基于实际记录检验的近断层区结构抗震设计谱研究

由于长周期大幅值脉冲型运动效应、方向性效应等显著特征,近断层地震动和远场地震存在明显差别,近场区的设计地震动需专门研究.文中建立了包含世界范围内23次主要地震事件中338条水平向记录的近场地震动数据库,对中、美相关的代表性抗震规范的设计反应谱进行了场地分组下的实际地震动检验,表明现行各规范与近场需求存在较大差别,难以直接适用于近断层区的结构抗震设计.通过引入考虑近场地震动效应的近断层系数、衰减指数,分别对设计谱平台高度和中、长周期段衰减速率进行修正,并通过对特征周期的取值进行调整,给出了适用于近断层地区结构水平向抗震设计谱的建议.对比检验表明,所建议的设计谱和实际近断层记录分组均值谱吻合较好,并与代表性的跨越断层区典型高速公路桥梁桥址抗震设计谱相一致,可适用于近断层区域工程结构的抗震设计.     

南京长江大桥地震动设计参数

本文根据大桥场地方圆３２０ｋｍ范围内的的地质构造、历史地震和地震活动性资料的分析结果,判别潜在震源,根据中、强地震动以及东部地震烈度观测资料得到衰减规律,采用了断层－破裂模型通过地震危险性概率法得到桥梁场址年超越概率基岩峰值。采用非平稳随机过程模型得到人工地震动。最后,应用场地土层动力性能的试验数据,通过波动分析得到桥址场地设计地震动参数。     

汶川地震垂直和平行断层方向地震动特征差异

为探讨断层走向对水平地震动的影响,选取汶川地震113组水平地面运动加速度记录,对比研究了垂直断层方向(FN)和平行断层方向(FP)分量的地震动加速度峰值、持时、反应谱、放大系数和特征周期等参数的差异.结果表明:断层距小于50 km时,FN分量地震动加速度峰值大于FP分量,且二者加速度峰值比的均值受场地条件影响较小;断层距越大,FN和FP分量地震动加速度持时越长;断层距小于100 km时,Ⅰ类场地FN和FP分量加速度持时的差别大于Ⅱ类场地;近断层区域内,FN与FP分量加速度反应谱比值的均值大于放大系数比值的均值,Ⅰ类场地FN和FP分量加速度反应谱、放大系数的差别均分别大于Ⅱ类场地;FN和FP分量地震动特征周期差别明显,且二者比值的均值和差值的均值都受场地条件影响较大.     

桥梁结构非线性地震响应极值分布的估算方法

为了研究近断层脉冲地震作用下桥梁非线性地震响应极值分布,进行小失效概率下的桥梁动力可靠度精确计算,提出了一种有效的近断层脉冲地震作用下桥梁结构非线性地震响应极值分布分析方法. 首先考虑桥梁结构的非线性和地震动的不确定性,采用拉丁超立方抽样对近断层脉冲地震动随机参数和结构随机参数进行随机抽样,通过模拟的高频地震动均方值和与精确值的相对误差确定出所需要的样本数量;其次以合成的近断层脉冲地震动作为地震激励,通过时程分析对结构非线性动力方程进行求解,从而得到结构非线性地震响应极值样本,再采用改进的分数阶矩最大熵原理获得结构非线性地震响应的极值分布;最后通过非线性单自由度系统和三层非线性剪切框架验证了该方法的有效性. 研究结果表明:该方法不仅能够有效的模拟近断层脉冲地震作用时,桥梁结构与地震动双重不确定性影响下的动力响应极值分布,更能在兼顾效率和计算精度时,精确估计桥梁结构非线性地震响应极值的尾部分布,能够为桥梁结构非线性动力可靠度评估提供一种有效的途径.      

近场多脉冲地震作用下高墩桥梁地震响应分析

为了研究近断层地震的多脉冲效应对不规则高墩大跨桥梁非线性地震响应的影响,首先,采用眼观识别的方法选取了典型的多脉冲、单脉冲和非脉冲3组地震动;然后,采用小波变换识别方法和能量识别方法对其脉冲性进行识别,研究了脉冲地震动识别方法对多脉冲地震动的适用性;最后,以某大跨度高墩桥梁为例,基于OpenSees建立了其非线性有限元模型,对其进行了非线性地震响应分析,对比研究了近断层多脉冲地震动及单脉冲地震动对不规则高墩桥梁非线性地震响应的影响. 研究结果表明:现有的近断层脉冲识别方法只适用于速度时程中只含有一个主脉冲的地震动,对于多脉冲地震动,其失效的可能性非常大;近断层脉冲地震动对不规则高墩桥梁具有更强的破坏性,特别是在多脉冲地震作用下,1号、2号两个高墩的墩顶位移需求分别增加了118.9%和109.6%,墩底弯矩和墩底曲率也有明显的增大;近场多脉冲地震作用下主梁的碰撞次数增大了3～5倍,碰撞力也会增大2～3倍,主梁更容易发生严重的碰撞破坏,在抗震设计时应采取适当防撞措施.      

脉冲型地震动作用下尼泊尔砖木遗产建筑易损性分析

为研究近断层脉冲型地震对尼泊尔砖木结构遗产建筑抗震性能的影响,以一栋2层的砖木结构遗产建筑为例,采用等效框架方法,以地面峰值加速度作为地震动强度指标和层间位移角作为结构损伤指标对其进行动力增量分析,确定了结构极限破坏状态,并分别对结构在脉冲型和非脉冲型地震作用下的易损性曲线进行了比较.研究结果表明:砖木遗产建筑在正常使用、生命安全和防止倒塌3种不同极限状态下对应的层间位移角分别为0.06%、0.32%和0.44%;该类建筑在遭遇地震时有较高的概率达到正常使用极限状态,但其超越生命安全和防止倒塌极限状态的概率相对较低;当达到或超过生命安全状态之后,较小的地面峰值加速度增量就可能导致砖木遗产建筑达到防止倒塌状态;与非脉冲型地震动下的结构响应相比,脉冲型地震动下达到正常使用、生命安全和防止倒塌3个极限状态的概率分别高出18.9%、14.3%和12.6%,在震后修复和加固中应对近断层脉冲型地震动的激励特征予以充分考虑.     

考虑地震强度空间变异性的地铁系统连通可靠性分析

考虑地震强度的空间变异性，本文提出一种以震后通行能力为目标的地震作用下地铁系统连通可靠性评价方法。首先，根据历史地震资料和地震烈度衰减关系，开展目标区域地震危险性分析，生成具有空间变异性的地震动峰值加速度场；其次，采用图论建模方法构建地铁网络拓扑模型，并将地震动场输入网络；再次，结合结构地震易损性模型计算地铁车站、区间隧道的地震失效概率，并模拟地铁网络的震后状态；最后，引入有效连通的概念建立了3种指标：网络连通可靠度、车站连通可靠度和运营线路故障率，基于Monte Carlo模拟方法从不同角度对地铁系统的抗震连通可靠性进行分析。基于上述流程以北京市城六区地铁系统为例进行抗震连通可靠性分析。结果表明：地震强度的空间变异性对系统连通可靠度的影响显著；在50年超越概率为10%的地震作用下该地铁系统中88%的车站之间能够实现有效连通；运营线路之间相互交错形成闭环能有效提高系统的连通可靠度。     

复杂多层隔震结构近场地震动位移响应特征分析

为了研究近场地震动特征参数对超长复杂基础隔震结构地震位移响应的影响特征. 首先,分析了128条近场地震动特征参数之间的相关性;接着,对超长复杂基础隔震结构输入地震动,分析脉冲型地震动和非脉冲型地震动的特征参数与结构位移响应之间的相关程度及变化特征. 结果表明:隔震结构的长周期值因接近速度谱中速度敏感性区域而远离加速度谱中加速度敏感性区域,使得结构位移响应与地面峰值速度（peak ground velocity,PGV）的相关程度大于与地面峰值加速度（peak ground acceleration,PGA）的相关程度;地面峰值位移（peak ground displacement,PGD）、输入能对较低楼层的层间位移影响程度大于较高楼层层间位移的影响程度,而PGV和PGA对较低楼层的层间位移大小影响程度小于较高楼层层间位移的影响程度;其他特征参数（除输入能和PGV之外）与基础隔震结构层间位移响应的相关程度大小,同该特征参数与地震动特征参数输入能（或PGV）的相关水平程度相一致;除此之外,近场地震作用下,结构端部及边角位置支座相对中心位置支座位移明显偏大,脉冲型地震动对结构层间位移和隔震层位移分别放大56.59%、58.33%,且对较低楼层的层间位移放大作用更加明显.      

脉冲型地震动模拟与隔震桥墩性能的能量分析

用改进的三角函数方法来模拟近断层地震地面激励，对非线性隔震桥梁单墩模型进行了地震响应和能量分析．通过对波形、脉冲周期和峰值速度等地震动参数的调整来表征不同的脉冲效应，在前向、前后向和多环3种不同的脉冲波作用下，隔震桥墩反应规律类似，以第3种冲击形式结构的响应值最大、输入结构的地震动能量最多、脉冲周期是决定地震动破坏能力的重要参数，通过定义累积滞回耗能比和瞬时耗散能量比，表明隔震支座有效耗能能力在短周期脉冲作用下较小，在长周期部分趋于稳定，而在中短周期部分单纯依靠隔震支座耗能不足以有效降低地震危害．通过引入瞬时输入能量概念，表明瞬时地震输入能量和结构地震响应密切相关，用瞬时输入能量来表征地震动强度是合适的指标．     

脉冲型地震动对CFST拱桥抗震性能的影响分析

为了研究脉冲型地震作用下钢管混凝土拱桥的抗震性能,以一座钢管混凝土拱桥的实际工程为例,采用时程分析方法系统分析了其在非脉冲和脉冲型地震作用下的抗震性能. 首先,基于PEER地震衰减模型并采用谱兼容的方法选取了符合不同场地条件且具有不同脉冲周期的天然地震记录;其次,在综合考虑有无脉冲、脉冲周期以及地震动多维性的基础上,对钢管混凝土拱桥的抗震性能进行了对比分析. 研究结果表明:脉冲型地震动会对结构响应产生较为明显的影响,脉冲效应对结构响应的放大作用在0.96～19.88倍之间,桥梁修建处的场地条件越好放大作用越明显;脉冲周期的不同也会对结构响应产生不可忽略的影响,结构响应的改变率在10～133%之间,脉冲周期越小脉冲效应对结构响应的放大作用就越明显;与非脉冲型地震动相比,地震动多维性对脉冲型地震作用下的结构响应影响较小,但随着脉冲周期的减小,地震动多维性对结构响应的影响变大. 因此,在对断层附近的钢管混凝土拱桥进行抗震设计时不但要考虑有无脉冲的影响,还需要考虑脉冲周期、地震动多维性以及桥梁修建处场地条件的影响,以免错误地估计结构响应.      

基于多因素分析的抗震结构阻尼耗能研究

阻尼耗散能量是基于能量性能抗震设计方法的重要指标,需要深入研究不同的地震动和结构特征参数下阻尼耗能的分配特征.以3种场地下的214条近断层地震记录为输入,以简化为理想弹塑性（EPP）、双线性（BL）和刚度退化（SD）滞回模型的单自由度体系的抗震结构在大量近场地震作用下的阻尼耗能分析为基础,从地震动特征和结构特性参数两种角度分别定量讨论了多种因素对结构阻尼耗能比值谱的影响规律.分析表明,场地土类型和断层距对阻尼耗能比的影响并不明显,持时和地震动峰值加速度在不同的周期和延性条件下对阻尼耗能分布比例有一定程度的影响,决定阻尼耗能分配比例的主要因素是结构阻尼、变形延性系数和结构自振周期.通过与计算结果的对比,指出了Akbas所建议计算方法存在的不足.研究成果对于探讨提高阻尼耗能的有效方法,发展基于能量原理的结构性能抗震设计方法具有参考价值.     

近断层地震作用下大跨CFST拱桥的动力稳定性

为研究大跨度CFST(钢管混凝土)拱桥在近断层地震作用下的动力稳定性能,以主跨132 m的下承式钢管混凝土拱桥为工程背景,以台湾集集地震记录作为横向输入,采用动态增量分析(IDA)方法,对动力失稳临界荷载的确定进行了探讨.为提高IDA的分析效率,采用了高性能数值计算并行处理方法.此外,还讨论了加强IDA曲线簇收敛的问题.结果表明:脉冲型近震可导致非线性极值动力失稳,失稳临界荷载明显降低;采用加权平均加速度峰值作为地震强度指标,能显著改善IDA曲线簇的离散性,有利于揭示近断层地震对钢管混凝土拱桥造成动力失稳的特点.     

MDOF桥墩结构基于能量的抗震性能分析方法

针对脉冲型近场地震动的高能量输入,有必要发展以能量为指标的结构抗震性能分析方法．基于能量平衡原理,在给出多自由度体系的地震输入总能量和滞回耗能需求、结构耗能能力以及总能量沿各节点分布等计算方法的基础上,建立了一种基于能量概念的桥梁结构抗震性能评估方法．以3座加拿大的实际桥墩为算例,以近震记录和模拟脉冲为输入,验证了所建议方法的有效性和必要性．最后,以MDOF实体桥墩的时程分析结果为基础,对采用Akbas模型近似确定能量在以弯剪变形为主的中、低高度RC桥墩各截面分布的适用性进行了检验．     

Seismic Responses of Asymmetric Base-Isolated Structures under Near-Fault Ground Motion

An inter-story shear model of asymmetric base-isolated structures incorporating deformation of each isolation bearing was built, and a method to simultaneously simulate bi-directional near-fault and far-field ground motions was proposed. A comparative study on the dynamic responses of asymmetric base-isolated structures under near-fault and far-field ground motions were conducted to investigate the effects of eccentricity in the isolation system and in the superstructures, the ratio of the uncoupled torsional to lateral frequency of the superstructure and the pulse period of near-fault ground motions on the nonlinear seismic response of asymmetric base-isolated structures. Numerical results show that eccentricity in the isolation system makes asymmetric base-isolated structure more sensitive to near-fault ground motions, and the pulse period of near-fault ground motions plays an import role in governing the seismic responses of asymmetric base-isolated structures.     

基于自适应匹配算法的速度脉冲型地震动模型化

速度脉冲型地震记录至今尚未有完整的波形参数识别方法，从地震动数据库中批量识别脉冲记录并搜集波形参数仍然有一定困难. 针对此问题，将脉冲量化识别、脉冲解析函数、自适应匹配算法三者结合，提出一套脉冲波形参数识别方法，可实现脉冲波形和解析函数之间的自适应匹配；该方法包括一个借助EMD (empirical mode decomposition) 的核心算法，对近场速度脉冲型地震记录实现平滑；再以Mavroeidis函数为脉冲基本模型，根据其特征参数的变化范围，分别对脉冲频率、脉冲形状系数、脉冲振荡特征系数进行了参数样本的循环枚举，并由优化算法确定模型参数取值；在此基础上，给出了当前既有的速度脉冲型记录样本的上述模型参数识别结果，并根据统计给出了地面峰值加速度分布和主脉冲周期的关系. 研究结果表明:和既有的方法利用Dickinson模型识别方法相比，本文算法对波形显著不对称的记录主脉冲周期识别错误率降低了约67%，较好的识别稳定性更有利于工程应用.      

近断层地震动对大跨钢管拱桥作用指标研究

结合地震动的频谱特性,研究了钢管混凝土拱桥受近断层地震动作用的评价指标.根据长周期、大跨拱桥结构易受地震低频分量和时域能量脉冲破坏作用的特点,提出了利用二进正交小波分解地震信号,并综合考虑各小波分量峰值对结构的作用影响,得到可以用来评价近断层地震动对所研究拱桥结构破坏作用的指标,体现了基于性能的结构抗震设计思想.     

汶川地震桥梁易损性分析

为了评估汶川地区公路桥梁系统地震损失风险,基于汶川地震桥梁震害调查,建立了桥梁地震易损性统计模型.采用修正后的汶川地震衰减模型,对桥址处地震动参数PGA进行了估算.假设易损性函数为双参数对数正态分布函数,采用两种不同的统计方法并结合震害调查,运用极大似然法对参数进行估计,得到轻微破坏、中等破坏、严重破坏、完全损毁4种损伤状态对应的桥梁地震易损性曲线.依据桥梁类型和桥梁线形对全体桥梁样本进行分类,针对分类后的桥梁样本子集建立各自独立的地震易损性曲线.对统计结果进行拟合优度检验,结果显示显著性水平在10%以下,计算得到的易损性函数不能被拒绝.     

汶川地震中九襄断裂对汉源烈度异常的影响

为分析汶川地震中九襄断裂对汉源县高烈度异常的影响,基于对汉源县城震害的科学考察、场地勘察以及地震地质与地形图,建立了典型的二维地震反应分析模型,采用有限差分法和透射边界理论,分析了九襄断裂对汉源县城震害的影响.结果表明:九襄隐伏断裂对汉源烈度异常有一定影响,对频段在4~8 Hz之间的地震动放大效应显著,使地表地震动峰值加速度约增大9%;该频段与汉源县城部分建筑物的自振频率吻合,放大的地表地震动和共振效应加重了汉源县城的震害,是汉源高烈度异常的主要原因之一.因此,场地中的非发震隐伏断裂对地表地震动有一定放大效应,工程选址和抗震设计时应考虑其影响.