考虑近断层脉冲型地震动特征的地震动合成与设计谱研究

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近断层脉冲型地震动具有幅值大、周期长、能量高等特征,近年来引起了各国学者们的广泛关注。由于已有的能量谱和抗震设计谱均不能反映地震动的脉冲特性,可能会导致安全性问题,对于近断层工程结构的适用性有待商榷。研究脉冲型地震动对能量谱和抗震设计谱的影响,可为近断层地区的结构设计提供参考。此外,为了考虑脉冲型地震动结构反应的影响,理应对结构进行地震时程反应分析。但由于符合设防条件的实际脉冲型地震记录匮乏,时程分析难于开展,进而也无法获知结构反应规律。因此,开展此类地面运动的合成方法研究是十分必要的。本文围绕近断层脉冲型地震动的辨识、脉冲参数的提取、近断层脉冲型地震动的合成,以及考虑近断层效应的能量谱和设计谱的修正等问题展开研究,以期为工程结构的抗震设计提供科学依据和理论支撑。主要研究成果如下:(1)鉴于目前脉冲型地震动识别算法复杂、效率低等问题,提出了相对能零比法进行脉冲型地震动辨识。该方法根据地震动时程中的脉冲区间和非脉冲区间的短时平均能量与短时平均过零率两个参数的变化趋势截然相反进行脉冲波形的辨识,并进行了对比验证。该方法不需要用任何预定的波形函数近似原始地震记录,而且可以识别出地震记录中的不连续脉冲。进一步建立了近断层强震记录备选数据库。(2)在对脉冲型地震动正确识别的基础上,提出了具有更高精度的脉冲参数提取方法:峰点组合法。基于该方法分析了脉冲参数与地震学参数的相关性,建立了峰值速度和脉冲周期的回归模型。并根据本文建议的低频脉冲随机模型,合成具有脉冲特征的地震动时程,为结构的抗震分析和结构设计提供地震动输入,保障近断层区域结构的抗震安全性。(3)地震动中的长周期脉冲成分对长周期结构的影响不容忽视,现行的设计反应谱为了保证长周期结构抗震设计安全性,人为增大了设计谱值。本文首先提出了反映脉冲特征的地震动输入能量谱,而后建立了对规范设计谱5Tg~6s直线下降段的调整方法。从反映速度脉冲特征的长周期地震记录中选出能量谱值最大的地震记录予以说明,得到修正后的加速度谱与相应的拟速度谱和位移谱。建议的反应谱修正方法体现了总输入能量与瞬时输入能量的特征。(4)结构在真实脉冲型地震作用下的响应难以采用解析表达式阐明,本文以四类典型简化脉冲为研究对象,对影响反应谱的地震动参数的函数关系进行了详细推导提出应采用双参数表征,而不是仅取决于某单一量值。探讨了四类典型脉冲分别以加速度标准化和速度标准化方式调幅条件下,脉冲形状对设计反应谱的影响。根据分析结果,提出近断层地区的抗震设计谱,本研究为在地震危险性分析中选择脉冲模型提供了建议。
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