分析

选择典型脉冲型近断层地震动记录分别对一安装有调谐黏滞质量阻尼器(tuned viscous mass damper,TVMD)、黏滞阻尼器(viscous damper, VD)和无阻尼器的6层3跨钢框架结构进行增量动力分析,进而基于增量动力分析结果得到3种结构不同损伤状态的易损性曲线。易损性分析结果对比表明:随着惯容单元的引入,减震结构可靠性显著提升;相较于相同阻尼的VD,TVMD可以更有效地提升结构的抗震性能,减小结构在不同损伤状态下的失效概率。随着质量比的增加,TVMD减震结构在不同损伤状态下的失效概率减小,TVMD对结构性能状态的提升不会随非线性的增加而减小,且在结构经历弹性、弹塑性直至倒塌的整个过程中减震控制性能发挥稳定。进一步选取3组不同脉冲周期的近断层地震动记录对三种结构进行时程分析,讨论TVMD在不同脉冲周期近断层地震动下的减震控制效果。结果表明,在近断层脉冲型地震动作用下,TVMD并不都会实现阻尼单元“阻尼增效”,阻尼器的性能发挥与地震动的特性有关。相较于VD,当T_1/T_p≥2时,TVMD可以更好地减少结构能量输入但其能量耗散效率低于VD,不能实现“阻尼增效”;当T_1/T_p <2时,TVMD可以减小结构残余位移,具有更优的减少能量输入和增大能量耗散效率的双重效应,体现了惯容的“阻尼增效”。

近断层脉冲型地震作用下大跨拱桥动力响应分析

为了研究近断层脉冲型地震动的速度脉冲特性和参数对大跨拱桥动力响应的影响规律,首先引入分解叠加(record-decomposition incorporation,RDI)法合成人工近断层脉冲型地震动,对比研究了不同等效脉冲模型的准确性,进而优化和验证了合成方法;然后以某大跨拱桥为工程背景,采用优化后的RDI方法合成了具有不同参数特征的人工近断层地震动,探讨了脉冲成分与残余分量对拱桥动力响应的影响机制;最后研究了不同脉冲参数对拱桥动力响应的影响规律。研究表明:优化后的RDI合成方法能有效模拟原始近断层脉冲型地震动,并得到具有不同脉冲参数的人工地震动;近断层地震记录的高频成分对拱桥结构动力响应具有显著的不利影响;随着脉冲幅值的增大,向前方向性效应和滑冲效应对拱桥动力响应的影响均明显增大;随着脉冲周期的增大,两种脉冲效应对拱桥动力响应均有显著的不利影响;对于脉冲个数的影响,双向脉冲的近断层地震动相比多向脉冲会引起拱桥更大的面内响应。

近断层脉冲型随机地震动模拟方法及结构动力可靠度研究

以集集脉冲型地震动记录为数据集建立了一种改进的参数化近断层脉冲型随机地震动模型.首先,采用MP03模型和人工蜂群算法从实际地震动记录提取低频脉冲部分,建立随机低频脉冲模型;采用谱表示-随机函数法生成高频部分,二者叠加生成近断层脉冲型随机地震动.然后,采用蒙特卡罗模拟(MCS)法和直接概率积分法(DPIM)分别研究非线性单自由度体系和高层框架结构在不同类型地震动作用下的动力可靠度.结果表明:DPIM与MCS法计算结果相比基本吻合,但计算效率得到较大提升,可以很好地用于非线性结构的时变可靠度研究;脉冲型地震动与非脉冲型地震动相比能够对结构造成更大的变形,极大降低了结构的可靠度,且近断层距越小影响越显著,低频脉冲是使结构可靠度降低的主要因素,而高频部分对结构可靠度的影响较小.

近断层脉冲型地震作用下连体结构地震反应特征与易损性分析

近断层脉冲型地震作用对工程结构破坏作用较强,连体结构传力机制复杂,研究其在脉冲型地震下的抗震性能至关重要。利用SAP 2000有限元软件建立了连体结构数值模型,研究了其在近断层脉冲型与非脉冲型地震动作用下的结构响应特征,基于增量动力分析法研究了其在两种类型地震动作用下的结构易损性,进而评价了其在脉冲型地震作用下的安全性。结果表明:与非脉冲型地震作用相比,脉冲型地震动作用下连体结构的楼层峰值加速度、最大层间位移角、基底剪力明显较大,平均差异分别可达77%、131%及94%;脉冲型地震作用下连体结构对应各级极限状态的超越概率明显较大,尤其极限状态LS5对应的超越概率差异最为显著。此外,脉冲型地震动作用下的连体结构基本满足“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标。但是地震动脉冲特征对连体结构的不利影响仍然值得关注。

近断层速度脉冲型地震动作用基础隔震建筑位移反应分析

以4层、9层和14层3个基础隔震结构为计算模型,选取了3条向前方向性效应速度脉冲及3条滑冲效应速度脉冲地震动记录,并以这些速度脉冲型地震动的弹性反应谱作为目标谱分别合成6条无速度脉冲的地震动时程样本,对比分析了在有、无速度脉冲的地震动激励下基础隔震结构的位移反应.探讨了地震动的速度脉冲对基础隔震结构位移反应的影响,并详细分析了两类不同产生机制的速度脉冲对基础隔震建筑结构地震位移反应的影响差异.研究结果表明,速度脉冲使基础隔震结构位移反应明显增大,对于中低层基础隔震建筑的位移反应滑冲效应速度脉冲的影响更大一些,而向前方向性速度脉冲对高层建筑位移反应影响更大,滑冲效应速度脉冲使得结构底部变形更大,导致结构可能发生底层倒塌破坏.

近断层速度脉冲地震动引起的边坡永久位移预测模型

基于小波分析方法,从NGA数据库的3 551条地震记录中选取189条速度脉冲地震动,地震动均转换成发生最强脉冲的方向。基于Newmark方法,分析了近断层速度脉冲地震动作用引起的边坡永久位移值。结果表明:近断层速度脉冲地震动对边坡产生特殊的破坏作用,表现在滑动位移值大、滑动体破坏力强等方面;边坡永久位移值与速度脉冲地震动的峰值速度具有高度相关性,位移值较大时尤为明显。建立了基于单变量形式的峰值速度及双变量形式的峰值速度、峰值加速度两种边坡永久位移预测模型,模型简单实用,与回归数据具有很好的相关性,前者更适用于预测对实际工程影响较大的永久位移值,且离散性较小。提出的预测模型为考虑近断层地震动速度脉冲特性影响的边坡永久位移值的概率地震灾害分析提供了基础。

近断层脉冲型地震动作用下考虑波动效应的梁桥破坏分析

在近断层地震动激励的初始阶段,输入地震动从结构底部以波动形式向上传播,然而波动效应对近断层脉冲型地震动作用下梁桥结构地震破坏过程的影响特征尚不明确。为此,利用数值分析方法对某三跨梁桥在近断层脉冲型地震动作用下考虑波动效应的破坏过程、破坏机理开展研究。研究结果表明,在近断层脉冲型地震动作用下,墩柱底部截面曲率发展较合理,梁桥墩顶支座抗震能力较强,梁桥桥台处容许剪切位移是桥梁结构的抗震弱点,因此,在近断层地区的梁桥桥台抗震措施设计中应保证具有充足的容许剪切位移。

考虑脉冲效应的近断层地震动能量谱研究

基于能量的设计方法被广泛应用于结构抗震设计与性能评估,而确定结构能量耗散需求是设计过程中需解决的首要问题。目前针对近断层脉冲型地震动能量谱特征的研究仍然不够充分,很可能低估其对结构的破坏作用。为此,从PEER(Pacific Earthquake Engineering Research Center)强震数据库中选取了789条近断层地震动作为输入,并从中识别出192条脉冲型地震动,重点分析了近断层脉冲型地震动与无脉冲地震动的能量谱差异,研究了地震动特征参数及恢复力模型参数对能量谱的影响,并建立了考虑脉冲效应的近断层地震动实用设计能量谱。结果表明:(1)场地越软,近断层地震动能量谱谱值越大,且各类场地下脉冲型地震动能量谱平均谱的谱值明显大于无脉冲地震动;(2)阻尼比ξ增大对输入能量谱具有削峰作用,并减缓其长周期段的衰减速度,延性比μ增大会提高输入能量谱及阻尼耗能谱峰值,并降低滞回耗能谱峰值,屈服后刚度比α对能量谱影响较小,可近似忽略其影响;(3)脉冲型地震动的输入能量设计谱平台段长度远大于无脉冲地震动,所建立的设计能量谱可为近断层区域基于能量的抗震设计提供参考。

近断层地震动作用下土石坝加速度分布研究

近断层地震动较远场地震动具有频率高、速度快、能量更加集中的特点,在短时间内会释放大量能量,对工程结构具有严重危害。规范提供的加速度分布系数不适用于高度超过150 m的大坝,随着技术不断进步,我国超过150 m的土石坝越来越多,规范已不能满足现有需求。基于中国台湾集集近断层地震动记录,建立随机脉冲型地震动模型,分别对高度为40 m、70 m、150 m和200 m的土石坝进行随机动力分析,研究坝体的动态分布系数。结果表明,近断层地震动的低频速度脉冲使坝体的加速度反应谱有较宽的敏感段,易覆盖坝体自振周期,显著增加坝体的加速度。该研究通过总结近断层区域土石坝的加速度分布规律,建议了近断层脉冲型地震动区域的土石坝坝体动态分布系数,为近断层高地震风险情况下土石坝的抗震理论和方法提供参考。

速度脉冲型地震动作用下局部可液化场地响应

为研究速度脉冲效应对可液化场地的影响,基于OpenSees平台建立有限元模型,对近断层速度脉冲型地震动与无速度脉冲地震动作用下局部可液化场地的竖向位移、加速度时程、土体剪应力-应变、超孔隙水压力比、循环应力比等土体的响应差异进行研究。数值计算结果表明:相同输入地震动幅值前提下,无脉冲地震动作用下可液化土体的竖向永久位移与位移发展持时平均值比速度脉冲型地震动作用分别大13%、19%;而速度脉冲型地震动作用下土体最大剪应变是无速度脉冲地震动的约5.4倍,最大剪应力约1.7倍;速度脉冲效应使土体的剪应力-剪应变滞回圈所围面积更大但滞回圈数量较少,且不同深度土体具有更大的循环应力比,从而促进土体发生液化;非液化密砂层放大地震动加速度幅值;液化松砂层对地震加速度时程进行了高频滤波,使地表加速度时程更为平滑且稀疏;速度脉冲效应作用下液化土层超孔隙水压力比整体较小,表明土体剪胀效应更加强烈。

基于小波方法分析汶川地震近断层地震动的速度脉冲特性

选取断层距小于200km的64组强震记录数据,基于小波方法分析汶川地震近断层速度脉冲的地震动特性,并将此次地震中获取到的速度脉冲周期和幅值参数与Chi-Chi地震和Northridge地震进行了比较,统计分析地震震级、距离对速度脉冲的周期和幅值参数的影响.研究表明:(1)汶川地震近断层速度脉冲具有周期长、幅值小的特点.速度脉冲周期主要分布在6～14s之间,其中51MZQ台沿平行断层的分量脉冲周期最大为14.2s,速度脉冲幅值与Chi-Chi地震和Northridge地震相比明显偏小.(2)速度脉冲记录出现在沿着地震断层破裂传播的方向上,且与地表断裂的距离都在30km以内,这些长周期速度脉冲的形成可能主要由破裂传播的向前方向性效应引起.(3)速度脉冲的周期随矩震级呈对数线性增大,且随断层距增大有减小趋势.在矩震级小于Mw7.5时,观测到的地震动脉冲幅值为50～150cm/s之间,与100cm/s的典型断层滑动速率非常接近;而震级大于Mw7.5时,断层距10km范围内脉冲的幅值已经超过100cm/s,个别记录的脉冲幅值甚至达到200cm/s,远超过前人给出的饱和值,这可能与大的永久形变或该处土层介质条件有关.

近断层脉冲型地震动作用下隔震结构地震反应分析

隔震结构在远震场地减震效果良好,但是近断层地震动的明显的长周期速度和位移脉冲运动可能对隔震建筑等长周期结构的抗震性能和设计带来不利影响,需要深入探讨。本文首先讨论近断层地震动的长周期脉冲运动特征,然后以台湾集集地震8条典型近震记录和其它4条常用近震记录以及4条远震记录作为地震动输入,对两幢安装铅芯橡胶隔震支座的钢筋混凝土框架隔震结构进行非线性地震反应时程分析,通过比较探讨了算例计算结果,定量说明隔震结构的近震脉冲效应显著,是隔震设计不容忽视的问题。

近断层脉冲型地震动作用下高墩连续刚构桥振动台试验研究

为了研究近断层脉冲型地震动对高墩连续刚构桥抗震性能的影响,以某典型高墩连续刚构桥为原型,设计制作了该桥的1/15缩尺试验模型,利用多子台模拟地震动振动台台阵系统,完成了远场地震动和近断层地震动输入下的对比试验,重点探讨了近断层地震动速度脉冲效应及脉冲个数的影响.研究结果表明:高墩连续刚构桥纵向和横向一阶频率均较小,结构地震响应主要以低频成分为主;近断层脉冲型地震动作用下模型桥的地震响应均大于远场地震动作用下模型桥地震响应的2倍,而近断层无脉冲地震动下模型桥的动力响应略小于远场地震动输入时模型桥的动力响应,为其0.76~0.95;速度脉冲效应使高柔的高墩连续刚构桥主梁瞬时产生较大位移响应(最大值为54.8 mm),极易引起主梁端部碰撞和支座破坏,在抗震设计上应引起重视;速度脉冲个数对高墩连续刚构桥地震响应的影响显著,墩顶位移响应脉冲个数影响系数AF_w为1.46~5.54,其中,多脉冲型地震动作用下模型桥的动力响应最大,单脉冲型地震动作用下模型桥的动力响应次之,而双脉冲型地震动引起的结构响应相对较小.因此,对靠近断层区域的此类桥梁,应考虑近断层地震动速度脉冲效应及其参数变化的影响.

近断层速度脉冲对钢筋混凝土框架结构地震反应的影响

在加速度反应谱一致的前提下,研究了近断层速度脉冲的工程特性。首先,构造两组加速度反应谱一致的地震动时程:第一组时程为实际强震观测记录且含有明显的速度脉冲;第二组时程为以第一组时程的反应谱为目标谱合成的模拟地震动时程,在合成过程中,利用窄带时程叠加法,通过控制峰值速度可以使得这些时程不再含有速度脉冲。其次,通过分析钢筋混凝土框架结构在这两组输入地震动作用下动力响应的差异,研究了在加速度反应谱一致的前提下,速度脉冲对结构地震反应、尤其是弹塑性地震反应的影响。分析结果表明:对于层剪力、层间位移、各层最大位移等结构动力响应参数,当结构地震反应进入弹塑性阶段后,与不含速度脉冲地震动作用下的反应相比,在含有速度脉冲的地震动作用下,结构的反应有较大幅度的增大,尽管这两组输入地震动的加速度反应谱相同;在这种情况下,加速度反应谱将不能充分地体现出速度脉冲对结构地震反应的影响。

近断层速度脉冲的地震动特性研究

在搜集了大量近断层具有速度脉冲的记录后,对有速度脉冲和无速度脉冲的记录的反应谱和特征周期进行了对比,将近断层记录的反应谱与我国规范标准反应谱进行了比较,还将各次地震有速度脉冲记录的反应谱和特征周期与规范标准谱及规范给出的特征周期进行了比较.通过比较可知,在长周期段(大约在1.5s以后),有速度脉冲记录的反应谱值要比无速度脉冲记录的反应谱值大;计算特征周期时,对于近断层记录,T1和T2有后延的趋势,采用不固定频段的方法计算更加合理;无论是相对我国规范的Ⅰ类还是Ⅱ类场地,有速度脉冲记录的特征周期比规范中给出的值都要大,均在规范值的2倍以上.

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。