近断层竖向与水平向加速度反应谱比值特征

显著的竖向地震动是近断层地震动区别于远场地震动的重要特征之一,为更合理地确定竖向地震动作用,研究了近断层区域竖向地震动的反应谱特征及其与水平向反应谱比值的影响因素.首先,选取1952—1999年世界范围内震级在M5.4—7.6之间的18次地震的地震动记录,研究竖向地震加速度反应谱及其与水平向加速度反应谱比值特征;然后统计分析了断层距、场地条件、震级以及断层机制对竖向与水平向加速度反应谱比的影响.结果表明,一般情况下竖向加速度具有更丰富的短周期分量,并且竖向加速度反应谱衰减较慢;断层距在20km以内的近断层区域、软弱土层场地、中等震级地震和逆断层大震级中长周期范围等条件下,具有较大的竖向与水平向加速度反应谱比值;在近断层区域的结构抗震设计中应充分考虑竖向地震动的影响.     

近断层脉冲型地震动作用下高层摩擦摆基础隔震结构的减震性能研究

近断层地震动中长周期、短持时和高能量的加速度脉冲将对高层摩擦摆基础隔震结构的减震性能产生不利影响,考虑土-结构相互作用（SSI效应）后的隔震结构将产生动力耦合效应,可能进一步放大隔震结构地震响应。为此,通过一幢框架-核心筒高层摩擦摆基础隔震结构的非线性地震响应分析,考察近断层脉冲型地震动作用下框架-核心筒摩擦摆基础隔震结构的层间位移角、楼层加速度和隔震层变形等响应规律,揭示隔震体系的损伤机理。基于集总参数SR （sway-rocking）模型,分析不同场地类别与不同地震动类型对隔震体系动力响应影响规律。结果表明:高层摩擦摆基础隔震结构在近断层脉冲型地震动作用下的减震效果相比普通地震动减震效果变差,楼层剪力、层间位移角和隔震层变形等超越普通地震动作用下的1.5倍;对于Ⅲ和Ⅳ类场地类别,考虑SSI效应使隔震结构的地震响应进一步放大,弹塑性层间位移角随着土质变软增大尤为明显。     

垂直和平行于断层方向的脉冲参数特性分析

如何实现速度脉冲参数化并对其参数进行特性分析是一个值得深究的问题。从NGA-West2强震动数据库选取126组近断层脉冲型地震动记录,采用速度脉冲模型,基于最小二乘法拟合得到水平分量的速度脉冲模型特征参数,研究震级、断层距、场地类别对脉冲参数的影响,并对比垂直和平行断层分量脉冲参数的特性差异。结果表明:垂直断层分量的脉冲峰值随震级和断层距的变化速率均快于平行断层分量的相应值,场地条件对脉冲峰值随震级和断层距的变化规律具有较大影响;半脉冲周期与主脉冲周期存在强线性相关性,两者随震级的变化规律存在差异;当震级相同时,基岩场地上的脉冲峰值时刻小于土层场地;对于集集地震来说,较小的形状参数主要分布于靠近破裂断层处,随着断层距的增大,不同分量之间的脉冲形状参数的差异也随之变大。     

汶川地震不同场地反应谱平台值统计分析

加速度反应谱平台值表征地震动的强度特性,场地条件是影响反应谱平台值的一个重要因素.本文选取6组同一地区断层距相近而场地条件不同的强震记录,对其标准化的加速度反应谱形状及平台值进行分析;并以汶川地震中173个有详细地勘场地上的强震记录为基础,统计分析了不同场地类别和断层距区间内的加速度反应谱平台值.本文研究结果显示,场地条件对加速度反应谱平台值有较大影响,随着场地变软,加速度反应谱平台值增大.本文定义了场地影响系数,计算并给出了不同地面峰值加速度对应的场地影响系数.     

近断层速度脉冲型地震动特征周期的估计与调整

基于美国NGA数据库,在断层投影距小于25 km范围内挑选了1387条地震加速度记录,分别按照断层距和场地条件进行分组,对近断层速度脉冲型地震动的频谱特性、特征周期,及其与断层距、震级的相关性予以分析。结果显示:① 出现速度脉冲型地震动的比例与断层投影距之间存在明显的线性相关关系,但其与震级的变化不相关;② 地震动速度脉冲周期与震级之间存在强相关;③ 对于近断层速度脉冲型地震动,采用动态变化的加速度和速度反应谱峰值周期进行特征周期的计算,更加符合真实情况;④ 地震动速度脉冲有放大地震动特征周期的作用,水平向放大的比例与竖向相当,且放大作用与场地条件相关,在较硬场地上放大较多。本文基于上述近断层地震动的统计分析结果,对现行抗震设计规范中定义的特征周期提出了适合于工程应用的调整系数,并建立了速度脉冲周期与震级之间的关系模型,分析结果显示二者的拟合效果较好。      

基于多尺度分析方法的近断层地震动特性分析

近断层长周期地震动是一类较特殊的破坏性地震动.为了深入探讨近断层地震动的低频分量组成及其脉冲特性,基于小波理论中的多尺度分析方法提出了一种地震动分量分解方法,据此可将一条地震动分解成频率各不相同的多条分量.首先从频域、时域以及动态响应三个方面阐述了该分解方法的有效性和精确性.进而采用这种方法对近期12次大地震中的53条典型近断层地震动进行了分解,共获得266条地震动分量.分析了近断层地震动中的长周期分量随场地、断层距等影响因素的变化特征;再以卓越分量作为最大脉冲的简化模型,探讨了速度幅值和脉冲周期随震级、断层距的变化关系.结果表明：近断层长周期地震动主要由周期为0.2~2 s的分量组成;近断层土层场地地震动中的长周期分量比岩石场地多;在0~15 km的近断层区域,随断层距的增加,地震动中长周期分量的比重明显减小;卓越分量的速度幅值PGV_p约为原始地震动速度幅值PGV的0.6倍,且两者之间具有明显的线性关系;PGV_p随断层距的增大而减小,随震级的增大而增大;卓越分量周期T_p随震级的增大呈对数线性增大趋势.     

近断层地震作用下设备-结构耦合隔震体系动力响应分析

建立设备-结构耦合隔震体系模型,选取近断层脉冲型和非脉冲型地震波各50条,计算耦合隔震体系的动力响应。分析表明,近断层脉冲型地震动对耦合隔震体系的影响大于非脉冲型地震动,且对主体结构的影响大于对设备的影响;近断层脉冲型地震作用下的隔震层位移、层间位移、楼层加速度、设备加速度和设备位移的平均响应分别达到非脉冲型地震作用的2.25倍、2.17倍、2.24倍、1.17倍和1.20倍。进行设备-结构耦合隔震体系设计时,需考虑近断层地震动脉冲作用的影响,同时需注意引起主体结构和设备最大响应的地震动不一定相同。     

基于规范谱的隔震结构非弹性位移设计谱研究

随着基于性能抗震设计理论研究的兴起,位移反应谱的研究逐渐受到重视。对于具有长周期特性的隔震结构,其位移响应相对于加速度响应更加显著,有必要对隔震结构的位移响应进行研究。选取特定震源机制、场地条件、震中距和震级的60条地震记录作为外部激励,利用MATLAB编程并计算得到隔震结构的位移反应谱,通过与规范反应谱进行对比分析,探讨利用现行规范谱来预测隔震结构位移需求时存在的一些问题。考虑隔震支座力学参数、地震动特性等因素对位移反应谱的影响,采用标准化和平均化的方式研究位移反应谱的特征,以Eurocode8规范给出的弹性位移反应谱为基础,通过数值拟合方法建立隔震结构非弹性位移设计谱,用于预测隔震层的最大位移需求,快速确定支座类型,极大简化隔震结构设计流程。     

基于强震动数据的等强度延性谱影响因素分析

基于5 500余条峰值加速度大于50 gal的水平向地震动数据,采用双线性模型计算了单自由度体系弹塑性反应,从地震信息参数和地震动参数2方面分析了影响等强度延性谱的因素。首先在场地分类的基础上按震中距和震级大小将地震动分组,分析了震中距远近和震级大小对等强度延性谱的影响;然后在地震动参数方面分析了反映幅值、频谱以及持时的峰值速度(PGV)、有效峰值加速度(EPA)以及Bolt持时等代表参数,并且根据PGV,EPA和Bolt持时的大小分组,分析了其对等强度延性谱的影响,结果表明:①在大部分周期内,各组等强度延性谱值差异较大,在各个场地内震中距和震级较大时,对应的延性谱值较大;②分组效果最好的地震动参数为PGV,其次是Bolt持时,当根据EPA分组时,分组结果最不理想。     

隔震层的滤波效应分析

从隔震层改变地震动输入特性的角度出发,采用有限元分析软件Etabs9.7.2对某隔震建筑进行弹性时程分析,对原输入地震动及经过隔震层后的衰减地震动时程进行分析对比得出:经过隔震层的过滤作用后,衰减地震动时程的峰值加速度减小到原输入地震动峰值的1/4~1/3;衰减地震动时程的反应谱及傅立叶谱幅值均显著减小;经过隔震层后衰减地震动时程的反应谱平台段显著缩短,并且衰减地震动时程的中、高频成分含量显著减少,在隔离地震作用效果上,隔震层滤波作用与延长结构周期的反应谱原理是等效。     

强震下斜交桥地震反应与减隔震性能分析

针对斜交桥在破坏性地震中发生破坏和损伤的突出问题,采用铅芯橡胶支座(LRB)进行隔震和滞回耗能。基于OpenSees平台建立了不同斜度的传统非隔震和全桥采用LRB隔震的4跨斜交连续梁桥动力分析模型,沿2个水平方向输入远场地震动和具有向前方向性效应、滑冲效应以及无速度脉冲效应的近断层地震动,并进行非线性时程计算,研究桥墩和挡块的损伤状态、主梁旋转度、碰撞力与斜交桥斜度的关系以及LRB对斜交桥抗震性能的影响。结果表明:向前方向性效应和滑冲效应的脉冲型地震动作用下的斜交桥地震反应和损伤明显大于无速度脉冲近断层和远场地震动作用; 采用LRB隔震后,明显降低了固定墩的地震损伤,桥墩位移减震率可达到50%以上; LRB隔震桥主梁与挡块的间隙宜结合桥梁的地震风险和设计位移进行确定。     

Damping coefficients for near-fault ground motion response spectra

Damping coefficients are frequently used in earthquake engineering as a simple way to adjust the pseudo-acceleration or displacement response spectra associated with a viscous damping ratio of 5% to the higher values of viscous damping needed for design of structures equipped with base isolation and/or supplemental energy dissipation devices. In this study, damping coefficients for the single-degree-of-freedom system subjected to near-fault ground motions are calculated for a large range of periods and damping levels. The results indicate that damping coefficients proposed in design codes and previous studies, based primarily on far-field ground motion records, tend to not be conservative for near-fault seismic excitations. A new approach is recommended for the derivation of damping coefficients appropriate for engineering analysis and design in the immediate vicinity of the earthquake fault. This includes the normalization of the period axis with respect to the duration of the ground velocity pulses recorded in the near-fault region. The pulse duration is controlled by the rise time on the fault plane and scales directly with earthquake magnitude.     

Evaluation of reduction factors for high-damping design response spectra

High-damping response spectra are essential tools for the assessment and design methods based on the equivalent elastic structure concept. They are also often used for the analysis and design of structures with seismic isolation or energy dissipation systems. Many formulations of the reduction factors have been proposed and included in seismic codes to estimate high-damping response spectra from their 5% damping representation. They are reviewed in the present paper. The accuracy of each of them in estimating the maximum elastic response of structures with viscous damping ratios greater than 5% is assessed by comparing exact and approximate displacement response spectra for three different damping levels, namely 10, 20 and 30%, respectively. The comparison is referred to more than 120 ground motion records, relevant to earthquakes with magnitude between 6 and 8, epicentral distance ranging from 1 to 100 km and Peak Ground Accelerations (PGA’s) greater than 0.1 g. The comparison between exact and approximate response spectra is carried out for both single earthquakes and groups of earthquakes with similar magnitude and epicentral distance. The drawbacks of using the same damping reduction factor to estimate both maximum displacement response and design seismic forces are also addressed.     

双向地震动作用的拟等延性系数谱

首先建立了以强度折减系数表述的恢复力特性满足二维屈服面模型的理想弹塑性单质点系统(它在2个相互垂直的主轴方向上分别具有水平平动自由度)在双向地震动作用下的归一化运动方程。然后引入单向地震动作用下等延性系数的强度折减系数谱,给出了双向地震动作用的拟等延性系数谱(定义为系统分别承受双向和单向地震动作用,在同一主轴方向上的最大位移反应之比)最后通过硬土场地10组双向地震动记录拟等延性系数谱的统计平均结果,分析了结构周期、位移延性系数和阻尼等因素对谱值及结构双向地震反应的影响。结果表明,双向地震动作用与单向地震动作用相比主要增加结构较长周期方向的最大位移反应。若在基于位移的抗震设计中降低结构较短周期方向的设计位移延性系数,可在一定程度上降低双向地震动的不利影响。因定义的谱为比值形式,阻尼对其影响不大。     

钢梁阻尼器的最佳延性率及其控制

基于双线性和三线性的力－位移滞回线假设，导出了钢梁阻尼器隔震系统等效阻尼比与阻尼器延性率的关系；为了获得大阻尼比隔震系统，以尽量减小隔震系统的地震反应，求得了使系统阻尼比为最大的阻尼器相应延性率（即最佳延性率）所需满足的条件；给出了在给定地震地面运动输入条件下，使系统阻尼器变形位移达到最佳延性率的阻尼器初始刚度和屈服位移的确定方法。     

公路简支梁桥的地震能量响应分析

利用有限元软件SAP2000建立了某公路简支梁桥的有限元模型,以7条典型强震记录为输入,研究了公路简支梁桥的地震能量响应及其分配规律。结果表明:①地基柔性效应对公路简支梁桥的地震能量响应及其分配规律的影响较小;②当场地土质变软时,地震总输入能、结构阻尼耗能和结构阻尼耗能比均呈递增趋势,而结构滞回耗能和结构滞回耗能比则不断减小,即地基土体作为桥梁动力系统的一部分,增大了系统阻尼,并分担了部分非弹性变形;③随着PGA增大,输入结构的地震能量也增加,导致塑性铰的非弹性变形增加,即结构滞回耗能和结构阻尼耗能增大。     

Characterization of displacement demand for elastic and inelastic SDOF systems

The results of a research concerning the characterization of elastic and inelastic displacement spectral demand as a function of magnitude, source-to-site distance, and soil type are presented. The displacement spectra were computed for single degree of freedom systems subjected to a large set of strong ground motion records.In the elastic case, design displacement spectra, modeled in a simplified way with a bilinear shape in the period range 0–4 s, are then proposed for the estimation of the displacement demand to structures located on different local soil condition, at different distance from the causative fault, and for different levels of magnitude. In order to evaluate the reliability of the proposed design displacement spectra, probabilistic displacement spectra corresponding to different levels of probability of non-exceedance were also carried out.The inelastic displacement demand to elasto-plastic systems was analyzed through the ratio between inelastic and elastic spectral displacements. Simplified relationships of the inelastic displacement ratio are then proposed as a function of displacement ductility, soil condition and period of vibration. Finally, as a comparison, the inelastic displacement ratios were also estimated considering other constitutive models.     

不同类型俯冲带地震水平向地震动阻尼修正系数对比研究

基于日本KiK-Net、K-Net地震台网和太平洋地震工程中心（PEER）的14 713条地震动记录,比较了俯冲带地区浅壳上地幔地震、板内地震和板间地震的水平向地震动加速度反应谱阻尼修正系数（DMF）和位移反应谱阻尼修正系数（DMF）的差异,并进行了5%置信水平下的假设检验,探究了俯冲带地区不同地震类型对DMF的影响。结果显示:在大多数谱周期,不同地震类型的DMF存在统计意义上的显著差异;在低阻尼比中短周期时,加速度谱DMF和位移谱DMF基本相同;在高阻尼比长周期时,不同地震类型的加速度谱DMF差异大于位移谱DMF差异。研究表明:俯冲带地震水平向地震动DMF需要考虑不同地震类型的影响。     

Large-scale seismic isolation through regulated liquefaction: a feasibility study

Using controlled liquefaction, a seismic isolation technique is introduced by which a large area with dozens of structures can be seismically isolated. The proposed Large Scale Seismic Isolation (LSSI) is in many ways similar to conventional base isolations. The required bearing is provided by a fully undrained pre-saturated liquefiable layer which has substantial vertical stiffness/capacity and minimal lateral stiffness. Moreover, required energy dissipation would be provided through material damping and Biot flow-induced damping within the liquefied layer. LSSI consists of a thick nonliquefiable crust layer and an underlying engineered pre-saturated liquefiable layer bounded by two impermeable thin clay layers. The liquefiable layer should be designed to trigger liquefaction as soon as possible within the early seconds of a design level seismic event. Adopting the energy-based GMP liquefaction theory, optimum gradation of the liquefiable layer is also investigated. It turned out that LSSI would effectively reduce acceleration response spectrum within short to medium periods. Contribution of the proposed LSSI is more pronounced in the case of stronger ground motions such as near field events as well as ground motions with longer return periods.