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基于能量分析的地震动输入选择及能量谱研究

王德才  
【摘要】:目前结构抗震分析方法通常是基于强度和位移,并没有考虑到地震动持时对结构产生的累积损伤破坏,而能量分析方法不仅可以反映地震动的强度和频谱特性,而且可以有效地考虑强震持时对结构的累积损伤破坏。因此,结构地震反应能量分析方法自从提出以后得到了较为广泛的研究,正在向着实用化的设计方法方向发展。 尽管能量分析方法的研究已经取得了大量的研究成果,但是这种方法仍然存在许多问题需要解决。本文以国家自然科学基金委重大研究计划项目“超高层巨型框架结构弹塑性地震反应与能量分析的研究”为依托,围绕地震动强度指标、设计输入能量谱、累积耗能谱和地震动输入选择选择等与能量分析相关的问题展开了研究。通过对这些具体问题的研究得到了以下结论和研究成果。 1.选择了694条水平运动记录,按照我国场地类别划分标准对记录进行了分类。对15个不同的强度参数之间的相关性以及各强度参数与单自由度和多自由度体系输入能量及滞回能量的相关性分别进行了分析,结果表明,本文建议的强度参数Ie可以较好地表征结构能量需求特征,对能量分析和设计方法作进一步研究可以采用建议的强度参数作为地震动强度指标参考使用。 2.分析了延性、阻尼比和恢复力模型等因素对输入能量谱和滞回耗能谱的影响。结果表明,随着延性的增加,输入能量谱和滞回能量谱峰值减小,谱峰值对应的周期变短。随着阻尼比的增加,输入能量谱和滞回能量谱峰值不断减小,而在长周期范围内,能量谱值则随阻尼比的增大而增大;当周期小于谱峰值对应的周期时理想弹塑性模型和双线性模型相对其它模型属于不保守模型。建议了建立设计输入能量等效速度谱的地震分组参数,并考虑不同阻尼比建立了多段式设计输入能量等效速度谱,给出了设计谱参数的建议值。 3.建立了估计输入能量等效速度谱数学模型,建立的模型可以考虑到延性和阻尼比的影响,并且不依赖于周期,直接通过地震动记录的傅里叶幅值谱对弹塑性输入能量谱进行估计。考虑周期、阻尼比和延性等因素对滞回耗能与输入能量比值谱的影响提出了估计滞回耗能等效速度与输入能量等效速度比值谱的数学模型,并与其它已有模型计算结果进行了对比。结果表明,提出的模型可以较好地对比值谱进行估计,并且可以考虑周期的影响。 4.提出了采用遗传算法和贪婪算法相结合的方式进行优化选择一组记录,使记录的均值谱可以与目标谱较好匹配的方法。对三角级数叠加法人工合成记录、小波变换频域调整实际地震动记录和时域调整实际等模拟地震动记录和实际地震动记录的频谱特征、基于希尔伯特-黄变换的时频特征以及计算得到的结构反应特征进行了分析。结果表明,人工合成记录无论是频谱特征、时频特征还是计算得到的结构反应与实际地震动记录都相差较大,人工合成记录与其它类型记录相比具有较大的能量输入;时域调整记录可以在地震动记录特性上与实际地震动记录较为接近,是产生模拟地震动记录的一种较好的方法。 5.为解决目前地震动记录管理与分析、选择实际地震动记录和生成模拟地震动记录用于实际结构的分析和设计没有可用工具的问题,开发了地震动记录管理与分析程序EQSYS,该程序采用了可视化编程方式,界面友好,可以作为地震动记录管理、分析和选择地震动输入的工具。 6.分析了不同宏观模型的特点,采用MS模型和纤维模型对两根钢筋混凝土柱和两片钢筋混凝土剪力墙构件进行了模拟,并与试验结果进行了对比。结果表明,纤维模型模拟精度要优于MS模型,但是,选择合适的塑性铰长度,采用MS模型也可以达到一定的精度。 7.建议了进行能量分析时选择地震动输入的方法,并给出了具体的实施步骤。通过采用不同方法选择的地震动记录对实例结构模型的分析表明了建议的方法的有效性。 8.分析了不同类型的强震持时指标与单自由度和多自由度实例结构能量反应指标之间的相关性。结果表明,在一定的限值范围内的一致持时指标与各能量反应具有较高的相关性。综上所述,本文对基于能量分析方法的强度指标选择、能量谱特征、设计能量谱的建立、弹塑性能量谱的估计、地震动输入方面实际地震动记录的选择、模拟地震动记录的特点和选择、基于能量分析地震动输入的选择方法和强震持时指标的选择等问题进行了研究并得到了一些有益的结论,为采用能量分析方法进行结构抗震分析和设计提供参考和依据。


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