多类型长周期地震动作用下高层结构的动力行为与设计方法研究

论文摘要

远场类谐和地震动、近断层向前方向性地震动与近断层滑冲型地震动均属于长周期地震动，汶川、东日本大地震等震害表明，该类地震动对长周期结构具有较大的破坏作用，我国现行抗震规范由于未考虑长周期地震动而不能确保长周期结构的抗震安全。本文围绕三类长周期地震动，从地震动特性、高层结构动力响应特征与损伤破坏机理、结构抗震设计方法等方面展开研究与分析。主要研究工作内容包括：（1）系统对比分析远场类谐和地震动、近断层向前方向性地震动、近断层滑冲型地震动与普通地震动的特性差异。对比地震动的峰值、峰值比、持时及反应谱特性。基于希尔伯特-黄变换（HHT）理论，定义地震动累积能量谱、强频段、能量时间分布系数等概念，从地震动能量时频分布角度，对比三类长周期地震动与普通地震动的低频特性、宽频带特性以及脉冲特性。（2）设计并采用ABAQUS有限元软件建立代表短、中、长周期的框架结构与框架-剪力墙结构模型，分别以21条长周期地震动与3条普通地震动作为输入进行96次弹塑性地震响应时程分析，对比三类长周期地震动与普通地震动作用下的结构动力响应特征。同时，基于HHT对高层框架结构与框架-剪力墙结构的位移响应进行时频特性分析，进一步探讨四类地震动作用下的结构响应特点。（3）研究长周期地震动脉冲特征参数对高层结构动力响应的影响规律。首先，提出基于经验模态分解（EMD）的长周期地震动脉冲特征参数识别方法，能够有效识别长周期地震动的脉冲速度峰值、脉冲周期与脉冲持时；然后，构建适用于三类长周期地震动的简化等效模型，并通过弹性及弹塑性反应谱验证该模型的合理性；最后，以12层框架结构为例，基于19次弹塑性时程反应计算结果，分析长周期地震动脉冲周期与脉冲持时对高层结构地震响应的影响规律。（4）研究对比三类长周期地震动作用下高层结构的损伤破坏机理。首先，分析长周期地震动最大瞬时输入能与弹塑性单自由度体系最大位移响应的相关性。在此基础上，提出瞬时输入能比的概念，并基于该指标对比分析三类长周期地震动作用下结构的地震破坏模式。接着，基于提出的逐步损伤分析法（SDA），以12层框架结构为例，通过54次弹塑性时程反应分析，对比三类长周期地震动作用下高层结构的损伤演化特性。最后，基于EMD分析了长周期地震动中控制高层结构非线性地震动响应的IMF分量，提出有效长周期地震动的概念，定义了有效峰值与有效峰值率，揭示了长周期地震动作用下高层结构的类共振作用机理；同时，提出长周期地震动能量梯度的概念，分析了三类长周期地震动的能量梯度分布规律，揭示了长周期地震动对高层结构的脉冲作用机理。（5）研究考虑长周期地震动影响的结构抗震设计方法。首先，分析我国现行抗震规范中烈度、设计地震动参数、设计反应谱以及时程分析法在考虑长周期地震动影响时所存在的问题。然后，基于100条长周期地震动记录，构造400个弹塑性单自由度体系，研究并提出适用于三类长周期地震动的抗震分析用强度指标。接着，对比分析了中、美、日、欧抗震设计谱理论及其在考虑长周期地震动影响方面的适用性。其次，分析了长周期地震动的频谱特征周期与非平稳特性，为进行长周期地震动地震危险性分析提供基础。探讨了结构周期的划分方法，分析了基于地震动瞬态效应划分结构周期的可行性。最后，给出现阶段考虑长周期地震动影响的结构抗震设计建议。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与拟解决的关键问题
• 1.2 长周期地震动特性、地震反应分析及结构抗震对策研究现状
• 1.2.1 长周期地震动特性研究现状
• 1.2.2 长周期地震动作用下结构地震反应分析的研究现状
• 1.2.3 考虑长周期地震动影响的结构抗震对策研究现状
• 1.3 结构弹塑性地震反应分析方法研究现状
• 1.4 本文的研究思路与主要研究工作内容
• 1.4.1 研究思路
• 1.4.2 主要研究工作内容
• 参考文献
• 2 多类型长周期地震动特性比较研究
• 2.1 引言
• 2.2 长周期地震动数据的选择
• 2.3 长周期地震动基本特性比较分析
• 2.3.1 峰值与峰值比
• 2.3.2 持时
• 2.4 长周期地震动反应谱比较分析
• 2.4.1 SDOF 体系的模型参数
• 2.4.2 加速度反应谱的计算与分析
• 2.4.3 加速度放大系数谱的计算与分析
• 2.4.4 速度反应谱的计算与分析
• 2.4.5 位移反应谱的计算与分析
• 2.4.6 输入能反应谱的计算与分析
• 2.4.7 滞回耗能谱的计算与分析
• 2.4.8 滞回耗能比谱的计算与分析
• 2.5 基于 HHT 的长周期地震动能量时频分布特性比较分析
• 2.5.1 HHT 的基本理论
• 2.5.2 HHT 在地震动信号提取中的应用
• 2.5.3 基于 HHT 的长周期地震动能量频域分布特性分析
• 2.5.4 基于 HHT 的长周期地震动能量时域分布特性分析
• 2.5.5 长周期地震动的能量时频分布特性与表征参数
• 2.6 本章小结
• 参考文献
• 3 多类型长周期地震动作用下结构非线性地震响应比较研究
• 3.1 引言
• 3.2 分析用地震动与结构模型参数
• 3.2.1 分析用地震动的基本信息
• 3.2.2 长周期地震动的简化处理
• 3.2.3 结构模型参数
• 3.3 有限元模型的建立与验证
• 3.3.1 有限元模型的建立
• 3.3.2 动力特性分析
• 3.3.3 有限元模型的验证
• 3.4 多类型长周期地震动作用下的结构非线性地震响应比较分析
• 3.4.1 四层框架结构
• 3.4.2 八层框架结构
• 3.4.3 十二层框架结构
• 3.4.4 框架-剪力墙结构
• 3.5 基于 HHT 的长周期高层结构地震响应时频特性分析
• 3.5.1 分析方法
• 3.5.2 基于 HHT 的高层框架结构位移响应时频特性分析
• 3.5.3 基于 HHT 的高层框架-剪力墙结构位移响应时频特性分析
• 3.6 本章小结
• 参考文献
• 4 长周期地震动脉冲特征参数对高层结构弹塑性地震响应的影响研究
• 4.1 引言
• 4.2 长周期地震动的脉冲效应
• 4.2.1 远场类谐和地震动的脉冲效应
• 4.2.2 近断层向前方向性地震动的脉冲效应
• 4.2.3 近断层滑冲型地震动的脉冲效应
• 4.3 基于 EMD 的长周期地震动脉冲特征参数的识别
• 4.3.1 长周期地震动脉冲特征参数及其识别方法概述
• 4.3.2 远场类谐和地震动脉冲特征参数的识别
• 4.3.3 近断层向前方向性地震动脉冲参数的识别
• 4.3.4 近断层滑冲型地震动脉冲参数的识别
• 4.4 长周期地震动简化等效模型的构建及验证
• 4.4.1 长周期地震动的主脉冲与非主脉冲分量
• 4.4.2 长周期地震动主脉冲时程的简化
• 4.4.3 长周期地震动简化等效模型的构建方法与步骤
• 4.4.4 长周期地震动简化等效模型的验证
• 4.5 长周期地震动脉冲特征参数对结构弹塑性地震响应的影响分析
• 4.5.1 分析方法
• 4.5.2 远场类谐和地震动脉冲特征参数对结构响应的影响
• 4.5.3 近断层向前方向性地震动脉冲特征参数对结构响应的影响
• 4.5.4 近断层滑冲型地震动脉冲特征参数对结构响应的影响
• 4.5.5 三类长周期地震动脉冲特征参数对结构响应影响规律比较分析
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 5 长周期地震动作用下高层结构的损伤破坏机理研究
• 5.1 引言
• 5.2 基于长周期地震动瞬时输入能比的结构地震破坏模式分析
• 5.2.1 长周期地震动最大瞬时输入能与 SDOF 体系最大位移的相关性分析
• 5.2.2 瞬时输入能比的定义与计算分析
• 5.3 逐步损伤分析法的基本原理与分析用地震动的选择
• 5.3.1 逐步损伤分析法概述
• 5.3.2 逐步损伤分析法的分析步骤
• 5.3.3 逐步损伤分析法的验证
• 5.3.4 地震动选择与分析步的设置
• 5.4 长周期地震动作用下高层框架结构的损伤破坏特性比较分析
• 5.4.1 远场类谐和地震动作用下结构损伤破坏特性分析
• 5.4.2 近断层向前方向性地震动作用下结构的损伤破坏特性分析
• 5.4.3 近断层滑冲型地震动作用下结构的损伤破坏特性分析
• 5.4.4 三类长周期地震动作用下结构的损伤破坏特性比较分析
• 5.5 长周期地震动对高层结构的作用机理分析
• 5.5.1 基于 EMD 的地震动分解与 IMF 弹性响应特征分析
• 5.5.2 长周期地震动中控制高层结构非线性响应的 IMF 分量分析
• 5.5.3 有效长周期地震动与类共振作用机理分析
• 5.5.4 长周期地震动能量梯度与脉冲作用机理分析
• 5.6 本章小结
• 参考文献
• 6 考虑长周期地震动影响的结构抗震设计方法研究
• 6.1 引言
• 6.2 我国现行抗震规范考虑长周期地震动影响时存在的主要问题
• 6.2.1 我国现行抗震规范关于长周期地震动的条文概述
• 6.2.2 烈度、设计地震动参数与设计反应谱探讨
• 6.2.3 时程分析时长周期地震动的选取问题
• 6.3 适用于长周期地震动的抗震设计用强度指标研究
• 6.3.1 强度指标概述
• 6.3.2 适用于抗震分析用的强度指标分析方法
• 6.3.3 地震动的选择与强度指标计算
• 6.3.4 适用于远场类谐和地震动的强度指标分析
• 6.3.5 适用于近断层向前方向性地震动的强度指标分析
• 6.3.6 适用于近断层滑冲型地震动的强度指标分析
• 6.4 中、美、日、欧抗震设计谱理论及考虑长周期地震动的适用性分析
• 6.4.1 中、美、日、欧抗震设计谱理论介绍
• 6.4.2 中、美、日、欧抗震设计谱地震动参数的转换与谱参数的确定
• 6.4.3 中、美、日、欧抗震设计谱考虑长周期地震动影响的适用性分析
• 6.5 长周期地震动频谱特征周期与非平稳特性分析
• 6.5.1 概述
• 6.5.2 长周期地震动频谱特征周期分析
• 6.5.3 长周期地震动非平稳特性分析
• 6.6 结构周期的划分方法探讨
• 6.7 现阶段考虑长周期地震动影响的结构抗震设计建议
• 6.7.1 一般原则
• 6.7.2 地震作用计算方法
• 6.8 本章小结
• 参考文献
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 致谢
• 附录 作者攻读博士学位期间的主要科研成果及获奖情况