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。     

序列型地震作用下考虑损伤的强度折减系数

基于性态的结构抗震设计中的强度折减系数是确定结构非弹性反应谱的重要依据。本文研究主余震序列型地震作用下单自由度体系考虑损伤的强度折减系数谱。首先收集主余震实测记录并按中国抗震规范要求进行场地类别划分,对余震峰值进行调幅后进行单自由度结构弹塑性动力时程分析,研究了结构周期、延性系数、损伤指数、余震作用等因素对强度折减系数需求的影响。结果表明余震对强度折减系数的影响显著,考虑累积损伤的强度折减系数(R_D)是基于位移延性的强度折减系数(R_μ)的0.6至0.9倍。最后,经过统计平均和回归分析,建立了平均强度折减系数谱的简化公式。     

基于强度和延性的残余位移比谱及其影响因素分析

结构震后残余位移是抗震性能评估和地震损失评估的重要参数。文中针对理想弹塑性单自由度体系,采用与残余位移相关性最好的归一化参数定义残余位移比,通过动力时程分析建立统计平均的等延性残余位移比谱和等强度残余位移比谱,研究场地条件、延性系数及强度折减系数对等延性残余位移比谱和等强度残余位移比谱的影响,通过回归分析构建了等延性残余位移比谱和等强度残余位移比谱的预测方程。结果表明:残余位移与弹塑性谱位移的相关性较大,与弹性谱位移的相关性较小;软土场地下结构残余位移的评估需考虑场地条件的影响;残余位移比离散性受延性系数和强度折减系数影响显著。     

考虑主余震作用的近海桥墩时变地震易损性分析

基于OpenSEES平台,以某近海刚构桥桥墩为例,选取符合场地类型的地震波,并根据地震记录构造主余震序列。运用"能力需求比"分析方法建立不同服役时间节点桥墩控制截面在不同损伤状态条件下的地震易损性曲线,研究氯离子侵蚀和主余震序列对桥墩抗震性能的影响。结果表明:同一损伤状态的超越概率随着服役时间延长和PGA增大而不断变大,且随着损伤状态等级提高,超越概率逐渐降低。轻微损伤状态下,主余震序列对桥墩易损性影响较小;中等损伤、严重破坏和完全倒塌状态下,同一服役期,考虑主余震序列作用下桥墩的超越概率相比于仅考虑主震作用明显增大。     

基于损伤性能并考虑主余震作用的消能减震结构抗震设计

综合考虑余震影响和结构损伤,提出一种基于损伤性能的消能减震结构抗震设计方法。为满足结构抵抗余震的性能要求,提出结合主余震的损伤性能目标。以Park-Ang双参数损伤模型为基础建立了结构层间损伤计算公式,通过损伤程度评估结构抗震性能,给出消能减震结构基于损伤性能的抗震设计流程。     

考虑主余震序列作用的砌体结构易损性分析

鉴于我国砌体结构抗震面临的严峻形势,以及主余震序列作用下砌体结构易损性研究存在的不足,以汶川地震中1栋典型砌体房屋为依托,开展考虑主余震序列作用的砌体结构易损性研究。首先,建立了结构的三维有限元模型,并从结构动力特性与损伤等方面验证了模型的合理性; 其次,选取整体损伤耗能作为结构性能参数,并给出了对应不同破坏等级的结构整体损伤耗能界限值; 最后,基于IDA方法对结构进行了不同主余震序列作用下的易损性分析。结果表明:相对于层间位移角,整体损伤耗能更适用于描述余震对结构的累积损伤效应; 随着结构主震损伤程度的加深,余震对结构造成的影响越明显,且主余震序列作用下结构呈现出比主震单独作用下高一个破坏等级的趋势; 当ΔPGA小于0.6时,结构的极限状态超越概率最大增幅不超过10%,此时余震的影响较小; 当ΔPGA大于0.6时,结构的极限状态超越概率最大增幅可达到33.1%,此时余震的影响较大。     

人工主余震作用下桥墩结构损伤预测评估分析

主余震作用下,断层距（R_JB）和余震次数的不同对结构造成的损伤也大不相同,进行主余震序列下桥梁损伤评估时需要考虑断层距、余震次数等影响因素。基于OpenSees平台,以一座连续梁桥为例,根据人工主余震构造时不同的影响因素,选用余震衰减和PGA调幅的人工主余震构造法构造主余震序列进行结构损伤分析,并与实际主余震事件的损伤结果作对比,研究人工构造主余震序列预测结构损伤的可行性。结果表明：基于PGA调幅构造主余震的方法,当考虑余震衰减时,能够较好模拟出结构在实际主余震地震作用下造成的最终损伤,能够较合理的预测结构在实际主余震序列中的损伤指标;对区域主余震作用下的桥梁进行损伤评估时,需要考虑断层距和余震次数影响因素,桥梁距断层距R_JB越近时结构的损伤状态越严重,余震发生次数越多则结构的损伤增量就越大,并且结构在人工主余震作用下R_JB越大的地方,结构损伤增量误差程度越小,预测的损伤状态就越接近实际的损伤状态。     

基于KiK-net记录的PGA与Sa场地影响因子分布研究

场地条件对地震动有着重要的影响,它一般通过地表峰值加速度PGA或者谱加速度Sa在不同场地条件下的放大系数表示。以往的相关研究中缺少大量的实测地震动数据分析;没有明确给出PGA和Sa在不同场景下的适用性;较少赋予其放大系数分布概率含义。选取KiK-net台网1997—2019年记录的210多万条地震动信息,通过PGA与Sa放大系数的分布分析了其在不同场景下的适用性,然后基于控制变量法和回归方法对每个台站的PGA放大系数进行拟合分析,最后对不同场地类别的PGA放大系数进行了概率分布函数拟合。研究结果表明：场地条件不变情况下,地震动放大系数的分布有很好的规律性;Sa较PGA放大系数分布离散程度更小,且随着Sa周期增加,其离散程度呈现逐渐减小趋势,在建筑物周期确定的情况下,Sa具有更高的适用性;Ⅰ、Ⅱ类场地且周期大于1.0 s的Sa放大系数具有较高的稳定性;相同场地条件下,PGA放大系数呈非线性分布,随着基岩PGA(PGA_R)的增加逐渐减少;PGA放大系数趋于指数正态分布。研究结果可用于未来更加准确地估计损失与描述场地条件对地震动的影响。     

地震动加速度反应谱场地条件影响调整系数研究

场地条件对地震动特性影响显著,在抗震设计反应谱的确定过程中,需根据场地条件对加速度反应谱予以相应的调整。已有场地条件影响调整方案研究成果,均基于数值模拟或局部地区强震动记录统计,多数仅给出了峰值加速度PGA场地条件影响调整系数,对非线性的考虑缺乏观测数据依据。为此在全球强震动记录统计获得的PGA归一化加速度反应谱和日本钻井台阵记录获得的加速度反应谱平台值非线性衰减指数的基础上,结合钻孔模型数值模拟和近期研究成果,建立了考虑场地条件影响非线性的地震动加速度反应谱场地条件影响调整系数方案。     

主余震作用下高强钢筋混凝土框架的易损性分析

为研究主余震作用下配置高强钢筋的RC框架结构的抗震性能,根据相同设计指标和"等强代换"的原则,设计了三榀六层四跨的钢筋混凝土框架,纵向受力钢筋的强度等级分别为HRB400、HRB500和HRB600。通过OpenSees平台进行有限元建模,将最大层间位移角作为结构损伤指标,反应地震作用的结构响应。选取15条地震加速度时程,通过重复法构造人工主余震序列并进行IDA分析,得到结构在不同强度的主余震序列作用下的地震易损性曲线。结果表明:主震PGA越大,余震的最大层间位移角越大,结构达到各极限状态的概率越高。对比配置不同钢筋强度的三榀框架的计算结果,可知"等强代换"原则下,相同主余震序列作用时,钢筋强度的提高对结构抗倒塌性能有不利影响,但影响有限。     

基于能量的主余震作用下RC框架损伤与震后性能评估

地震发生后,震损结构能否承受强余震是震害调查与灾后重建中的重要问题。因此,准确评估主余震造成的结构损伤以及评估主震后震损结构的剩余倒塌能力至关重要。采用基于能量的地震损伤指标对结构损伤进行评估,以能量谱作为工程需求参数,再通过引入震损结构模型对结构在主余震作用下的累积损伤进行评估,建立主余震作用下结构整体损伤评估理论框架。然后,基于I_V损伤指数对主余震下的结构损伤进行量化,得到震损结构的倒塌能力曲线,并确定结构剩余承受强余震的能力。以6层3跨钢筋混凝土(reinforced concrete, RC)框架结构为例进行分析,结果表明：地震能量损伤指标法物理意义明确,可以从能量角度快速评价主余震下结构损伤;震损结构的剩余倒塌能力随着主震强度增加而逐渐降低;对于案例结构而言,主震下结构损伤小于0.32时可以认为震损结构是安全的可以承受强余震,介于0.32～0.52之间时,需要对震损结构加固修复,以保障余震安全。     

场地PGA放大系数与场地特征参数相关性及地震动快速评估方法研究

场地地震动PGA放大系数是重大工程地震预警、烈度速报技术及结构抗震设计地震动输入的基础。搜集整理日本Kik-net台网239个Ⅱ场地台站的地震记录,以场地覆盖层厚度D、场地特征周期T、场地v_(s30)以及场地等效剪切波速v_(se)为场地特征参数,以井下记录PGA为地震动强度指标,研究场地PGA放大系数F_(PGA)与场地特征参数之间的相关性;以地表PGA值40 Gal作为预警阈值,采用回归决策树CART方法建立了地震预警的特征参数组合标准。分析结果表明:场地F_(PGA)与场地覆盖层厚度D及场地特征周期T负相关,与场地vs30正相关,与vse相关性可忽略;F_(PGA)与场地特征参数的相关性随着场地地震动强度增大而增大;通过搜集的地震数据对基于CART分类方法建立的场地地震动预警参数指标进行回判检验,检验的总体成功率达到90.09%,其中不预警的成功率为93.64%,预警成功率82.68%。虽然地震动快速评估方法总体成功率达到90%以上,但仍存在5.61%偏于危险的"漏判",所以本文方法仍需要进一步的改进和完善。     

基于工程特性的主余震型地震动降维模拟

余震是由主震孕育而来,两者之间存在着一定的关联性,如何构造主余震型地震动模型,是工程结构抗震分析的基础。着眼于地震动的工程特性,根据主余震之间的峰值加速度、强震持时、场地卓越频率等要素,分别建立主震和余震自身的演变功率谱模型,基于非平稳随机过程的谱表示,通过引入随机函数降维模拟方法,实现仅用三个基本随机变量即可精确模拟主余震型地震动过程。研究表明,采用该降维模拟方法的效率和精度均满足工程需求,且与实测主余震型地震动记录的反应谱和幅值谱拟合一致,验证该模型与方法的优越性,为工程结构在主余震型随机地震作用下的抗震分析提供有效途径。     

考虑设计地震分组的强度折减系数的研究

强度折减系数既是基于强度的抗震设计中确定设计地震力的关键因素,又是基于性态的抗震设计理论中确定非弹性反应谱的主要依据. 本文结合我国抗震设计反应谱的形式和特点,应用823条国内外水平向地震动记录（充分利用了我国取得的强震记录）,给出了一种考虑设计地震分组和场地类别的强度折减系数模型,研究了结构周期、延性、场地类别、设计地震分组、震级、震中距等因素对强度折减系数的影响. 结果表明:场地条件对强度折减系数的影响是不可忽略的,特别是对延性较大的短周期结构更应注意场地条件的影响;设计地震分组是影响强度折减系数的一个重要因素,在应用我国规范设计反应谱构造非弹性反应谱所用的强度折减系数必须考虑设计分组的影响;震级对强度折减系数的影响较小;如不考虑近场大脉冲地震动记录的影响,震中距对强度折减系数的影响是可以忽略的.      

主余震作用下山地掉层框架结构的易损性分析

一次强震过后通常伴有多次余震发生,由于主震和其后续余震之间的间隔时间较短,使得主震损伤结构未能得到及时修复而进一步遭受余震作用,产生“二次损伤”。山地结构的受力性能与普通结构有显著差别。参考我国现行规范设计了具有代表性的3个不同掉层数与掉跨数的山地掉层框架结构及1个普通平地框架结构,采用增量动力分析方法,以Park-Ang损伤指数作为结构响应参数DM,以PGA作为地震动强度参数IM,给出了掉层结构以及平地结构在主余震作用下的易损性曲线,对比分析了掉层结构与平地结构的易损性,研究了余震对各结构易损性的附加影响。基于抗倒塌储备系数(CMR)评价了结构的抗倒塌能力,比较了各结构的抗震倒塌安全储备。结果表明:余震会提高结构的超越概率,且随着余震强度的提高,超越概率越大;掉层结构的超越概率更高,且掉层数与掉跨数对结构地震易损性的影响较大;与平地结构相比,山地掉层结构抗倒塌储备系数较小,抗倒塌安全储备较低。对于掉层结构,掉跨数与掉层数的增加均会降低结构的抗倒塌安全储备,且掉层数对CMR的影响更大。     

不同谱拟合方法对场地地震反应的影响研究

在结构的抗震分析中.为使地震波的加速度反应谱能够与目标谱拟合,提出了不同的谱拟合方法。由于场地条件影响结构场地的危险性分析及结构反应分析,因本文旨在研究不同谱拟合方法对场地地震响应的形响。根据某实际场地的目标反应谱选择14条实测地震波,对时城修正方法和频域修正方法对场地地震反应的影响进行了评估,且选择了循环应力比率和场地放大系数以及有限滑动位移等参数来表征场地的地震反应。研究表明,使用时域修正方法与频域方法会使循环应力比率比放缩方法略微减少,而场地放大系数基本一致。对于有限滑动位移而言,在较浅的土层,放缩法所得到的有限滑动位移略大,而对于较浅的土层,则得到位移较小。     

强震动记录选取中目标谱的研究及应用

随着强震动观测技术的发展,强震动观测数据的累积推动了结构抗震设计理论的发展。目前,在许多国家的抗震规范中都将结构动态时程分析方法列为静态设计方法的必要补充,但对于高层建筑、大跨结构等特殊结构形式及重要建设工程,要求强制使用动态时程分析方法。我国结构抗震设计规范及相关标准关于强震动记录选取的规定过于笼统,结构设计人员在面对大量强震动记录数据时缺乏明确的选取依据。本文搜集整理了国内外现有强震动记录数据,通过对地震参数的统计,提出基于场地类型的改进反应谱谱值相关系数经验公式,并将其应用于条件均值反应谱(conditions mean spectrum,CMS)的建立。同时,本文基于地震动衰减关系建立地震信息与抗震设计参数的对应关系,将其作为匹配规范标准谱选波方法的筛选依据,进而明确了抗震规范中强震动记录选取的初选条件。研究中发现,规范标准谱不宜作为谱形匹配选取强震动记录的目标谱,因此,提出两种建立合理目标谱的方法:一是基于地震动衰减关系建立PGA目标谱;另一是基于地震参数建立EPA均值目标谱。最后探讨了在地震安全性评价工作中实际强震动记录的选取及应用。本文主要研究内容及结论如下:(1)通过对20 000余条强震动记录的地震动参数进行分析,发现记录的加速度、速度及位移峰值和反应谱谱值的相关系数的分界周期点随着场地条件而变化,并提出基于场地类别改进反应谱谱值相关系数经验公式。改进后的反应谱谱值相关系数经验公式改善了目标谱的场地特征,使其更符合场地条件的要求。(2)针对抗震设计规范中关于强震动记录选取的相关条款,提出强震动记录选取的基本原则和具体方法,为完善相关规定提供参考依据。针对一般建设工程,依据地震动加速度峰值(PGA)衰减关系,提出同等设防PGA目标值对应的地震参数范围,建立断层距和地震设计分组的对应关系,进而确定强震动记录选取的初选条件。讨论了结构响应和强震动记录反应谱谱值的关系,以典型框架结构为例确定匹配周期范围。结构位移反应与强震记录反应谱相关性分析表明,两者在结构自振周期前后相关关系最为显著,距离自振周期越远的反应谱值与结构反应的相关系数越小。基于以上分析,建立了选取强震记录的基本原则:以距离和场地条件作为强震动记录选取第一限制条件。根据结构自振周期确定匹配规范标准目标谱周期范围,建议的匹配周期范围为0.4T1~1.5T1,最后由实际记录与规范标准谱在匹配周期范围内的均方差由小到大的顺序选取记录,记录的放缩系数限定在0.2~4.0之间。(3)本文基于地震动衰减关系,建立PGA目标谱并匹配目标分布的强震动记录的选取方法。对于未进行地震安全性评价,无法提出地震参数的一般建筑工程拟建场地,先利用PGA衰减关系,确定同等PGA目标值下的震级和距离,再代入加速度反应谱衰减关系,确定与PGA目标值对应的反应谱即为PGA目标谱。PGA目标谱不仅是确定的均值谱,而且具有概率含义。PGA目标谱的分布及概率特性反应了地震动的不确定性,进而为结构反应的离散性提供了一个合理的参考范围。(4)本文按场地条件和断层距将现有强震动记录数据分组,建立EPA均值目标谱。通过将EPA均值谱、PGA目标谱和规范标准谱进行比较,EPA均值谱与PGA目标谱谱形相似均具有良好谱形,匹配效果优于规范标准谱。建议规范标准谱作为强震记录选取的目标谱时,需要:(1)增加特征周期;(2)减小地震设计分组1、2组,场地类型为I类场地和II类场地的中长周期段反应谱值。(5)探讨了地震安全性评价工作中强震动记录的选取,结合不同等级的工程场地地震安全性评价,提出与之相适应的强震记录选取的基本方法及原则,建议如下:(1)I级安评的工程场地,采取基于设定地震的强震动记录选取方法。首先根据设定地震确定地震参数的初选条件,然后以场地设计谱作为目标谱,匹配场地设计谱选取记录。(2)II级和III级安评的工程场地,采取建立条件均值目标谱的方法。即以场地设计谱上结构特征周期点对应的加速度反应谱值为条件,利用设定地震的震级和距离等基于加速度反应谱衰减关系建立条件均值目标谱,并采取匹配条件均值目标谱分布的方法选取强震动记录。(3)Ⅳ级安评的工程场地,根据目标PGA值,采取PGA目标谱的方法选取强震动记录。     

主余震序列型地震动作用下RC框架结构损伤耗能研究

强震发生后通常伴随着余震,余震的发生会加重结构损伤甚至引发倒塌。为了量化研究主余震序列型地震动对结构损伤的影响,以一栋3层钢筋混凝土框架结构为研究对象,选取了10条实际的主余震记录作为地震动输入,采用ABAQUS非线性有限元软件对该框架结构进行非线性动力时程分析,并依据结构局部和整体损伤耗能指标来评价主余震序列型地震动对框架结构累积损伤的影响。研究结果表明:序列地震会加剧结构底层柱的局部损伤耗能,特别是对底层中柱的影响更加明显;序列地震作用下的结构整体损伤耗能平均值相对于单主震作用下增加约30%;当余震与主震的第一周期谱加速度指标的比值Sa （T₁）_余震/Sa （T₁）_主震较大时,序列地震对结构损伤需求的影响更为显著。     

土层结构对油气管线工程地震动峰值加速度区划图的影响研究

油气管线工程是生命线工程的重要组成部分,工程跨度通常超越几十甚至几千公里,从而导致横穿地区覆盖层中土层结构存在明显差异,对地震动峰值加速度(PGA)产生较大影响,进而影响区划结果。本文采用分区拟合放大系数的方法,对华北平原地区某大型管线进行研究,给出研究区不同土层结构条件下场地放大系数KS-基岩PGA拟合函数结果,得到沿线附近10km范围内的PGA区划图结果,并与第四代和第五代中国地震动参数区划图提出的场地系数公式的计算结果进行比较。三种计算方法的结果表明,研究区内50年超越概率10%条件下实际场地放大系数为1.30~1.45,50年超越概率5%条件下实际场地放大系数为1.15~1.30,均高于我国第四代和第五代区划图对场地系数的建议值。50年超越概率10%下的PGA区划图结果显示,局部区域在第四代和第五代地震动参数区划图场地系数的结果中位于0.15g或0.20g区,由于KS的提高,其实际计算结果会提升为0.20g或0.25g分区,这说明场地系数对峰值加速度区划图结果具有较大影响。     

考虑场地类别与设计分组的延性需求谱和弹塑性位移反应谱

非线性反应谱是基于性能的抗震设计理论中亟待解决的基础性课题之一。本文将四种场地类别上的641条地震记录,按我国现行抗震规范设计分组的要求分为12组,对大量具有不同屈服强度系数的单自由度体系作了弹塑性时程分析。研究了结构强度水平、周期、场地类别以及设计分组等因素对延性需求的影响。结果表明,在给定屈服强度水平下结构的延性需求强烈地依赖于场地条件、设计分组等因素。对于短周期结构,延性需求随场地土变软而增大,同类场地随设计分组特征周期增大而增大。通过非线性回归分析,建立了与场地类别、设计分组相对应的延性需求谱μ-ξy-T的计算公式。在此公式的基础上,结合现阶段抗震设计规范构建了弹塑性位移反应谱,可用于结构弹塑性位移需求的简化计算,同时讨论了弹塑性位移反应谱的基本特点。