轨道交通地下结构抗震设计相关反应加速度法分析

通过梳理轨道交通地下结构抗震设计流程,明确抗震设计方法选择的原则和依据。在阐明反应加速度法基本原理基础上,引出土层地震反应分析的一维等效线性化法,并对影响土层地震反应计算结果关键参数进行讨论。针对一维土层地震反应得到的加速度时程提出合理拟合抛物线型二阶基线方程,可以消除加速度时程长周期随机分量引起的漂移问题,经自然积分可以得到消除基线漂移的位移时程;同时阐明数值分析软件Origin Pro有效解决积分得到位移时程的基线漂移问题并得到合理位移分布的途径和方法。以北京地铁3号线体育中心站为例,详细说明反应加速度法相关各个技术环节实现的方法和结果,并指出反应加速度法或位移法所依据的土层地震反应分析和位移时程的确定具有较强专业性,应做专项咨询分析工作;只有一维土层地震反应分析获得的加速度反应谱及时程客观合理,有限元计算所需相应地震动水平的等效剪切模量才可信;积分得到的位移时程需要有效消除基线漂移影响。只有上述相关结果真实客观可信,有限元计算结果才能模拟真实的土层-地下结构地震反应。     

一种内蕴基线漂移校正的人工地震波 反应谱拟合方法

采用与传统频域法相反的思路,提出一种内蕴基线漂移校正且匹配目标反应谱的人工地震波直接拟合新方法。该方法首先构造非平稳位移时程表达式,进而求导得到速度、加速度时程表达式,由各表达式满足的归零条件确定相关的包络函数;其次,结合单自由度系统谐波响应的解析式,将匹配目标反应谱的拟合问题转化为关于待求幅值谱的非线性方程组;最后,结合高效的非线性方程迭代算法给出自然满足归零条件的加速度、速度及位移时程。分别以Rg1.60标准谱、某核岛楼层谱和《建筑抗震设计规范》中的设计谱为拟合算例验证所提方法的效率和精度。所提方法可成为人工地震波快速拟合的新途径。     

用Matlab软件内部函数校正强震记录的探讨

在标准化结构反应谱时,需要准确地确定地面地震动峰值。而在地震期间,测量地面运动时采集到的地震动加速度时程数据由于种种原因存在基线漂移问题,导致所测数据不能真实反映地面运动．由此难以确定真实地面运动峰值。通过对地震动加速度数据拟合,根据拟合后的数据计算地震速度及位移．并将计算结果分别与利用已有基线修正方法求得的速度及位移进行对比．从而确定最佳拟合次数,消除基线漂移造成影响。研究结果表明,经12次拟合修正地震动加速度求得的地震动位移峰值可用于相对位移反应谱标准化。     

基于L1范数正则化的强震动加速度记录基线漂移识别方法

本文提出了一种基于L₁范数正则化的基线校正新方法,即以拟合速度时程误差最小为目标,以基线漂移本身尽可能小为约束条件,经过凸优化多次迭代自动求解出满足条件的基线漂移,避免了人为选取基线漂移分段次数和基线漂移起止时刻的主观干扰;随后利用该方法对多组加入了基线漂移噪声模型的强震动加速度记录进行验证。结果表明:本文方法对于识别和处理单段式、两段式和多段式的基线漂移噪声具有普适性,能敏锐地捕捉到速度时程发生漂移的趋势（斜率变化）,无需预先设定加速度基线漂移模型也可有效地识别出多种基线漂移噪声的起止位置和漂移程度;地震记录事前部分对本文方法处理结果影响较大,当记录事前部分足够长时（如20 s）,识别基线漂移噪声的准确性较高,位移时程可以较好地与原始位移匹配;而对于发生漂移的速度时程,本文方法可以不受地震事前部分长短的干扰,甚至在加速度记录出现明显丢头现象时,也能很好地实现峰值速度和整个速度时程的恢复。      

四种计算地震反应数值方法的比较研究

本文在简要总结了计算单自由度系统地震反应频域方法和时域方法的特点之后,按照统一的递归公式,系统地对计算单自由度体系的四种时域方法即中心差分方法、Newmark方法、Z变换方法、Duhamel逐步积分法进行了对比研究。通过递归系数b1和b2的不变性、传递函数的低频约束条件和相位特性以及数值分析等几个方面说明了上述方法各自的优缺点、相对精度和适用的范围。根据动力平衡方程的算子不变性,研究了上述方法的共性特征,揭示了相对位移、相对速度、相对加速度递归公式的内在联系,这表明只要知道相对位移的递归公式,相对速度、相对加速度的递归公式也就随之确定,在此基础上推荐了一套计算单自由度系统相对位移、相对速度、相对加速度地震反应的递归公式。     

随机地震动场多点激励下宽幅大跨桥梁结构地震响应研究

为了研究随机地震动场多点激励作用下宽幅大跨桥梁结构的地震响应,基于二维相干模型,考虑地震波非平稳性合成桥址各支承点的人工地震加速度时程波,采用多项式拟合法在时域内对各支承点处的人工合成加速度波进行校正,并对校正前后加速度波的响应谱进行比较校验;随后以某大跨自锚式悬索桥为例,利有限元软件中线性时程分析模块,将所合成的加速度地震波施加于结构,对比研究一致激励与随机地震动多点激励下宽幅大跨桥梁结构的地震响应。分析表明,考虑二维相干和地震波非平稳性合成的各支承点地震加速度时程波可采用多项式拟合法进行基线漂移现象的校正,同时应对修正前后加速度波的反应谱进行比较校验;对于大跨且横桥向支承点相距较远的桥梁结构应考虑横桥向地震波的非一致性。     

二级近似加速度法的精度研究

详细介绍了二级近似加速度法的推导思路,从理论上可以看出它有三阶精度。通过在MATLAB上运行编制的程序,实现了二级近似加速度法在结构动力时程分析中的应用。在单自由度体系和多自由度体系中输入十条地震波后发现:在步长取相同值的情况下,本文方法绝大部分的平均相对误差要小于Wilson-θ法。也就是说要达到相同的精度,二级近似加速度法需要迭代的次数更少,因此收敛速度更快。另外,理论上精度高的算法不一定在任何情况下都比精度较低的算法表现好,算法的精度与步长大小、荷载复杂程度、振幅衰减率和周期延长率都有关系。以上研究为在实际工程应用中选取高精度的逐步积分算法提供参考。     

拟合水工设计反应谱的人工地震波的生成与Huang变换校正

根据非平稳输入下建立的功率谱与均值反应谱之间的关系,合成基于水工设计反应谱的人工地震波,并对其幅值进行修正,降低了高频区误差作用.为了解决加速度时程积分后的速度、位移时程的零线漂移现象,利用Huang变换得到加速度时程的固有模态函数,这种最低频率固有模态函数分量通常情况下代表原始信号的趋势或均值;再对去掉均值后的加速度时程进行积分,得到的速度、位移时程不存在零线漂移问题.     

峰值速度对单自由度体系地震反应的影响分析

研究了在加速度反应谱与峰值位移不变的条件下,输入地震动峰值速度对单自由度体系动力反应、尤其是弹塑性反应的影响。首先,利用在时域内叠加窄带时程的方法合成加速度反应谱和峰值位移相同,但峰值速度相差1倍的两组人工地震动时程。其次,按照《建筑抗震设计规范》的要求,将合成的输入地震动标定为不同设防烈度区下多遇地震的加速度峰值,进行结构弹性计算,结果表明:输入地震动峰值速度的变化对结构弹性反应基本无影响。然后,将输入地震动标定为相应烈度区下罕遇地震的加速度峰值,并以上述多遇地震下弹性反应的最大变形作为罕遇地震作用下结构弹塑性分析的屈服变形,进而分析输入地震动峰值速度变化对结构弹塑性反应的影响规律。其结果表明,峰值速度的增大将会明显增大中长周期结构弹塑性位移反应和速度反应,且这种放大效应对位移反应尤为显著。这种规律在不同烈度区基本具有一致性,随着烈度增大,输入地震动峰值速度的增大引起的大部分中长周期结构弹塑性位移及速度反应的放大效应减小。因此,在进行结构动力分析时,应充分考虑输入地震动峰值速度变化对计算结果的影响。     

拟合加密控制点反应谱的地震动时程合成

在传统地震动反应谱频域拟合方法的基础上,提出了拟合加密控制点目标反应谱的地震动合成方法,并在此基础上利用实际算例与传统方法进行了对比.本文方法在每次迭代调整过程中均考虑了对地震动加速度强度包络函数的模拟,并且对调整后的地震动进行了基线校正,从而确保最终合成的地震动时程既能以一定精度拟合加密目标反应谱,又能满足目标包络函数的要求,同时保证积分所得位移曲线不产生基线漂移.数值算例分析结果表明,本文方法与传统非加密控制点目标谱拟合方法相比,在地震动时程曲线合成、反应谱拟合精度以及收敛速度等方面均具有一定的优势.      

利用数字化速度记录实时仿真位移与加速度时程

根据地震仪的原理和作者提出的单自由度系统地震反应的递归公式,本文系统研究了利用数字化宽频带速度型记录仿真地面位移和地面加速度等问题,从时域上提出了一套实时计算公式,数值计算结果表明,本文所提方法速度快、精度高,可广泛应用于地震监测和地震动参数的实时计算。     

Seismic response of self‐centring hysteretic SDOF systems

The seismic response of single‐degree‐of‐freedom (SDOF) systems incorporating flag‐shaped hysteretic structural behaviour, with self‐centring capability, is investigated numerically. For a SDOF system with a given initial period and strength level, the flag‐shaped hysteretic behaviour is fully defined by a post‐yielding stiffness parameter and an energy‐dissipation parameter. A comprehensive parametric study was conducted to determine the influence of these parameters on SDOF structural response, in terms of displacement ductility, absolute acceleration and absorbed energy. This parametric study was conducted using an ensemble of 20 historical earthquake records corresponding to ordinary ground motions having a probability of exceedence of 10% in 50 years, in California. The responses of the flag‐shaped hysteretic SDOF systems are compared against the responses of similar bilinear elasto‐plastic hysteretic SDOF systems. In this study the elasto‐plastic hysteretic SDOF systems are assigned parameters representative of steel moment resisting frames (MRFs) with post‐Northridge welded beam‐to‐column connections. In turn, the flag‐shaped hysteretic SDOF systems are representative of steel MRFs with newly proposed post‐tensioned energy‐dissipating connections. Building structures with initial periods ranging from 0.1 to 2.0s and having various strength levels are considered. It is shown that a flag‐shaped hysteretic SDOF system of equal or lesser strength can always be found to match or better the response of an elasto‐plastic hysteretic SDOF system in terms of displacement ductility and without incurring any residual drift from the seismic event. Copyright © 2002 John Wiley & Sons, Ltd.     

A unified formulation of the piecewise exact method for inelastic seismic demand analysis including the P‐delta effect

The non‐linear analysis of single‐degree‐of‐freedom (SDOF) systems provides the essential background information for both strength‐based design and displacement‐based evaluation/design methodologies through the development of the inelastic response spectra. The recursive solution procedure called the piecewise exact method, which is efficiently used for the response analysis of linear SDOF systems, is re‐formulated in this paper in a unified format to analyse the non‐linear SDOF systems with multi‐linear hysteresis models. The unified formulation is also capable of handling the P‐delta effect, which generally involves the negative post‐yield stiffness of the hysteresis loops. The attractiveness of the method lies in the fact that it provides the exact solution when the loading time history is composed of piecewise linear segments, a condition that is perfectly satisfied for the earthquake excitation. Based on simple recursive relationships given for positive, negative and zero effective stiffnesses, the unified form of the piecewise exact method proves to be an extremely powerful and probably the best tool for the SDOF inelastic time‐history and response spectrum analysis including the P‐delta effect. A number of examples are presented to demonstrate the implementation of the method. Copyright © 2003 John Wiley & Sons, Ltd.     

黏弹性双相介质参数反演的同伦方法

本文以介质的动态时域响应（位移、速度、加速度）作为反演的依据,对黏弹性双相介质的材料参数进行了反分析研究.根据附加条件,并考虑到由于测量误差和测量数据的不充分造成的反演问题的不适定性,将黏弹性双相介质的参数反演问题转化为非线性泛函的极小值问题,然后应用大范围收敛的同伦方法求出使泛函极小的根作为反问题的解.最后,以二维半空间黏弹性双相介质模型为例进行了数值反演分析,数值结果表明本文方法在参数的反演过程中目标函数稳定收敛,且具有一定的抗“噪声”干扰性能;与利用速度和加速度信息反演的结果相比,利用位移信息反演的结果具有较高的精度和抗噪声能力.     

Optimum viscous damper for connecting adjacent SDOF structures for harmonic and stationary white‐noise random excitations

The dynamic behaviour of two adjacent single‐degree‐of‐freedom (SDOF) structures connected with a viscous damper is studied under base acceleration. The base acceleration is modelled as harmonic excitation as well as stationary white‐noise random process. The governing equations of motion of the connected system are derived and solved for relative displacement and absolute acceleration responses of connected structures. The response of structures is found to be reduced by connecting with a viscous damper having appropriate damping. For undamped SDOF structures, the closed‐form expressions for optimum damping of viscous damper for minimum steady state as well as minimum mean square relative displacement and absolute acceleration of either of the connected SDOF structures are derived. The optimum damper damping is found to be functions of mass and frequency ratio of two connected structures. Further, numerical results had indicated that the damping of the connected structures does not have noticeable effects on the optimum damper damping and the corresponding optimized response. This implies that the derived closed‐form expressions for optimum damper damping of undamped structures can also be used in practical applications for damped structures. Copyright © 2006 John Wiley & Sons, Ltd.     

Ground motion characteristics of the Chi‐Chi earthquake of 21 September 1999

The purpose of this paper is to investigate the ground motion characteristics of the Chi‐Chi earthquake (21 September 1999) as well as the interpretation of structural damage due to this earthquake. Over 300 strong motion records were collected from the strong motion network of Taiwan for this earthquake. A lot of near‐field ground motion data were collected. They provide valuable information on the study of ground motion characteristics of pulse‐like near‐field ground motions as well as fault displacement. This study includes: attenuation of ground motion both in PGA and spectral amplitude, principal direction, elastic and inelastic response analysis of a SDOF system subjected to near‐field ground motion collected from this event. The distribution of spectral acceleration and spectral velocity along the Chelungpu fault is discussed. Based on the mode decomposition method the intrinsic mode function of ground acceleration of this earthquake is examined. A long‐period wave with large amplitude was observed in most of the near‐source ground acceleration. The seismic demand from the recorded near‐field ground motion is also investigated with an evaluation of seismic design criteria of Taiwan Building Code. Copyright © 2000 John Wiley & Sons, Ltd.