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

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。     

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。     

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.     

近断层地震作用隔震结构研究现状综述

总结了近年来国内外学者对速度脉冲、竖向地震动和上下盘效应等近断层地震动特性的研究成果,综述了近断层地震作用下隔震结构动力响应的研究现状。对当前近断层隔震结构地震响应研究和抗震设计中存在的问题进行了简要分析,指出考虑近断层的速度脉冲效应、竖向地震动特性和地面运动不一致性以及结构P-Δ效应等因素影响,将成为隔震结构动力反应分析和结构抗震设计新的研究方向。     

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。     

Nonlinear dynamic response of r.c. framed structures subjected to near-fault ground motions

The nonlinear dynamic response of reinforced concrete (r.c.) framed buildings subjected to near-fault ground motions is studied to check the effectiveness of current code provisions with reference to study cases. Three-, six- and twelve-storey r.c. plane frames, representative of symmetric framed buildings, are designed according to the European seismic code (EC8), assuming medium and high ductility classes and stratigraphic profiles A (rock) and D (soft soil) in a high-risk seismic region. The nonlinear seismic analysis is performed using a step-by-step procedure; a bilinear model idealizes the behaviour of the r.c. frame members. Artificially generated motions (matching EC8 response spectra for subsoil classes A and D) and horizontal motions (recorded on rock- and soft soil-site at near-fault areas) are considered. The results indicate that near-fault ground motions may require a special consideration in the code, in particular when designing r.c. framed structures placed on a soft soil-site; particular attention should be paid to the design of the frame members of the lower storeys.     

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...     

Evaluation of the damping modification factor for structures subjected to near-fault ground motions

The damping modification factor (DMF) has been extensively used in earthquake engineering to describe the variation of structural responses due to varied damping ratios. It is known that DMFs are dependent not only on structural dynamic properties but also on characteristics of ground motions. DMFs regulated in current seismic codes are generally developed based on far-fault ground motions and are inappropriately used in structural design where pulse-like near-fault ground motions are involved. In this paper, statistical investigation of the DMF is performed based on 50 carefully selected pulse-like near-fault ground motions. It is observed that DMFs for pulse-like ground motions exhibit significant dependence on the pulse period T _p in a specific period range. If the period of the structure in response is close to the pulse period, the DMF attains the same level as that derived from far-fault ground motions; as the period of the structure is considerably larger or smaller than the pulse period T _p , the response reduction effect by the increased damping ratio is generally small, except for large earthquakes with long pulse periods, which exhibit significant reduction of response for structures with periods smaller than T _p . Based on the statistical results of DMFs, the empirical formulas for estimating DMFs for displacement, velocity and acceleration spectra are proposed, the effect of structural period, pulse period and damping ratio are considered in the formulas, and the formulas are designed to satisfy the specific reliability requirement in the period range of 0.1 < T/T _p  < 1, which is of engineering interest.     

Interstory drift ratio of building structures subjected to near-fault ground motions based on generalized drift spectral analysis

This paper focuses on the interstory drift ratio (IDR) demands of building structures subjected to near-fault ground motions having different impulsive characteristics based on generalized interstory drift spectral analysis. The near-fault ground motions considered include the idealized simple pulses and three groups of near-fault ground motions with forward directivity pulses, fling-step pulses and without velocity pulse. Meanwhile, the building systems are equivalently taken as shear-flexural beams with representative lateral stiffness ratios. The IDR distribution of continuous beams subjected to three groups of near-fault ground motions is acquired. It is illustrated that the maximum IDR shifts from the upper half to the lower half of buildings with an increase in lateral stiffness ratio. For long-period systems, the average IDR under impulsive ground motions is significantly greater than that under non-pulse motions. Finally, for moment-resisting frame buildings the forward directivity pulses amplify the drift response of higher modes, while the fling-step pulses excite primarily their contribution in the first mode and generate large deformation in the lower stories. The essential reason for this phenomenon is revealed according to the distinct property of near-fault impulsive ground motions and generalized drift spectral analysis.     

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.