2021年漾濞6.4级近断层宽频地震动模拟:一种改进的FK方法

将基于物理的地震动模拟从现有已实现的1~2 Hz分辨率拓展到工程结构敏感的5~10 Hz更高频率,是现代地震工程近断层地震动模拟的重要发展方向。建立一种改进的频率波数域(FK)方法,结合GP14.3混合震源模型,实现了0~10 Hz的近断层地震动高效模拟。方法建立修正动力刚度矩阵法求解理论格林函数,有效解决了一维地壳速度结构传播高频地震波的问题;有限断层面上低频确定性成分及高频随机成分的合理结合,有效解决了断层破裂过程辐射出高频地震波的问题。将方法应用于2021年5月21日云南漾濞6.4级浅源破坏地震模拟,通过与8个台站(涵盖了近场、中场和远场)强震记录及相应反应谱的比较显示,模拟结果与强震记录的波形、持时、幅值均吻合良好,与反应谱在各频段上均表现良好的一致性,很好地验证了该方法及模型的适用性及模拟频率带宽的可靠性。最后,模拟了漾濞地区100 km×100 km范围内的地面运动场,给出了地面运动峰值分布和波场快照,提出了与震中距相关的PGA和PGV经验衰减公式,获得了地震动频谱特征衰减规律。结果表明:①2021年漾濞6.4级地震呈现明显近断层地震集中性效应和破裂方向性效应;②近场20 km范围内,地震动峰值衰减较快,PGA最大衰减93.1%、PGV最大衰减83.3%;③近场范围内频谱成分主要包含0~10 Hz的宽频成分,震中距超过20 km后频率成分主要集中在0~4 Hz范围内。

2022年9月5日泸定M_(S)6.8地震宽频带地震动谱元法模拟

2022年9月5日12时52分四川甘孜州泸定县发生M_(S)6.8地震,此次地震造成泸定县及其周边地域的严重破坏和人员的重大伤亡。为重现此次地震的地震动影响场,分析近场强地面运动的空间分布特征,将确定性的凹凸体震源模型与随机震源模型结合得到有限断层运动学混合震源模型,进而将上述混合震源模型开发到SPECFEM 3D谱元法开源代码中,实现了基于谱元法和运动学混合震源模型的泸定M_(S)6.8地震的全过程宽频带(0.1—5 Hz)地震动模拟,通过与六个台站的时程记录、对应的反应谱以及NGA-West2地震动衰减曲线进行比较检验了方法的精度和适用性;进而给出了此次地震的三分量速度波场快照图,再现了地震波传播时近场地震动的方向性效应和局部场地效应;最后给出了震中100 km×100 km范围内的地震动峰值加速度(PGA)和峰值速度(PGV)云图,分析了泸定地震近场强地面运动的空间分布特征,并给出了基于模拟结果的地震烈度分布图。结果显示,震中PGA接近600 cm/s^(2),PGV接近50 cm/s,烈度达到Ⅸ度,且由于泸定地区内高山峡谷地形对地震动的影响,地震动峰值在山顶和峡谷处明显放大,山顶处PGA和PGV分别放大1.9倍和1.5倍,峡谷谷底处PGA和PGV分别放大1.7倍和1.4倍,这里出现的地震动放大现象以及可能造成的次生地质灾害亟需引起注意。

长周期地震动下大跨空间结构空气弹簧-摩擦摆三维隔震体系振动控制分析

该文将新型空气弹簧-摩擦摆三维隔震支座应用于大跨单层球面网壳中,探讨了长周期地震动对三维隔震体系振动控制效果的影响规律。该三维隔震支座可有效降低结构在地震动作用下的响应,当地震动峰值加速度(PGA)相同时,普通地震动下的隔震效果最优,近断层脉冲型地震动下隔震效果次之,远场长周期地震动下隔震效果最差。该现象与长周期地震动与和长周期隔震结构之间的类共振效应有关。随着支座刚度的减小,普通地震动和近断层脉冲地震动作用下的隔震效果提高,远场长周期地震动作用下的隔震效果降低。远场长周期地震动低频分量丰富,其反应谱具有典型的双峰特性,导致结构响应在长周期段随结构周期的延长而增大。进行三维隔震设计时,建议传递比TR取值大于0.2,既保证隔震效果,又能控制三维隔震支座竖向位移响应在设计极限位移内。

基于FK方法和GP14.3震源模型的2023年土耳其M_(w)7.8级地震宽频地震动合成

本文合成了2023年2月6日土耳其M_(w)7.8地震的地震动时空场。首先,依据USGS网站提供的V s30数据和全球地壳模型Crust1.0数据,构建了土耳其南部地区的地下一维速度结构模型;其次,依据美国地质调查局(USGS)发布的断层滑动量及破裂前端分布结果,构建了此次地震的GP14.3运动学混合震源模型;然后,采用作者提出的FK方法对本次地震进行了0~10 Hz的宽频三分量地震动合成。通过合成结果与距离震中50 km范围内地震动较强的8个台站强震记录及相应反应谱的比较,检验了方法的可靠性和模型的适用性;最后,重点分析了土耳其东南部的加济安泰普市及附近地区地震动时空场特征。结果表明:1)本文计算的加济安泰普市区范围内的NS向PGA接近180 cm/s^(2)、PGV接近100 cm/s,伊斯拉希耶镇地区的EW向PGA高达560 cm/s^(2)、PGV高达150 cm/s,地震动强度比较大。2)基于本文强地面运动合成结果得到的加济安泰普市区范围内的地震烈度为VII度,伊斯拉希耶镇地区的地震烈度高达IX度,与USGS给出的结果一致。3)此次土耳其M_(w)7.8地震呈现明显的近断层地震动集中性效应、地面永久位移以及破裂方向性效应。

软硬交互横向不均匀场地地震反应分析

软硬交互横向不均匀场地十分常见,其在强震作用下的地震反应对工程结构的安全有着重要影响,然而目前还很少有针对该场地地震反应分析的研究。基于精确动力刚度矩阵和均布荷载动力格林函数的间接边界元方法,经快速傅里叶逆变换,在时域内求解了层状半空间中软硬交互横向不均匀场地的地震反应问题。求解中将模型分解为含较硬介质的层状半空间域和较软介质域,同时将总波场分解为自由波场和散射波场两部分,通过在相应边界上施加斜线和水平线虚拟均布荷载,进而求解动力格林函数以模拟散射波场,自由波场可由直接刚度法方便求得。验证了方法的正确性,检验了求解模型的收敛性,进而开展了相应的数值计算分析,着重讨论了介质参数和软硬交界面倾角对场地地震反应的影响。研究表明:软硬交互场地中,较大的地表地震动响应发生在较软介质侧;软硬交界面的存在使得场地地表加速度响应发生突变,突变程度受介质参数和交界面倾角的影响显著;随着介质参数差异和交界面倾角的增大,地表加速度峰值增大,反应谱曲线显示短周期成分变得更为丰富,对基岩地震动的放大作用增强;软硬交界面对场地地表地震反应的影响主要在交界面外的两倍介质层厚度范围。

脉冲型地震作用下自由摇摆墩的反应特性研究

鉴于摇摆构件可将地震损伤控制在接触面附近,并具有较好的自复位能力,具备摇摆特性的构件在减隔震研究中日渐受到研究者的重视。为研究在不同形式脉冲激励下自由摇摆墩柱的响应,基于简单激励模型对摇摆墩的反应进行分析,确定了影响摇摆响应的关键参数。结果表明:简单正弦激励幅值增大时,自由摇摆墩更易倾覆;正反Ricker激励作用时,随着尺寸-频率参数的逐渐增大,无量纲加速度也逐渐增大;反对称Ricker激励时,摇摆谱会有较大角度的翻转,即摇摆初期,随幅值增大,可能反而存在激励频率较小的情况。对不同类型地震激励下自由摇摆墩的反应特性进行了分析,统计表明,当高度较大时,墩顶位移峰值与高度关系较小。在此基础上,提出基于“等侧移”摇摆谱的墩设计方法,并给出设计算例,验证所提设计方法的合理性,为摇摆墩设计提供了理论支撑。

纤维状海洋微塑料静水沉降实验研究

近年来海洋微塑料污染治理受到了学者们的广泛关注.海洋微塑料的种类包括纤维、碎片、薄膜和颗粒,其中纤维状微塑料在水体中含量最高.然而纤维状微塑料的沉降形态和沉降速度目前研究还存在不足,已有的一些半经验沉降速度公式需要更多的实验数据进行验证.对不同密度、直径和长径比的聚酰胺和聚酯纤维状微塑料进行了室内静水沉降实验,利用高精度颗粒沉降观测系统对微塑料颗粒沉降过程进行直接测量,并统计了纤维状微塑料颗粒的沉降速度和沉降形态.实验结果表明,当纤维状微塑料的长径比固定时,微塑料颗粒的无量纲沉降速度随无量纲颗粒等效粒径的增大而增大.根据实验测量值和公式计算值的比较,当纤维状微塑料的长径比L d≤6.0时,Khatmullina-Isachenko公式的计算结果较为准确,各组次平均相对误差小于23.61%;而当长径比L d>6.0时,Waldschläger-Schüttrumpf公式的计算结果较为准确,各组次平均相对误差小于20.18%.此外,实验中85.51%的纤维状微塑料的沉降状态是沿着长轴方向的,纤维状微塑料在下沉过程中有旋转形成最大阻力形态的趋势.实验所采用的纤维状微塑料为理想材料,实际海洋中的微塑料颗粒可能因长期光照老化导致表面粗糙度和比表面积增大,应用公式时应注意这些因素对沉降速度造成的影响.本文为微塑料沉降速度的公式选择提供了参考,并为海洋微塑料治理提供了科学依据.

单层网壳吊顶系统抗震韧性研究

抗震韧性是指地震发生后维持或迅速恢复其原有功能的性能,对抵御地震灾害具有重要意义。为了开展单层网壳吊顶系统抗震韧性研究,文中通过易损性分析获得地震作用下吊顶系统不同损伤状态的失效概率,进一步获得吊顶系统的地震损失,最后以地震损失、恢复模型和恢复时间作为参数,以抗震韧性指数作为评价指标开展抗震韧性评估。在8度罕遇地震作用下,文中的单层网壳吊顶系统处于基本完好、轻微破坏、中等破坏和严重破坏状态的概率分别为2.86%、49.77%、44.06%和3.31%,地震损失为22.86%,采用线性恢复模型、三角函数恢复模型和指数函数恢复模型对应的抗震韧性指数分别为0.89、0.89和0.96。结果表明:采用指数函数恢复模型恢复时吊顶系统表现出更好的抗震韧性,建议通过增强资源储备以及完善恢复机制等措施,使吊顶系统在震后尽可能按照指数函数恢复模型恢复。文中的分析结果可以为大跨空间结构非结构构件抗震韧性研究提供参考。

地震波斜入射下层状TI饱和场地地震反应分析

滨海地区的天然土体在长期的风化和沉积作用下,其水平模量往往会大于其竖向模量,表现出明显的横观各向同性(TI)饱和特性,目前还很少有针对地震波斜入射下TI饱和场地动力响应问题的研究。将Haskell-Thomson传递矩阵方法拓展到层状TI饱和半空间,求解了直角坐标系下两相介质的Biot动力平衡方程及孔隙流体运动方程,建立了层状TI饱和半空间传递矩阵,并结合地表边界条件求解了地震波斜入射下层状TI饱和场地自由场的时域反应。该文验证了提出方法的正确性,进而以CNTEWGXE波(0.3 g)作为输入地震动,研究了土体TI性质及饱和特性对场地加速度时程及反应谱的影响。结果表明:层状TI饱和场地和各向同性饱和场地地表的动力响应存在一定差异,TI参数的改变使得场地对地震波产生不同的滤波和放大效应;场地的饱和特性对地表的动力响应有重要影响,饱和多孔介质固液耦合作用对地震波具有削弱作用;地震波斜入射时地表加速度时程及反应谱响应小于其垂直入射时的响应,且入射角度对q P1波入射时的场地影响更明显。

基于增量动力法的电梯对重系统地震易损性分析

曳引电梯作为高层建筑内重要的非结构构件,其抗震安全性能不容忽视。历次震害调查表明:电梯的抗震性能特别是其对重系统的抗震性能较为薄弱。目前对于电梯对重系统抗震性能的研究中,对其震后功能状况进行评估和震害预测的研究较少。文中以某大型综合体建筑为工程背景,基于已有振动台试验建立了3种典型对重位置的对重系统数值分析模型,提出了对重系统损伤指标,考虑主体结构对重系统动力响应的影响,采用增量动力法开展了对重系统地震易损性分析。研究发现:对重下部导靴远离导轨支架时,对重更易发生脱轨现象,在8度设防、8度罕遇地震作用下对重达到脱轨状态的概率分别为2.72%和94.47%。基于电梯位置等概率分布的计算方法综合考虑3种典型对重位置的对重系统失效概率,得到8度设防地震、8度罕遇地震作用下,对重系统达到脱轨状态的概率分别为2.45%和81.79%。研究结果表明:电梯对重系统的易损性与地震发生时对重所处的位置有关,其抗震性能有待提高。文中从宏观角度描述了地震动强度与电梯对重系统损伤程度之间的关系,可为电梯对重系统震后损伤评估和震害预测提供理论依据。

考虑震源和场地特征的近断层地区竖向地震动合成研究

近断层高风险条件下的结构安全性日渐受到重视,该文建立了一种考虑震源特性的近断层竖向地震动人工合成方法。建立了以断层类型、震级、断层破裂顶部埋深、断层距、场地剪切波速为参量的地震动预测模型,考虑模型参数相关性并保留其变异性,使模拟的地震动可反映实际近断层地震动的最不利效应(强度与频率非平稳、模型参数的变异性);绘制残差图分析了统计效果,验证了回归所得参数的显著性;对比分析了所提模型与前人成果的模型参数差异,以及人工合成地震动与实际地震动时程、反应谱的吻合程度,验证了所建立的方法的准确性、合理性。该文所提方法参数少(仅7个参数,可考虑强度和频率非平稳性);与乘系数法相比,该文方法模拟的地震动特性更符合竖向记录统计规律;可与目前已有的水平分量地震动模拟方法联合构成三维近断层地震动模拟方法,用于地震风险等级高的结构抗震设防分析与设计,也可在匮乏实际地震动记录的地震风险相近地段替代使用。

太阳辐射作用下大型预埋件温度效应分析

在结构施工过程中,因温度变化导致钢结构变形的情况较为普遍,尤其是大型钢结构。为此,以大型钢结构预埋件为研究对象,考虑预埋件单元迎光面与背光面的换热面间温差,建立了太阳辐射作用下预埋件的表面温度计算方法。结合预埋件表面温度实测数据,采用MIDAS Gen软件分析了预埋件的温度场分布和变形规律,发现天气晴朗情况下,预埋件单元温度场具有较强的非均匀性,迎光面测点温度较背光面高5~10℃;多云天气和阴天的情况下,由于傍晚或天气转阴时太阳辐射较弱,结构温度场的非均匀性变弱;减小预埋件纵向长度可以有效减小预埋件的温度变形;此外,可以采用不同施工措施以减小其温度变形,改变钢结构表面涂料种类、颜色的措施最有效,采用隔热板效果次之,改变钢构件截面尺寸效果最差。

基于试验子结构恢复力修正的不完整边界条件混合试验方法

相比于传统拟静力和拟动力试验,混合试验通常存在较为复杂的试验子结构边界条件。受到实验室加载条件的限制,子结构的边界条件往往难以完全实现,这将对混合试验的保真度产生很大影响,即混合试验中的不完整边界条件问题。为解决不完整边界条件问题,提出一种基于试验子结构恢复力修正的不完整边界条件混合试验方法。该方法为试验子结构建立两套数值模型,并通过两套数值模型修正试验子结构的不完整恢复力。两套数值模型的区别在于边界条件的设定:第一套数值模型具有完整的边界条件;第二套数值模型具有与试验子结构相同的边界条件,为不完整边界条件。该研究分析了边界自由度耦合程度、数值模型误差对该方法精度的影响,验证了该方法对存在模型误差的数值模型具有较好的鲁棒性;最后,采用所提方法对一座两层两跨抗弯框架结构进行了抗震性能数值分析。结果表明:与常规混合试验方法和弱耦合混合试验方法相比,该方法不仅具有解决不完整边界条件问题的能力,而且也表现出较高的仿真精度。

近岸水体中海洋雪对细颗粒微塑料沉降过程影响的实验研究

海洋微塑料是全球共同面对的环境问题和挑战,然而目前海洋微塑料从源到汇的输运和沉积过程及影响机制尚不明确。已有研究发现微塑料颗粒的垂向沉降过程受到海洋雪等水体悬浮物质的影响,但是目前相关研究只局限于定性的观察分析。在实验室中模拟含有海洋雪的近岸水体环境,使细颗粒微塑料(PS微球、PVC颗粒)与海洋雪产生碰撞、聚集,观测微塑料或微塑料-海洋雪聚集体的沉降过程。研究结果表明,水体中含有海洋雪时,一方面海洋雪会促进微塑料颗粒自身的聚集,形成更大的聚集体;另一方面由于海洋雪包裹微塑料形成松散的聚集体,导致平均沉速减小。50μm以下的微塑料其沉降过程受海洋雪的影响较大,平均沉速减小35%以上;微塑料密度越大,受海洋雪的影响越小,平均沉速减小10%以下。沉降速率的减缓,意味着微塑料在水柱中的停留时间增加,处于不同深度的水生生物可能有更多时间和概率与微塑料接触,增加了鱼类等水生生物摄入微塑料的风险。

空心节段预制拼装RC桥墩的多维抗震性能试验研究

随着时代的发展和社会的进步,预制拼装技术可提高桥梁建造效率、降低环境影响。预制拼装桥墩同时具备良好的自复位能力,且震后残余位移小。文中设计了新型空心节段预制拼装RC桥墩,通过水平双轴拟静力试验,对节段拼装桥墩在多维耦合作用下的抗震性能进行研究。采用矩形加载路径,对空心节段拼装桥墩的水平的损伤特征、节间接缝开合、水平力-位移关系、预应力下降、刚度退化等进行分析,阐明了空心节段预制RC桥墩的破坏机理,研究了新型桥墩的抗震性能。结果表明:多向耦合水平作用使构件边角破坏严重,加载路径对节段拼装桥墩的耗能能力、自复位能力等都产生重要影响。底部节段在加载位移角达1.5%时混凝土剥落较多,在3.5%的位移角下耗能钢筋拉断,且双向残余位移角可达1.98%和1.42%。双向加载RC墩自复位能力下降严重,可能导致韧性不足。本研究结果为空心节段拼装桥墩的设计和地震区应用提供依据和理论支撑。

一种基于自适应集成学习代理模型的结构可靠性分析方法

结构可靠性分析需要精确计算结构或系统的失效概率,当结构失效概率低时,运算量大且操作困难。可采用代理模型替代原始性能函数,结合自适应实验设计,在保证准确率的同时大幅减少原始模型的总运行次数。该文提出了基于自适应集成学习代理模型的结构可靠性分析方法,将适应性较广的Kriging与最近发展的PC-Kriging代理模型集成;利用代理模型提供预测点的方差特征,提出新的集成学习函数,识别高预测误差区域,实现高效拟合失效边界;通过主动学习算法在预测误差大和接近极限状态的区域添加采样,迭代更新集成代理模型。通过3个算例,验证了该文方法与单一代理模型结构可靠性分析方法的优势,与AK-MCS+U和AK-MCS+EFF相比,所提方法计算成本低、准确度高。

基于超声能量扩散的CFST界面剥离损伤检测方法与验证

钢管混凝土(CFST)构件因其具有良好的抗压、抗弯、抗剪能力,近年来被广泛用于各类型工程结构之中。鉴于CFST施工过程中,钢管与内部混凝土之间可能出现离析、剥离等缺陷,会降低或破坏钢管与混凝土的协同作用,导致承载力降低等问题。在受到极端荷载下,严重时会导致较大安全隐患和失效可能。因此,开展CFST剥离损伤检测十分必要。该文试制了采用超声能量扩散进行构件损伤检测的测试平台;对一批预设界面剥离损伤的方形截面CFST柱进行了不同频率超声波、考虑不同剥离尺寸影响的实测研究,得到归一化扩散及耗散系数,并以此作为管壁与内部混凝土剥离的检测指标;基于最佳激发频率提出CFST界面损伤判定依据,并采用COMSOL软件进行数值模拟验证。结果表明:归一化扩散及耗散系数对剥离损伤尺寸较敏感,可作为探明损伤规律性的重要参数。提出的CFST界面损伤判定模型与仿真试验吻合良好,最小误差为3.03%,平均误差小于10%,表明损伤判定模型能准确、有效定量识别钢管与核心混凝土间的界面剥离损伤,可拓展应用于同类型构件的损伤诊断和预判。

大体积混凝土墙水化放热温度场分析

为有效进行大体积混凝土施工温度控制,对大体积混凝土施工过程中温度场分布规律进行研究.针对混凝土水化放热过程中内热源随时间变化的问题,采用杜哈美尔定理推导出第三类边界条件下大体积混凝土墙水化放热温度场的解析解.由大体积混凝土墙水化放热温度场解析解可知,混凝土水化放热过程中,混凝土内某一点温度随时间增加先增大后减小,且温度变化近似符合指数函数之和;某一时刻混凝土内温度从核心到表面逐渐降低,且温度分布近似符合三角函数.结合解析解与数值分析方法研究发现,随着混凝土厚度、入模温度、混凝土绝热温升和单方胶凝材料对应系数的增大,混凝土养护阶段核心最高温度升高,导致混凝土里表温差增大;随着表面传热系数增加,混凝土养护阶段核心最高温度和表面温度降低,但是混凝土里表温差增大.混凝土内最大自约束应力正比于里表温差,因此通过分层浇筑、降低混凝土的入模温度、减小混凝土表面传热系数、降低混凝土绝热温升值和单方胶凝材料对应系数等方式可以减小混凝土内最大自约束应力,降低大体积混凝土开裂风险.

潮流作用下海上风电群桩基础局部冲刷与防护试验研究

海上风电基础局部冲刷会影响风电结构的稳定,对海上风电的安全运行至关重要。以四腿群桩导管架基础为研究对象,对潮流条件下基础局部冲刷开展试验研究。试验结果表明:0°水流条件下,最大冲刷深度为1.05倍桩径;45°水流条件下,最大冲刷深度为0.97倍桩径。并探索了新型蜂巢结构在群桩基础防冲刷中的应用,设计了蜂巢格室防护方案,发现在蜂巢防护情况下,两个流向作用于四腿群桩基础时最大冲刷深度仅为无防护情况下的27.3%和25.9%,表明蜂巢格室在海上风电基础的冲刷防护方面具有良好效果,在实际工程中具有较大的应用潜力。

SMA-摩擦阻尼器对索穹顶结构减震性能分析及设计方法

针对大跨空间结构减震控制问题,采用了一种适用于大跨空间结构的SMA-摩擦阻尼器,该阻尼器将形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)的超弹性特性与摩擦阻尼器的高耗能特性相结合.以天津理工大学体育馆的索穹顶结构为研究对象,通过计算附加模态阻尼比,得到了阻尼器的优先布置位置.基于多尺度有限元模型,研究了索穹顶结构的减震性能及SMA-摩擦阻尼器在地震中的力学性能.结果表明:在天津理工大学体育馆索穹顶结构中,阻尼器应优先替换内圈撑杆.随着地震动强度由0.07g增至0.40g,阻尼器滑动位移提升,减震性能增强,跨中节点竖向峰值加速度减震率平均值由11.97%增至30.35%,跨中节点竖向峰值位移减震率平均值由27.46%增至37.10%,杆件峰值应力减震率平均值由8.29%增至11.55%.该索穹顶结构一阶自振频率较低,与长周期地震动的傅里叶幅值集中区域接近,在长周期地震动下会有更大的动力响应,导致阻尼器滑动位移变大,耗能能力增强,结构竖向峰值加速度减震率和杆件峰值应力减震率平均值可达36.85%和15.13%,减震效果优于普通地震动.最后,对影响阻尼器滞回性能的力学参数高强螺栓预紧力和合金丝数量进行参数化分析,并结合阻尼器在结构中的受力,得到了阻尼器的力学参数设计方法,可供实际设计时参考.