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近断层地震动对结构抗震设计的影响研究

作　者: 李明
导　师: 谢礼立
学　校: 中国地震局工程力学研究所
专　业: 防灾减灾工程及防护工程
关键词: 近断层地震动设计谱输入地震动结构设计方案
分类号: P315
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

地震是危害人类生命财产安全最严重的突发式自然灾害之一。尤其是近10年来几次主要大地震,造成的城市基础设施破坏、人员伤亡和财产损失令世人触目惊心。历经50余年的研究,各国学者已达成共识,一致认为近断层(也称近场或近源)地震动呈现了较一般远场地震动更复杂的特征是引起工程结构破坏的一个重要原因,并围绕近断层地震动,开展了大量研究,主要包括近断层地震动的模拟、近断层地震动参数衰减关系、近断层地震动对工程结构的破坏作用分析及针对近断层地震动的隔震与消能减震措施研究等。但迄今也没有形成系统的可供实际工程应用的考虑近断层地震动影响的结构设计或加固理论,尤其是我国。在工程设计或加固时,首先需要判断拟建或已建建筑是否位于近断层区域,其次需要确定采用哪种结构设计方案,最后需要确定采用哪种设计谱和符合哪些条件的输入地震动。为解决这些问题,本研究主要完成了以下几方面工作:划分了近断层区域;提出了我国抗震规范设计谱在考虑近断层地震动时的调整建议;给出了近断层脉冲型地震动的合成方法;分析了近断层脉冲型地震动各要素对结构破坏作用的影响;指出了考虑近断层脉冲地震动影响的结构设计方案,提出了近断层脉冲型地震动作为输入地震动的选择方法。研究的主要内容和结论如下:(1)提出了基于破坏势参数划分近断层区域的方法。在划分近断层区域时,提出了相对断层距的概念,即断层距和矩震级的比值(dr/Mw)。基于PEER数据库中的强震数据,充分分析了以往用于表征近断层地震动潜在破坏势参数随相对断层距的变化,并以其中适合划分近断层区域的破坏势参数划分了近断层区域。以体现方向性效应和上/下盘效应地震记录的分布范围旁证了划分结果的合理性。(2)比较了近断层脉冲型、近断层非脉冲型、远场脉冲型和远场非脉冲型四类地震动的弹性和非弹性反应谱,分析了其对我国抗震规范设计谱和非弹性位移计算的影响,结果表明:近断层脉冲型地震动对我国抗震规范设计谱的影响主要体现于动力系数谱的特征周期,对谱函数形式和最大值取值无明显影响;当考虑近断层脉冲型地震动影响时,我国抗震规范规定的非弹性位移简化计算方法偏于危险。给出了考虑近断层脉冲型地震动影响的动力系数谱调整建议,建议采用时程分析法补充计算我国抗震规范规定的可采用非弹性位移简化计算方法计算的结构。(3)分析了以往等效速度脉冲模型存在的不足之处,提出了新的等效速度脉冲模型;分析了已有脉冲周期和脉冲速度峰值识别方法的局限性,提出了首先采用汉宁窗平滑脉冲型地震记录,再通过平滑后的地震记录,识别脉冲周期和脉冲速度峰值的方法,并验证了识别方法的合理性;改进了近断层脉冲型地震动的合成方法。(4)系统深入的分析了近断层脉冲型地震动各要素对弹性、非弹性反应谱及框架和框架剪力墙结构破坏作用的影响,从本质上分析了前人提出的能量密度(Eρ)、最大增量速度(ΔVmax)、改进的有效峰值加速度(IEPA)、改进的有效峰值速度(IEPV)以及水平峰值速度和峰值加速度比值(PHV/PHA)这些破坏势参数,在表征近断层脉冲型地震破坏作用时的不足之处,指出不能单独以某个破坏势参数衡量近断层脉冲型地震动的破坏作用或作为输入地震动的选择标准,应综合考虑峰值加速度、脉冲速度峰值、脉冲周期与结构周期之间关系的影响。(5)比较了在近断层脉冲型和一般远场地震动作用下,混凝土框架和框架剪力墙结构的响应和破坏机理,依据比较结果提出了考虑近断层脉冲型地震动影响的结构设计方案。提出了在工程背景允许的情况下,应尽量避开受近断层脉冲型地震动影响区域的设计思想,并统计了近断层脉冲型地震动的数量随断层距的分布,为确定这一避让区域提供了依据。(6)分析了考虑近断层地震动影响的基于位移、基于能量和基于力的设计方法的实用性,指出目前在考虑近断层脉冲型地震动影响时,仅能采用基于力的设计方法。依据近断层脉冲型地震动对结构破坏作用的分析结果,给出了时程分析计算时,选择近断层脉冲型地震动的方法。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-28
  1.1 选题的背景及意义  13-14
  1.2 国内外研究现状分析  14-26
    1.2.1 有关近断层地震动特征及衰减关系的研究  15-16
    1.2.2 等效脉冲模型研究进展  16-17
    1.2.3 近断层地震动反应谱及其对设计谱影响的研究进展  17-20
    1.2.4 近断层地震动对工程结构影响的研究进展  20-26
    1.2.5 其它与工程设计相关的问题  26
  1.3 本文主要研究内容  26-28
第二章近断层区域的划分  28-58
  2.1 引言  28
  2.2 划分近断层区域的地震动  28-33
    2.2.1 峰值加速度  29
    2.2.2 断层类型  29
    2.2.3 震级  29-30
    2.2.4 场地类别  30-31
    2.2.5 断层距  31-32
    2.2.6 选取地震动的分布情况  32-33
  2.3 相对断层距的提出  33-34
  2.4 划分参数的选择  34-48
    2.4.1 峰值加速度、峰值速度、峰值位移  34-38
    2.4.2 峰值速度与峰值加速度比  38-39
    2.4.3 竖向峰值加速度与水平向峰值加速度的比值  39-41
    2.4.4 最大增量速度和最大增量位移  41-44
    2.4.5 能量密度  44-45
    2.4.6 有效峰值加速度和有效峰值速度  45-48
  2.5 近断层区域的划分  48-56
    2.5.1 划分参数  48-50
    2.5.2 划分方法及结果  50-54
    2.5.3 划分结果的讨论  54-56
  2.6 小结  56-58
第三章近断层地震动对我国规范设计谱及非弹性位移计算影响  58-86
  3.1 引言  58
  3.2 地震动的分类与选择  58-65
    3.2.1 脉冲型地震动的成因及地震动的分类  58-61
    3.2.2 各类地震动的选择依据  61-62
    3.2.3 地震动的选取  62-65
  3.3 各类地震动反应谱比较及对我国抗震规范的影响  65-76
    3.3.1 相关概念及有关计算说明  65-66
    3.3.2 我国抗震规范设计谱及非弹性位移计算的相关内容  66-69
    3.3.3 近断层与远场地震动反应谱的比较与分析  69-76
  3.4 考虑近断层地震动影响的抗震规范设计谱调整  76-80
    3.4.1 动力系数谱的最大值  76-77
    3.4.2 动力系数谱的特征周期  77-78
    3.4.3 动力系数谱的函数形式  78-80
  3.5 近断层双脉冲型与多脉冲型地震动比较  80-84
    3.5.1 弹性反应谱比较分析  80-82
    3.5.2 非弹性反应谱比较分析  82-83
    3.5.3 结构响应比较分析  83-84
  3.6 小结  84-86
第四章近断层脉冲型地震动的合成方法  86-117
  4.1 引言  86
  4.2 已有的等效脉冲模型及存在问题  86-90
  4.3 本文提出的等效脉冲模型  90
  4.4 脉冲型地震动重要参数的识别  90-109
    4.4.1 脉冲周期和脉冲速度峰值识别方法总结  90-93
    4.4.2 本文提出的识别方法  93-99
    4.4.3 脉冲模型中重要参数的衰减关系  99-109
  4.5 脉冲型地震动的合成  109-115
    4.5.1 合成方法  109-111
    4.5.2 数值算例  111-113
    4.5.3 合成方法检验  113-115
  4.6 小结  115-117
第五章近断层脉冲型地震动破坏作用分析  117-151
  5.1 引言  117
  5.2 结构模型及计算方法  117-121
    5.2.1 结构模型  117-119
    5.2.2 计算方法  119-121
  5.3 表征近断层脉冲型地震动对结构的破坏势参数  121-122
  5.4 近断层脉冲型地震动的破坏作用分析  122-148
    5.4.1 高频成分影响  122-130
    5.4.2 有无非主脉冲成分影响  130-133
    5.4.3 脉冲速度峰值比影响  133-137
    5.4.4 峰值加速度影响  137-141
    5.4.5 脉冲速度峰值影响  141-144
    5.4.6 脉冲周期影响  144-148
  5.5 破坏势参数分析  148-149
  5.6 小结  149-151
第六章考虑近断层脉冲型地震动影响的结构设计方案和方法  151-184
  6.1 引言  151
  6.2 结构方案设计分析  151-175
    6.2.1 输入地震动及计算模型  151-153
    6.2.2 近断层与远场地震动对框架结构破坏作用(机理)比较  153-166
    6.2.3 近断层与远场地震动对框剪结构破坏作用(机理)比较  166-175
  6.3 结构计算方法的分析  175-183
    6.3.1 考虑近断层脉冲型地震动的结构抗震设计方法  175-178
    6.3.2 输入地震动的选择方法及算例  178-183
  6.4 小结  183-184
第七章结论与展望  184-188
  7.1 结论  184-186
  7.2 展望  186-188
附录  188-196
参考文献  196-208
致谢  208-209
作者简介  209
攻读博士期间负责和主要参与的课题  209
攻读博士期间发表的主要论著  209

近断层地震动对结构抗震设计的影响研究

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