跨断层工程结构研究中地震断层作用研究综述

强震断层地震动的破坏作用主要表现为断层破裂引起的方向性效应和断层盘间错动引起的滑冲效应。其中断层盘间的滑冲错动会使跨断层结构面临严峻的错断风险,是跨断层结构抗错断设计、分析和进行防灾减灾决策必须考虑的内容和前提。但目前有关跨断层工程结构设计地震动的确定尚缺乏统一的方法和规定。通过对近年来跨断层结构破坏机理研究中的输入地震动,尤其是模型试验中地震动的选取和加载方式的归纳与总结,分析了断层作用地震动选取和加载方法的特点与局限性。针对现阶段强震断层地震动选用和试验加载方式中存在的问题进行探讨,提出断层作用下设计地震动的选取思路和方法,以期为跨断层工程研究输入地震动的选用提供借鉴,也为强震断层地震动模拟方法的研究提供参考。

On time-step in structural seismic response analysis under ground displacement/acceleration

There are two models in use today to analyze structural responses when subjected to earthquake ground motions, the Displacement Input Model （DIM） and the Acceleration Input Model （AIM）. The time steps used in direct integration methods for these models are analyzed to examine the suitability of DIM. Numerical results are presented and show that the time-step for DIM is about the same as for AIM, and achieves the same accuracy. This is contrary to previous research that reported that there are several sources of numerical errors associated with the direct application of earthquake displacement loading, and a very small time step is required to define the displacement record and to integrate the dynamic equilibrium equation. It is shown in this paper that DIM is as accurate and suitable as, if not more than, AIM for analyzing the response of a structure to uniformly distributed and spatially varying ground motions.

基础隔震结构的运动方程与阻尼矩阵在动力响应分析中的适用性研究

结构阻尼模型和运动方程是影响结构抗震动力分析精度的关键因素。由于基础隔震结构地震响应具有显著的特殊性,因此普通非隔震结构地震响应算法未必适用。基于这一认识,重点研究基础隔震结构动力分析方法中采用的各种模型,考虑基于不同地震动输入的结构阻尼模型和运动方程。研究发现,采用现有常规方法构造隔震结构阻尼模型时,上部结构会随着隔震支座发生刚体位移时产生阻尼力,这将可能导致计算精度的显著降低。针对这一问题,提出了确定基础隔震结构阻尼矩阵的一般方法,给出了基于上部结构阻尼矩阵和隔震层阻尼常数的通用表达式。采用隔震结构剪切型模型,给出了结构矩阵的解析表达式,并以此为基础进行了算例验证。研究结果表明,目前常用的隔震结构阻尼模型可能会高估结构的阻尼作用,从而低估结构响应;采用位移输入模型会高估隔震层相对位移、低估上部结构响应,当隔震层等效阻尼比达到0.3时,相对偏差可达到34.6%和-31.1%,而采用位移-速度输入模型可得到与加速度输入模型一致的分析结果,故应采用位移-速度输入模型代替传统的位移输入模型。

求解结构地震响应位移输入模型存在的问题及其AMCE实效对策

提出一种实效方法-刚性无质量束缚元AMCE(Appended Massless Constraint Element)法,以解决地震地面运动作用下求解结构响应的位移输入模型中容易而不容忽视的问题。首先对位移输入模型进行了详细分析,明确指出当前位移输入模型在理论上会导致计算结果具有不稳定性和不可靠性,进一步通过算例对此加以说明;针对此问题,提出了AMCE解决方法,并对本方法进行物理角度解释、理论分析和数值验证。结果表明,AMCE法不仅物理概念清晰、简单可行,而且具有足够的计算精度。

土-结构动力相互作用研究若干问题综述

基于近几十年来有关土-结构相互作用问题的研究成果,对不同学者的研究方法进行了综合分类,并指出了各研究方法的长处和不足,同时总结了现有的数值计算模型及其优缺点,最后对土-结构动力相互作用问题的研究方向做出了展望。

地震波持时效应能量评价指标研究

将结构地震损伤定义为结构在单向振动过程中耗储地震能量能力的降低,据损伤成因将结构地震损伤分离为残余位移损伤与退化损伤,并据结构退化损伤量值界定地震波持时效应大小。将结构总输入能、能量增长持时、最大瞬时输入能量比及90%能量持时作为持时指标,通过56条地震波三种周期SDOF结构损伤分析,讨论各持时指标与结构退化损伤间的相关度。分析结果表明结构总输入能与结构退化损伤间的相关度最高。由于总输入能求解受结构阻尼模型与滞回模型影响较小,将总输入能作为地震波持时效应评价指标具有较好的准确性与便利性。

不同地震波输入机制下的结构振动台模型试验

设计了一个10层框架结构,直接置于振动台上进行模型试验.讨论不同输入机制对结构地震反应的影响.在进行了土层自由场、土-结构相互作用体系的振动台试验的基础上,选择三种试验记录作为该模型结构振动台试验的台面输入,分别为先期试验中的振动台输入、自由场试验中的地表记录、土-结构相互作用体系试验中模型结构基础上测得的记录.把试验结果与土-结构相互作用体系的试验结果作对比,讨论不同输入模式的合理性.试验结果表明:不考虑土层因素,直接将基岩波作为输入,与实际误差最大,将自由场的反应作为输入时误差有所减小,而将土-结构体系基础上的反应作为输入时结构反应与实际情况更为接近,但有时会低估结构的反应.

局部冲刷场地桩基桥梁地震响应简化分析及离心振动台验证

冲刷导致桩周土体流失,改变了场地的地震动特性,同时影响了桥梁的抗震性能。为研究局部冲刷下桩基桥梁动力特性及潜在破坏风险,探讨了冲刷场地的地震动特性,给出局部冲刷场地的地震动快速计算方法;并在此基础上提出局部冲刷后桩基桥梁地震分析简化模型,通过振型叠加法计算桥梁的墩底、桩身剪力和最大位移,用以快速评估局部冲刷后桩基桥梁的破坏风险,进而确定临界破坏冲刷深度;为验证模型的正确性,开展了50g重力下桩基桥梁离心振动台试验,桥梁上部结构简化为质量块,基础采用3×3群桩。按照冲刷深度分为3个工况,每个工况下输入白噪声和El-Centro波。研究表明,一般冲刷使得场地周期减小,但局部冲刷对场地周期影响不明显,局部冲刷坑坡角对场地的地震动几乎没有影响;局部冲刷场地与一般冲刷场地的地震动差别较大,但与原场地的地震响应基本相似;桥梁响应最大时的冲刷深度取决于桥梁频率与地震波主要波频的关系。该简化方法计算的桥梁反应与试验结果相近,因此,可用于局部冲刷条件下桥梁的地震反应快速计算、震害风险评估和临界破坏冲刷深度确定。

非经典阻尼的位移输入模型和多点反应谱注记

为注记和揭示底部单元为非经典阻尼下位移输入模型与多点反应谱的准确性与稳定性,本文涉及理论推导与计算分析两个层面.讨论了在时域模型中底部单元分别为经典与非经典阻尼的区别,在时域模型的基础上推导给出底部单元为非经典阻尼时多点反应谱公式,并通过算例验证.分析结果表明:底部单元为非经典阻尼时,位移输入模型不会出现底部单元刚度有关的阻尼项;理论上证明了在底部单元为非经典阻尼下位移输入模型和多点反应谱不存在结果不收敛问题;验证了底部单元为非经典阻尼下,采用位移输入模型计算结果的准确性和稳定性.

纵向非一致地震激励下管-土结构响应的简化分析模型

将长输埋地管道化为多自由度体系的等效离散集中质量模型,建立了集中质量模型在管道纵向荷载作用下的结构响应计算模型。模型考虑了沿管道长度方向的行波效应,实现了不同质量点处地震动的非一致输入,为考虑管-土相互滑移的影响,模型中考虑了土体的弹塑性本构关系。模型以纵向地震动位移输入,求解得到管道各集中质量点的位移和管-土间的相对位移,在此基础上运用结构力学方法对每两个集中质量点间管道进行精细分析,进而求得管道的内力和变形。通过算例分析,集中质量模型程序计算结果与连续型管道的有限元分析结果进行比较,验证了集中质量模型方法的有效性和合理性。

紫坪铺面板坝加速度地震反应振动台模型试验研究

混凝土面板堆石坝的加速度地震反应是其设计和运行中参考的主要依据之一。由于数值方法难以准确模拟土石填筑材料的复杂特性,振动台模型试验被应用于高面板坝坝体的加速度地震反应研究。本文通过对紫坪铺面板堆石坝的大型振动台三维模型试验,得到不同地震动工况下加速度在坝体中的分布以及加速度放大倍数沿坝高的分布。研究发现,在输入加速度幅值较低时坝体的加速度放大倍数最大值出现在0.8倍坝高左右,放大倍数随着输入地震动幅值的增大而减小,并且放大倍数极值出现位置逐渐上移到坝顶。相同高程测点的加速度反应,下游坡面最大,坝体内部加速度小于坝体表面加速度。

GB50011-2010的改进K-T功率谱模型参数研究

如何确定与《建筑抗震设计规范》GB50011-2010(2016版)设计反应谱对应的功率谱模型参数,对基于随机振动理论的抗震分析具有重要意义。本文依据加速度峰值等效原则,采用迭代方法得到与GB50011-2010(2016版)加速度设计反应谱对应的功率谱密度曲线,提出了改进K-T功率谱模型,分别利用K-T功率谱模型、C-P功率谱模型和改进K-T功率谱模型对功率谱密度曲线进行了拟合,并分析了不同设计分组、场地类别和地震烈度对加速度功率谱曲线的影响。结果表明本文改进的K-T功率谱模型在低频和高频段都具有较好的拟合效果,可以为基于GB50011-2010(2016版)设计反应谱的随机抗震分析提供地震动输入。

远场地震作用下输电塔-线体系最不利输入方向预测研究

该文采用已有的最不利输入方向判别方法,开展了远场地震动激励下输电塔-线体系最不利输入方向的预测研究。依托实际工程,在ABAQUS中建立了输电塔-线体系有限元模型。为了验证该近似方法的适用性,选取了7条典型的远场地震波进行激励。开展了不同远场地震动输入方向下输电塔-线体系时程分析,并与近似方法的计算结果进行对比。结果表明,近似方法具有良好的准确性,利用近似方法得到的远场地震动最不利输入方向基本可以确定输电塔-线体系的最不利响应,减少了时程分析的计算代价。同时,不同地震动的最不利输入方向是不同的,同一条地震动激励下,输电塔-线体系的振动响应随输入角度而变化。

结构地震响应计算模型的比较与分析

回顾并比较了地震动激励下计算结构响应的位移输入模型和一致加速度输入模型,详细地讨论了由于阻尼项忽略不同导致两种输入模型的本质差别,分析了由此对计算结果产生的影响,并通过数值算例说明该影响不容忽视,进而建议在比较地震动多点激励与一致激励下的结构反应时,一致激励应采用位移输入模型而不是一致加速度输入模型,从而可避免由于两种模型本身阻尼项忽略不同对计算结果产生的影响。此外,指出了振型叠加方法在严格理论上不适用于位移输入模型。

频率波数域内地壳层半空间剪切位错源宽频地震波传播模拟

剪切位错源地震波传播模拟是近断层地震动研究的理论基础,然而现有确定性方法在高频地震动求解和跨尺度计算中存在一定的不足。提出一种剪切位错源宽频地震波多尺度传播模拟的频率-波数域方法,能有效解决从高波速地壳尺度(公里级)到低波速岩土尺度(米级)成层半空间宽频(覆盖0.1~10 Hz的工程结构敏感频段)地震响应问题。利用Fourier-Hankel变换将柱坐标系下的三维波动方程由时间-空间域转换到频率-波数域内,并结合震源作用处的位移-应力间断条件,由修正刚度矩阵方法求得位错源引起的黏弹性层状半空间动力响应。首先与经典Haskell方法比较验证提出方法的正确性和精度,进而建立天津地区地壳结构中跨尺度场地模型,重点讨论震源频率和近地表软弱夹层对地震地面运动的影响。研究结果表明:(1)新方法在宽频地震动和含低波速细分土层的模拟中十分适用,能够清晰观测到位错源作用下地震波在层界面的反射、转换和透射等复杂传播过程及引起的地面运动特征;(2)软弱场地地面运动受震源频率影响明显,高频地震动作用使得地震辐射能量强度及范围增大,或将导致更为严重的地面破裂和结构破坏;(3)不同埋深和厚度的近地表软夹层对软弱场地地震反应均有重要影响,场地“滤波放大”和软夹层“隔震”的叠加使得地表响应变得十分复杂。