近断层地震动的频谱周期参数和非平稳特征分析

分析地震动的频谱周期参数和频率非平稳特征,是地震危险性分析和结构抗震设计的重要内容.本文对近断层地震动记录按照不同的运动特征分组,进行了Hilbert-Huang变换分析.结合相关的定义得到了表征地震动频谱特性的7个周期参数,包括:Fourier幅值谱平均周期Tm、Hilbert边际谱平均周期Tmh、特征周期Tc、卓越周期等,并计算了地震动的Hilbert谱瞬时频率时程变异系数.计算结果表明,从整体上把握地震动频谱特性的三个周期参数Tm 、Tmh 和Tc适合于表征近断层地震动的频谱成份.近断层地震动的频率非平稳特征显著,Hilbert谱瞬时频率变异系数良好地反映了地震动的频率非平稳性质和程度.而且,考察了近断层地震动运动特征对地震动频谱周期参数和频率非平稳性的影响.     

近场地震动频谱特征周期研究

基于999条具有完整信息的欧洲及其毗邻地区的近场强震动记录,对反映地震动频谱特性的不同特征周期参数(反应谱卓越周期T。、平滑化反应谱卓越周期T_o、傅氏幅值谱平均周期T_m)进行了研究,分析了场地条件、地震震级等因素对近场水平向及竖向地震动频谱特征周期的影响,并探讨了我国现行规范中设计反应谱特征周期T_g取值的合理性问题。统计结果表明:在近场区域场地和震中距仍是影响地震动频谱特征周期的重要因素,因为近场地震动的复杂性,震级对地震动频谱特征周期的影响不是很明显;近场区域竖向与水平向地震动的频谱特征周期有明显差别,且场地越软竖向与水平向地震动频谱特征周期的比值越小;我国现行抗震规范中设计反应谱的特征周期取值偏低,可能是偏于不安全的。     

基于抗震分析的长周期地震动的界定与选取

收集273条地震动信息并进行滤波处理,综合考虑地震动断层距、PGA、PGV/PGA及平均周期等地震动基本参数指标,对比其反应谱、傅里叶谱以及能量谱,归纳了近场脉冲、远场类谐和这2类特殊长周期地震动与近、远场普通地震动的界定标准;通过引入能量持时占比及地震动长周期分量能量占比等频谱参数,用于复核长周期地震动界定结果。结果表明:长周期地震动的反应谱衰减速率慢,在长周期段的谱值大于普通地震动;长周期地震动具有能量大且集中于低频区域的特点。     

集集地震地震动频谱参数研究

地震动的频谱特征是影响结构动力反应的重要因素。以集集地震动记录为数据基础,对反映地震动频谱特征的4个参数周期(反应谱卓越周期Tp,平滑化反应谱卓越周期To,傅氏幅值谱平均周期Tm和反应谱特征周期Tg)进行了研究。依据理论模型,经非线性回归分析,给出了不同场地上地震动各周期分量随断层距变化的经验公式。结果表明,不同的频谱参数周期反映地震动不同的频谱特征;同一场地上各周期随断层距的增大而增大;To和Tm具有较好的可估性。     

具有地域特性的设计地震动参数确定——以武罐高速公路为例

分析了甘肃陇南武罐高速公路所处陇南地区强震动记录的地形效应及频谱特征,研究了在地震危险性概率计算中地震动地域特性的简化与抽象过程,应用地震动记录地形效应及地域频谱特征对重大工程地震危险性计算结果进行调整,从而给出具有地域特性的设计地震动参数。结果表明:地震危险性概率分析计算结果与地域地震动特征分析结果之间有一定差异,根据地震动特征分析结果,对危险性计算结果中动力放大系数βmax和特征周期T进行一定的调整,以给出适合本区特征的抗震设计地震动参数。     

基于场地效应的地震动特性研究

为了研究强地震作用下,场地类别对于地震动幅频特性的影响,本文统计了3 579条日本地震动的时程,并针对场地类别的不同,分别从基岩和土层的峰值加速度幅值特性角度,以及从标准化反应谱和平均加速度反应谱等频谱特性的角度研究其幅频衰减特性,最后给出了各类场地峰值加速度衰减曲线。结果表明,土层对于地震动幅值和频谱的放大作用会随着场地类别的变软而增加,并且场地越软,远场的长周期特性越明显。利用平均加速度反应谱可以有效地反映频谱中的长周期成分。     

高层框架结构远场长周期地震响应分析

首先对3条普通地震波和3条远场长周期地震波进行了频谱特性分析,并对比了普通地震波与远场长周期地震波傅里叶幅值谱的不同点;其次采用ABAQUS大型通用有限元软件建立了16层钢筋混凝土框架结构有限元分析模型,并对高层结构的动力特性进行分析。按照弹塑性时程分析的方法,研究高层框架结构在远场长周期地震动作用下的响应,包括楼层剪力、楼层位移和楼层位移角,并与普通地震动作用下的结构响应进行对比,得出远场长周期地震动对高层框架结构的各个响应均大于普通地震动。     

长周期地震动参数与隔震结构响应参数的相关性研究

从Chi-Chi地震动数据中选取20条近场长周期地震记录和20条远场长周期地震记录,再从汶川地震渭河地震动数据中选取20条远场长周期地震记录作为输入,研究各个地震动记录相对应的地震动强度参数及其之间的相关性,筛选出了适合于长周期地震动的地震动强度指标,采用Pearson相关系数对筛选出的地震动强度指标与隔震体系的隔震层位移响应之间的相关性进行分析。结果表明:①在近、远场长周期地震动作用下,中长周期隔震结构的隔震层位移响应与频谱特征参数的相关性比较好,在进行中长周期隔震结构的抗震性能研究时,PGD、Sd_avg及DSI与隔震结构的相关性较好,地震动强度指标在集集近场建议选取PGD和Sd_avg,集集远场建议选取DSI和D/V,渭河远场建议选取Sd_avg和DSI;②在强相关范围内考虑相关性的高低,近场和远场的长周期地震动强度指标建议分别选取PGD和DSI。     

集集地震近断层地震动频谱特性

利用5个反映地震动频谱特征的周期(反应谱卓越周期Tp, 平滑化反应谱卓越周期To, 傅氏幅值谱平均周期Tm, 等效速度脉冲周期Tv和拟速度反应谱卓越周期Tpv), 对集集地震的近断层三分量地震动进行研究. 结果表明, 上盘地震动的频谱周期小于下盘地震动; Tp小于To和Tm, 且Tp反映的三分量之间的关系与To和Tm不同; 在地表断裂带的北端,Tv和Tpv所反映的近断层地震动长周期分量的频谱特征, 与走滑断层中方向性效应作用的规律相类似. 得出的定性或定量结论可以为近场抗震设计谱的建立与地震危险性区划研究提供参考.      

远场地震动频谱特性与超高层结构响应相关性研究

远场长周期地震动频谱特性对超高层结构的动力响应影响尤为显著,目前对其频谱特性研究很少。利用ANSYS软件建立超高层建筑弯-剪耦合连续化简化模型(Miranda模型),选取19条远场长周期地震动波,对不同高度结构进行时程分析,改变结构阻尼,得到结构顶点位移和最大层间位移。研究T_(PA)、T_(PD)、T_(PV)、T_c、T_g、T_g、T_(mh)、T_(mf)等8个频谱特性指标分别与结构顶点位移和最大层间位移的相关性随基本自振周期和阻尼比的变化规律。研究结果表明:T_(mh)与顶点位移相关性最强,最高可达0.75以上,建议采用T_(mh)指标作为频谱特性指标来表征超高层建筑的顶点位移;T_(mf)指标与层间位移相关性在各周期段内较稳定,保持在0.65左右,建议采用T_(mf)指标作为频谱特性指标来表征超高层建筑的最大层间位移。     

Response of buildings to near-field pulse-like ground motions

Ground motions affected by directivity focusing at near-field stations contain distinct pulses in acceleration, velocity, and displacement histories. For the same Peak Ground Acceleration (PGA) and duration of shaking, ground motions with directivity pulses can generate much higher base shears, inter-storey drifts, and roof displacements in high-rise buildings as compared to the 1940 El Centro ground motion which does not contain these pulses. Also, the ductility demand can be much higher and the effectiveness of supplemental damping lower for pulse-like ground motions. This paper presents a simple interpretation of the response characteristics of three recorded and one synthetic near-field ground motions. It is seen that for pulse-like ground motions—similar to any other ground motion—the Peak values of Ground Acceleration, Velocity, and Displacement (PGA, PGV and PGD) are the key response parameters. Near-field ground motions with directivity effects tend to have high PGV/PGA ratio, which dramatically influences their response characteristics. Copyright © 1999 John Wiley & Sons, Ltd.     

近场地震下竖向刚度不同的混合结构动力性能分析

近场地震的动力特性明显不同于远场地震,因此有必要对结构在近场地震作用下的动力性能展开研究。以上部钢结构-下部混凝土结构这类竖向刚度不同的加层混合结构为研究对象,对其在近场脉冲型地震、近场无脉冲型地震及远场地震作用下的动力响应进行研究。结果表明:在多遇、设防、罕遇地震作用下,近场脉冲型地震会使结构的层间位移角、层间剪力、加速度等动力响应均放大并出现超限的情况,而且都比罕遇地震作用下结构的响应增大更明显;在进行近场区加层混合框架结构的设计和建设时,近场脉冲效应会使结构存在不满足规范的情况,有必要对竖向刚度不同的加层混合结构在近场区的适用性进行深入研究。     

适用于全周期结构的速度脉冲型地震动强度表征参数研究

鉴于传统的地震动强度表征参数（IM）不能有效地反映速度脉冲型地震动的破坏特征,需要研究能够在全周期段内表征速度脉冲型地震动强度的参数。本文首先从NGA-West2强震数据库中选取了236条速度脉冲记录,分析了42种地震动参数之间的相似性和相关性,初步给出了速度脉冲型地震动强度的表征参数;其次,利用单自由度体系动力时程分析方法,研究了不同延性μ条件下速度脉冲型地震动强度表征参数与最大非线性位移u_m之间的相关性系数随周期T的变化特征,并通过线性回归和离差分析方法确定了初步给出的速度脉冲型地震动强度表征参数的有效性及其应用范围;最后,将速度脉冲对加速度反应谱的放大系数A_f作为速度脉冲型地震动强度表征参数,并验证其有效性。结果表明:① 当0＜T＜1 s时,S_a（T）作为速度脉冲型地震动强度表征参数的有效性较好;② 当1＜T＜3 s时,S_a,avg,S_v,avg,PPV,I_f和PGV作为速度脉冲型地震动强度表征参数的有效性较好;③ 当3＜T＜6 s时,S_a,avg,S_v,avg,PPV,I_f,PGV和S_a（T）不宜作为速度脉冲型地震动强度表征参数;④ 当0＜T＜6 s时,A_f作为速度脉冲型地震动强度表征参数的有效性较好,而且,当结构自振周期小于速度脉冲周期时,A_f作为速度脉冲型地震动强度表征参数时u_m的离散性最小。      

日本熊本M_W 7.0地震的长周期地震动

利用日本K-NET和KiK-net强震动台网获取的距离发震断层100 km以内136个强震动台站的三分量加速度记录,研究熊本M_W7.0地震地震动的长周期特性.基于残差分析研究不同周期地震动的空间分布差异,将观测分析结果与美国NGA经验模型、汶川和芦山地震观测结果进行对比,揭示此次熊本地震近场强震动的长周期特点及其形成机理.研究结果表明:(1)虽然总体上此次地震的近场地震动水平与美国NGA-West2经验模型的预测结果接近,但周期2 s以上地震动的分布在断层不同方位有系统性差异,在断层的北东方位,周期2.0～10.0 s的反应谱高于NGA-West2经验模型的预测结果,在西南方位,谱值低于经验预测模型.(2)我们认为此次地震2.0～10.0 s的长周期地震动的空间分布差异主要受破裂方向性的影响,在破裂传播的正前方,周期T=2.0 s,3.0 s,5.0 s,7.5 s和10.0 s的加速度谱被放大到整体观测平均水平的1 4～2.0倍.从周期T=2.0 s到10.0 s,破裂向前方向的放大作用和破裂反方向的减弱作用均有所增强,此次地震观测到的速度大脉冲记录均位于断层的东北方位,这与方向性脉冲的产生机理相吻合,速度大脉冲对加速度反应谱有显著的长周期放大作用,放大倍数值可以超过4.0,放大作用的影响主要位于脉冲的特征周期T_p附近.(3)近断层记录在建筑结构敏感的周期(0.5～2.0 s)的反应谱达到芦山地震的3～6倍,虽然与芦山地震震级接近,此次地震近断层地震动破坏力大大超过了芦山M_W6.8地震,甚至超过了汶川W_W7.9地震,这种长周期特点应该引起工程抗震设计和相关研究人员的重视.     

近场地震动特性及其弹性与塑性谱的研究

结构在近场地震动作用下的反应和远场地震动作用下的明显不同,这主要是由近场地震动高能量的速度脉冲等特征决定的。通过对110条近场地震动记录的分析．得到了相应的弹性反应谱,并通过对近场地震动和远场地震动作用下结构塑性分析进行对比．得到了以下结论：近场地震动作用下结构的弹性反应谱与规范谱明显不同,尤其在长周期阶段,表明规范谱值偏小;近场地震动作用对结构提出了更高的强度和变形需求。     

长周期地震动强度指标与SDOF体系残余变形相关性分析

为分析两类长周期地震动作用下如何选取合理的强度指标作为结构抗震设计的输入,从2011年东日本9.0级地震、2003年十胜冲8.0级地震和2016年熊本7.3级地震数据库中选取90条可靠的远场长周期地震动。从1994年美国北岭6.7级地震和1999年台湾集集7.6级地震数据库中选取60条近场长周期地震动,以SDOF体系为研究对象,讨论了阻尼比、屈服刚度折减系数和强度折减系数对残余变形与18个地震动强度指标的相关系数的影响,对比分析了两类长周期地震作用下相关系数之间的异同。研究结果表明:在考虑近场长周期地震动作用时,建议应根据结构周期的大小来选择合适的强度指标作为地震动的输入。远场长周期地震动作用下,以PGA、PGV和PGD为代表的强度指标与残余变形的相关程度均较高,PGV稳定性略好于PGA和PGD,建议PGV作为地震动输入的控制指标。残余变形相关系数受阻尼比、屈服刚度折减系数以及强度折减系数影响不大。     

近断层脉冲型地震动作用下隔震结构地震反应分析

隔震结构在远震场地减震效果良好，但是近断层地震动的明显的长周期速度和位移脉冲运动可能对隔震建筑等长周期结构的抗震性能和设计带来不利影响，需要深入探讨。本文首先讨论近断层地震动的长周期脉冲运动特征，然后以台湾集集地震8条典型近震记录和其它4条常用近震记录以及4条远震记录作为地震动输入，对两幢安装铅芯橡胶隔震支座的钢筋混凝土框架隔震结构进行非线性地震反应时程分析，通过比较探讨了算例计算结果，定量说明隔震结构的近震脉冲效应显著，是隔震设计不容忽视的问题。     

2018年2月6日花莲M_W6.4地震近场地震动方向性效应

利用中国台湾省内222个强震动台站以及Palert地震预警系统520个台站所观测的三分量加速度记录,研究此次花莲M_W6.4地震近场强地震动空间分布和衰减特征,将观测结果与美国NGA-West2地震动经验预测模型进行对比,揭示此次台湾花莲地震近场地震动的长周期特点,基于回归残差分析研究地震动峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)和不同周期地震动的空间分布差异,定量考察近场地震动的方向性效应.研究结果表明:(1)整体上此次地震的近场PGV观测值和周期1.0s以上的长周期加速度谱值与美国NGA-West2地震动预测模型结果接近,PGA观测值和周期小于1.0s的加速度反应谱略低于预测模型结果.从空间分布来看,周期1.0s以上的长周期地震动在断层的不同方位有系统性差异,在破裂传播前方(震中西南方位),周期大于1.0s时的反应谱明显高于美国NGA-West2地震动经验预测模型,在破裂传播后方(震中东北方位),周期大于1.0s时的反应谱低于经验预测模型,表明此次地震近场地震动具有显著的方向性效应.(2)破裂传播的方向性效应主要影响周期超过1.0s的长周期,而对PGA以及周期小于1.0s的短周期地震动影响较弱.在破裂传播前方,周期1.0～10.0s的加速度反应谱值被增强到整体观测平均水平的1.16～1.52倍;在破裂传播后方,周期1.0～10.0s的加速度反应谱值被减弱到整体观测平均水平的0.36～0.70倍.(3)此次地震破裂方向性效应的影响表现出明显的窄带效应,破裂方向性的影响(包括破裂传播前方的增强作用和破裂传播后方的减弱作用)在周期T=3.0s时达到最大,在该周期破裂传播前方的增强系数为1.52,破裂传播后方的减弱系数为0.36.从周期T=3.0s到10.0s,破裂方向性效应的影响随周期增大总体上呈减弱趋势,这与2016年日本熊本M_W7.0地震破裂方向性效应的影响特点显著不同.     

长短周期地震波作用下钢框架结构的响应特性对比分析

作为一种特殊的地震动,长周期地震动对结构的危害已引起国内外学者的关注。选取10条KiK-net、K-NET台网中典型的长周期地震动,以及10条国内外的短周期地震动,对比分析两者时程特征和反应谱特征的差异。将所选长、短周期地震动输入钢框架结构模型;通过非线性时程分析,研究钢框架结构在长、短周期地震动作用下的响应差异。结果表明：短周期地震动的平均地面峰值加速度是长周期地震动的3.26倍,而平均地面峰值位移比长周期地震动低10.89%;短周期地震动作用下,钢框架结构顶点加速度响应平均值是长周期地震动的5.16倍,结构顶点位移响应平均值仅比长周期地震动多0.91%;长周期地震动作用下,钢框架结构层间位移角响应较大,结构底部受影响范围更广。对于长周期地震动隐患地区的高层钢框架结构,应对长、短周期震害分别进行考虑;对于中、长周期钢框架结构,建议选用峰值位移作为抗震分析指标。