全非平稳地震作用下地下空间结构随机反应及可靠度分析

为研究全非平稳地震作用下地下空间结构的随机地震反应特征及可靠度分析方法，本文基于非均匀调制演变随机过程，建立了一种同时考虑强度非平稳和频率非平稳的全非平稳随机地震动输入功率谱分析模型；利用频响函数和脉冲响应函数间的傅里叶变换关系，推导出了适用于地下空间结构随机反应分析的响应功率谱计算表达式，可结合有限元方法对全非平稳地震作用下地下空间结构进行随机反应分析．基于穿越过程为泊松过程假定，采用分部积分方法，进一步推导出了适用于首次超越破坏可靠度计算的互相关函数解析表达式．然后，本文以上海某两层三跨地铁车站为工程背景，建立土-地铁车站结构相互作用体系有限元模型，对全非平稳地震作用下地铁车站结构进行了随机反应分析和中柱可靠度分析．结果表明：在非均匀调制演变功率谱作用下，结构的响应功率谱也具有明显的演变特征；利用文中给出的互相关函数计算公式，可避开调制函数的数值微分，提高计算精度．     

移动随机荷载作用下梁桥非平稳随机振动的PEM-FFT方法

针对移动随机载荷作用下桥梁结构非平稳随机振动问题,建立了一种基于频域分析的虚拟激励-傅里叶变换方法(PEM-FFT)。与通常的非平稳随机振动的时频分析方法不同,提出的方法完全在频域上执行。其主要特色是能够给出随机输入与随机输出的频域关系,表明移动载荷作用下结构非平稳随机振动分析仅需对载荷的确定性移动函数项进行计算。数值算例考虑了等截面/变截面简支梁受移动随机载荷作用的问题,首先与通常的时频分析方法进行对比,验证了PEM-FFT方法的正确性和有效性,进一步讨论了不同结构形式以及不同载荷移动速度对响应演变统计量的影响。     

非平稳地震动的双调制模型研究

地震动是工程结构地震反应研究与抗震设计的基础,要分析工程系统的性能,必须要把地震动作为随机过程来建立可靠的模型。本文通过对非平稳过程演变谱的研究,给出双调制函数,建立了双调制非平稳地震地面运动模型。结合双调制函数和三角级数法生成人工地震波,通过对人工波频率和强度的非平稳性研究验证了双调制模型的有效性。同时本文给出了双调制非平稳地震激励的结构响应虚拟激励算法,得到响应的时变功率谱。分析表明,该模型具有明确的物理意义,且更符合实际,为结构抗震可靠性分析提供了一种较好的地震动模型。     

行波效应下结构非平稳随机地震峰值响应分析

地震运动在本质上是非平稳随机过程。对于一个典型的地震记录,如果地震平稳段持续时间较短,采用非平稳随机过程描述其地震动特性较为合理。目前被最广泛接受的地震非平稳随机振动模型是演变随机激励模型。本文将虚拟激励法和精细积分法相结合,高精度计算了结构在这种随机地震激励下的时变均方根响应,并等效转化为相应的平稳随机过程后进行结构峰值响应计算。不仅考虑了激励的非平稳性,同时高效精确地考虑了结构的动力特性和地震行波效应。能够方便地应用于大型复杂结构,特别是为大跨度桥梁抗震分析提供了高效的计算手段。实际结构算例表明平稳假设会得到偏于保守的结果。当阻尼比较小时,这种差别会更明显。采用非平稳激励模型,显然更为合理;采用本文提出的方法可以很方便地处理这类问题。     

大跨度结构随机地震响应

设水平或竖向地面运动是沿水平方向直线传播的平稳随机过程。对于按有限元离散化的一般三维结构,考虑地面运动的相位差,推导了计算其位移及内力响应功率谱密度的表达式。文中给出的对比例题表明,对大跨度结构考虑地震输入相位差的影响是十分必要的。     

用虚拟激励法求解非比例阻尼线性体系的非平稳随机地震响应

应用复振型分解方法,将非比例阻尼线性体系在地震作用下的动力方程求解问题转化为若干个广义复振子的求解与叠加问题。通过假定地震地面运动为一零均值的非平稳随机激励,应用虚拟激励法原理,推导得到了广义复振子动力坐标计算的一般公式,进而得到了非比例阻尼线性体系非平稳随机地震响应计算的一般解答。由于可以选择少量共轭复振型的影响进行计算,对于大型复杂非比例阻尼结构,其随机地震响应计算工作量可以大幅度减小。算例证实了这种方法的可靠性及可行性。     

单自由度系统的爆炸地震演变响应

提出了一个单自由度结构系统爆炸地震随机地面振动演变响应的理论分析方法。根据爆炸地震效应的特点 ,建立了一个地面运动激励模型 ,并以TNT炸药爆炸实验测试结果为实例 ,讨论了模型中相关基本参数的确定方法及其结果。在给定结构固有频率和阻尼系数条件下 ,得到了单自由度系统的爆炸地震位移响应功率演变谱和均方根位移理论解。与在一个混凝土基座上的测试结果进行对比表明 ,得到的理论均方根位移具有较好的预测精度。     

挡土结构物随机地震响应分析及动力可靠度研究

本文提供了一种简单的确定性数值方法,来分析在平稳随机地震荷载作用下的结构随机地震响应及动力可靠度。该方法基于有限元动力分析软件,以单位加速度脉冲函数作为地震荷载的输入,当计算出结构的脉冲响应函数后,再运用傅立叶变换得到随机激励和结构响应之间的传递函数,由此来计算结构的均方根响应和峰值响应。基于此方法,分析了挡土结构物在平稳随机地震荷载作用下的位移、弯矩、基底水平合力、基底竖向合力以及沿墙高的土压力极值的随机地震响应及动力可靠度。从分析结果可以看出:用Kanai谱模型的计算值比欧进萍谱模型的计算值更趋保守,而把响应过程当作马尔可夫过程似比泊松过程更精确。     

多点非均匀调制演变随机激励下结构地震的响应

针对大跨度结构在非均匀调制演变随机激励作用下,考虑行波效应时的非平衡随机地震响应问题,应用虚拟激励法进行了分析,由于虚拟激励法自动计及了参振振型的互相关项以及激励之间的互相关项,理论上是精确解,时变功率谱的计算采用精细逐步积分格式,使计算效率进一步得到提高。     

大跨悬索桥三维非平稳耦合抖振分析

基于Priestley(1967)演变功率谱模型，并采用Lin和Yang(1983)的建议，建立了脉动风速的非平稳功率谱模型。依据此模型，采用三维有限元法，建立了大跨桥梁非平稳耦合抖振运动方程。然后，将虚拟激励法和精细时程积分法相结合，建立了求解桥梁三维非平稳耦合抖振运动方程的快速算法。以某大跨悬索桥为例，分析了该桥的非平稳耦合抖振响应，并与平稳耦合抖振响应进行了比较。计算结果表明：随着脉动风速平稳部分持时的增大，非平稳抖振分析结果逐渐收敛于平稳抖振分析结果；但若脉动风速的平稳部分持时较短，非平稳抖振分析结果将低于平稳抖振分析结果。     

Stochastic modeling for starting-time of phase evolution of random seismic ground motions

In response to the challenge inherent in classical high-dimensional models of random ground motions, a family of simulation methods for non-stationary seismic ground motions was developed previously through employing a wave-group propagation formulation with phase spectrum model built up on the frequency components' starting-time of phase evolution. The present paper aims at extending the formulation to the simulation of non-stationary random seismic ground motions. The ground motion records associated with N—S component of Northridge Earthquake at the type-II site are investigated. The frequency components' starting-time of phase evolution of is identified from the ground motion records, and is proved to admit the Gamma distribution through data fitting. Numerical results indicate that the simulated random ground motion features zero-mean, non-stationary, and non-Gaussian behaviors, and the phase spectrum model with only a few starting-times of phase evolution could come up with a sound contribution to the simulation.     

大跨率桥梁直接考虑拟静力位移影响的随机地震反应分析

对 Duhamel积分引入了改进的脉冲响应函数 ,建立了激励演变谱矩阵与总动力响应演变谱之间的关系 ,并对实际大跨度斜拉桥进行了数值计算。这一成果实现了全面考虑各种地震动时空变化特性下的直接求解结构总动力响应的时域法和频域法计算列式 ,使得地震动多点激励下考虑拟静力位移影响的结构响应计算过程大为简化。     

Seismic behaviour of isolated multi-span continuous bridge to nonstationary random seismic excitation

This paper concentrates on the results of responses of a multi-span continuous bridge isolated with double concave friction pendulum bearings subjected to non-stationary random seismic excitation characterized by the incoherence, the wave-passage, and the site-response effects. The earthquake excitation is modelled as a non-stationary random process as uniformly modulated broad-band excitation. To perform the seismic isolation procedure, the double concave friction pendulum bearings which are sliding devices that utilize two spherical concave surfaces are placed at each of the six support points of the deck. The non-stationary response of the isolated bridge is compared with the corresponding stationary response in order to study the effects of non-stationary characteristics of the earthquake input motion. Solutions obtained from the stationary and non-stationary stochastic analyses for the isolated bridge to spatially varying earthquake ground motions are compared for the special cases of the earthquake ground motion model. The spatially varying earthquake ground motions are described stochastically based on an empirical coherency loss function and a filtered power spectral density function. The site effect is considered by a transfer function derived from one dimensional wave propagation theory. It is observed that the stationary assumption is reasonable for the considered ground motion duration.     

近地表爆炸地震的地面竖向振动速度的随机特性

引入了将爆炸地震的地面运动速度分解为一个确定性的幅值衰减函数和一个随机振动响应函数的乘积进行描述的基本方法 ,对近地表爆炸地震引起的地面竖向振动速度的实验测试结果进行了简要的分析。分析结果表明 :近地表爆炸地震的地面竖向振动速度随机波动分量的双对数功率谱在 10～ 70 0Hz的频率范围内满足近似的线性关系 ,功率谱指数介于 2 .5 1～ 2 .85之间 ,由此得到非平稳地震地面振动速度的演变谱密度方程。此外 ,还给出了地面竖向振动速度的理论模拟结果 ,在随机统计特性上与实验结果具有较好的一致性。     

基于相位差谱的空间相关非平稳地震动场的模拟

地震动的非平稳特性主要是由其相位差谱决定的,相位差谱与相位导数之间存在线性倍数关系。根据相位导数的显式计算公式,从能量的角度解释了相位导数的均值大致决定了时程峰值的发生时刻,相位导数的方差决定了强震段的持续时间。在相关地震动场模拟方法中,首次将相位差谱的统计模型引入空间相关非平稳地震动场的模拟方法之中,利用快速傅立叶变换技术生成地震动场。表示地震动随机特性的随机相位谱利用相位差谱的统计模型生成,生成的地震动场不仅具有空间相关性,而且在时域、频域内均具有非平稳特性。     

香港地区地震风险评价和设防区划

香港地区隶属于中国板内地震区中的东南沿海块缘地震带。港-九块体为晚中生代至早第三纪以来以持续稳定上升为主的块体, 块体活动性明显地低于其周边相对下沉的中新生代盆地。为此, 赋予港-九块体为最大可信震级M=5.5级潜在震源区, 而其周边中新生代断陷盆地则为最大可信震级M≥6.0潜在震源。从大陆地震构造成因的环境、潜在震源可信震级范围M=5.0～7.5和近源地震动饱和等三个方面的可比性, 结合中国大陆地震震源破裂尺度和地震烈度影响场, 所建立的反映中国地震构造和震源破裂及地震烈度影响场特点的PGA和反应谱地震动衰减预测关系式可用于香港地区。以50%概率时的中值对中国强震记录的对比, 本研究所提供的经验期望预测关系式, 能包络实际的资料。因此, 用此地震动衰减预测模式对香港地区地震危险性进行评估, 将会得到相对保守地震动预测值。通过香港地区基岩地震动危险性分析和计算, 参照中国大陆地震设防标准, 进行了基岩设计参数确定和区划。以年概率P=0.02、P=0.002、P=0.0004三个概率标准, 对应的地震动重复周期大约分别约为50a, 500a, 2500a的基岩PGA和反应谱, 作为香港地区基岩上构筑物和建筑物可选的基…