单自由度体系的地震残余变形研究

结构在经受地震动作用后会发生变形和位移,其中在震动结束后不能恢复的这一部分,即为残余变形或永久变形。残余变形取决于结构本身的动力性能和输入地震波的特性以及场地条件等。残余变形能够提供震害评估的信息,同时也是震后加固修复的指标。对单自由度体系进行了研究,考察不同自振周期、阻尼比、延性水准、滞回特性以及输入地震动下的残余变形,得到其影响因素并分析其中机理,为以最大变形和累积耗能为依据的基于性能的抗震工程学提供了补充和新的思路。     

基于IDA的多层钢筋混凝土框架残余侧移分析

利用Open Sees非线性有限元软件对6层钢筋混凝土平面框架结构进行数值模拟。首先选取24条地震动记录,通过对比分析两个不同地震动强度指标对残余侧移响应离散性的影响,选取合理的地震动强度指标。然后采用Sa(T1,5%)调整24条地震动记录,使其成为具有多重强度水平的地震动记录。对该模型进行增量动力分析,得到各层的残余层间侧移角和最大层间侧移角并比较残余侧移和最大侧移的分布规律,分析了结构的残余侧移随最大侧移的变化过程以及两者的相关系数,发现两者的相关性较好,这表明可以根据震后残余层间侧移角估计最大层间侧移角。另外,也分别分析了基于弹塑性层间侧移角限值和倒塌临界状态的残余层间侧移角概率分布,结果表明结构的最大层间侧移角达到抗规限值0.02后,结构仍然有较大的塑性变形发展。     

单自由度体系残余位移分析及损伤评价

结构经历地震后的残余位移可作为结构震后可修复能力的重要指标,研究结构的残余位移对于地震灾区震损结构性能的评价具有重要意义。本文以双线型单自由度体系为计算模型,选取了中国规范对应的4种场地120条地震动,通过弹塑性动力时程分析,分析了场地条件、屈服后刚度比、强度折减系数和周期等参数对残余位移的影响。分析结果表明,场地条件、屈服后刚度比和周期是影响残余位移的主要因素,强度折减系数对残余位移的影响不大。相关性分析表明,结构的残余位移与最大位移、滞回耗能之间存在较好的线性关系。以Park-Ang损伤模型为基础,提出了震后单自由度体系基于残余位移的损伤评价方法。     

基于条带-云图法的地震动持时对结构地震易损性影响分析

地震动持时对结构损伤的影响显著,然而目前地震易损性研究中很少考虑地震动持时的影响。本文提出了一种地震易损性分析的条带-云图法,引入向量型地震动强度指标■,利用IM₁进行基于条带法的结构时程分析,然后采用与地震动持时相关的IM₂离散化时程分析统计结果,进行云图法回归分析,建立合理考虑地震动持时影响的结构概率地震需求模型,进而分析地震动持时对结构地震易损性的影响。为了说明本文提出的方法,分别选取具有长、短持时特性的两组地震动作为输入,对3个高度不同的钢筋混凝土框架结构采用条带-云图法进行了地震易损性分析。分析结果表明:采用条带-云图法获得的IM与结构损伤之间的相关程度明显增加,可以提高概率地震需求模型的可靠性;与短持时地震动相比,长持时地震动可以在更低的强度水平引起更严重的结构损伤,在易损性分析中需要考虑持时影响;地震动持时对结构易损性分析结果的影响与选择的地震动强度指标有关,与能量相关的指标可以更好地反映地震动持时的影响。     

考虑梁端耗能能力影响的钢框架结构易损性分析

一般采用梁柱焊接节点钢框架结构在遭遇强烈地震地震作用下,结构倒塌破坏可能由于是耗能能力不足所导致。以某钢框架结构为算例,选取20条实际地震动记录,对结构进行易损性分析,对比不同损伤指标和不同梁端构造形式的钢框架结构抗震性能差异。研究显示:对梁柱焊接的普通钢框架结构,其倒塌破坏是由于结构耗能能力不足所导致的,评价结构抗震性能不仅需考虑结构变形能力,尚需同时考虑结构耗能能力;对于改进形式的钢框架结构,结构耗能能力得到显著提高,使得位移首超破坏先于累积损伤破坏,此时基于变形的评价结果更加可靠。     

水平旋转不变平均持时特征分析

地震动持时对结构低周疲劳、破坏累积效应以及非弹性破坏具有显著影响,合理确定地震动持时至关重要。基于汶川地震记录资料,分析旋转不变平均持时与测点记录持时的大小比值关系和相关性,探讨其随断层距的空间变化规律。结果表明:旋转不变平均持时在数值上不恒等于测点记录持时、两水平分量持时的算术平均值及矢量和时程持时的任一量。旋转不变平均能量持时和相对Bolt持时将随断层距的增大而增加,旋转不变平均绝对Bolt持时则将随断层距的增大而减小。旋转不变平均持时与测点记录持时具有强相关性;相比较而言,90%能量持时的相关性强于70%能量持时;绝对Bolt持时的相关性强于相对Bolt持时;能量持时的相关性强于Bolt持时。     

高层混合结构滞回耗能比的研究

基于结构层间弯曲屈服强度的概念,提出了高层混合结构滞回耗能比的简化计算公式,该公式综合体现了结构以及地震动特征参数对结构滞同耗能比的影响。研究表明,结构滞回耗能比随地震动的峰值速度与峰值加速度的比值的增大而增大;随着地震动幅值的增大,滞回耗能比也线性增加;对于短持时地震动,滞回耗能比与强震持时之间没有一定的规律性,但对于长持时地震动,结构滞回耗能比会随强震持时的增大而线性增加。随着结构弯曲屈服强度系数的增大,结构滞回耗能比呈凹函数下降,结构的自振周期越大,同一弯曲屈服强度系数对应的滞回耗能比越小;钢框架与混凝土剪力墙承载力比值的增加能够降低结构的滞回耗能比。     

考虑地震动持时效应的输电塔-线体系响应研究

研究了地震动持时效应对输电塔-线体系动力响应的影响。基于能量持时的定义方法,选取了一组包括20条长持时和20条短持时的地震动作为输入。地震动调幅至0.2g和1.2g来分别研究地震动持时效应对结构弹性和塑性响应的影响,并选取输电塔的塔顶峰值加速度、位移、主材应力以及节间位移角作为评价指标。结果表明:地震动持时效应对所选取的评价指标具有不同的影响规律,在输电塔-线体系动力响应研究中持时效应不容忽视。可以为输电塔的抗震设计提供有益的参考。     

基于OpenSees的钢筋混凝土桥墩抗震数值分析模型

地震荷载作用下钢筋混凝土桥墩易发生严重破坏,模拟桥墩在循环荷载作用下的非线性滞回反应是桥梁抗震研究的重要内容。以8个发生弯曲破坏的钢筋混凝土桥墩抗震拟静力试验结果为依据,基于Open Sees中的非线性梁柱单元、零长度转动弹簧单元和零长度剪切弹簧单元,建立了考虑弯曲、粘结滑移和剪切变形的桥墩抗震数值分析模型。将模拟得到的试件滞回曲线,墩顶弯曲、粘结滑移和剪切变形等成分、初始刚度和残余位移与试验结果进行了对比。结果表明,所建模型对各桥墩的滞回曲线、各变形成分、初始刚度和残余位移有较好的模拟效果。     

地震波归一化时-频反应谱分析方法

反应谱理论是抗震设计的重要理论之一,但因其包含诸多基本假定,在应用上存在一定局限性,主要表现在:①反应谱理论只能反应结构的最大弹性地震反应,不能反映结构在实际地震反应中可能出现的非弹性特性;②反应谱无法反映结构低周疲劳特性的影响,不能反映结构在实际地震动作用过程中结构性能随时间的变化,无法进行结构在罕遇地震作用下的倒塌分析;③计算经验表明,反应谱的计算主要决定于地震动加速度记录中最强烈的一段;反应谱理论没有考虑地震动持时特性,而持时对结构造成的累积破坏作用小容忽视.     

钢筋混凝土框架中节点受剪性能计算的改进拉压杆模型

梁柱节点是框架结构中承受和传递荷载的关键部位。框架节点抗震性能试验研究表明,高剪应力的作用下,节点核心区通常产生显著的非弹性剪切变形。采用数值模拟研究钢筋混凝土梁柱节点抗剪性能时,正确地计算节点核心区剪应力-剪应变关系是有限元分析成功实施的关键。基于梁柱节点抗震性能试验中节点核心区的受力变形特征,提出了基于变形的改进拉压杆模型,推导了节点剪应力-剪应变(■-γ)关系曲线的计算方法。以多组梁柱节点低周反复加载试验结果为依据,对比分析斜压杆模型与基于变形的改进拉压杆模型的计算结果,校核了基于变形的改进拉压杆模型计算准确性和适用性。结果表明：与斜压杆模型相比,基于变形的改进拉压杆模型能有效预测钢筋混凝土框架中间层中节点的■-γ骨架曲线,能较准确地计算节点峰值剪应力。     

铁基形状记忆合金混凝土框架节点可恢复变形性能分析

罕遇地震作用下混凝土框架梁柱节点残余变形的不断累积是造成其破坏的主要原因之一,如何减小动力循环荷载作用下节点的残余变形,提升其可恢复变形能力具有重要的意义。利用超弹性铁基形状记忆合金(SMA)代替普通钢筋,不仅可使节点具有较大延性,还能保持较高耗能和可恢复变形能力。为了系统地分析新型节点的地震可恢复变形性能,利用OpenSEES系统平台建立一种相关节点的有限元模型,数值模拟普通配筋节点和铁基SMA筋节点模型在拟静力荷载作用下的内力和变形规律,并与试验结果进行比较;进一步分析了新型节点不同轴压比等参数下滞回性能,得到了极限承载力、刚度、阻尼、残余变形等变化规律,明确了可恢复变形性能。结果表明:所建立的模型能较好地反映新型节点的滞回性能和可恢复变形性能的变化规律,所提出SMA混凝土节点具有更好的抗震性能和可恢复地震变形能力,残余变形减小50%左右。     

双向耦合地震作用下滑移隔震结构振动控制及其优化研究

目前,滑移隔震结构的分析通常只考虑水平地震动而不考虑竖向地震动的影响,有关多向地震动及其相关性的研究也很少。水平与竖向地面运动具有相关性,从而影响控制效果,因此对双向耦合地震作用下滑移隔震结构模型的理论进行研究,建立动力分析模型并得出运动微分方程。以6层滑移隔震结构为例,对其进行地震反应分析。研究表明,在考虑竖向地震作用的情况下,滑移隔震结构也具有良好的控制作用,但是竖向地震作用的存在使结构的地震反应有不同程度的增加,其增量随着竖向地震作用的增加而增加。因此,在高烈度地区的滑移隔震结构应该考虑竖向地震作用对结构的影响。建立滑移隔震装置的参数优化设计模型,采用IHGA程序对结构的重要参数进行优化设计。结果表明,滑移隔震结构在各种工况下的各项地震反应均得到更好的控制。     

不同类型地震动作用下自复位摇摆桥梁延性需求谱研究

自复位摇摆桥梁的损伤和残余位移小,具有良好的震后可恢复性.文中以自复位摇摆桥梁为研究对象,对不同类型地震动作用下的结构的延性需求谱及其影响因素进行研究.选用FEMA P695推荐的100条典型地震动作为输入,并划分为远场地震动、近场脉冲地震动以及近场无脉冲地震动.研究结果表明,近场脉冲地震动作用下的结构的延性需求最大,...     

汶川地震近断层地震动作用下 结构地震响应特征分析

研究了具有不同自振特性的建筑结构在近断层速度脉冲型及非速度脉冲型地震动作用下的结构层间变形分布,揭示了近断层速度脉冲对工程结构地震响应的特殊影响. 从汶川M_S8.0地震近断层强震记录中选取两组典型速度脉冲型记录和非脉冲型记录, 根据确定的目标地震动强度水平,利用时域叠加小波函数法对选择的强震记录进行调整, 使之与目标地震动水平对应的加速度反应谱保持一致, 以此作为结构地震反应分析的地震动输入. 选取具有不同自振特征的3层、11层和20层典型钢筋混凝土框架结构, 建立有限元分析模型, 分别计算在速度脉冲型与非速度脉冲型记录作用下这些结构层间变形分布. 研究表明,速度脉冲型记录与非速度脉冲型记录作用下结构层间变形有明显差异, 且与结构自振特征有关.就低层结构的层间变形而言, 非速度脉冲型记录的影响较速度脉冲型记录的影响大. 随着结构自振周期的增加, 高阶振型的影响更加明显. 与非速度脉冲型记录相比,速度脉冲型记录的结构层间位移反应中值及离散程度较大. 速度脉冲型记录更容易激发高层结构的高阶振型, 产生较大的层间位移反应. 非速度脉冲型记录对中低层结构层间变形影响较大.因此, 在开展近断层结构地震影响评价时, 应考虑近断层速度脉冲的影响.      

汶川地震近断层地震动作用下结构地震响应特征分析

研究了具有不同自振特性的建筑结构在近断层速度脉冲型及非速度脉冲型地震动作用下的结构层间变形分布,揭示了近断层速度脉冲对工程结构地震响应的特殊影响.从汶川M8.0地震近断层强震记录中选取两组典型速度脉冲型记录和非脉冲型记录,根据确定的目标地震动强度水平,利用时域叠加小波函数法对选择的强震记录进行调整,使之与目标地震动水平对应的加速度反应谱保持一致,以此作为结构地震反应分析的地震动输入.选取具有不同自振特征的3层、11层和20层典型钢筋混凝土框架结构,建立有限元分析模型,分别计算在速度脉冲型与非速度脉冲型记录作用下这些结构层间变形分布.研究表明,速度脉冲型记录与非速度脉冲型记录作用下结构层间变形有明显差异,且与结构自振特征有关.就低层结构的层间变形而言,非速度脉冲型记录的影响较速度脉冲型记录的影响大.随着结构自振周期的增加,高阶振型的影响更加明显.与非速度脉冲型记录相比,速度脉冲型记录的结构层间位移反应中值及离散程度较大.速度脉冲型记录更容易激发高层结构的高阶振型,产生较大的层间位移反应.非速度脉冲型记录对中低层结构层间变形影响较大.因此,在开展近断层结构地震影响评价时,应考虑近断层速度脉冲的影响.     

深厚覆盖层上某核电护岸结构地震响应及稳定性分析

以某深厚覆盖层上核电护岸工程为研究对象,介绍了护岸抗震稳定分析的原理和分析方法。采用等价线性法对代表性断面进行有限元动力时程分析,得到SL1和SL2地震动作用下护岸结构的加速度响应、安全系数、液化区分布状况以及震后残余变形。通过分析地基不同土层交界面加速度响应变化来研究深厚覆盖层对加速度峰值的动力放大效应影响。     

强震作用下钢框架结构的残余侧移研究

根据现行规范设计的钢框架结构在强震作用下会产生较大的不可恢复的塑性变形,震后残余变形过大的结构往往无法修复到正常使用状态,最终只能被拆除,造成了严重的直接以及间接经济损失,因而准确分析结构的残余变形对于震后结构性能的评估与控制具有重要意义。为了研究钢框架结构在强震作用下的残余侧移,本文根据现行抗震设计规范和钢结构设计规范设计了2至10层的5个钢框架结构,分别采用静力非线性和动力时程分析方法对所设计结构进行了数值分析,得到了结构在中震和大震作用下的峰值侧移、残余侧移和侧移集中系数。结果表明,所得的残余侧移具有较大的离散性。基于分析结果,提出了预测钢框架结构残余侧移的计算公式,该公式为峰值侧移、弹性侧移以及侧移集中系数的函数。     

结构震后残余位移研究进展

结构在强震作用下进入非线性阶段会产生不可恢复的永久位移或残余变形,结构残余位移是震后结构抗震性能和地震损失评估的重要参数,具有重要的理论意义和工程实用价值。为了深入分析残余位移的研究现状,为面向性态抗震设计和抗震韧性评估的地震动强度指标研究提供参考,全面和系统分析了国内外结构残余位移相关文献,介绍了残余位移的定义,重点论述了影响结构残余位移的主要因素,总结归纳了残余位移计算模型、残余位移控制方法及考虑残余位移的抗震性能评估方法,最后讨论了残余位移研究中存在的问题和建议。     

岩石圈结构对大地震震后形变的影响——以1976年唐山大地震和2001年昆仑山大地震为例

大地震发生之后通常会诱发一系列的余震序列,对比1976年M_S7.8唐山大地震和2001年M_S8.1昆仑山大地震周边区域的地震事件可以看出,唐山大地震余震活动时间要明显长于昆仑山大地震余震活动时间.余震序列往往与震后形变密切相关,而影响震后形变的因素不仅与地震发震断层和震级有关,同时与岩石圈的结构有关.考虑到唐山大地震的发震区华北地块和昆仑山大地震的发震区青藏高原有着较大的岩石圈结构差异,本文采用PSGRN/PSCMP软件计算了岩石圈分层模型的大地震同震和震后形变,分析了地壳弹性模量、弹性厚度以及黏滞性系数对同震和震后形变的影响,进而讨论了影响唐山地震和昆仑山地震余震序列差异的原因.计算结果显示,震后形变会在黏弹性效应的作用下逐渐调整,震后形变的持续时间与地壳弹性模量、地壳弹性厚度和下地壳黏滞性系数有关.上地壳和下地壳弹性模量越大,震后形变达到稳定值的时间越短,弹性模量对震后形变稳定值影响很小.地壳弹性厚度越大,震后形变达到稳定值的时间越短,当断层面底端深度小于地壳弹性厚度时,地壳弹性厚度的增加会引起震后形变稳定值的减小;下地壳厚度对震后形变达到稳定值的时间和稳定值基本无影响.下地壳黏滞性系数越大,震后形变达到稳定值的时间越长,反之亦然.结合唐山地震区的华北地块和昆仑山地震的青藏高原深部结构发现,两者之间的上地壳弹性模型差别不大,唐山地震区地壳弹性厚度略大于昆仑山地震区,但昆仑山地震区下地壳黏滞性系数明显低于唐山地震区.这些因素均决定了昆仑山地震的震后形变持续时间短（余震时间序列短）而唐山地震的震后形变持续时间长（余震时间序列长）.由此可见,岩石圈结构差异可能是导致唐山地震和昆仑山地震余震序列差异的主要因素之一.