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近场脉冲型地震下动力烈度指标选择

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摘要:合理选择烈度指标IM是基于性能的抗震设计理论的关键.为了研究近场脉冲型地震下合理的烈度指标,以一座常规5跨连续梁桥为例,用增量动力分析方法对OpenSEES软件所建立的有限元分析模型进行一系列非线性动力分析,结果表明:近场脉冲型地震下,不建议采用峰值加速度PGA作为烈度指标,建议采用基本周期对应的谱加速度Sa(T1)或峰值速度PGV.

关键词:桥梁抗震;近场脉冲型地震;增量动力分析;烈度指标

前言

近场地面运动记录主要有两个方向,一个是与地震破裂带垂直的方向,另一个是与地震破裂带平行的方向,前者有明显的速度脉冲,而后者则没有.一般无特殊说明,近场地震主要是指有明显速度脉冲的地面运动[1].近场脉冲型地震动对工程结构具有很大的破坏性,其对结构的影响主要体现在高能量的速度脉冲上.研究表明,与非脉冲型地震动相比,脉冲型地震动增大了结构的位移响应,而这种位移需求的增大极有可能引发结构的破坏[2].与远场地震记录相比,近场脉冲地震动弹性反应谱的加速度敏感区较宽,在长周期阶段可能出现比较大的加速度反应谱值.因此无论对地震学家还是结构工程学家来讲,近场地震动的特征以及如何在工程结构的设计中考虑其影响都是非常重要的研究课题.增量动力分析中,曲线的离散性问题一直是热门研究点.离散性的减小不仅有助于降低地震分析样本的数量,也能增加中位估计曲线的可靠性.为了降低曲线的离散性,通常可通过合理选择烈度指标来实现[3];能表征地震波强度的参数很多,常用的有地面峰值加速度PGA和结构基本周期对应的谱加速度Sa(T1),此外还有谱速度PGV、峰值速度SV等.Vamvatsikos[4]针对IDA曲线的离散现象进行了基于分位值的结构抗震性能评估,对比了Sa(T1)与PGA分别作为IM函数时的IDA曲线,结果显示Sa(T1)比PGA有更好的收敛效果.To-thong[5]将弹性反应谱延伸到非线性领域,但是塑性反应谱隐含了地震波频谱特性与结构的非线性性能之间的耦合作用,这使常用的地震灾害区划图变得复杂.Mehanny[6]提出了一种双参数模型,将Sa(T1)替换为能够考虑基本周期延长(被称为周期滑移)的烈度指标S*=Sa(T1)1-αSa(Tf)α,并针对4种典型建筑结构,8条地震记录的IDA统计分析得到:Tf=2T1以及α=0.5时IDA曲线簇收敛程度最好.杨成[7]等通过对S*中参数α及Tf进行修正,提出了渐变参数控制的烈度指标.但是,对于烈度指标的研究一般很少对地震波加以区分,而是单纯依靠对地震动强度指标进行选择和修正,而没有地震波的类型及频谱特性进行更深入的研究.而已有研究表明,对于近场脉冲型地震,加速度反应谱值已经不足以预计结构的响应,研究学者们建议采用峰值地面速度、峰值地面位移、塑性谱位移甚至采用矢量烈度指标(例如同时考虑谱加速度与其他参数)来表征地面运动烈度.本文以一座常规5跨连续梁桥为例,用增量动力分析方法对OpenSees软件所建立的有限元分析模型进行非线性动力分析,研究5种常见的烈度指标下IDA曲线的离散性,最终提出近场脉冲地震下合理的烈度指标.

1分析模型

本文以一座等跨径规则连续梁桥为例,整体概况如图1所示.用美国太平洋地震工程研究中心(PEER)主导研发的OpenSees软件建立全桥分析模型.算例桥梁采用双柱式桥墩,墩柱采用相同的截面及配筋形式,几何直径为1.5m,配筋率为1.47%.有限元模型中,主梁用弹性梁单元进行模拟.由于桥墩是地震中的耗能构件,因此桥墩采用弹塑性纤维梁单元进行模拟,纤维单元中混凝土和钢筋的力学性能分别采用Concrete01和Steel01来模拟.桥台处支座为滑动式橡胶支座,桥墩处为普通板式橡胶支座.结构的阻尼比按5%计算,基本周期为T1=2.14s.

2地面运动的选取

本文所选地面运动记录来源于美国太平洋地震中心强震数据库(PEERGroundMotionDatabase),12条选自FEMAP695中推荐的近场地震波,其余12条选自Baker用小波分析法得到的近场脉冲波[8],共24条地面运动记录,其反应谱如图2所示.

3增量动力分析

增量动力分析是通过对选择的多条地震波,以调幅的形式,将每条地震波缩放成一组不同强度的地震波,并对结构进行非线性动力分析,以此来分析结构在不同地震强度下的抗震性能.本文的研究中,考虑到近场地震具有高能量速度脉冲的特点,在分析中以PGV为调幅指标,调整PGV使其在20~250cm/s之间等步长变化,步长根据不同情况设置为10cm/s或20cm/s.目前国内外规范中常用的地震动强度指标主要有PGA、PGV以及结构基本周期所对应的反应谱值(Sa(T1,5%)),其中PGA是最早采用也是目前使用最广泛的地震动强度指标,目前在日本常用PGV,美国多采用Sa(T1,5%).本文选择5种地震动强度指标为研究对象,如表1所示.本文在考虑结构损伤时,暂时仅考虑桥墩的破坏情况,且在设计桥墩的截面及配筋时,通过合理构造措施避免桥墩发生剪切破坏的可能,认为桥墩仅发生弯曲破坏.结构的损伤主要可以用多种指标来衡量,如节点位移、截面变形指标等.根据震害经验,1#、4#桥墩会先于2#、3#桥墩破坏,因此本文选取1#墩底的曲率为损伤指标.

4计算结果与分析

4.1弯矩-曲率关系

桥墩截面弯矩-曲率关系分析结果如图3所示,可知桥墩达到破坏时的极限曲率为0.0167/m.

4.2不同烈度指标对应的IDA曲线

分别以表1中所选的5种烈度指标为基础作IDA曲线,如图4所示.为了对上述5组分别以不同烈度指标构建的IDA曲线的离散性进行比较,引入Iervolino和Cor-nell等人的研究成果[9],假定结构的地震需求服从对数正态分布,即认为DM和IM之间服从如下关系式:DM=a•IMb(1)式中,a,b分别为估计的参数,可以通过最小二乘回归分析得到,为了计算方便,通常式(1)可以转换成式(2)的线性回归函数:ln(DM)=c+bln(IM)(2)线性对数拟合结果如图5所示.图中1#墩底最大曲率的对数用ln(Curvature)表示.表2给出了对线性拟合中的相关参数a,b的均值和标准差进行了统计,并用皮尔森相关系数r是用来反映两个变量ln(DM)和ln(IM)之间线性相关程度的统计量.r的绝对值越大表明相关性越强.拟合结果表明:所选择的5种IM参数中,以基本周期所对应的谱加速度Sa(T1)作为IM参数,拟合参数c,b的标准差最小,皮尔逊相关参数r最接近于1,表现最差的是PGA.双周期对应的谱加速度S并未优于基本周期所对应的谱加速度Sa(T1).因此,对于近场脉冲型地震,不建议采用PGA作为烈度指标,建议采用Sa(T1)或者PGV.

5结论

本文以一座常规5跨连续梁桥为例,用OpenS-EES软件建立有限元分析模型,选取24条近场脉冲型地震动对模型进行增量动力分析,根据IDA曲线及计算数据的线性对数拟合结果可知:近场脉冲型地震下,不建议采用峰值加速度PGA作为烈度指标,建议采用基本周期对应的谱加速度Sa(T1)或峰值速度PGV.

参考文献

[1]江义,杨迪雄,李刚.近断层地震动向前方向性效应和滑冲效应对高层钢结构地震反应的影响[J].建筑结构学报,2010,32(9):103-110.

[2]张海明,易伟建,邝世杰.带脉冲效应近场纪录的概率地震反应分析[J].武汉理工大学学报,2010,32(9):184-187.

[6]杨成,潘毅,赵世春,等.烈度指标函数对IDA曲线离散性的影响[J].工程力学,2010,27(S1):68-72.

作者:黄佳梅 单位:湖南工程学院 建筑工程学院

近场脉冲型地震下动力烈度指标选择责任编辑:张雨    阅读:人次
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