地震动强度非平稳特性参数与结构响应之间的近似定量关系分析

本文在对实际地震加速度记录统计分析的基础上,给出了能够合理描述地震动强度非平稳特性的参数及其取值范围;然后引入实验设计方法,建立了适合于地震动强度非平稳特性参数分析的实验设计算法,用来分析地震动强度非平稳特性参数的变化对结构响应的影响;最后通过与近似技术相结合,建立了地震动强度非平稳特性参数与结构响应之间的近似定量关系模型.结果表明,本文提出的实验设计方法适合于对地震动强度非平稳特性参数进行分析,该方法在有效地减小计算量的同时,获得了结构响应与参数变化之间的对应关系.基于实验设计方法进行的特性参数方差分析结果表明:地震动的稳态持时对结构地震响应的影响比较显著;对于周期较小的结构,特性参数之间的交互作用对结构地震响应的影响显著,但当周期大于1 s时,则不显著.本文建立的近似定量关系模型能够较好地反映不同特性参数、不同周期结构动力响应之间的联系,为工程实践中基于结构特性合理设置地震动特性参数、合成或挑选地震加速度时程提供理论依据.      

结构抗震分析用地震动强度指标的研究

随着基于性能结构抗震设计方法的推广应用,结构弹塑性时程分析逐渐成为主要的分析方法,但该方法所面临主要困难是缺乏对地震波选择的统一标准.由于影响地震动的参数很多,且不同参数对结构弹塑性地震响应的影响规律又十分复杂,因此能综合反映各种地震动参数对结构弹塑性地震响应影响的地震动强度指标成为基于性能结构抗震设计方法研究中的一个基本问题.本文参考已有学者的研究成果,总结归纳了现有主要的33个地震动强度指标,基于弹塑性SDOF和MDOF系统的代表性地震响应指标,分析了不同地震动强度指标与不同结构地震响应指标之间的相关性,研究了不同地震动指标的适用范围和优缺点,给出了结构抗震分析用地震强度指标的建议.     

基于强度和能量控制的随机地震动模型

考虑地震动的随机性和频率与强度非平稳性,通过理论分析,提出了一般随机地震动模型,并给出了确定模型参数的原则和方法。该模型以地震动强度、地震动能量以及地震动持时等宏观指标作为控制随机地震动模型参数的指标,而对其内在的频谱组成等指标只要求满足一般地震动的特征。该模型可以用于描述平稳随机过程、强度非平稳随机过程以及强度和频率完全非平稳随机过程。通过与常用功率谱模型的比较,验证了该模型的合理性。     

基于《建筑抗震设计规范》强度包线函数参数取值研究

利用《中国地震动参数区划图》采用的地震动参数衰减关系,以及《中国地震动参数区划图》中地震动峰值加速度和地震动加速度反应谱特征周期反推不同设防烈度和设计地震分组对应的震级和震中距,再根据《建筑抗震设计规范》中各设防水准的峰值加速度确定对应的震级和震中距,进而根据地震动强度包线参数与震级和震中距关系计算地震动强度包线参数的取值,为基于强度包线函数生成人工地震动提供参考,并讨论强度包线参数的取值规律：(1)随着设防烈度的提高,加速度时程曲线上升段持续时间t₁和平稳段持续时间t_s减小,下降段衰减指数c增大;(2)随着地震水准和设计地震分组的提高,加速度时程曲线上升段持续时间t₁和平稳段持续时间t_s增加,下降段衰减指数c减小;(3)在生成人工地震动时,除考虑峰值加速度和设计地震分组影响外,还需要考虑设防烈度影响。     

基于平稳离散小波变换的地震动时程模拟

人工地震动时程的模拟是结构抗震分析的热点问题.基于平稳离散小波变换理论,利用小波变换的带通滤波特性,推导了各频带小波系数与功率谱密度函数的关系,从而直接采用时变功率谱密度函数,在不同频带上随机生成小波系数,进而通过小波逆变换模拟出同时具有强度非平稳和频率非平稳的地震动时程.对模拟时程的统计特性与目标值进行了比较,证明了该方法的可行性和正确性.     

长周期地震动作用特性及其对RC柱抗震性能的影响研究

长周期地震动作用下结构的位移响应呈现多次大位移往复、长持时的特点，体现了其区别于普通地震动的特殊作用特性。长周期地震动对结构的影响研究关键在于揭示长周期地震动作用特性对结构构件抗震性能的影响机理。首先，基于雨流计数法对长周期地震动和普通地震动作用下单自由度体系的弹塑性位移响应进行循环统计分析，阐明了长周期地震动的作用特性，并以此构建了考虑长周期地震动作用特性的拟静力加载制度。其次，通过对不同设计参数的RC柱进行传统加载制度和考虑长周期地震动作用特性加载制度作用下的低周往复加载，分析其抗震性能差异，揭示了长周期地震动作用特性对RC柱的影响。研究结果表明：长周期地震动表现为地震动强度需求小，结构弹塑性位移循环总数多，且以小弹塑性位移循环为主的地震动作用特性。长周期地震动作用特性显著影响RC柱的强度与刚度退化规律，且对低等级混凝土、高轴压比、高纵筋配筋率和高体积配箍率构件的刚度退化影响更为显著。     

重要性不同的现有结构抗震加固设计地震动参数研究

提出了重要性不同的现有结构抗震加固设计基准期取值原则,给出了现有结构抗震加固设防水准的定义。基于地震危险性特征分区,利用地震动参数的危险性曲线公式对重要性不同的现有结构抗震加固设计地震动参数进行了分析。同时,为了便于工程设计人员使用,给出了现有结构设计地震动参数取值的简化方法。最后,通过算例解释了理论方法和简化计算方法中抗震加固设计地震动参数的取值方法和步骤。     

双向水平地震动作用对某钢筋混凝土连续梁桥易损性的影响

以双向水平地震动作为输入,对钢筋混凝土连续箱梁高架桥开展非线性动力时程分析。建立基于双向水平地震动强度参数的桥梁结构易损性曲面,比较单向及双向水平地震动输入下桥梁结构易损性差异,分析双向水平地震动输入下横桥向地震动强度对桥梁整体易损性的影响规律。研究结果表明,双向水平地震动输入下的桥梁结构易损性明显高于单向地震动输入的情况,且随着横桥向输入地震动强度的增加,结构各破坏状态的超越概率明显增大。     

脉冲型地震动潜在破坏势参数的相关性分析

为了在众多参数中挑选其中最有代表性的参数,来解释和反映脉冲型地震动对结构的潜在破坏能力,以338条脉冲型地震动记录作为研究对象,分析地震动参数与中低层结构响应的相关性。选取了14个常用地震动参数,对各地震动参数之间的相关性进行分析,从中选出7个代表性地震动参数;并将脉冲型地震动输入中低层结构模型中计算结构响应,分析代表性地震动参数与结构响应的相关性,与基于非脉冲型地震动的相关性计算结果进行对比。选用了3层和7层2个RC框架结构作为中低层结构代表,其基本周期为0.62s和0.89s。结果表明:对于脉冲型地震动,对于3层结构时与结构响应相关性最好的为EPV,对于7层结构时与结构响应相关性最好的为PGV,因此可以用PGV和EPV作为表征脉冲型地震动对中低层结构潜在破坏能力的参数;而对于非脉冲型地震动,与结构响应相关性最好的参数为PGV,可以用PGV作为表征脉冲型地震动对中低层结构的潜在破坏能力的参数。因此,通过地震动参数来解释和表征脉冲型地震动对结构的破坏能力是可行的。     

基于希尔伯特变换的非平稳地震动模拟方法的验证

基于希尔伯特变换的非平稳地震动模拟方法能够生成一系列地震动样本,具有与给定天然地震动相似的非平稳特征. 该方法在模拟天然地震动时域波形的形态和能量的时频分布方面,效果非常显著且已得到验证. 本文以理想单自由度体系弹塑性地震反应为基础,深入验证该方法在模拟天然地震动对结构影响效应方面的效果. 研究结果表明,该方法能够较好地模拟天然地震动的工程特性,其生成的地震动样本的峰值特性及其引起的结构弹塑性地震响应具有与天然地震动相似的特征.      

基于特征分类排序的典型海底地震动记录研究

面向海域工程抗震设计及评估对海底地震动的需求,基于日本相模湾海域K-NET的ETMC海底强震动记录,根据震级、震中距选取面向工程输入的949组地震动记录数据库。在考虑震源类型差异的基础上,对地震动峰值、持时、频谱等参数进行分析,通过反应谱、Arias烈度等指标描述典型海底地震动特征。根据峰值加速度、显著持时等强度指标对海底地震动记录进行排序,给出基于不同地震动特征分类下的典型地震动记录。推荐的海底地震动可为考虑不同结构需求参数的典型海域工程结构时程分析提供输入地震动。     

基于随机Fourier谱的地震动合成研究

本文基于与物理随机模型相对应的随机Fourier谱,通过对地震动非平稳性及其所受影响机制的分析,建立了非平稳地震动合成的新方法。通过引入基本相位差谱,并将初始相角视为随机变量,以相位差谱的分布特性、随机地震动的统计特征以及对结构随机反应的影响为原则,利用计算机程序生成相位差谱,提出了基于随机Fourier谱的合成地震动方法。同时,利用快速FFT技术提高合成精度。根据本文提出的合成方法获得的地震动具有非平稳特性,将为后续研究工作提供合理的地震动加速度时程。     

近断层地震动的频谱周期参数和非平稳特征分析

分析地震动的频谱周期参数和频率非平稳特征,是地震危险性分析和结构抗震设计的重要内容.本文对近断层地震动记录按照不同的运动特征分组,进行了Hilbert-Huang变换分析.结合相关的定义得到了表征地震动频谱特性的7个周期参数,包括:Fourier幅值谱平均周期Tm、Hilbert边际谱平均周期Tmh、特征周期Tc、卓越周期等,并计算了地震动的Hilbert谱瞬时频率时程变异系数.计算结果表明,从整体上把握地震动频谱特性的三个周期参数Tm 、Tmh 和Tc适合于表征近断层地震动的频谱成份.近断层地震动的频率非平稳特征显著,Hilbert谱瞬时频率变异系数良好地反映了地震动的频率非平稳性质和程度.而且,考察了近断层地震动运动特征对地震动频谱周期参数和频率非平稳性的影响.     

现行抗震规范下地震动随机模型参数研究

以《建筑抗震设计规范》(GB50011─2010)为基础,对地震动过滤有色噪声模型参数的取值进行研究。针对平稳模型和非平稳模型,区分多遇地震和罕遇地震两种情况:给出了与规范场地类别和设计地震分组相对应的场地覆盖层阻尼比和卓越频率;采用随机极值理论,建立了谱强度因子与规范最大地面加速度的对应关系。研究成果为工程结构抗震设计提供了可用的随机地震动荷载标准。     

近断层脉冲型地震动时频非平稳特性的影响

通过分频带子波划分方法对所选脉冲型地震动进行分解,在保留脉冲主特性不变的情况下,通过人为改造得到时频分布不同的系列脉冲型地震动,作用于不同周期SDOF体系得到最大位移响应,结果表明:脉冲型地震动对结构影响较大,除了受脉冲特性的影响外,其时频非平稳特性的影响作用同样值得关注。     

强度包线参数不确定性对土层地震反应影响研究

基于地震动衰减模型获取的强度包线参数是人工合成地震动的必备参数之一,目前已有多种地震动衰减模型成果,各自得到的结果有一定差异性,这势必影响土层地震反应分析结果以及基于此结果确定出的设计地震动参数。为研究这一影响,设定不同的震级、震中距,利用各衰减模型分别计算强度包线参数,获取对应的各强度包线参数的分布范围,并均匀划分取值点,以典型的不同强度加速度反应谱作为目标谱,人工合成一系列地震动并作为输入,计算来源与实际工程中不同场地类别的代表性场地的土层地震反应。研究表明：单独改变三个包线参数的大小对同一场地的地表峰值加速度并没有明显影响;部分场地随着t1、ts、c的增长,在某些区间呈现相反的变化趋势;部分类别场地之间的地表峰值加速度在震中距与震级变化时差值大致固定。强度包线参数的不确定性对土层地震反应分析结果有重要影响,人工合成地震动时要慎重选取。     

大跨曲线桥多点激励下的地震响应分析

用相位谱表征地震动频率的非平稳特性,用相干函数表征地震动空间变化的不相干效应,采用随频率变化的等效相速度代替随意给定的视波速表征地震动的行波效应,生成了具有强度和频率非平稳特性的多点地震动。将这种考虑时间和空间变化的地震动在水平方向作用于5跨高墩连续刚构曲线桥桥墩基础处,计算了墩顶位移及墩底内力,分析了大跨曲线桥多点输入中不相干效应和行波效应对结构响应的影响。结果表明考虑地震动空间变化特性的墩顶位移峰值多数显著大于一致激励。相干性显著增大了激励方向墩底的动内力,但对拟静力位移差动产生的内力有时增大有时减小,两者叠加后的总内力峰值多数大于一致激励。     

设计地震动参数概率分布研究

基于地震危险性理论分析框架,分析各类震源对地震动参数分布的影响,建立地震动参数分布函数,并采用芦山地震动传播规律验证其工程通用性。基于等超越概率原则,提出不同后续使用年限设计地震动参数计算方法。结果表明:地震动参数分布函数服从极值Ⅱ型分布;地震动参数累计分布函数可以用于不同后续使用年限设计地震动参数取值,满足现行规范要求。     

基于SDOF体系和高层结构的地震动强度指标研究

合理的地震动强度指标是预测和评价结构抗震响应的重要基础。选取24个周期点的单自由度体系和一个高层框架核心筒长周期结构,基于不同震源机制的100条地震动记录时程分析结果,研究16种地震动强度指标与结构地震响应的相关性,并提出考虑高阶振型影响的改进反应谱相关型地震动强度指标。研究表明：（1）不同地震动强度指标与结构地震响应的相关性差别较大,随着单自由度体系自振周期的增大,地震动强度指标与单自由度体系地震响应的相关性大致呈减小的趋势;（2）对于高层长周期结构,综合对比分析各地震动强度指标分别与顶点最大位移、最大基底剪力、最大层间位移的相关性,从工程实用角度出发,推荐地面运动峰值速度为最佳地震动强度指标;（3）由于高层长周期结构受高阶振型影响显著,采用含有高阶振型因素的反应谱强度指标可提高与结构地震响应的相关性。     

地震动瞬时能量谱与结构位移响应关系研究

本文通过HHT变换得到瞬时能量谱,并以HHT对地震动作用下的结构位移响应进行分析,发现长周期结构动力响应的显著特点:最大结构位移响应总是滞后于地震动激励的最大能量谱值时间.滞后的时间主要取决于结构的动力特性参数(特别是自振周期),也与地震动的类型有关.仿真计算的结果表明:长周期结构的破环与倒塌并不发生在地震动强度最大的时刻,而多数是在地震动末期,甚至在地震动完全消失之后.有益的结论为结构控制设计与安全提供科学依据.