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。     

远场地震动长周期特性对基础隔震结构地震响应影响研究

与普通强地震动相比,长周期地震动的低频分量丰富,对长周期结构影响显著。隔震结构作为一类具有较长自振周期的结构,其在长周期地震动作用下的动力行为值得研究。选取远场长周期地震记录和远场普通地震记录作为外部激励,以某基础隔震结构作为研究对象,研究了远场地震记录的长周期特性,及其对隔震层和上部结构地震响应的影响。研究结果表明:远场地震动长周期特性对结构地震响应的影响显著,远场长周期地震记录下结构的地震响应明显大于远场普通地震记录,在隔震结构设计中应考虑其不利影响;地震动功率谱与结构地震响应之间存在明显联系,应进行深入研究。研究结果可为长周期地震动作用下隔震结构的抗震设计提供参考。     

基于EMD与地震弹性反应谱的长周期地震动鉴别方法研究

通过对20条远场类谐和地震动、20条近场类长周期地震动及10条普通地震动的弹性反应谱分析得出:长周期地震动与普通地震动在低频成分、加速度峰值、卓越周期几方面有较大差异。通过Hilbert-Huang变换理论中的经验模态分解,对典型的普通地震波与近远场长周期地震波进行分解后重组。分析比较重组后分量时程与原时程位移谱的拟合程度得出结论:长周期地震动重组后分量时程与原时程位移谱的相关系数大于0.8;普通地震动的重组后分量时程与原时程位移谱的相关系数小于0.8。由此提出一种定量区分长周期地震动与普通地震动的方法,为界定长周期地震动提供依据。     

三维远场长周期地震下考虑SSI层间隔震结构地震响应分析

实际地震具有多维特性,只考虑水平向作用往往不够真实全面,而且远场长周期地震动不同于普通地震动,具有周期长、持时长、低频成份丰富等特征,对周期较大的隔震类结构会产生不利影响,在考虑SSI效应(soil-structure interaction, SSI)中尤为复杂,需深入探讨。基于此,建立大底盘层间隔震结构,在三维地震动激励下,探讨普通地震与远场长周期地震对层间隔震结构的不同影响,并分析考虑SSI效应对结构的不同程度影响。结果表明：三维地震下,远场长周期对层间隔震结构产生的地震响应远大于普通地震;考虑SSI效应时,随着土体变软,结构响应增大;针对传统水平隔震支座,在三维远场长周期地震下出现层间位移角和支座位移超限问题,设置三维隔震支座,解决了超限问题,分析结果表明其隔减震效果明显优于传统水平隔震支座。     

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。     

远场长周期地震动下高层摩擦摆基础隔震结构的减震性能

高层摩擦摆基础隔震结构在远场长周期地震动长持时的长周期成份作用下,尤其是类谐波成份作用下,隔震层上部结构的减震性能将可能无法得到保证,且摩擦摆支座亦可能产生超限变形。为此,远场长周期地震动作用下高层摩擦摆基础隔震结构的减震性能需进一步探讨。通过一幢框架-核心筒高层摩擦摆基础隔震结构的非线性地震响应分析,揭示远场长周期地震动,尤其是在类谐和长周期地震动下框架-核心筒高层摩擦摆基础隔震结构的地震响应规律。提出在隔震层增设黏滞阻尼器对结构的地震响应进行控制。结果表明:摩擦摆隔震不能满足结构在远场类谐和长周期地震动作用的减震要求,而且还将放大其作用下结构的非线性响应;组合隔震结构能较有效地控制长周期地震动、特别是远场类谐和长周期地震作用下隔震层上部结构以及隔震层的弹塑性地震响应,尤其可显著减小隔震支座的最大变形,使其不超越隔震支座的容许变形值。     

长周期地震动作用特性及其对RC柱抗震性能的影响研究

长周期地震动作用下结构的位移响应呈现多次大位移往复、长持时的特点，体现了其区别于普通地震动的特殊作用特性。长周期地震动对结构的影响研究关键在于揭示长周期地震动作用特性对结构构件抗震性能的影响机理。首先，基于雨流计数法对长周期地震动和普通地震动作用下单自由度体系的弹塑性位移响应进行循环统计分析，阐明了长周期地震动的作用特性，并以此构建了考虑长周期地震动作用特性的拟静力加载制度。其次，通过对不同设计参数的RC柱进行传统加载制度和考虑长周期地震动作用特性加载制度作用下的低周往复加载，分析其抗震性能差异，揭示了长周期地震动作用特性对RC柱的影响。研究结果表明：长周期地震动表现为地震动强度需求小，结构弹塑性位移循环总数多，且以小弹塑性位移循环为主的地震动作用特性。长周期地震动作用特性显著影响RC柱的强度与刚度退化规律，且对低等级混凝土、高轴压比、高纵筋配筋率和高体积配箍率构件的刚度退化影响更为显著。     

远场长周期地震动对自复位高墩地震反应的影响

为研究远场长周期地震动对自复位高墩地震反应的影响,开展了自复位高墩的缩尺模型振动台试验,得到了模型桥墩在远场长周期地震动和普通地震动作用下的墩顶位移和墩底弯矩等数据,并对已有的两弹簧数值分析模型的有效性进行了验证。以一座典型的桥梁为例,利用已验证的两弹簧模型基于OpenSees平台建立数值分析模型,进行了自复位高墩在远场长周期地震动下的地震反应分析,并与普通地震动结果进行了比较。结果表明:自复位桥墩在远场长周期地震动下仍具有较好的隔震性能,但远场长周期地震动会增大自复位高墩地震反应;自复位桥墩在远场长周期地震动下的墩顶位移和墩底提离位移及转角都明显大于普通地震动,而墩底弯矩则与普通地震动相差不大。在自复位高墩的应用中,需要注意远场长周期地震动带来的不利影响。     

长周期地震动输入下大型建筑剪力墙振动台试验

为优化处于长周期地震动输入下的大型建筑剪力墙结构,进行了振动台试验。分析普通地震动与长周期地震动波的区别,证明了长周期地震波具有显著长周期分量的特性。将某一高层酒店剪力墙作为研究案例,设计模拟实验台的构建流程与传感器布局,将建筑模型缩尺比例设置为1∶10。选择CA波、RG波、EL波作为实验用地震波,从位移与结构周期、层间剪力与位移比、易损性以及损失评估等方面对大型建筑剪力墙的抗震性能进行了评估。振动台试验结果表明,在位移相同的情况下,长周期地震波下的建筑极限承载力最小;在经历CA波、RG波、EL波后,模型的自振周期均发生变化,而EL波作用下模型的自振周期始终比基本周期略长;不同地震波下,X、Y向层间剪力变化基本趋于一致;CA波、EL波作用下,X向位移比较为接近,而剪力墙Y向上位移比在三种地震波作用下具有较大差异性;在长周期地震波作用下,大型建筑剪力墙损伤最为严重。     

远场长周期地震下基于规范设计隔震结构的抗震性能研究

隔震结构具有较长自振周期,且容易受地震动长周期特性的影响,因此其在长周期地震动作用下的抗震性能值得研究。以某基于规范设计的基础隔震结构为例,通过对该结构在规范规定地震作用和远场长周期地震作用下的地震响应进行分析和对比,研究长周期地震动对结构地震响应的影响;通过对钢筋和混凝土的损伤状态进行定义和标识,探讨长周期地震作用下基础隔震结构的损伤分布规律。研究结果表明,长周期地震动作用下隔震结构发生破坏的概率远大于具有相同峰值地面加速度的普通地震动,其中长周期地震动反应谱的谱峰值"后移"被认为是造成这种情况的主要原因,且长周期地震动作用下隔震结构的损伤分布并不均匀,其主要集中在结构的底层。     

近断层脉冲型地震动作用下高层摩擦摆基础隔震结构的减震性能研究

近断层地震动中长周期、短持时和高能量的加速度脉冲将对高层摩擦摆基础隔震结构的减震性能产生不利影响,考虑土-结构相互作用（SSI效应）后的隔震结构将产生动力耦合效应,可能进一步放大隔震结构地震响应。为此,通过一幢框架-核心筒高层摩擦摆基础隔震结构的非线性地震响应分析,考察近断层脉冲型地震动作用下框架-核心筒摩擦摆基础隔震结构的层间位移角、楼层加速度和隔震层变形等响应规律,揭示隔震体系的损伤机理。基于集总参数SR （sway-rocking）模型,分析不同场地类别与不同地震动类型对隔震体系动力响应影响规律。结果表明:高层摩擦摆基础隔震结构在近断层脉冲型地震动作用下的减震效果相比普通地震动减震效果变差,楼层剪力、层间位移角和隔震层变形等超越普通地震动作用下的1.5倍;对于Ⅲ和Ⅳ类场地类别,考虑SSI效应使隔震结构的地震响应进一步放大,弹塑性层间位移角随着土质变软增大尤为明显。     

带消能伸臂桁架超限框筒结构在长周期地震动作用下的反应分析

由于长周期地震动记录相对缺乏,国内外对长周期地震动作用下高层结构的地震响应研究尚不充分,特别是复杂超限高层结构。从2008年汶川地震记录中选择长周期分量明显的61CAT台站记录作为输入,以一245.60m高超限框筒结构为背景,进行了长周期地震动记录不同设防水准输入下的弹性和弹塑性时程分析,并与相应水准El Centro地震动记录输入下的分析结果进行了对比,对比结果表明长周期地震动记录输入下结构的最大水平位移和层间位移角等指标均显著增大,多遇烈度时算例结构X向、Y向最大层间位移角分别为1/218、1/240,远远超出规范限值。进一步,为了考察消能减震措施对超限高层结构在长周期地震动记录下的减震效果,分别在伸臂桁架水平弦杆、竖向腹杆及及斜撑上布置黏滞阻尼器构成水平型、竖向型及单斜撑型消能伸臂桁架,在长周期地震动记录输入下对带不同阻尼器布置形式的伸臂桁架结构进行了分析,结构的最大水平位移和最大层间位移角等指标明显降低,这一结果表明消能伸臂桁架可以较好地控制结构在长周期地震动记录输入下的地震响应,特别是竖向型阻尼器布置控制效果更好,61CAT记录多遇烈度水准输入下X向和Y向最大层间位移角可减小到1/298和1/312;罕遇烈度水准下X向和Y向最大层间位移角可由原结构的1/58和1/75减小到1/87和1/107。与普通地震动记录输入下的结果相比,长周期地震动输入下消能伸臂桁架发挥的控制作用更加明显。     

高层框架结构E-defense振动台试验弹塑性时程对比分析

长周期地震动对高层结构的影响在日本"311地震"后进一步受到关注,日本学者在E-defense振动台上进行了一20层高层RC框架1/4缩尺模型的加载试验,研究了长周期地震动作用下高层结构的响应及破坏特征;本文在介绍其主要试验结果的基础上,基于SNAP软件建立梁端部集中塑性铰杆单元、柱纤维单元的有限元模型,进行弹塑性时程分析再现试验结果;进一步考虑长周期地震动作用下高层结构长持时、大位移响应特征,对梁端恢复力模型考虑累积塑性损伤修正,计算结果与试验结果吻合良好。     

长周期地震动作用下空冷支架结构地震响应分析

长周期地震动低频成分丰富,且持时较长,对自振周期较长的结构影响较大。钢桁架-RC管柱空冷支架结构是一种应用于火电厂的特殊工业结构,实际工程中主要有带斜撑与不带斜撑2种类型,因其跨度较大,自振周期较长,且支撑有大量敏感型的大型昂贵工业设备,在长周期地震动作用下有较大潜在破坏风险。首先,选取了3条长周期地震动和3条普通地震动;然后,建立了带斜撑与不带斜撑的2种空冷支架结构有限元模型,并基于模型结构试验验证其有效性;最后,分析了2种类型空冷支架结构在普通地震动与长周期地震动作用下的位移、剪力及能量响应。结果表明：增加斜撑能有效限制空冷支架结构的位移反应,且在长周期地震动作用下对结构位移限制的效果更为显著,但增加斜撑后结构在长周期地震动作用下的柱顶最大侧移仍大于规范容许值;长周期地震动作用下,空冷支架结构的破坏主要由位移控制;长周期地震动对于带斜撑空冷支架结构体系的塑性累积损伤影响更大;两类结构的累积损伤都主要发生在RC管柱部分,在后期结构设计中应注重RC管柱的耗能能力设计。     

基于Hilbert-Huang变换的长周期地震动能量时频分布比较研究

远场类谐和地震动与近断层脉冲型地震动是两种不同类型的长周期地震动,确定其能量的时频分布特性对理解长周期地震动作用下长周期结构的反应特点及揭示结构破坏机理具有重要意义.各选10条远场类谐和地震动、近断层脉冲型地震动与普通地震动,利用Hilbert-Huang变换,提取出各地震动的3-D Hilbert幅值谱、边际谱、Hilbert能量谱与瞬时能量曲线,在此基础上提出累积能量谱、强频段、能量时间分布系数等概念,定义了多个指标对比分析三类地震动的长周期特性、宽频带特性和脉冲特性.结果表明:与普通地震动相比,远场类谐和地震动与近断层脉冲型地震动的能量主要集中于较低的频段,长周期特性明显,且远场类谐和地震动的能量集中频段低于近断层脉冲型地震动;远场类谐和地震动的强频段宽度小于其他两类地震动,且能量在强频段内的分布比其他两类地震动均匀;与其他两类地震动相比,远场类谐和地震动的脉冲特性不明显;三类地震动的卓越频率与能量时间分布系数均存在明显的分布规律,可以作为地震动的能量表征参数.     

近场地震作用下柔性直流换流阀抗震性能分析

柔性直流换流阀具有重心高和柔度大的特点,其地震作用下的抗震性能关系到整个输电工程的安全。以某柔性直流换流站工程的柔性直换流阀作为研究对象,研究近场地震动作用下柔性直流换流阀的抗震性能。首先建立了换流阀有限元模型,模态分析后得到换流阀的自振特性。然后选取8条近场脉冲型地震动和远场地震动记录,并进行地震动作用下换流阀结构整体响应计算,对比分析近场脉冲型地震动和远场地震动作用下换流阀的加速度响应和应力响应。结果显示：与远场地震动相比,近场脉冲型地震动作用下换流阀上部结构的加速度放大效应更加显著,支柱绝缘子根部和框架的等效应力也明显增大,对换流阀结构抗震安全不利。     

基于SDOF体系和高层结构的地震动强度指标研究

合理的地震动强度指标是预测和评价结构抗震响应的重要基础。选取24个周期点的单自由度体系和一个高层框架核心筒长周期结构,基于不同震源机制的100条地震动记录时程分析结果,研究16种地震动强度指标与结构地震响应的相关性,并提出考虑高阶振型影响的改进反应谱相关型地震动强度指标。研究表明：（1）不同地震动强度指标与结构地震响应的相关性差别较大,随着单自由度体系自振周期的增大,地震动强度指标与单自由度体系地震响应的相关性大致呈减小的趋势;（2）对于高层长周期结构,综合对比分析各地震动强度指标分别与顶点最大位移、最大基底剪力、最大层间位移的相关性,从工程实用角度出发,推荐地面运动峰值速度为最佳地震动强度指标;（3）由于高层长周期结构受高阶振型影响显著,采用含有高阶振型因素的反应谱强度指标可提高与结构地震响应的相关性。     

长周期地震动频谱特征周期研究

长周期地震动的频谱特性是影响长周期结构动力响应的重要因素,目前关于其频谱特征周期参数的研究尚有欠缺.根据长周期地震动的界定方法,选取65条远场长周期地震动和50条近场脉冲型地震动,计算各条地震动的10个频谱特征周期参数,通过分析各周期参数与长周期地震动低频特性指标的相关性和离散性,探讨合适的长周期地震动频谱特征周期表征...     

近场地震动对大跨刚构桥影响的分析

利用4个台站记录到的近场和远场地震动,研究了钢筋混凝土大跨刚构桥在近场脉冲型地震动横向激励下的反应,并与在远场地震动激励下的反应进行了比较;分析了大跨度桥梁在2种类型地震动作用下的反应特性。结果表明:在相同加速度峰值的地震动作用下,横向激励时,近场脉冲型地震动引起的桥梁反应,均比非脉冲型地震动引起的桥梁反应显著。近场脉冲型地震动激励下,桥梁反应均有较大的增加,对不同的结构部位,其影响规律相似。长周期速度脉冲效应会对大跨桥梁结构产生大的位移冲击,应当重视近场地震动中长周期速度脉冲效应对长周期及柔性结构的影响。     

非一致地震波动输入下大型钢筋混凝土框架结构-地基体系地震响应规律

为探索非一致地震波动输入对大型钢筋混凝土框架结构地震响应的影响,基于OpenSees软件平台建立二维钢筋混凝土框架结构\|地基动力相互作用有限元模型。将El-Centro地震波按P波波形分别以0°、15°、30°和35°角入射该有限元模型进行计算,对比分析框架柱内力和楼层层间位移的地震响应。研究发现非一致地震波输入方法对于大型钢筋混凝土框架结构建筑动力响应影响明显,随着地震波入射角的增大,钢筋混凝土框架结构底层柱的轴力幅值减小,剪力幅值增大,而弯矩幅值变化较小,楼层层间位移幅值也随之增大。研究结果对于大型钢筋混凝土框架结构抗震设计具有参考意义。