地震动输入能量衰减规律的研究

对所收集到的266条强震记录，将其按场地条件分类，计算了不同场地条件、不同延性系数下的“绝对”和“相对”输入能量反应谱，然后利用两步回归法，得出了不同场地条件下地震动“绝对”和“相对”两种输入能量的衰减规律，分析了场地条件、延性系数、震级及距离等参数对地震动能量谱的影响，并对两种输入能量衰减规律进行了比较。     

地震动滞回能量谱衰减规律研究

本文选用美国西部California州15次较大地震中的266条强地震动记录,利用衰减关系建立了滞回能量谱,分析了场地条件、延性系数、震级及距离等参数对滞回能量谱的影响。研究发现,场地条件对滞回能量谱影响很大,随着场地变软,滞回能量谱变大,与A B类场地相比,C类场地的滞回能量谱平均要高出70％左右,D类场地则要高出170％左右。随着延性系数的增大,滞回能量谱有增大的趋势,尤其是当延性系数由2变到4或6时更为明显,但当延性系数增加到一定程度时,滞回能量谱的差别不大,延性系数为4和6时的滞回能量谱差别不大,甚至在周期较大时,延性系数为6的滞回能量谱反而小于延性系数为4时的滞回能量谱。另外,研究结果表明,大的震级和小的距离对结构产生比较大的滞回能量需求。利用本文结果,可以估计未来地震中结构物所遭受滞回能量的大小。     

汶川地震动弹性和弹塑性反应谱分析

利用汶川地震获得的数字强震记录研究了汶川近场无速度脉冲、近场含速度脉冲和远场(盆地效应)地震动的弹性和弹塑性反应谱,后者包括等延性强度折减系数谱Rμ、等延性位移比谱Cu和等强度折减系数位移比谱CR.与相同场地条件PEER近场无速度脉冲、集集近场含速度脉冲地震动的谱进行了比较.汶川近场含速度脉冲地震动的弹性反应谱在0.2～0.8s周期内明显偏小,而它的弹塑性反应谱在短周期段(0.1 ～0.4 s)与汶川近场无速度脉冲地震动谱差别不大,但等延性强度折减系数谱Ru要大于集集地震含速度脉冲地震动的谱,而等延性位移比谱Cu和等强度折减系数位移比谱CR则小于集集地震动情况,此后随周期增长(至0.6 ～1.Os后)它们都逐渐过渡至与集集地震动的谱相当.汶川远场(盆地效应)地震动的弹性反应谱具有较宽并随周期缓慢增长的平台值和较长的特征周期,可达1.7s及以上.提出了远场(盆地效应)与近场地震动的弹性反应比谱和弹塑性位移比谱的概念.     

弹塑性地震反应谱的长周期特性研究

在基于性能抗震设计中弹塑性反应谱在计算结构地震位移反应方面越来越受到重视。利用统计分析方法研究了等强度的延性需求谱和等延性的强度折减系数谱的长周期(至5 s)区段的特性,关注的重点是等位移准则和场地条件影响。给出了若干具有工程价值的结论:一是周期介于1.5Tg(地震动特征周期)和2.5 s之间的结构可近似认为等位移准则成立且与场地条件关系不大,这样确定的强度折减系数当位移延性系数小于等于4时结果将是偏于安全的;二是结构周期大于2.5 s后以硬土场地等延性强度折减系数谱或等强度延性需求谱代替软土场地谱求解系统强度需求或延性需求,将会得到偏于安全的结果。     

延性系数对SDOF体系地震能量输入历程的影响研究

文中以弹塑性SDOF体系为对象,提出将总输入能、最大瞬时输入能以及能量增长持时作为描述地震能量输入历程的三个特征参数。根据场地条件及地震动峰值速度与峰值加速度比值(V/A)双参数控制选择了不同场地条件下56条强震记录为输入,讨论延性系数的变化对这三个参数的影响。研究表明,随着延性系数的增加,总输入能量谱及最大瞬时输入能量谱在减小谱峰值的同时,谱型整体向短周期移动,形成压缩效应;弹塑性能量增长持时谱较弹性能量增长持时谱更为平滑,其谱值在统计意义上不发生变化;短周期结构延性的增大使得总输入能与最大瞬时输入能增加,但对于中长周期结构,总输入能与最大瞬时输入能随延性系数增加而减少;输入能量在时间轴上的分布模式受延性系数变化的影响不明显,能量时程增长台阶的总长度在各种延性系数条件下趋于一致。     

单自由度自复位体系设计能量谱研究

本文对具有旗帜型滞回模型的单自由度自复位体系提出了设计能量谱的构造方法,包括设计输入能量谱和设计滞回耗能比谱。首先按中国规范场地类别选取360条实际强震记录进行时程分析,对影响单自由度自复位体系输入能量谱和滞回耗能比谱的参数,包括地震波类型、滞回模型、阻尼比、延性系数等进行研究。在此基础上分别建议了设计输入能量谱和设计滞回耗能比谱及其曲线参数的确定方法,并与实际强震记录计算结果进行比较。结果表明结构滞回模型对能量谱影响明显;阻尼比和延性系数对输入能量谱的影响在整个周期范围内有显著差异,但均有明显的削峰作用。建议的两种设计能量谱综合考虑了结构参数、地震波参数和中国场地类别的影响,可以较好的拟合实际情况,并对弹塑性单自由度自复位体系在地震作用下的耗能需求做出较准确的估计。     

2016年8月24日意大利佩鲁贾M_W 6.2地震动特性

2016年8月24日在意大利佩鲁贾地区发生M_W 6.2地震,截至北京时间2016年8月25日8时,共获得强震记录192组,分析地震动PGA、反应谱以及能量参数的衰减特征。研究结果表明:(1)峰值。此次地震PGA100 cm/s~2记录的水平平均反应谱在短周期明显大于欧洲的设计谱。两水平方向平均反应谱谱比小于1.5,并且在短周期(T0.5 s)谱比差值变化较大,说明此次地震EW向地震动对短周期结构物影响较大;(2)衰减特性。整体看来,此次地震中的PGA值均不同程度低于中国第五代区划图中的中强地震区、中国西部地区、美国西部地区以及欧洲中小地震衰减模型的预测值,且衰减快。Arias强度的衰减变化趋势与Travasarou等的理论模型基本一致,但均小于理论模型值;(3)持时。此次地震的相对持时随震中距增大有逐渐增大趋势,持时均大于Kempton及McQuire的理论模型,表明此次地震的能量释放时间较长。此次意大利地震的地震动参数特征研究表明,该地震具有能量衰减快、持续时间长、对短周期结构物影响较大等特点,验证了此次地震破坏集中在近场、远场震害相对较轻的结论,这也是造成本次地震灾害严重的主要原因。     

地震总输入能量与瞬时输入能量谱的研究

现有的抗震设计理论大多是基于承载力或强度的设计方法,与其相应的反应谱理论最大的缺陷是无法反映地震动持时的影响,而以地震动能量作为设计参数时就能弥补现有抗震理论的不足。本文按照反应谱理论的思路建立了线性单自由度体系的地震动总输入能量谱和瞬时输入能量谱。研究发现,阻尼比为5%时的地震动总输入能量谱和最大瞬时输入能量谱的等价速度谱可以分别用阻尼比为0.5%和10%下的拟速度谱来近似获得;地震波的V/A值大于0.15时,总输入能量谱的Δt谱峰值与地震波的强震持时呈线性增长关系,V/A值小于0.15时,两者间的关系无规律性。最大瞬时输入能量谱的Δt谱峰值基本不受地震波的V/A值与强震持时的影响;输入能量谱(总输入能量谱与最大瞬时输入能量谱)的特征周期随地震波V/A值的增大而增大,根据分析结果本文提出了线性单自由度体系输入能量谱的简化计算方法,方法简便,计算结果偏安全。     

不同阻尼体系地震能量输入及阻尼能量耗散计算分析

本文给出了复阻尼体系地震能量输入及阻尼能量耗散计算公式。利用天津、E1Centro、迁安记录及Mexico地震Cale记录计算了复阻尼及粘性阻尼体系的地震能量输入及阻尼能量耗散,并绘制了相应的时程曲线。计算所用阻尼比取0．1及0．05,周期分别取0．3s,0．5s,1s,1．5s及5s。通过计算我们观察到,除迁安记录外,在其它几个地震作用下,对固有周期小于1s的短周期结构,复阻尼体系能量输入及阻尼能量耗散时程曲线值高于相应的粘性阻尼体系(对迁安记录固有周期需小于0．5s)。对中周期结构,两组曲线相近,对于长周期结构,复阻尼体系的能量时程曲线值低于相应的粘性阻尼体系值。对于每个地震记录,有一个临界值,体系的固有周期小于此值时,不同阻尼模型的能量输入、阻尼能量耗散时程曲线值无大差异,当周期大于此值时,不同阻尼模型的能量输入及阻尼能量耗散时程曲线差异较大。复阻尼体系对周期的敏感程度远大于粘性阻尼体系。当周期不变,阻尼比增大时,在峰值点之后,复阻尼体系能量时程曲线基本无大的变化,粘性阻尼体系能量时程曲线有抬高趋势。     

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.     

Study on comparison between absolute and relative input energy spectra and effects of ductility factor

Introduction Estimation of an attenuation relationship for strong ground motion parameters has been an interesting research subject in the field of engineering seismology and has played a very important role in seismic safety evaluation, seismic zoning, seismic hazard evaluation of major constructions, etc. At present, the generally used parameters include peak acceleration, peak velocity and elastic response spectrum. Such parameters mentioned above are essentially independent of the duration…     

Evaluation of seismic energy in structures

Research engineers use two types of energy equations to study single-degree-of-freedom (SDOF) systems subject to earthquake induced ground motions. The first method uses an absolute energy formulation; the second method uses a relative energy formulation. While the relative energy formulation has been used in the majority of previous investigations, this study shows that the absolute energy equation is physically more meaningful. For a given ductility ratio, the input energy demands calculated by both methods are significantly different for both the short and long period ranges although the results are similar in the intermediate period range. A comparison between the analytically predicted absolute input energy of a SDOF system with the experimentally measured input energy of a six-storey braced steel frame shows good correlation.     

Effects of hanging wall and footwall on demand of structural input energy during the 2008 Wenchuan earthquake

Systematic differences in the duration and frequency content of ground motions from the hanging wall and footwall during the 2008 Wenchuan earthquake are investigated,focusing on the influence of these differences on structural input energy based on the elastic and inelastic energy responses of structures.A comparison of the input energy spectra between the hanging wall and the footwall reveal that the structural input energy on the hanging wall is not amplified due to the short duration and low peak ground velocity to acceleration ratio(V/A).However,the larger demand of structural input energy on the footwall in the range of medium and long periods is observed and the demand increases up to 50% relative to the average level of structural input energy for rupture distances larger than 30 km.The importance of considering the footwall effect on structural input energy when comparing ground motions in the range of medium and long periods is recognized.     

An energy-based methodology for the assessment of seismic demand

A methodology for the assessment of the seismic energy demands imposed on structures is proposed. The research was carried out through two consecutive phases. Inelastic design input energy spectra for systems with a prescribed displacement ductility ratio were first developed. The study of the inelastic behavior of energy factors and the evaluation of the response modification in comparison with the elastic case were performed by introducing two new parameters, namely: (1) the Response Modification Factor of the earthquake input energy (R_E), representing the ratio of the elastic to inelastic input energy spectral values and (2) the ratio α of the area enclosed by the inelastic input energy spectrum in the range of periods between 0.05 and 4.0 s to the corresponding elastic value. The proposed design inelastic energy spectra, resulting from the study of a large set of strong motion records, were obtained as a function of ductility, soil type, source-to-site distance and magnitude.Subsequently, with reference to single degree of freedom systems, the spectra of the hysteretic to input energy ratio were evaluated, for different soil types and target ductility ratios. These spectra, defined to evaluate the hysteretic energy demand of structures, were described by a piecewise linear idealization that allows to distinguish three distinct regions as a function of the vibration period. In this manner, once the inelastic design input energy spectra were determined, the definition of the energy dissipated by means of inelastic deformations followed directly from the knowledge of hysteretic to input energy ratio.The design spectra of both input energy and hysteretic to input energy ratio were defined considering an elasto-plastic behavior. Nevertheless, other constitutive models were taken into account for comparison purposes.     

2008年汶川地震近断层竖向与水平向地震动特征

选取分布在北川-映秀中央断裂两侧断层距120 km以内的40个强震动台站的记录,对汶川地震近断层地震动竖向和水平向加速度峰值、速度峰值、竖向和水平向加速度反应谱及谱比值进行了统计分析.研究表明:(1)地震动加速度峰值有显著的上盘效应,经验衰减模型的结果表明,在距地表破裂3~60 km的范围内,龙门山发震断层上盘一侧竖向与水平向的加速度峰值要比衰减模型得到的平均值大30%~40%.上盘的加速度峰值残差大部分是正值,而断层下盘残差大部分为负;水平地震动的东西分量幅值总体要大于南北分量,东西分量衰减相对较慢.(2)地震动长周期成分较弱,加速度反应谱值随周期增大而迅速减小,在周期1.0 s 时,即使在靠近中央断裂的最大加速度反应谱值也只有0.5 g;地震动加速度反应谱谱比值(竖向/水平向)沿龙门山断层周围的分布,在较长周期(T=0.2 s, 0.5 s, 1.0 s)与短周期(T=0.05 s, 0.1 s)有明显的不同.(3)近断层竖向地震动显著,地震动加速度峰值比在(竖向/水平向)可达1.4.在龙门山发震断层的上盘,地震动加速度峰值比整体上比下盘要大,竖向地震动尤为剧烈.部分近断层记录的地震动谱比值(竖向/水平向)在短周期(< 0.1 s)甚至超过1.5,统计分析还表明谱比值在短周期段(< 0.1 s)随断层距的增大而减小.     

Formulation of elastic earthquake input energy spectra

The object of this paper is to introduce a procedure for the determination of elastic design earthquake input energy spectra taking into account the influence of magnitude, soil type and distance from the surface projection of the fault. Firstly, an accurate selection of a large set of representative records has been realized. Secondly, the construction of the design input energy spectra has required determining the spectral shapes and a normalization factor which measures seismic hazard in terms of energy. This factor, denoted as the seismic hazard energy factor, has been defined as the area under the earthquake input energy spectrum in the period interval between 0·05 and 4·0 s. Finally, due to the importance of the source-to-site distance in the evaluation of the input energy, an investigation into the attenuation of the seismic hazard energy factor has been carried out. © 1998 John Wiley & Sons, Ltd.     

川滇地区水平向强地震动衰减关系研究

利用近几年在川滇地区破坏性地震及汶川地震强余震中获得的951条加速度记录, 通过选取合适的衰减关系形式和距离参数, 经统计获得了川滇地区水平向峰值加速度与35个周期点对应的加速度反应谱(阻尼比0.05)衰减关系. 统计结果显示, 震级越大, 地震动随距离的衰减越慢; 加速度反应谱的短周期部分随距离的衰减明显快于长周期部分; 中强地震在近场也会产生较大的峰值加速度和较高的短周期加速度反应谱. 由于统计资料的非完整性, 本文统计结果尚不宜直接应用于相关工程场地的设计地震动参数确定中. 但本文结果与目前由转换方法得到的我国西部地震动参数衰减规律的较大差异提示: 进一步深入研究我国地震动参数衰减规律应是紧迫而重要的任务.