Nonlinear Time History Analysis for the Different Column Orientations under Seismic Wave Synthetic Approach

The significant impact of earthquakes on human lives and the built environment underscores the extensive human and economic losses caused by structural collapses. Over the years, researchers have focused on improving seismic design to mitigate earthquake-induced damages and enhance structural performance. In this study, a specific reinforced concrete (RC) frame structure at Kyungpook National University, designed for educational purposes, is analyzed as a representative case. Utilizing SAP 2000, the research conducts a nonlinear time history analysis to assess the structural performance under seismic conditions. The primary objective is to evaluate the influence of different column section designs, while maintaining identical column section areas, on structural behavior. The study employs two distinct seismic waves from Abeno (ABN) and Takatori (TKT) for the analysis, comparing the structural performance under varying seismic conditions. Key aspects examined include displacement, base shear force, base moment, joint radians, and layer displacement angle. This research is anticipated to serve as a valuable reference for seismic restraint reinforcement work on RC buildings, enriching the methods used for evaluating structures through nonlinear time history analysis based on the synthetic seismic wave approach.

Evaluation of the seismic behavior of reinforced concrete structures with flat slab-column gravity frame and shear walls through nonlinear analysis methods

This paper presents an investigation of the seismic behavior of reinforced concrete(RC)structures in which shear walls are the main lateral load-resisting elements and the participation of flat slab floor systems is not considered in the seismic design procedure.In this regard,the behavior of six prototype structures(with different heights and plan layouts)is investigated through nonlinear static and time history analyses,implemented in the OpenSees platform.The results of the analyses are presented in terms of the behavior of the slab-column connections and their mode of failure at different loading stages.Moreover,the global response of the buildings is discussed in terms of some parameters,such as lateral overstrength due to the gravity flat slab-column frames.According to the nonlinear static analyses,in structures in which the slab-column connections were designed only for gravity loads,the slab-column connections exhibited a punching mode of failure even in the early stages of loading.However,the punching failure was eliminated in structures in which a minimum transverse reinforcement recommended in ACI 318(2019)was provided in the slabs at joint regions.Furthermore,despite neglecting the contribution of gravity flat slab-column frames in the lateral load resistance of the structures,a relatively significant overstrength was imposed on the structures by the gravity frames.

Application of strength reduction method to dynamic anti-sliding stability analysis of high gravity dam with complex dam foundation

Considering that there are some limitations in analyzing the anti-sliding seismic stability of dam-foundation systems with the traditional pseudo-static method and response spectrum method, the dynamic strength reduction method was used to study the deep anti-sliding stability of a high gravity dam with a complex dam foundation in response to strong earthquake-induced ground action. Based on static anti-sliding stability analysis of the dam foundation undertaken by decreasing the shear strength parameters of the rock mass in equal proportion, the seismic time history analysis was carried out. The proposed instability criterion for the dynamic strength reduction method was that the peak values of dynamic displacements and plastic strain energy change suddenly with the increase of the strength reduction factor. The elasto-plastic behavior of the dam foundation was idealized using the Drucker-Prager yield criterion based on the associated flow rule assumption. The result of elasto-plastic time history analysis of an overflow dam monolith based on the dynamic strength reduction method was compared with that of the dynamic linear elastic analysis, and the reliability of elasto-plastic time history analysis was confirmed. The results also show that the safety factors of the dam-foundation system in the static and dynamic cases are 3.25 and 3.0, respectively, and that the F2 fault has a significant influence on the anti-sliding stability of the high gravity dam. It is also concluded that the proposed instability criterion for the dynamic strength reduction method is feasible.

Pushover analysis procedure for systems considering SSI effects based on capacity spectrum method

This paper presents a new procedure to transform an SSI system into an equivalent SDOF system using twice equivalence. A pushover analysis procedure based on the capacity spectrum method for buildings with SSI effects （PASSI） is then established based on the equivalent SDOF system, and the modified response spectrum and equivalent capacity spectrum are obtained. Furthermore, the approximate formulas to obtain the dynamic stiffness of foundations are suggested. Three steel buildings with different story heights （3, 9 and 20） including SSI effects are analyzed under two far-field and two near-field historical records and an artificial seismic time history using the two PASSI procedures and the nonlinear response history analysis （NLhRHA） method. The results are compared and discussed. Finally, combined with seismic design response spectrum, the nonlinear seismic response of a 9-story building with SSI effects is analyzed using the PASSI procedures, and its seismic performance is evaluated according to the Chinese ＇Code for Seismic Design of Buildings. The feasibility of the proposed procedure is verified.

A Nonlinear Autoregressive Scheme for Time Series Prediction via Artificial Neural Networks

This article is devoted to a time series prediction scheme involving the nonlinear autoregressive algorithm and its applications. The scheme is implemented by means of an artificial neural network containing a hidden layer. As a training algorithm we use scaled conjugate gradient (SCG) method and the Bayesian regularization (BReg) method. The first method is applied to time series without noise, while the second one can also be applied for noisy datasets. We apply the suggested scheme for prediction of time series arising in oil and gas pricing using 50 and 100 past values. Results of numerical simulations are presented and discussed.

Analytical approximate solution for nonlinear space-time fractional Klein Gordon equation

The fractional derivatives in the sense of Caputo and the homotopy analysis method are used to construct an approximate solution for the nonlinear space-time fractional derivatives Klein-Gordon equation. The numerical results show that the approaches are easy to implement and accurate when applied to the nonlinear space-time fractional derivatives Klein- Gordon equation. This method introduces a promising tool for solving many space-time fractional partial differential equations. This method is efficient and powerful in solving wide classes of nonlinear evolution fractional order equations.

基于地下结构整体损伤表征的复合地震动参数构造及其性能验证

在地下结构抗震设计中,不同的输入地震动引起的地下结构响应有显著差异,因此,合理通过地震动参数选择输入地震动是正确开展地下结构抗震设计的重要前提。针对单一地震动参数难以表征地下结构地震动潜在破坏势问题,文章构造了能更好表征地下结构损伤破坏的复合地震动参数。具体开展了以下工作:提出基于变形与滞回耗能的地下结构整体损伤指标作为结构需求参数,以定量化评估地下结构的整体破坏状态。选取64条真实地震动记录作为输入地震动,开展四层三跨地铁车站地震弹塑性动力时程分析。基于分析结果提供的数据样本,采用偏最小二乘法从统计角度构造复合地震动参数。最后,选用100条真实地震动记录开展两层三跨地铁车站弹塑性动力时程分析,对文章所构造的复合地震动参数进行验证。对比分析复合地震动参数、12个常用地震动参数与地下结构整体损伤指数的回归统计特征。结果表明:复合地震动参数与结构需求数之间具有更好拟合优度值,其Pearson相关性、有效性也优于单一地震动参数。

地震动持时和不同持时指标对结构地震响应的影响

选取70条具有不同持时的天然地震波,并采用5%~75%重要持时将谱匹配后的地震记录划分为长、短持时地震记录集,对10层RC框架结构进行IDA分析和弹塑性时程分析,研究地震动持时对结构地震响应的影响,进一步选取35条天然地震波,采用有效持续时间、5%~75%和5%~95%重要持时等不同强震持时指标分别截取相应的加速度时程段,构建不同的地震记录集,分析不同持时指标对RC框架结构峰值响应和滞回耗能的影响。研究结果表明:在相同的地震动强度下,长持时地震动会导致更大的结构层间变形和结构倒塌概率,且随着持时的增加,结构总滞回耗能大幅增加;在罕遇地震水准下,可选取有效持续时间和5%~95%重要持时指标用于结构层间变形和楼层峰值位移分析,而在极罕遇地震水准下,选用有效持续时间具有更高的可靠性;对于楼层峰值速度,不同地震集计算结果均值和变异系数未表现出明显差异;在相同地震动强度下,建议优先选用有效持续时间用于结构滞回耗能分析。

四主缆大跨悬索桥抗震性能分析及减震措施优化

以燕矶长江大桥为工程背景,首先,采用动力非线性时程法分析了燕矶长江大桥抗震性能,并研究了设置电涡流-摩擦组合型阻尼器和黏滞阻尼器对大跨悬索桥抗震性能的影响;然后,对附加电涡流-摩擦组合型阻尼器摩擦力、阻尼系数和阻尼指数开展了参数敏感性分析;最后,从耗能角度分析地震作用下电涡流-摩擦组合型阻尼器减震特点.结果表明:在E2地震作用下,桥塔关键截面抗弯能力均大于弯矩需求;在“纵向+竖向”地震作用下梁端纵向位移较大.设置塔梁处纵桥向阻尼器后,可有效降低主桥梁端纵向位移;增大摩擦力、阻尼系数与降低阻尼指数均可提升梁端纵向地震响应的控制效果,但参数变化对桥塔控制截面的地震响应影响较小.阻尼系数较大时,电涡流阻尼主导了电涡流-摩擦组合型阻尼器耗能,相较于黏滞阻尼器,电涡流-摩擦组合型阻尼器对梁端纵向位移控制效果更好.

盐渍土环境下考虑耐久性损伤的输电塔风振时程分析

长期服役于盐渍土环境下的输电塔耐久性损伤较为严重,当其材料力学性能退化到一定程度时,在强风作用下,输电塔可能会发生破坏,危害线路的安全运行。基于±800kV天中线特高压直流输电工程直线塔,考虑基础钢筋锈蚀、基础混凝土侵蚀、输电塔杆塔钢材锈蚀以及基础箍筋的约束效应,在ABAQUS有限元软件中建立塔-线-基础耦合模型,研究不同风攻角和材料耐久性损伤对塔身动力响应的影响。结果表明:90°风攻角下塔身顺风向位移最大,为最不利风向基本工况;90°风攻角下输电塔塔顶顺风向位移响应贡献主要以背景分量为主,但共振分量也有一定贡献,主要以输电塔1阶振型频率为主,且随着服役时间的增加,振型频率逐渐降低,相应响应的贡献程度逐渐提高;相同风荷载作用下,随着服役时间的增加,塔身位移逐渐增大,相同服役时间下,随着塔身高度的增加,塔身位移响应峰值增长速度变快,结构振动更加明显,材料耐久性损伤对输电塔的位移响应影响较大。

地下管廊抗震研究现状综述

针对地下管廊工程建设高速发展、抗震减灾需求愈发凸显的现状,综述地下管廊抗震研究现状.首先,通过国内外以往的震害实例,对地下管廊的震害形式、震害影响因素及震害机理进行了系统性总结.其次,从拟静力试验和振动台试验两个方面总结了地下管廊抗震性能的试验研究现状.再次,总结了地下管廊抗震分析的简化分析方法、动力时程方法、地震易损性评估及减隔震技术的研究现状.最后,基于文献综述提出了目前地下管廊抗震研究亟待解决的问题并做出展望,以期促进地下管廊抗震研究的发展.研究表明:地下管廊在地震作用下的破坏形式主要有混凝土剥落、裂缝贯通、接缝错位或张开、管廊受剪断裂等;地震作用下地下管廊穿越非均匀场地时动力响应的放大效应显著,地下管廊穿越软硬交互等非均匀场地时的抗震性能研究值得重视;交叉节点是地下管廊的薄弱环节,交叉管廊的抗震设计方法研究值得关注;预制管廊接头易受到地震破坏,不同类型预制管廊接头的抗震性能研究需深入探索;城市大型地下管廊系统抗震性能受到不同交叉节点和不同管廊之间的交互影响,高效的地下管廊系统建模方法和高效的简化分析方法亟待研究;城市大型地下管廊系统地震易损性分析是重要的发展方向;地下管廊的减隔震技术值得发展.

西咸自由贸易企业服务中心超高层建筑结构设计

西咸自由贸易企业服务中心地处高烈度区,与渭河断裂之间的距离约2km,应考虑近场效应。项目采用钢管混凝土框架(钢梁)+钢筋混凝土核心筒混合结构,存在扭转不规则、刚度突变、有加强层和通高层等不规则项。为提高结构刚度,在避难层设置了2道伸臂桁架加强层。采用YJK、MIDAS Building软件进行了小震弹性对比分析,采用YJK进行了小震弹性时程分析。根据设定的抗震性能目标,对主体结构主要部位和关键构件进行了性能化设计;采用SAUSAGE软件进行了罕遇地震作用下的动力弹塑性时程分析;采用ANSYS软件对伸臂桁架关键节点进行有限元分析。结果表明:各项指标均符合设计要求,结构及构件均达到预设性能目标,结构体系合理,安全可靠。本工程部分墙体为钢板混凝土剪力墙,设计中应注重钢板混凝土剪力墙的构造措施,施工中应采取措施控制钢板变形。

高烈度区快速施工跨线桥基础隔震性能研究

为适应高烈度区跨线桥快速施工的需要,提出基础隔震跨线桥的设计理念。以某2×25m高速公路跨线桥为工程背景,将铅芯橡胶支座作为基础隔震装置进行研究。采用Midas/Civil建立桥梁动力分析模型,选取7条时程曲线作为地震动输入,对跨线桥进行顺桥向和横桥向时程分析,对比采用基础隔震体系前后跨线桥抗震性能的变化,并分析弹性挡块对跨线桥地震位移的控制效果。结果表明:基础隔震跨线桥将主梁与中墩作为整体预制安装,最大限度地减少了现场作业时间,理论上可作为跨线桥快速施工的一种方式;相比于常规结构体系,基础隔震体系既能降低中墩地震内力,又能减小梁端支座位移,可显著提升跨线桥在顺桥向和横桥向的抗震性能;弹性挡块可有效控制基础隔震跨线桥的地震位移,但使得桥墩的地震内力明显增大,设计时应注意二者的平衡,合理选择弹性挡块的力学参数。

基于多层框架结构的楼层阻尼比修正的仿真研究

附加有效阻尼比的确定是消能减震结构设计的关键。为探究布置消能器楼层数的不同对结构设计安全性的影响,以新疆地区某多层钢筋混凝土框架结构为研究对象,采用非线性时程分析方法和等效结构模型的振型分解反应谱分析方法,基于各楼层剪力计算结果,引入楼层阻尼比修正系数k mn,对等效结构模型的附加有效阻尼比进行迭代修正。结果表明:采用小震时程分析阻尼比的等效结构模型,其楼层阻尼比修正系数随着阻尼器布置楼层数的逐渐增加呈现出先增后减的趋势,当阻尼器布置层数为楼层总数的3/5时折减率最低;采用中震时程分析阻尼比的等效结构模型,当阻尼器布置楼层数不少于2/5时,可满足设防要求;对于多层框架结构,考虑综合成本,黏滞阻尼器的布置楼层数可不采用满布的形式。

多塔楼结构间连廊支座方案设计比选及影响分析

某项目地上二层设有环形连廊连接四栋体量差异大、结构形式不同的塔楼及裙房,四栋塔楼两两之间尚有高位连体。重点介绍了环形连廊的结构设计方案,通过对设置不同支座连接方案进行比选分析,研究环形连廊对各塔楼及裙房的影响,找到了对其自身变形可控同时对塔楼影响最小的支座连接方案,并对塔楼及裙房采取有针对性的加强措施。研究表明此方案下环形连廊对各塔楼影响较小,依此方案进行分析和设计,能有效降低结构的复杂程度,避免形成多连体复杂结构。

沿海氯盐环境下地铁车站结构地震响应规律

地铁车站结构抗震分析中,通常只对完好结构进行地震响应规律分析,然而,沿海城市地铁车站结构埋置于地下,易遭受氯离子侵蚀,导致材料性能退化。为此,针对沿海氯盐环境下不同锈蚀程度的地铁车站结构,建立相应的非线性土-结构相互作用有限元模型。采用整体式静力推覆分析,研究氯离子侵蚀对土-结构柔度比的影响,并基于非线性时程分析,研究氯离子侵蚀下地铁车站结构的地震响应规律。数值模拟结果表明:相对完好状态,10%和20%锈蚀率的车站结构土-结构柔度比分别下降6%和18%,然而,由于地下结构受到周围土体的约束,在相同地震作用下,底层中柱的最大层间位移角没有显著变化;底层中柱作为抗震薄弱环节,钢筋锈蚀造成中柱变形能力及承载能力的下降,导致地铁车站结构的安全系数下降10%和20%左右;锈蚀后结构中柱最大层间位移角增幅与场地响应有关,低频成分丰富的地震作用下,土体将产生大的剪切变形,使得中柱纤维截面中钢筋承担更多的剪力,此时钢筋锈蚀将对中柱层间位移角产生较大影响。

考虑柱体摇摆效应的殿堂式木结构古建筑非线性地震反应分析

为了准确描述半刚性榫卯连接柱架在地震作用下的动力性能,采用非线性转动弹簧以模拟柱体在地震作用下的摇摆行为,基于柱体、榫卯节点及斗栱的非线性恢复力模型,提出了单层殿堂式木结构地震分析的集中质量简化分析模型,进行了地震作用下的结构动力响应时程分析。通过计算时程曲线与振动台试验结果的对比分析发现,未考虑柱体摇摆的计算值与试验值的误差较大,考虑摇摆效应的整体结构时程曲线计算峰值与柱架的实际位移峰值误差相对较小,且峰值出现的时间基本相同。基于简化模型进一步进行了参数分析,结果表明:竖向荷载可以显著降低殿堂式木结构的地震位移响应;柱高越大,结构的地震位移响应越大;结构的地震位移响应随着榫卯节点转动刚度的增大而显著降低;斗栱数量的增加提高了整体结构的抗侧刚度,从而降低了结构的地震位移响应。研究结果可为木结构古建筑在地震作用下的性能评估提供计算依据。

不同频谱特性地震动对高速铁路桥梁-轨道震后残余变形影响分析

以一座典型高速铁路五跨简支梁桥为例,建立了精细化高速铁路桥梁-轨道系统有限元模型。针对不同类型频谱特性选取了近场脉冲型、近场无脉冲型、远场长周期型和普通型地震动。输入不同频谱特性的地震动,对结构进行非线性时程响应分析,探究不同频谱特性地震动对轨道残余变形的影响规律及变形特点。结果表明:不同类型地震动对轨道残余变形的影响程度不同,轨道结构对近场脉冲型地震动的作用最为敏感;不同类型地震动作用下,轨道横向残余变形规律相似,均表现为全桥中间部分变形最大;每跨桥梁跨中竖向残余变形远大于桥墩(桥台)位置竖向残余变形;梁缝位置为轨道薄弱部分,轨距残余变形在每跨桥梁梁体连接处有明显尖刺状的突变。当PGA>0.2 g时,不同类型地震动作用下的轨道变形均随着PGA的增大而增大;当PGA=0.38 g时,桥梁已经进入塑性状态,地震动类型对于轨道残余变形的影响程度降低。

南郭寺南山佛法身舍利塔抗震性能研究

南郭寺南山佛法身舍利塔是一幢新建于高设防烈度地区山坡平地上的仿古塔建筑,设计使用年限为100年,其建筑造型和结构体系比常规建筑稍复杂。首先通过动力特性分析得到塔的自振周期和振动模态,而后基于振型分解反应谱法和时程分析法,采用有限元软件midas Gen对结构在小震、中震和大震作用下的地震响应进行了数值分析。因为在结构总说明中,只用到了设计使用年限为50年的地震作用,而未将其调整为100年,所以分析中均取2组地震动参数,即设计使用年限50年和100年。小震和中震的地震响应计算均采用弹性法,分析结果满足结构抗震性能要求。大震响应计算时,振型分解反应谱法中将特征周期提高了0.05 s,弹塑性时程分析采用塑性铰滞回模型,最大层间位移角均小于限值1/100。弹塑性时程分析还表明,内核心筒剪力墙的塑性铰发展和屈服程度均比外框架严重,但结构总体处于存在明显塑性变形至不严重破坏的状态,满足“大震不倒”的抗震性能要求。总的来说,南郭寺南山佛法身舍利塔抗震性能安全可靠,其结构体系对于类似仿古塔建筑的结构选型和设计富有借鉴意义。

考虑不同桩-土相互作用模型的海上升压站抗震性能分析

由于海上升压站上部平台设有许多大质量专业设备,使其呈现“头重脚轻”的特征,直接借鉴传统海洋平台的设计方法难以准确评价海上升压站结构的承载能力与变形能力,其中桩-土相互作用对于地震作用下的结构动力响应分析的影响尤为显著。以国内某位于地震高烈度区的海上升压站为对象,分别基于等效线性桩长法、API规范p-y曲线法、修正p-y曲线法建立3种不同考虑桩-土相互作用的计算模型,对比中震作用下结构的抗震性能。结果表明,基于3种模型校核该海上升压站结构均符合抗震设防要求;海上升压站结构受竖向地震作用影响较明显;在砂土层占比较高的地基条件下,使用修正p-y曲线方法可以更合理地模拟桩-土相互作用。