统一抗震设计谱理论及其应用

【摘要】： 自1932年M. A. Biot提出反应谱理论和1959年G. W. Housner给出世界上第一条设计谱以来,地震反应谱理论得到了全世界地震工程界的广泛认同,也因此吸引了全世界包括我国地震工程科学家和工程师对此进行了深入的研究。近一个世纪以来,地震反应谱理论以及相应的抗震设计谱理论得到了巨大的发展和广泛的应用。本研究将系统地对反应谱的理论及其应用情况进行总结,指出存在的问题,探索解决这些问题的可能的途径,并在此基础上提出统一设计谱的思想,也就是提出了一种可以广泛适用于不同场地条件,不同震中距和震级,地表和地下,水平向和竖向地震动的统一的设计反应谱。 反应谱是通过单自由度体系的最大反应来描述地震动特性的重要工具,是结构动力学分析和结构抗震设计所关注的焦点。抗震设计谱是以地震动加速度反应谱特性为依据,经统计和平滑化处理确定的。然而,由于影响地震动反应谱的因素既多且又十分复杂,要针对每一种具体的情况给出适用的设计谱就变得十分困难,以至世界各国采用的抗震设计谱之间不仅存在明显的差异,而且普遍存在大量的不确定性。目前各国科学家都指望能在一个较长的时期内,取得尽量多的强震观测记录,同时将能够影响设计谱的各种因素分类的更细,以期能在这样的基础上得到较为稳定的各种设计谱。但是也有学者认为目前所出现在设计谱中的这些问题决不是能够靠增加观测记录的数量所能解决的,必须另辟蹊径,特别是要研究不同地震动反应谱的统一性才能有望取得较好的结果。因此,揭示地震动的普遍规律,认识地震动反应谱的新特性,解决这一领域面临的诸多问题仍然是地震工程界的重要课题。 本文首先对国内外抗震设计反应谱的发展、演变进行了总结。指出现今反应谱理论以及在此基础上建立的抗震设计谱所取得的进展和对地震工程以及对工程抗震设计所起的重要作用。在此基础上总结了被广泛使用的各种抗震设计谱所存在的问题,并提出作者本人的一些想法。为了实现这些想法本文着重研究了以下几个方面的问题,并取得了一些初步的结果。 1.基于结构动力学的基本理论,推导了在简谐地震动作用下,单自由度体系的理论解、瞬态解和稳态解。分析了简谐地震动全解反应谱、稳态解反应谱和瞬态解反应谱的特点并讨论了它们之间的关系。揭示了简谐脉冲型地震动对结构反应的重要影响和潜在破坏作用,提出了在这类地震动作用下结构的瞬态振动影响不可忽略。 2.提出了地震动双规准反应谱的概念。以近千条地震动记录为数据基础,分别考虑场地条件、距离、震级、深度、分量方向等因素的影响,对地震动的加速度规准反应谱和双规准反应谱进行了详细的对比研究。得出不同因素影响下地震动的平均双规准反应谱之间存在良好规律性和一致性的结论。 3.以集集地震动记录为数据基础,对反映地震动频谱特征的不同周期参数进行了研究。给出了这些周期随场地条件和断层距变化的经验关系式。考虑近断层作用的影响,对集集地震的近断层三分量地震动的频谱周期进行了分析。得到了考虑上下盘、方向性效应和分量方向影响的近断层地震动频谱周期特征。 4.基于地震动双规准反应谱和地震动频谱周期的特征,考虑阻尼比的影响以及与现行规范相衔接,提出了统一设计谱的模型。讨论了并建议了可供工程使用的基于统一设计谱理论的的抗震设计谱。 5.采用多种简单脉冲将近断层脉冲型地震动进行了等效,对等效脉冲作用下单自由度体系的反应特征以及脉冲幅值与脉冲周期的关系进行了研究,分析了典型近断层方向性效应脉冲地震动的特征。依据近断层地震动参数的经验关系式,针对不同等效脉冲地震动模型,考虑断层距和场地条件的影响,建议了可供工程抗震设计参考使用的近断层地区抗震设计谱。