Uncertainty Analysis of Strong-Motion and Seismic Hazard

In this article we present the modelling of uncertainty in strong-motion studies for engineering applications, particularly for the assessment of earthquake hazard. We examine and quantify the sources of uncertainty in the basic variables involved in ground motion estimation equations, including those associated with the seismological parameters, which we derive from a considerable number of strong-motion records. Models derived from regression analysis result in ground motion equations with uncertain parameters, which are directly related to the selected basic variables thus providing an uncertainty measure for the derivative variable. These uncertainties are exemplified and quantified. An alternative approach is presented which is based on theoretical modelling defining a functional relationship on a set of independent basic variables. Uncertainty in the derivative variable is then readily obtained when the uncertainties of the basic variables have been defined. In order to simplify the presentation, only the case of shallow strike-slip earthquakes is presented. We conclude that the uncertainty is approximately the same as given by the residuals typical for regression modelling. This implies that uncertainty in ground motion modelling cannot be reduced below certain limits, which is in accordance with findings reported in the literature. Finally we discuss the implications of the presented methodology in hazard analyses, which is sensitive to the truncation of the internal error term, commonly given as an integral part of ground motion estimation equations. The presented methodology does not suffer from this shortcoming; it does not require truncation of the error term and yields realistic hazard estimates. This revised version was published online in July 2006 with corrections to the Cover Date.     

考虑强地面运动持时影响的概率地震需求模型

选择合理的持时衰减关系,利用Monte-Carlo方法,抽取持时样本,根据震级M、震中距R和局部场地土壤条件S以及持时样本,选择符合条件的实际地震波记录,并进行合理的调值,对一座钢筋混凝土桥墩进行了非线性动力时程分析.对比强地面运动持时与能量需求参数和累积破坏参数的相关性,发现:幅值、频谱和持时对能量需求参数和累积破坏参数的影响是强烈耦合的,且强地面运动持时对两者的影响比较显著;在选择结构第一模态周期谱加速度和合理的能量需求参数,并分别作为地面运动强度参数IM和EDP建立概率地震需求模型时,要考虑持时的影响.     

酸雨环境下砌体结构地震易损性研究

对4榀相同特性的砖墙进行不同程度的酸雨腐蚀试验及低周反复荷载试验,得出其在不同腐蚀循环次数下的滞回曲线。基于陆新征-曲哲恢复力模型对砖墙试件进行模拟分析,并与试验结果进行对比,验证得出三弹簧单元模型能够较准确预测砌体构件的滞回性能。利用三弹簧单元模型对不同腐蚀次数下砌体结构进行IDA分析,得出不同腐蚀次数下砌体结构的易损性曲线,通过对"小震"、"中震"、"大震"下结构失效概率的分析得出,酸雨腐蚀能够严重影响结构的力学性能,使得结构的抗震性能显著下降。     

墙体开洞影响下房屋砖砌体结构地震易损性分析

为获取可靠的墙体开洞影响下房屋砖砌体结构地震易损性分析结果,采用ABAQUS有限元分析软件构建房屋砖砌体结构墙体模型,设置合理的墙体模型参数和数值模拟参数;对比模拟数值与以往研究的测试值,证明所构建模型参数取值合理;将截取的峰值段江油地震波作为上述模型的地震动输入,根据测得的房屋砖砌体结构的力学变化数据,分析房屋砖砌体结构的地震易损性。分析结果表明:地震情况下,随着墙体开洞率的增加,墙体荷载能力下降、墙体水平承载力增长幅度降低、墙体相对刚度退化率增加;墙体开洞数量越多,房屋砖砌体结构侧向刚度下降越快。因此分析得出墙体开洞率大、墙体开洞数量多,房屋砖砌体结构的地震易损性越显著。     

基坑对场地地震响应影响的数值分析

基坑会对附近场地的动力响应产生影响,目前对基坑附近的场地在地震作用下的动力响应还缺乏足够的认识,现行的建筑抗震设计规范也没有给予充分的关注。本文对典型基坑及附近场地的地震反应进行动力数值模拟,分析基坑对两侧地表加速度峰值的影响及不同深度加速度峰值的变化规律。结果表明,相对于没有基坑的场地,基坑的存在会使其周围2倍开挖深度范围内地表的加速度峰值增大很多,这不利于邻近浅埋基础建筑的抗震设防。     

基础刚度对砖石古塔地震响应影响研究

以西安万寿寺塔纠偏工程为研究背景,分别建立增加圈梁、圈梁-地梁组合以及圈梁-地梁-托盘组合模型下的塔体与基础协同工作模型。采用时程分析法,对不同基础刚度条件下塔体的地震响应进行分析及评估,结果表明:(1)增大基础刚度的同时结构的地震位移响应将会被放大,但应力时程曲线的波动范围随之缩小、幅值减小;(2)增设圈梁时由于塔底三向受力,塔底应力将被放大;(3)进行基础完全托换能够大幅改善塔底在地震作用下的受力状态。在塔体加固维修时应综合考虑地震作用下塔体的位移放大效应与塔体应力分布的影响,选取合适的基础刚度。     

某砖砌体教学楼结构抗震加固设计

某中小学教学楼为典型的80年代建造的砌体教学楼,鉴定结果显示基础稳定,上部结构材料强度不足,部分构造设置不合理。在结构抗震加固再设计中,从概念上分析结构加固的合理性;合理地确定地震作用影响系数,对加固前后的结构进行整体计算分析;对重要及复杂的部分节点进行补充设计。     

中国大陆结构地震反应观测系统布设研究

本文简要介绍了结构地震反应观测研究的意义。并以中国地震局防灾大楼和北京市人大办公大楼结构地震反应观测系统为布设实例,阐述了中国大陆地区结构地震反应观测系统的两种布设方式。对两种方式进行了分析,指出简化布设中存在的问题,并提出了布设原则,用于指导结构地震反应观测系统的布设。     

中小学砌体结构校舍的隔震加固技术研究

本文以抗震设防8度区的山西省某小学4层砌体结构教学楼抗震加固为背景,探讨了采用隔震技术对多层砌体房屋进行抗震加固的计算分析方法、施工工艺及相应的关键技术。结果表明,叠层橡胶垫基础隔震加固可以有效降低上部结构所受的地震作用,能够在一定程度上提高工程结构的安全性,是一种比较有效的建筑抗震加固技术。在高烈度区对砌体结构校舍进行抗震加固时,采用隔震加固技术比传统加固方法更具有优势。相关成果对于中小学砌体结构校舍抗震加固具有重要的参考价值。     

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。     

基于BP神经网络模型的多层砖房震害预测方法

针对传统的基于地震烈度的建筑物震害预测方法的不足,本文以地震动峰值加速度作为建筑物震害预测的地震动指标,结合几次大地震中多层砖房的震害实例,提出了一种基于BP神经网络模型的建筑物震害预测方法,模型的输入为反映结构抗震性能的各类物理参数,输出为给定地震动峰值加速度下建筑物破坏状态的概率。研究表明:基于BP网络模型的多层砖房的震害预测结果与震害实例的实际情况比较吻合,本文的思路和方法可推广于其他不同类型的建筑结构的震害预测。     

关于提高中小学砌体建筑抗震能力的讨论

利用汶川8.0级地震特大发生后作者在极重灾区——四川省广元市青川县参加首批房屋应急评估工作期间收集的房屋震害资料,分析了砌体结构的震害特点和震害原因,对提高中小学砌体建筑抗震能力进行研究,从概念设计与计算分析两个方面对现行抗震设计规范的若干条文进行了讨论,提出了验算砌体结构抗倒塌能力的建议。     

基于模糊综合评判法的辽宁省老旧砌体房屋震害预测

对辽宁省老旧砌体房屋现状及抗震能力进行分析,基于模糊综合评价法计算分析得到地震易损性矩阵,根据辽宁省地震震害实例对预测结果进行了验证和分析。结果表明:①辽宁省农村民居中的砌体结构总数量占房屋总数量比例超过95%,2000年以前所建房屋总数量占比76%。②由预测结果可知,辽宁省老旧砌体房屋在Ⅵ,Ⅶ,Ⅷ,Ⅸ度烈度下产生严重及以上破坏等级的房屋数量占比分别为6.5%,17.0%,53.5%,65.9%。③震害实例验证结果表明预测结果与实际震害结果之间差异性较小。     

远场长周期地震下基于规范设计隔震结构的抗震性能研究

隔震结构具有较长自振周期,且容易受地震动长周期特性的影响,因此其在长周期地震动作用下的抗震性能值得研究。以某基于规范设计的基础隔震结构为例,通过对该结构在规范规定地震作用和远场长周期地震作用下的地震响应进行分析和对比,研究长周期地震动对结构地震响应的影响;通过对钢筋和混凝土的损伤状态进行定义和标识,探讨长周期地震作用下基础隔震结构的损伤分布规律。研究结果表明,长周期地震动作用下隔震结构发生破坏的概率远大于具有相同峰值地面加速度的普通地震动,其中长周期地震动反应谱的谱峰值"后移"被认为是造成这种情况的主要原因,且长周期地震动作用下隔震结构的损伤分布并不均匀,其主要集中在结构的底层。     

地震动特性对隔震结构弹塑性位移反应谱的影响研究

根据特定震源机制、震级、断层距和场地条件选取69条地震动记录并进行分组,利用Nspectra软件计算隔震结构的弹塑性位移反应谱,分析断层距、场地条件、震级、阻尼比对弹塑性位移谱的影响,探讨隔震层的力学参数对地震能量耗散的影响。研究结果表明:相较于远场,处于近场的隔震结构最为不利,隔震层位移谱值受场地条件、地震加速度和速度大小影响较大;随着断层距的增大,位移谱值衰减较快,且在软土场地中隔震层的位移谱值衰减幅度大于硬土场地;地震震级大小对位移谱形状的影响不明显,但能够使隔震层的位移谱值产生整体缩放效应;阻尼比在小于0.4的范围内,隔震层在不同地震动特性作用下位移谱值差别较大,但在大于0.4以后,位移谱值及谱形基本趋于一致;屈服力较小(恢复力/重力小于等于1)的隔震层随自振周期增大其耗能性能更加突出。     

竖向地震动对大跨度高断面Y形柱地铁车站地震响应分析研究

以北京地铁6号线新华大街站公共区Y型柱地铁车站为工程背景,利用FLAC3D有限差分程序数值模拟分析,研究超浅埋大跨度、高断面、Y形柱地铁车站结构分别在仅输入水平向地震动和同时输入水平向与竖向地震动情况下的地震响应特性。结果表明:(1)与仅输入单向地震动相比,双向地震动耦合作用下车站各测点的峰值加速度和应力值均增大,而相对水平位移减小,且随着输入地震动强度的增加,竖向地震动影响率呈递减趋势;(2)双向地震动作用下,同一工况Y形柱叉支处各测点的竖向位移明显增大,且各测点的竖向位移值较为均匀,而单向水平地震动作用下各测点竖向位移差异较大;(3)与单向水平地震动相比,竖向地震动的输入对各测点间的水平方向地震动特性规律影响较小。     

基于砌体结构破坏损伤的地震烈度物理标准研究

为了研究基于砌体结构破坏的地震烈度物理标准,将15个地震动参数按属性(峰值、频率、持时和能量)分成4类,将地震记录按地震动三要素(峰值、频率、持时)分成3组,求出每组记录作用下砌体结构的延性系数,计算出各个参数值和延性系数的相关系数,比较分析这些相关系数发现地震动峰值加速度、有效峰值加速度、地震动输入能量和滞回耗能都能表征地震动对砌体的破坏势,并且这4个参数都和烈度有很好的相关性,可以作为烈度的物理标准。     

跨越断层地震动对结构地震反应的研究进展

地下管道、交通、电力系统等是重要的生命线工程,跨越断层的结构地震时具有较大的破坏风险,确保它们在地震时安全可靠的运行具有重要的意义。本文首先介绍了跨越断层地震动的基本特征,然后从跨越断层地震动模拟、跨越断层地震动对结构的影响以及振动台试验等几个方面进行论述,总结了跨越断层地震动对结构地震反应的研究现状和存在的问题。最后针对大跨空间结构需要研究的重点问题进行了展望。     

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。     

地震动峰值位移和峰值速度对地下结构地震反应的影响

针对3类不同的典型场地条件下的单层双跨地铁车站结构,采用土-地下结构整体动力时程分析方法,分析了地震动水平输入时峰值位移和峰值速度差异对地下结构地震反应的影响。结果表明,地震动峰值速度差异对地下结构地震反应的影响,在硬土场地条件下较大,中硬场地条件下次之,软土场地条件下最小;地震动峰值位移差异对不同场地条件下的地下结构的地震反应无明显影响。