SDOF体系残余变形响应与地震强度指标相关性分析

结构震后可修复性在现代抗震设计中扮演越来越重要的角色,残余变形作为可修复性的一个主要指标受到广泛的重视。弹塑性时程分析法是研究结构震后残余变形的主要方法,传统通过调整输入波PGA指标得到的计算结果离散性很大,因此需要选择一个合适的地震动强度指标控制输入波的选择。计算60条地震动作用下不同强度折减系数和屈服后刚度系数的双线性SDOF体系残余变形,研究以PGA,PGV,PGD为代表的18个地震动强度指标与残余变形之间的相关系数随SDOF体系周期变化规律。结果表明,不同强度指标与残余变形之间的相关系数受强度折减系数影响很大,基本不受屈服后刚度系数的影响,其中以PGV为代表的速度型强度指标与残余变形之间的整体相关性较好,并且考虑到PGV指标的工程特性,建议进行残余变形计算时,以PGV作为输入波主要控制指标。

SDOF体系地震输入能量谱的简化问题研究

从美国加州大学地震动数据库选取40条强震记录并按我国场地类型进行了分类;基于能量平衡原理,采用归一化方法,分析了不同地震动作用和结构自身质量对弹性、弹塑性SDOF体系地震输入能量谱的影响;并根据能量谱特征提出了一种更为简便且可直接用于我国场地类型的三段式能量谱,并给出了相关参数取值。分析结果表明：SDOF体系质量对三段式能量谱曲线的分界周期无明显影响;在场地土类型和结构自身质量相同的情况下,弹性SDOF体系地震输入能量是弹塑性SDOF体系的1.1倍~1.4倍。

弹塑性SDOF体系地震输入归一化等效速度谱

为了确定弹塑性单自由度(single degree of freedom,SDOF)体系地震输入能,分析了中美场地土剪切波速转换关系,将从美国PEER地震记录数据库选取的220条强震记录按中国场地土类型进行分类,基于能量平衡原理,采用归一化方法,建议了一种基于复合强度指标的弹性SDOF体系三段式等效速度谱.分析了5类场地土条件下SDOF体系系统参数对地震输入等效速度谱的影响.研究结果表明:刚度折减系数对等效速度谱无明显影响;延性系数和阻尼比增大均对等效速度谱峰值和下降段衰减速度有削弱作用.综合考虑各类影响因素,通过参数多次拟合,得出弹性SDOF体系归一化等效速度谱峰值段及下降段修正系数,提出了一种适用于我国场地土类型、可直接供设计使用的弹塑性SDOF体系归一化等效速度谱确定方法,并验证了其有效性.

应用HHT方法识别刚度突降线性SDOF体系的动力特性

以线性单自由度(SDOF)体系的刚度突降来模拟损伤引起的结构力学性能的变化,利用HHT方法分析了这种体系的强迫动力响应,并将体系动力响应的Hilbert谱与Morlet小波谱所蕴含的物理意义及分辨率特性进行了比较．分析结果表明：在规则的简谐波输入下,结构动力响应的Hilbert谱能够分辨出体系的稳态与瞬态反应,利用瞬态反应,能够识别损伤引起的体系自身动力特性的变化；在不规则的地震动输入下,由于输入的复杂性,Hilbert谱不能够将体系的稳态与瞬态反应分解开来,但是利用体系动力响应Hilbert谱的瞬态能量分布特征定义了一种瞬时卓越频率时程(PIF),其随时间的变化能够在一定程度上描述损伤引起的体系动力特性的变化．

基于SDOF体系考虑地震动持时的强度指标分析

文中从PEER地震动数据库选取60条具有不同持时的地震动记录,并将峰值加速度(PGA)统一调整为0.1g。基于OpenSees分析软件建立了周期分别为1.0、2.0、3.0、4.0、5.0s的SDOF体系,并采用时程分析法研究了其加速度、速度、及位移响应。对基于这些响应的Ds5-95%与CAV、AI的相关性进行了分析。结果表明对于不同周期的SDOF体系,基于加速度峰值响应的Ds5-95%与CAV或AI之间的相关性最好,速度响应次之,位移响应最差,且相较于AI强度指标,Ds5-95%与CAV之间的整体相关性明显较好。表明在进行与结构地震动持时特性的相关研究时,可采用CAV强度指标。此外,建立长周期结构模型会更有利于考虑地震动持时特性的相关研究。

粘滞阻尼减震SDOF体系的地震响应与地震动强度指标相关性研究

为了准确预测和分析粘滞阻尼减震结构的地震响应特性,需选用合适的地震动强度指标控制地震动的输入。本文建立了粘滞阻尼减震双线型SDOF体系的计算模型,选取了22条远场地震波,通过非线性时程分析计算了结构的地震响应,详细分析了粘滞阻尼减震SDOF体系的地震响应与18种地震动强度指标的相关性,提出了计算结构的综合地震响应与地震动强度指标相关性的理论公式。研究表明,在0.1s<T<0.6s周期段,结构的综合地震响应与地震动的峰值加速度PGA相关性较高,建议选用地震动的峰值加速度PGA作为粘滞阻尼减震结构抗震分析用地震动强度指标;在T=0.6~2s周期段,结构的综合地震响应与地震动的峰值速度PGV相关性较高,建议选用地震动的峰值速度PGV作为粘滞阻尼减震结构抗震分析用地震动强度指标;在2s<T<6s周期段,结构的综合地震响应与地震动的第一周期谱速度Sa相关性较高,建议选用地震动的第一周期谱速度Sa作为粘滞阻尼减震结构抗震分析用地震动强度指标。

双线性单自由度体系强迫动力反应的Hilbert谱与本征振动模态:输入简谐波频率的影响

系统地研究了双线性单自由度体系在简谐波输入下表现出非线性力学行为时,输入简谐波频率对体系动力响应的H ilbert谱、H ilbert边缘谱及Fourier幅值谱的影响。研究结果表明,如果体系输入简谐波频率为f,那么体系动力响应H ilbert边缘谱的能量分布在f附近一个较宽的频带上,该频带的产生是体系动力响应H ilbert谱中所蕴含的波内调制的必然结果,它源自于体系某个本征振动模态瞬时频率的波动,而这种瞬时频率的波动描述了体系屈服与卸载的非线性力学行为;体系动力响应的Fourier幅值谱自3f起,每隔2f就会出现一个幅值明显高出周围其它分量的Fourier“伪”谐波分量,这也是体系非线性力学行为所造成的结果。

近断层地震动和单自由度体系地震反应的分形特征分析

从分形几何的新视角出发,分析近断层地震动的不规则性和复杂性。利用盒维数法计算了来自台湾集集地震和美国北岭地震的30条近断层地震动加速度时程的分形维数。计算结果表明,这些地震动加速度时程具有统计分形特征。近断层地震动运动特征对其分维数影响明显,滑冲效应脉冲地震动的分维数平均值最小,向前方向性效应脉冲地震动的分维数平均值居中,无脉冲地震动的分维数平均值最大,其波形不规则程度也最高。而且,地震动时程的分维数反映了其频谱特性,可作为频谱周期的表征参数。地震动的分维数D与特征周期TC具有较强的负相关关系。最后,对于近断层地震动作用下单自由度(SDOF)体系的弹性和非弹性动力反应时程,应用盒维数法计算了其分形维数,考察了其分形性质。

基于非对称模型的碟簧隔震单自由度体系地震响应

基于碟簧竖向隔震(DSVI)支座的非对称受力特征,提出非对称恢复力模型,并利用试验结果对该恢复力模型进行验证;基于该非对称恢复力模型,建立碟簧竖向隔震单自由度(DSVI-SDOF)体系的非线性时程分析程序.在此基础上,对典型DSVI-SDOF体系进行非线性动力时程分析,研究非对称恢复力模型对其地震响应分析结果的影响.研究结果表明,非对称恢复力模型能够准确表征DSVI支座的力学行为,从而使得非线性时程分析程序能够较为准确地模拟DSVI-SDOF体系的地震响应.随着地震动峰值加速度的增加,DSVI-SDOF体系的峰值加速度、峰值地震力的隔震率先增大后减小,当地震动峰值加速度为400 cm/s^2时,DSVI-SDOF体系的隔震效果达到最优,峰值加速度和峰值地震力的隔震率均在20%~50%.

重力失真和质量失真对缩尺试验误差的理论分析

为了定量分析重力失真和质量失真对缩尺试验误差的影响,确定重力失真和质量失真的动力相似关系,根据原型和缩尺模型的动力运动方程引出误差的定义。将简单的无阻尼竖向和水平SDOF体系作为研究对象,通过完全相似模型和部分相似模型的动力运动方程进行公式推导,分别得到在谐波作用下,原型与重力失真和质量失真模型之间相对位移的误差公式。对比误差公式的计算结果和数值试验的计算结果,论证误差公式推导的正确性,并结合参数分析,讨论谐波作用幅值和频率比对重力失真和质量失真模型误差的影响规律。研究结果表明:已知无阻尼竖向或水平SDOF体系的原型参数、谐波作用幅值和频率以及重力失真或质量失真动力相似关系,就可以利用误差公式直接计算得到原型与缩尺模型受谐波作用时相对位移的误差大小;重力失真对竖向SDOF体系的误差影响要大于对水平SDOF体系的误差影响,且质量失真对水平SDOF体系误差影响十分显著;竖向SDOF体系在重力失真或质量失真条件下误差随谐波作用幅值的增大而减小,水平SDOF体系在重力失真或质量失真条件下误差不随谐波作用幅值的变化而变化。通过误差公式计算出重力失真和质量失真所引起的误差大小,可以用于修正缩尺模型反推原型的位移响应,从而消除重力失真和质量失真对试验的影响。

高斯流场中单自由度线性体系非高斯振动响应试验研究

对于风湍流等高斯分布流速场中的线性结构体系,当考虑荷载中脉动流速二次项的影响时,理论上其振动响应将呈现非高斯分布特性。基于调试得到的不同粗糙工况高斯流场,开展了单自由度线性体系顺流向振动响应测试,研究了单自由度线性体系加速度响应的非高斯分布特性,分析了粗糙度对响应非高斯成分的影响,讨论了三种常见非高斯概率密度逼近方法对响应的拟合效果。试验结果表明:试验高斯流场中单自由度线性体系的顺流向加速度响应主要呈现出尖峰非高斯分布特征,且随着紊流度的提高,响应非高斯性有增强的趋势;响应的非高斯概率密度宜采用高斯混合模型方法进行拟合。

结构静力弹塑性分析方法的研究和改进

在对结构静力弹塑性分析方法的物理意义进行了有益的探讨之后,指出了该方法存在的一些局限,考虑了结构第二、第三两阶振型对结构地震反应的影响,并在把MDOF体系转换为SDOF体系和进行等效SDOF体系的动力时程分析时,将结构视为两个不同的结构。数值结果表明:采用本文的改进方法以后,计算精度明显提高。

结构抗震分析的耐震时程方法

耐震时程法是一种新的生成地震加速度时程的方法,其典型表征在于随着持续时间的增加,地震动强度逐渐增大,且任一时程的反应谱曲线与目标反应谱吻合。采用非线性最小二乘函数合成了基于我国抗震设计规范反应谱的耐震时程曲线,并研究了该方法的精度和可靠性。以耐震时程曲线和7条地震动作为输入,对比分析了弹塑性SDOF体系和7层钢筋混凝土框架结构的响应特征。结果表明,耐震时程分析结果处于7条地震动增量动力分析结果的包络线之内,其结果宏观上表现为多个地震动输入结果的平均值;耐震时程法能有效地预测结构的抗震效应且计算效率高。耐震时程法将为不同类型结构的地震响应分析与预测,结构抗震动力试验输入,结构的抗震性能评估等提供一种新的分析手段。

目标谱与调幅方法对地震动选择的影响分析

基于概率地震危险性分解得到的设定地震,从PEER NGA地震动数据库中选出与西安地区场地条件相似的地震动记录,以一致危险谱、设定谱、条件均值谱作为目标谱,采用单点调幅、平均谱比调幅、等谱强度调幅、最小平方误差调幅、最小移动均值调幅方法对地震动进行选择和调幅,最后将选取的地震动记录输入到SDOF体系中,并将延性系数和Park-Ang损伤指数作为需求参数,对不同目标谱和不同调幅方法所选的地震动记录进行评价。结果表明:不同目标谱选取的地震动记录对需求参数的平均值和变异系数影响小于不同调幅方法对其的影响。

结构地震反应Pushover位移形状向量的选取

对结构静力弹塑性分析方法的物理意义进行了探讨,指出了该方法存在的一些局限,提出由结构前三阶振型的线性加权组合确定结构位移形状向量或将前三阶振型分别确定为前三个位移形状向量,并在把MDOF体系转换为等效SDOF体系和进行等效SDOF体系的动力时程分析时,将结构区分为屈服前和屈服后两种不同的状态.数值结果表明:采用改进的方法以后,目标位移计算精度明显提高,对结构的损伤评估结果与试验观测结果吻合.

考虑残余位移的多层RC框架结构地震响应分析及放大效应

通过对多层RC平面框架结构在23条地震动记录2个不同强度水平下的非线性时程分析,得到RC框架的最大位移和残余位移等沿着楼层高度的大小和分布。统计分析残余层间位移角、最大层间位移角及两者比值这3个指标的均值、标准差和变异系数。为研究P-?效应的影响,对比是否考虑P-?效应两种工况下多层RC框架结构的分析结果。进一步,对多层RC框架的等效SDOF体系作同样的时程分析,对比了等效SDOF体系和多层RC框架结构的分析结果,研究高阶模态效应对RC框架的影响。对比分析表明,P-?效应和高阶模态效应对多层RC框架结构的残余位移响应的平均放大作用均大于其对最大位移响应的放大效应,残余位移响应的离散性也大于最大位移响应的离散性。另外,随着地震动强度水平的增加,结构地震响应的离散性明显增大。

基于简化IDA的结构地震损伤评估方法

将等效单自由度(SDOF)体系假设与Pushover分析方法相结合,建议了一种简化的增量动力分析(IDA)方法。给出损伤指数R与结构反应限值和抗震三水准的对应关系。根据结构抗震失效概率公式给出结构地震损伤概率计算方法,进一步得到结构在不同地震强度下的损伤指数期望值Re,用以评估结构的地震损伤等级。在此基础上建立了基于简化IDA的结构地震损伤评估方法。为了验证所提出的方法,按照不同场地设计了三幢结构模型,选取了典型地震动记录作为结构的水平地震动激励,对结构模型进行了IDA、地震易损性分析和地震损伤评估。通过算例分析表明,基于简化IDA的结构地震损伤评估方法计算量小,易于操作,但得到的结构损伤值较大,抗震评估结果偏于安全。

近断层脉冲型地震动时频非平稳特性的影响

通过分频带子波划分方法对所选脉冲型地震动进行分解,在保留脉冲主特性不变的情况下,通过人为改造得到时频分布不同的系列脉冲型地震动,作用于不同周期SDOF体系得到最大位移响应,结果表明:脉冲型地震动对结构影响较大,除了受脉冲特性的影响外,其时频非平稳特性的影响作用同样值得关注。