地震动反应谱与RC框架结构地震响应相关性分析

弹塑性时程分析一般用来评估和验算结构抗震性能,如何选取合适的输入地震动是其中关键工作之一。为给结构弹塑性时程分析选取地震动提供合理的参考参数,本文讨论了地震动反应谱参数与结构地震响应之间的相关性。首先建立了6层和7层两个钢筋混凝土(RC)框架结构数值模型,分别对两个结构进行了大量地震动作用下的时程反应分析,并考察了地震反应特点;然后将结构地震响应与地震动反应谱参数建立关系并进行了相关性分析。结果表明:对RC框架而言,结构地震响应与弹性谱参数相关性较小,与等强度反应谱相关性随标准屈服强度降低而增大,与等延性反应谱相关性随延性增大而增大,而与地震动输入能量谱在标准屈服强度较小时相关性最大。建议RC框架结构在进行地震反应时程分析时,可以参考地震动的弹塑性输入能量谱、等强度速度谱和等延性加速度或位移谱,以选取引起结构不同地震反应水平的输入地震动。本文结果和结论可供结构弹塑性时程分析选取合适的输入地震动参考。     

基于地震动参数的RC框架结构易损性分析

以某典型的12层钢筋混凝土框架结构作为研究对象,研究基于非线性动力时程分析和地震动参数的RC框架结构易损性分析方法。首先采用静力pushover分析判定结构薄弱层,并确定结构性能(capacity)参数;然后应用非线性动力时程分析估计结构地震反应,研究以峰值加速度和基本周期加速度反应谱作为地震动参数结构反应的不确定性,并进一步分析结构地震需求(demand)参数与地震动参数的关系;在此基础上,分别建立该结构基于峰值加速度和加速度反应谱的易损性曲线,通过考虑场地条件对地震动特性的影响,研究场地条件对结构易损性的影响,结果表明不同场地条件下的结构易损性曲线有一定差异。应用本文方法,根据新一代地震区划图或地震安全性评价确定的地震动参数,可以直接估计结构在未来地震中出现不同破坏的概率,这在结构的抗震性能评估和地震损失预测中有一定意义。     

罕遇地震下高层RC框架结构双地震动强度参数易损性分析

为研究高层RC框架结构罕遇地震下的易损性,设计了一个7度区典型11层RC框架结构。采用IDA方法进行时程分析,以地震动峰值地面加速度和结构第一自振周期对应的谱加速度为地震动强度指标,最大层间位移角为结构损伤指标,分别得到了单一地震动强度和双地震动强度参数下的IDA曲线和失效概率,绘制了双地震动强度参数下易损性曲面,并对单一地震动强度和双地震动强度参数下的易损性分析结果进行了对比。结果表明:罕遇地震下,采用双地震动强度参数结构失效概率明显低于采用单一地震动强度参数结构失效概率;对高层RC框架结构,采用双地震动强度参数进行易损性分析反映的地震动信息更全面;采用双地震动强度参数得到的结构失效概率公式更能真实量化不同强度地震作用下结构的失效概率。     

钢框架结构地震响应与破坏过程的耐震时程分析

耐震时程法（ETM）是一种基于动力时程的结构抗震分析方法,其典型表征在于随着持续时间的增加,地震动强度逐渐增大。本文合成了基于中国抗震反应谱的耐震时程曲线,并以此作为输入,对一个8层3跨钢框架结构的抗震性能进行了分析和评估。采用增量动力分析方法（IDA）对结构在不同耐震持时下的整体响应进行了评估;以大震下天然地震动分析结果为标准,对比了结构在耐震时程曲线（ETA）作用下的塑性铰分布概率、形成顺序和延性分布。研究结果表明：耐震时程法能较好地预测钢框架结构的非线性动力响应及破坏过程,且分析次数少,这为钢框架结构的抗震性能快速分析与评估提供了一种新的手段。     

工程结构地震反应与地震动输入关系研究

工程结构地震动输入是结构抗震设计研究中的重要问题,输入的合理与否直接影响着结构抗震能力。本文以框架结构为分析对象,将结构振动周期作为结构动力参数,地震记录加速度反应谱的特征周期作为地震动特征参数,通过计算对比发现:场地条件相同、峰值加速度相同、震中距相近的情况下,反应谱特征周期与结构基本周期接近的地震记录会让结构产生较大的地震反应。     

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。     

基于一致可靠度的地震动记录样本容量确定方法研究

确定地震动输入样本容量是开展结构动力地震反应分析的重要环节,目前国内外关于地震动输入样本容量的讨论往往忽略或尚难以定量考虑结构地震反应估计的可靠度水平。以一实际钢筋混凝土框架结构为例,首先分析在大样本地震动作用下结构非线性地震反应的统计特征,研究估计结构地震反应时取样本最大值和平均值的差异,然后借助于假设检验分析结构地震反应的概率分布模型,给出基于一致可靠度的地震动样本容量确定方法,并对比分析单周期点、多周期点、谱值匹配调整地震动及人工合成地震动对样本容量需求的影响,为保证在小样本地震动输入下结构地震反应估计值满足给定可靠度和容许误差提供分析方法和判断依据。本文方法适应于定量确定不同结构类型和不同地震强度水平下的地震动样本容量需求,对建筑结构抗震性能评估及设计规范研究有一定意义。     

桩基结构地震动强度指标优化选取

为优化选取适用于评价桩基础地震响应的地震动强度指标,本文建立了简化的土-桩基-上部结构相互作用非线性有限元模型,选取70条地震动作为输入,研究了两类典型场地中不同基本周期上部结构所对应的桩基础的地震峰值响应,并选择桩基地表峰值位移作为结构地震响应需求指标。基于有效性、实用性和效益性三方面,对所选的14个地震动强度指标进行评价分析,分析结果表明:速度反应谱强度指标是评价桩基础结构地震响应的最优地震强度指标;位移型强度指标不适合评价该类结构的地震响应;结构基本周期谱加速度指标对于具有较长基本周期上部结构的桩基础适用性较差。     

脉冲型地震动潜在破坏势参数的相关性分析

为了在众多参数中挑选其中最有代表性的参数,来解释和反映脉冲型地震动对结构的潜在破坏能力,以338条脉冲型地震动记录作为研究对象,分析地震动参数与中低层结构响应的相关性。选取了14个常用地震动参数,对各地震动参数之间的相关性进行分析,从中选出7个代表性地震动参数;并将脉冲型地震动输入中低层结构模型中计算结构响应,分析代表性地震动参数与结构响应的相关性,与基于非脉冲型地震动的相关性计算结果进行对比。选用了3层和7层2个RC框架结构作为中低层结构代表,其基本周期为0.62s和0.89s。结果表明:对于脉冲型地震动,对于3层结构时与结构响应相关性最好的为EPV,对于7层结构时与结构响应相关性最好的为PGV,因此可以用PGV和EPV作为表征脉冲型地震动对中低层结构潜在破坏能力的参数;而对于非脉冲型地震动,与结构响应相关性最好的参数为PGV,可以用PGV作为表征脉冲型地震动对中低层结构的潜在破坏能力的参数。因此,通过地震动参数来解释和表征脉冲型地震动对结构的破坏能力是可行的。     

几条地震波的归一化时-频反应谱分析

时-频反应谱是地震动幅值、频谱和持时三要素构成的空间三维谱.基于此,本文提出归一化时-频反应谱定义与计算方法,计算三条典型地震波的归一化时-频反应谱,对比分析表明:不同地震记录的时-频反应谱的幅值在时间和周期两个轴上的分布差别很大,具有不同时-频反应谱的地震波可能对结构地震响应产生不同影响;对12层钢筋混凝土框架结构模型进行弹塑性时程分析,通过结构地震反应、结构损伤曲线与输入地震动的归一化时-频反应谱对比,发现结构最大反应并不一定是造成结构倒塌的直接原因,用结构弹性阶段反应最大值进行抗震设计存在一定局限性,从而证明归一化时-频反应谱可有效用来分析地震动特性和结构破坏机理.     

建筑结构地震倒塌及存活空间分布规律研究

国内外历次大地震表明,建筑物的破坏倒塌是造成人员伤亡的主要原因,提高结构的抗倒塌能力、震时采取有效的避难策略和震后安全快速的救援则是减少人员伤亡的重要途径。本文通过地震废墟现场调查、地震模拟倒塌试验、结构倒塌的有限元数值模拟和理论分析相结合的手段,研究了3类典型建筑结构在地震中的倒塌机理与倒塌规律,并对废墟结构特点及其内部存活空间的类型和分布规律做出总结,结合实际地震情况,对震时人员的应急避难方法和搜索救援策略提出了建议。本论文主要完成了以下6个方面的工作:(1)基于实际震害分析,初步给出了3类典型建筑结构地震倒塌模式及建筑废墟类型划分原则、存活空间分布规律。收集查阅了大量实际震害资料,并在汶川特大地震造成的北川地震遗址详细调查的基础上,从北川老县城大量建筑废墟中筛选出28个典型案例,对其体型尺寸、格局布置、倒塌方向、支撑构件及可能的存活空间分布规律进行了详细研究,总结给出了建筑废墟类型的划分原则,初步揭示了废墟中存活空间的分布规律。(2)设计完成了RC框架结构、底框砌体结构、砖混砌体结构3类8个代表性结构缩尺模型的地震模拟倒塌试验,获得了上述3类结构地震作用下动力特性变化、破坏性裂缝产生、发展及最终倒塌全过程的系统认识,在与实际震害交互验证对比分析的基础上,进一步总结了3类房屋结构的倒塌机制及其废墟中可能的存活空间分布规律。(3)以RC框架结构振动台倒塌试验结果为基准,总结建议了一套利用显式动力有限元软件对结构地震倒塌进行数值模拟的高效分析方法。采用ANSYS软件中的非线性显式有限元动力分析模块,通过对RC框架结构进行大量的倒塌模拟分析并与试验结果进行对比,给出了倒塌数值模拟过程中需要注意的"重力预应力化"、"沙漏控制"、"应变率效应"、"侵蚀接触"、"材料选择"等关键问题的处理方法,指出了采用不同模拟方法之间的优缺点,建议了一套高效模拟方法。(4)通过10组不同频谱特性、不同输入方向的地震动作用下典型RC框架结构的倒塌数值模拟分析对比,总结给出了地震动输入对典型RC框架结构倒塌模式的影响规律;通过对典型砌体结构、底框砌体结构两类不同形式建筑的倒塌数值模拟分析,进一步验证了由RC框架结构倒塌分析得到的地震动对倒塌模式的影响规律;通过对内廊式RC框架结构、多跨外廊式RC框架结构两类不同布置形式结构的倒塌数值模拟,分析了这两类结构与双跨外廊式RC框架结构在倒塌特点上的异同;对倒塌模拟过程中发现的RC框架结构的"扭转异常"和"小跨倒塌"及多跨RC框架结构的"上部楼层扭转"和"上部倾斜方向改变"4类特殊倒塌模式进行了深入分析,并揭示了其产生机制。(5)基于本研究大量的倒塌试验与倒塌模拟分析结果,提出了"地震动致塌方向"的概念,并建立了用于判别结构倒塌模式的新方法——"M值"法。通过分析8个模型倒塌试验以及倒塌数值模拟过程中地震动作用方向与倒塌模式之间的关系,证明了水平地震动分量在对结构倒塌的方向影响上具有定向性,由此提出了"地震动致塌方向"的概念,深入探讨了其产生机理及影响因素;以此为基础,结合对结构倒塌全过程的理论分析,提出了结构倒塌模式的"M值"判别法,并通过倒塌试验及倒塌数值模拟结果验证了方法的合理性及可行性。(6)结合实际震害、典型结构地震模拟试验以及数值模拟分析结果,对3类典型建筑废墟的结构特征进行了深入剖析,进一步给出了地震致塌的建筑废墟中存活空间的分布规律。基于建筑倒塌模式及存活空间分布规律研究结果,对实际地震中人员逃生路径、应急避难位置以及震后应急搜索、救援中的安全应对措施提出了原则性建议。     

基于性能的钢筋混凝土框架剪力墙结构地震易损性分析

以某典型的20层钢筋混凝土框架剪力墙结构作为研究对象,研究基于性能的RC框架剪力墙结构易损性分析方法。首先选择合适的地震动记录,以0.2g为步长进行调幅后,建立300个结构-地震动样本空间,并确定结构损伤指标和性能参数;然后应用增量动力分析方法计算结构的地震动力响应,选择基本周期加速度反应谱为地震动参数,以研究结构反应的不确定性,并深入分析地震动参数与结构地震需求参数的关系;在此基础上,建立该结构基于加速度反应谱的易损性曲线进行结构易损性分析与评估。结果表明：随着地震动强度的增大,IDA曲线由单调增加变为非单调增加,分位曲线（16%,50%和84%）可以准确地衡量结构的性能;框剪结构在地震作用下的抗震性能表现良好,随着地震强度的增长,各性能超越概率大小的增长速度是不同的。     

汶川地区震后钢筋混凝土框架结构的地震易损性研究

以汶川地震为研究背景,针对震后典型钢筋混凝土框架结构进行地震易损性研究。基于Cornell理论框架结合汶川地质资料,拟合出考虑场地特点的地震危险性模型,同时定义损伤水平状态及限值指标,以概率解析易损性研究方法为基础,运用考虑地震动参数的解析易损性评估方法绘制汶川地区钢筋混凝土框架建筑的地震易损性曲线。研究结果表明:考虑地震动参数的概率解析易损性研究方法是一种有效的地震易损性评估方法;以PGA作为地震强度输入指标的结构反应,随自振周期的增大体系最大响应的相关性降低,结构各个损伤状态的失效概率均随之增大。     

强震下钢筋混凝土框架和砖混结构的动力响应分析——以云南漾濞6.4级地震为例

以2021年5月21日云南漾濞6.4级地震所获取的漾濞台强震动记录作为输入,对不同高度(低层、多层和高层)钢筋混凝土框架结构以及一低层砖混结构进行动力时程分析,探讨不同高度钢筋混凝土框架结构动力响应特点,对比砖混结构与低层框架结构地震响应的不同,并对结构进行性能评定.主要分析结果表明,所有结构的楼层加速度响应中,竖向加速度放大效应显著,尤其是低层框架;框架结构Y方向楼层傅里叶幅值谱峰值主要在1~2.5 Hz频率范围;多层框架的层间位移角响应更大;所有框架结构以及设防的砖混结构层间位移角均未超过中等破坏限值;与低层框架结构相比,基本周期更短的砖混结构水平向楼层加速度放大效应更为显著;设防的砖混结构具有良好的抗震性能.分析结果可为灾区震害评估和震后修复提供指导,同时为建筑结构抗震设计提供一定参考.     

强震动记录选取的目标谱确定方法

在结构动力时程分析中,选取不同的强震动记录会导致结构反应的离散性。基于地震动加速度峰值及反应谱衰减关系,提出了一种新的目标谱。在现有强震动记录数据的基础上,按场地条件匹配目标谱分布进行记录选取。以7度抗震设防罕遇地震为例,将选波结果应用于一钢筋混凝土框架结构进行非线性动力时程分析,并与非线性静力推覆分析结果进行了比较。结果表明,该方法确定的目标谱较规范标准谱具有更真实的谱形,可为结构抗震设计提供参考。     

设计因素对RC框架结构地震易损性的影响

考虑到结构抵抗地震作用的机制为结构和地震动的不确定性与非线性相互耦合的过程,采用增量动力分析(IDA)考虑地震动的不确定性,选取16条地震动记录,基于OpenSEES的有限元建模理论对13榀平面RC框架结构进行基于IDA方法的地震易损性分析,分别讨论轴压比、高宽比、混凝土强度以及纵筋强度等结构参数对RC框架结构抗震性能的影响。结果表明:柱轴压比对结构抗震性能的影响显著,而高宽比对结构抗震性能的影响不明显;在保证柱轴压比相近的前提下,提高柱混凝土强度能够提升结构的抗震性能;相同地震作用下梁柱配置纵筋强度较高的框架结构达到立即使用(IO)状态和生命安全(LS)状态的概率较配置纵筋强度较低的大,配置纵筋强度较高的框架结构较配置纵筋强度较低的表现出更好的抗倒塌能力。     

基于差分进化-人工神经网络的沉积河谷地震动放大效应预测模型

探讨了基于差分进化-人工神经网络构建沉积河谷地震响应代理模型的可行性。首先建立沉积河谷对地震波散射的求解方法,以半圆形、V形沉积河谷为例,以入射波条件、沉积内外介质属性、场地形状为特征参数,以沉积河谷地震动放大系数为预测目标参数,构建数据集;其次,建立沉积河谷地震动放大效应人工神经网络、差分进化-人工神经网络算法预测模型,对比两种算法计算精度和稳定性,并进行了特征参数敏感性分析。结果表明:人工神经网络能较好地预测沉积河谷地震动放大效应,使差分进化-人工神经网络预测模型的精度和稳定性显著提高;入射波频率是影响沉积河谷地震动放大系数的主要原因,沉积内外介质密度比的影响较小。本研究结论可对地震作用下更为复杂的局部场地效应预测和评估提供参考。      

地震动速度脉冲对巨型结构体系地震响应影响研究

以巨-子结构抗震体系、隔震体系以及智能隔震体系为研究对象,选择4组具有速度脉冲特性的实际地震动加速度记录及人工模拟的具有相同加速度反应谱而无速度脉冲的地震动时程分别作为地震动输入,采用数值分析方法分别计算在有、无速度脉冲的地震动激励下三种结构体系的地震响应,探讨地震动的速度脉冲对巨型结构体系在不同控制策略下地震响应的影响。研究结果表明:三种结构体系在速度脉冲型地震动作用下的地震响应大部分要大于无速度脉冲型的地震响应,近断层地震动的速度脉冲对巨-子结构抗震体系、隔震体系以及智能隔震体系的地震响应均有一定的不利影响。智能隔震体系对速度脉冲地震动较为敏感,但能有效地减小隔震层位移。     

考虑两次地震作用的RC框架结构地震反应分析研究

大量地震表明,地震过程中仅发生单次地震的情况较少,即孤立型地震发生的概率较低,一般为11%。强震的发生通常伴随多次余震,且大部分余震与主震时间间隔较短,受损结构在未进行加固的情况下再次遭受地震作用,致使结构发生更为严重的破坏,甚至倒塌。目前国内外抗震规范的设计方法仅考虑了单次地震作用,即只考虑主震影响。因此,探讨合适的途径考虑多次地震作用对结构的影响具有重要理论意义和工程价值。本文收集了国内外广泛用于结构地震反应分析的地震动记录,以典型RC框架结构为例,研究了两次地震作用下结构的抗震分析方法;探讨了两次地震作用时设计PGA调整系数的确定方法;当设防烈度、场地条件以及输入地震动特征不同时,分析了单次与两次地震作用下结构损伤状态的差别,确定了设计PGA的调整系数。主要内容包括以下几部分:(1)选取了损伤指标及强度折减系数模型。从加速度时程、反应谱、傅立叶谱及对结构的损伤4个方面分析了两次地震与单次地震的联系和区别;通过分析不同损伤指标的适用情况,确定了损伤指标;通过对3种强度折减系数模型的比较,选取了Vidic模型。(2)提出了考虑两次地震作用的抗震分析方法。以典型结构为例,比较了目前用于单次地震作用结构抗震分析的常用方法。在分析各类方法的优点和不足的基础上,给出了结合动力时程分析、静力往复加载分析与Pushover分析的考虑两次地震作用的结构抗震分析方法;并以3层典型RC框架为例,验证了方法的可行性。(3)基于损伤相等的原理,提出了考虑两次地震作用的设计加速度峰值的调整系数的确定方法。通过选取、构造序列型地震动,对某3层典型RC框架结构进行了600次单一地震和3 600次连续两次地震的动力弹塑性时程分析,统计了结构整体损伤指数特征,定义了整体损伤指数(DI)的放大系数和PGA的等效调整系数两个参数,给出了考虑两次地震作用时的结构设计加速度峰值的调整系数建议值。(4)建立了考虑两次地震作用时DI的放大系数和PGA的等效调整系数的经验公式。对不同典型RC框架结构进行了动力弹塑性时程分析,并统计了结构整体损伤指数特征,得到了放大系数、等效调整系数与结构自振周期之间成正比的结论。(5)研究了设防烈度、场地条件和输入地震动对放大系数和等效调整系数的影响。通过研究4层RC框架结构在设防烈度、场地条件和输入地震动等因素影响下的动力时程分析,根据整体损伤指数统计分析,得到放大系数和等效调整系数与设防烈度成正比,与输入地震动场地VS30均值成反比的结论,给出了输入地震动对放大系数和等效调整系数的影响的建议值。     

近断层地震作用下多层RC框架火灾后抗震性能分析

为研究近断层地震动特性对火灾后多层RC框架抗震性能的影响,以火灾后某多层RC框架结构为研究对象,结合火灾后现场材料的检测与鉴定报告,开展了结构火灾前后在近场有脉冲和无脉冲地震作用下的结构动力弹塑性时程分析,对比分析了近场有脉冲和无脉冲地震动特性对火灾前后RC框架结构整体的抗震性能的影响。研究结果表明:火灾后,整体结构地震响应明显大于火灾前,火灾后结构底层层间位移角在脉冲型地震和无脉冲地震作用下分别达到火灾前的1.44和1.54倍;近场脉冲型地震作用下结构响应明显大于无脉冲地震,罕遇地震作用下,近场脉冲型地震工况下的底部层间位移角相较于无脉冲地震工况增加了96.0%,火灾后更是增加了118.0%。研究成果可为多层RC框架火灾后安全性评估和加固设计提供参考。