近場脈沖型地震下動力烈度指標選擇范文

本站小編為你精心準備了近場脈沖型地震下動力烈度指標選擇參考范文，愿這些范文能點燃您思維的火花，激發您的寫作靈感。歡迎深入閱讀并收藏。

摘要：合理選擇烈度指標IM是基于性能的抗震設計理論的關鍵．為了研究近場脈沖型地震下合理的烈度指標，以一座常規5跨連續梁橋為例，用增量動力分析方法對OpenSEES軟件所建立的有限元分析模型進行一系列非線性動力分析，結果表明：近場脈沖型地震下，不建議采用峰值加速度PGA作為烈度指標，建議采用基本周期對應的譜加速度Sa（T1）或峰值速度PGV．

關鍵詞：橋梁抗震；近場脈沖型地震；增量動力分析；烈度指標

前言

近場地面運動記錄主要有兩個方向，一個是與地震破裂帶垂直的方向，另一個是與地震破裂帶平行的方向，前者有明顯的速度脈沖，而后者則沒有．一般無特殊說明，近場地震主要是指有明顯速度脈沖的地面運動［1］．近場脈沖型地震動對工程結構具有很大的破壞性，其對結構的影響主要體現在高能量的速度脈沖上．研究表明，與非脈沖型地震動相比，脈沖型地震動增大了結構的位移響應，而這種位移需求的增大極有可能引發結構的破壞［2］．與遠場地震記錄相比，近場脈沖地震動彈性反應譜的加速度敏感區較寬，在長周期階段可能出現比較大的加速度反應譜值．因此無論對地震學家還是結構工程學家來講，近場地震動的特征以及如何在工程結構的設計中考慮其影響都是非常重要的研究課題．增量動力分析中，曲線的離散性問題一直是熱門研究點．離散性的減小不僅有助于降低地震分析樣本的數量，也能增加中位估計曲線的可靠性．為了降低曲線的離散性，通常可通過合理選擇烈度指標來實現［3］；能表征地震波強度的參數很多，常用的有地面峰值加速度PGA和結構基本周期對應的譜加速度Sa（T1），此外還有譜速度PGV、峰值速度SV等．Vamvatsikos［4］針對IDA曲線的離散現象進行了基于分位值的結構抗震性能評估，對比了Sa（T1）與PGA分別作為IM函數時的IDA曲線，結果顯示Sa（T1）比PGA有更好的收斂效果．To－thong［5］將彈性反應譜延伸到非線性領域，但是塑性反應譜隱含了地震波頻譜特性與結構的非線性性能之間的耦合作用，這使常用的地震災害區劃圖變得復雜．Mehanny［6］提出了一種雙參數模型，將Sa（T1）替換為能夠考慮基本周期延長（被稱為周期滑移）的烈度指標S＊＝Sa（T1）1－αSa（Tf）α，并針對4種典型建筑結構，8條地震記錄的IDA統計分析得到：Tf＝2T1以及α＝0．5時IDA曲線簇收斂程度最好．楊成［7］等通過對S＊中參數α及Tf進行修正，提出了漸變參數控制的烈度指標．但是，對于烈度指標的研究一般很少對地震波加以區分，而是單純依靠對地震動強度指標進行選擇和修正，而沒有地震波的類型及頻譜特性進行更深入的研究．而已有研究表明，對于近場脈沖型地震，加速度反應譜值已經不足以預計結構的響應，研究學者們建議采用峰值地面速度、峰值地面位移、塑性譜位移甚至采用矢量烈度指標（例如同時考慮譜加速度與其他參數）來表征地面運動烈度．本文以一座常規5跨連續梁橋為例，用增量動力分析方法對OpenSees軟件所建立的有限元分析模型進行非線性動力分析，研究5種常見的烈度指標下IDA曲線的離散性，最終提出近場脈沖地震下合理的烈度指標．

1分析模型

本文以一座等跨徑規則連續梁橋為例，整體概況如圖1所示．用美國太平洋地震工程研究中心（PEER）主導研發的OpenSees軟件建立全橋分析模型．算例橋梁采用雙柱式橋墩，墩柱采用相同的截面及配筋形式，幾何直徑為1．5m，配筋率為1．47％．有限元模型中，主梁用彈性梁單元進行模擬．由于橋墩是地震中的耗能構件，因此橋墩采用彈塑性纖維梁單元進行模擬，纖維單元中混凝土和鋼筋的力學性能分別采用Concrete01和Steel01來模擬．橋臺處支座為滑動式橡膠支座，橋墩處為普通板式橡膠支座．結構的阻尼比按5％計算，基本周期為T1＝2．14s．

2地面運動的選取

本文所選地面運動記錄來源于美國太平洋地震中心強震數據庫（PEERGroundMotionDatabase），12條選自FEMAP695中推薦的近場地震波，其余12條選自Baker用小波分析法得到的近場脈沖波［8］，共24條地面運動記錄，其反應譜如圖2所示.

3增量動力分析

增量動力分析是通過對選擇的多條地震波，以調幅的形式，將每條地震波縮放成一組不同強度的地震波，并對結構進行非線性動力分析，以此來分析結構在不同地震強度下的抗震性能．本文的研究中，考慮到近場地震具有高能量速度脈沖的特點，在分析中以PGV為調幅指標，調整PGV使其在20～250cm／s之間等步長變化，步長根據不同情況設置為10cm／s或20cm／s．目前國內外規范中常用的地震動強度指標主要有PGA、PGV以及結構基本周期所對應的反應譜值（Sa（T1，5％）），其中PGA是最早采用也是目前使用最廣泛的地震動強度指標，目前在日本常用PGV，美國多采用Sa（T1，5％）．本文選擇5種地震動強度指標為研究對象，如表1所示．本文在考慮結構損傷時，暫時僅考慮橋墩的破壞情況，且在設計橋墩的截面及配筋時，通過合理構造措施避免橋墩發生剪切破壞的可能，認為橋墩僅發生彎曲破壞．結構的損傷主要可以用多種指標來衡量，如節點位移、截面變形指標等．根據震害經驗，1＃、4＃橋墩會先于2＃、3＃橋墩破壞，因此本文選取1＃墩底的曲率為損傷指標．

4計算結果與分析

4．1彎矩－曲率關系

橋墩截面彎矩－曲率關系分析結果如圖3所示，可知橋墩達到破壞時的極限曲率為0．0167／m．

4．2不同烈度指標對應的IDA曲線

分別以表1中所選的5種烈度指標為基礎作IDA曲線，如圖4所示．為了對上述5組分別以不同烈度指標構建的IDA曲線的離散性進行比較，引入Iervolino和Cor－nell等人的研究成果［9］，假定結構的地震需求服從對數正態分布，即認為DM和IM之間服從如下關系式：DM＝a•IMb（1）式中，a，b分別為估計的參數，可以通過最小二乘回歸分析得到，為了計算方便，通常式（1）可以轉換成式（2）的線性回歸函數：ln（DM）＝c＋bln（IM）（2）線性對數擬合結果如圖5所示．圖中1＃墩底最大曲率的對數用ln（Curvature）表示．表2給出了對線性擬合中的相關參數a，b的均值和標準差進行了統計，并用皮爾森相關系數r是用來反映兩個變量ln（DM）和ln（IM）之間線性相關程度的統計量．r的絕對值越大表明相關性越強.擬合結果表明：所選擇的5種IM參數中，以基本周期所對應的譜加速度Sa（T1）作為IM參數，擬合參數c，b的標準差最小，皮爾遜相關參數r最接近于1，表現最差的是PGA．雙周期對應的譜加速度S并未優于基本周期所對應的譜加速度Sa（T1）．因此，對于近場脈沖型地震，不建議采用PGA作為烈度指標，建議采用Sa（T1）或者PGV．

5結論

本文以一座常規5跨連續梁橋為例，用OpenS－EES軟件建立有限元分析模型，選取24條近場脈沖型地震動對模型進行增量動力分析，根據IDA曲線及計算數據的線性對數擬合結果可知：近場脈沖型地震下，不建議采用峰值加速度PGA作為烈度指標，建議采用基本周期對應的譜加速度Sa（T1）或峰值速度PGV．

參考文獻

［1］江義，楊迪雄，李剛．近斷層地震動向前方向性效應和滑沖效應對高層鋼結構地震反應的影響［J］．建筑結構學報，2010，32（9）：103－110．

［2］張海明，易偉建，鄺世杰．帶脈沖效應近場紀錄的概率地震反應分析［J］．武漢理工大學學報，2010，32（9）：184－187．

［6］楊成，潘毅，趙世春，等．烈度指標函數對IDA曲線離散性的影響［J］．工程力學，2010，27（S1）：68－72．

作者：黃佳梅 單位：湖南工程學院 建筑工程學院