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.     

汶川地震近断层地震动作用下结构地震响应特征分析

从汶川地震获取的64组近断层记录中分别选取8条典型速度脉冲型加速度记录和8条非速度脉冲型加速度记录,作为结构地震反应分析的地震动输入;选择具有不同自振特性的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.分别计算这些结构在速度脉冲型与非速度脉冲型记录作用下的层间变形,对比研究具有不同自振特性结构的层间变形特征.     

基于小波方法分析汶川地震近断层地震动的速度脉冲特性

选取断层距小于200 km的64组强震记录数据,基于小波方法分析汶川地震近断层速度脉冲的地震动特性,并将此次地震中获取到的速度脉冲周期和幅值参数与Chi-Chi 地震和Northridge地震进行了比较,统计分析地震震级、距离对速度脉冲的周期和幅值参数的影响.研究表明:(1)汶川地震近断层速度脉冲具有周期长、幅值小的特点.速度脉冲周期主要分布在6~14 s之间,其中51MZQ台沿平行断层的分量脉冲周期最大为14.2 s,速度脉冲幅值与Chi-Chi 地震和Northridge地震相比明显偏小.(2) 速度脉冲记录出现在沿着地震断层破裂传播的方向上,且与地表断裂的距离都在30 km以内,这些长周期速度脉冲的形成可能主要由破裂传播的向前方向性效应引起.(3)速度脉冲的周期随矩震级呈对数线性增大,且随断层距增大有减小趋势.在矩震级小于M_w7.5时,观测到的地震动脉冲幅值为50~150 cm/s之间,与100 cm/s的典型断层滑动速率非常接近;而震级大于M_w7.5时,断层距10km范围内脉冲的幅值已经超过100 cm/s,个别记录的脉冲幅值甚至达到200 cm/s,远超过前人给出的饱和值,这可能与大的永久形变或该处土层介质条件有关.     

芦山7.0级地震近断层地震动的方向性

基于芦山7.0级地震中断层距小于100 km自由场台站的强震动记录观测数据,研究此次地震近断层地震动的方向性特性,并探讨方向性特性与震源破裂机制、断层距离和空间方位的关系.研究结果表明：（1）与距断层较远记录不同,近断层地震动在不同的观测方向上表现出显著的强度差异,存在明显的极大和极小作用方向.在不同的方向上,最大加速度反应可达最小值的4倍以上;（2）这种方向性差异在T=1.0 s以上的长周期段更为明显,在T=0.1 s以下的短周期段,地震动随方向变化的差异较小.地震动强度随方向变化的差异随周期增大而增大,不同方向上的加速度反应谱值的最大值与最小值之比从周期T=0.01 s时的约1.7增大到周期T=10 s时的约2.4;（3）在距离断层约35 km以内,地震动具有明显方向性,地震动卓越方向具有垂直断层走向的特征,随断层距的增大,这种方向性不明显.从不同方向上地震动强度的差异来看,随断层距增大,地震动强度在不同方向上的差异在减小,表现为各个周期的最大值/中值和最大值/最小值比值均随断层距离增大缓慢减小;（4）近断层地震动的方向性特性主要受断层上、下盘的相对运动所控制,其在长周期的卓越方向与水平同震位移方向一致,且该卓越方向上的地震动强度绝对大小与地震破裂造成的静态位移明显相关,表现为地震动强度随水平同震位移的增大而增大.

     

2008年汶川地震近断层地震动的非平稳特征

利用中国强震动台网获得的汶川地震近断层强震动数据,研究汶川地震近断层地震动的强度和频率的非平稳特征,并对其非平稳特征的原因进行初步分析.研究表明近断层地震动强度和频率表现出很强的非平稳特性,这种非平稳特征主要受震源破裂机制、台站方位和局部场地条件的影响.破裂传播正向和反方向上地震动强度和频率的时间过程有显著的不同.在破裂正向上,地震动加速度记录表现为大幅值、短持时的强度过程,强度过程的持续时间为15 s左右,加速度时程的主要周期约为0.4 s,地震动速度时程有较明显的速度脉冲,脉冲周期可以达到8 s;在破裂的反方向上,地震动强度过程的时间跨度长达90 s,加速度记录的主要周期约为0.6 s,速度时程中没有明显的脉冲.小波功率谱的分析结果表明破裂正向上速度脉冲表现为在很小的时间尺度和频域内能量的集中,值得注意的是,观测到的速度脉冲的周期长达8 s,比Chi-Chi地震和Kobe地震中观测到的脉冲周期要长,这可能与汶川地震的震级相对较大有关.     

近断层地震动的基本特征

初步分析了近断层速度脉冲的成因和特点,主要包括方向性效应、滑冲效应和上盘效应,并通过集集地震中27个近断层强震台的脉冲记录分析了断层破裂方向和滑移大小对地面运动峰值速度的影响。采用最小二乘法对速度脉冲的分布范围进行了回归分析,大于50 cm/s的速度脉冲主要聚集在断层距为10 km的近断层区域。对不同区域的三分量平均速度反应谱进行统计分析,表明近断层脉冲型地震动具有较大的特征周期和谱值,其中在垂直于断层走向的水平分量上尤为显著,这与断层剪切位错辐射效应的特征基本相符。针对脉冲型地震造成近断层地质灾害频发的现象,由共振效应分析了速度脉冲对边坡岩体的影响。近断层速度脉冲的研究可能对防震减灾、地震预警、震害评估有一定的参考意义。     

汶川地震近断层地震动的速度脉冲特性

选取断层距小于200 km的64组强震记录数据,基于小波方法分析汶川地震近断层速度脉冲的地震动特性,同时将汶川地震的速度脉冲与集集地震和Northridge地震进行对比,利用NGA数据库24次地震事件中的3 615条记录,选取出典型的脉冲型记录作为统计分析的基础数据,研究地震震级、距离对速度脉冲的周期和幅值参数的影响.     

近断层地震动作用下风机塔地震反应分析

为了研究近断层地震动速度脉冲及强竖向地震动对风机塔地震响应的影响,以某陆上风电场1.5 MW风机塔为研究对象开展了结构在水平向脉冲型地震动、水平向非脉冲型地震动、水平与竖向地震动组合3种地震输入工况的时程分析。通过3种工况下塔顶位移时程、加速度时程、塔底剪力、弯矩及轴力的对比分析发现:近断层速度脉冲对结构塔顶水平位移、塔顶水平加速度、塔底剪力与弯矩均影响显著;竖向地震动会加大结构的塔顶竖向加速度响应及塔底轴力响应;随着竖向与水平加速度峰值比增大,塔顶竖向加速度响应增大,最大轴力随着峰值比增大而增大,最小轴力随着峰值比增大而减小。此外,增量动力分析表明,采用自接触的有限元模型可以更真实地预测风机塔的失稳破坏机制。     

近断层地震动对层间隔震结构动力响应影响分析

近断层地震动有着与常规地震不同的特性,对隔震结构的影响是不可忽略的。对一栋8层钢筋混凝土框架结构输入138条近断层地震记录,计算了隔震层设置在1层、4层、7层时的层间隔震结构动力响应,分析了近断层地震动特征参数与不同层间隔震结构动力响应之间的相关性,比选出与不同层间隔震结构动力响应相关性强,且能表征地震破坏作用的地震动参数,为层间隔震结构设计选用近断层地震动提供参考。     

近断层地震动等效速度脉冲研究

近断层地震动对地表结构物造成严重的破坏,它具有明显的方向性和脉冲型特征. 在速度时程中含有大幅值、长周期的脉冲波,对结构响应影响很大. 为简化计算和分析的需要,在既有的等效速度脉冲模型的基础上,建议了较为合理等效速度脉冲模型. 在充分收集脉冲型近断层地震记录的基础上,对等效速度脉冲模型的脉冲周期、脉冲强度及卓越脉冲数等参数进行了研究,并与以往研究者的结果进行比较,以利于近断层区结构的抗震设计.     

近断层双向水平地震作用下隔震结构地震反应

近断层地震动脉冲特性在2个水平分量上具有差异,采用平方和开方法分析了近断层脉冲地震动双向地震作用下基础隔震结构和组合隔震结构的隔震层位移,并与近断层脉冲单向地震作用进行了对比分析,结果表明:若仅地震动加速度峰值大的分量或2个方向分量均存在明显速度脉冲,则产生的隔震层位移大于单向地震动;若仅地震动加速度峰值小的分量存在明...     

近断层脉冲型地震动作用下隔震结构地震反应分析

隔震结构在远震场地减震效果良好，但是近断层地震动的明显的长周期速度和位移脉冲运动可能对隔震建筑等长周期结构的抗震性能和设计带来不利影响，需要深入探讨。本文首先讨论近断层地震动的长周期脉冲运动特征，然后以台湾集集地震8条典型近震记录和其它4条常用近震记录以及4条远震记录作为地震动输入，对两幢安装铅芯橡胶隔震支座的钢筋混凝土框架隔震结构进行非线性地震反应时程分析，通过比较探讨了算例计算结果，定量说明隔震结构的近震脉冲效应显著，是隔震设计不容忽视的问题。     

近断层地震动作用下隔震结构的优化设计

首先讨论了近断层脉冲型地震动的特点,并以台湾集集地震实际脉冲型近震记录为地震动输入,应用含潜在约束策略的序列二次规划算法,对安装铅芯橡胶隔震支座的钢筋混凝土框架隔震结构的隔震器参数和上部结构构件截面几何尺寸进行一体化优化设计,然后输入E l Centro(1940)、Taft(1952)地震波对优化后的隔震结构进行地震反应分析。计算结果表明,对考虑脉冲型近断层地震动作用的隔震结构进行参数优化设计后,该隔震结构能同时满足脉冲型和普通非脉冲型近震作用的结构设计需求。     

Three dimensional temporal characteristics of ground motions and building responses in Wenchuan earthquake

In this paper, analytical results from 3D temporal characteristics of the responses of an RC frame building subjected to both a large aftershock and the main shock of Wenchuan Ms 8.0 earthquake are presented. The ground motion records from the main shock were obtained from three nearby stations. The acceleration records were analyzed in terms of instantaneous tangential acceleration aT, normal acceleration aN, Euclidean norm of acceleration vector |a|, velocity vector |v|,displacement vector |d|, temporal curvature k, kt, and temporal torsion y and yt. Results of the kinematic relationship between the above factors and some additional in depth information obtained from extensive analyses are provided and discussed.     

Representation of near-fault pulse-type ground motions

Near-fault ground motions with long-period pulses have been identified as critical in the design of structures. To aid in the representation of this special type of motion, eight simple pulses that characterize the effects of either the fling-step or forward-directivity are considered. Relationships between pulse amplitudes and velocity pulse period for different pulses are discussed. Representative ratios and peak acceleration amplification can exhibit distinctive features depending on variations in pulse duration, amplitude and the selected acceleration pulse shape. Additionally, response spectral characteristics for the equivalent pulses are identified and compared in terms of fixed PGA and PGV, respectively. Response spectra are strongly affected by the duration of pulses and the shape of the basic pulses. Finally, dynamic time history response features of a damped SDOF system subjected to pulse excitations are examined. These special aspects of pulse waveforms and their response spectra should be taken into account in the estimation of ground motions for a project site close to a fault.     

近断层竖向地震动峰值特征

为了研究近断层区域竖向地震动的加速度峰值衰减特征和竖向与水平加速度峰值比特征,为进行近断层区域结构抗震设计和地震危险性分析等提供基础数据参考,根据1952—1999年世界范围内震级在M5．4-M7．6之间的18次地震的地震动记录提出一种同时考虑断层距和震级影响的竖向峰值加速度衰减关系,并与其他学者提出的衰减关系进行了对比分析。然后初步统计分析了竖向与水平峰值加速度比值、竖向地震动PGV／PGA比值的特征。研究结果表明,本文提出的加速度峰值衰减关系形式比较简单而且能较好地体现地震动加速度峰值的衰减变化关系;断层距在0—40km范围内相当一部分竖向与水平向峰值加速度比值大于一般抗震设计规范中规定的比值即0．65;至少对于竖向地震动而言,只将PGV／PGA〉0．2s作为识别近断层脉冲型地震动的强度指标是不够的。     

Engineering characteristics of near-fault vertical ground motions and their effect on the seismic response of bridges

A wide variety of near-fault strong ground motion records were collected from various tectonic environments worldwide and were used to study the peak value ratio and response spectrum ratio of the vertical to horizontal component of ground motion, focusing on the effect of earthquake magnitude, site conditions, pulse duration, and statistical component. The results show that both the peak value ratio and response spectrum ratio are larger than the 2/3 value prescribed in existing seismic codes, and the relationship between the vertical and horizontal ground motions is comparatively intricate. In addition, the effect of the near-fault ground motions on bridge performance is analyzed, considering both the material nonlinear characteristics and the P~? effect.     

近断层地震动作用下LRB隔震储罐地震反应特征研究

采用Bouc-Wen模型模拟铅芯橡胶支座(LRB)非线性力学性能,建立LRB基础隔震储罐地震反应的数值模型.利用叠加原理得到人工合成近断层脉冲型地震动,从实际典型近断层地震动和人工近断层脉冲地震动输入两个角度出发,以远场地震反应为参照,系统探讨了近断层地震动作用下LRB隔震储罐地震反应特点以及近断层地震动运动特征的影响规律.研究发现,近断层地震动作用下LRB隔震储罐地震反应明显大于远场地震反应值,显著的近断层脉冲效应是隔震储罐设计不容忽视的问题.近断层地震动的PGV/PGA值是决定隔震储罐地震反应的综合指标,PGV/PGA值较大时,隔震储罐地震反应脉冲效应突出.另外,脉冲周期、脉冲参与系数以及脉冲类型也是影响LRB隔震储罐地震反应的重要因素.在脉冲参与系数越大、含有脉冲数量越多的近断层地震动作用下,隔震储罐地震反应越强烈.当脉冲周期接近储罐晃动周期时,晃动波高会出现峰值.