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1、西 南 交 通 大 学硕 士 研 究 生 选 题 报 告 姓 名 学 号 导师姓名 职 称 专 业 桥梁与隧道工程 研究方向 桥梁设计理论 题 目 2013年 12 月 20 日 选 题 报 告 主 要 内 容1、 课题的研究意义、国内外现状分析1）研究意义我国是一个多地震的国家,地震给我国人民带来的灾难尤为严重,唐山地震(1976)、集集地震(1999)、汶川地震(2008)和玉树地震(2010)等大地震不仅给我们赖以生存的环境造成了很大的破坏，还掠夺了我们几十万同胞的宝贵生命。我国境内的地震带及地震断层众多,许多城市就位于断层附近或地震带中,一些大型工程结构也常横跨断层。在基础设施总体上抗
2、震能力相对较低的那些城市和人口密集地区附近一旦发生强烈地震,经济损失和人员伤亡都将会十分惨重。因此,深入研究近断层地震动的特性,以及在工程结构抗震和减隔震设计中考虑其影响,在我国有着重要的现实意义。从1971年美国圣·费尔南多地震以来,近断层地震动的巨大破坏事实给国际抗震界提出了新的挑战。由于强震仪的大量设置，到目前为止获得了部分高质量的近断层强震记录（Chi-Chi, Whittier Narrows，Northridge，Coyote Lake，Imperial Valley）。从近断层强震记录分析得出近场地震具有方向性效应、永久地面位移，竖向加速度较大等特点。鉴于近场地震动与远
3、场地震动有很明显的不同，现行的抗震设计方法不能很好的运用在近场抗震设计，为了满足工程设计需要，有必要从近场强震记录中找出对结构影响显著的因素并模拟出具有这些特征的设计地震动,为近场抗震设计提供借鉴。根据文献可知，近断层地震中对结构影响最显著的是由向前方向性和永久位移引起的速度脉冲1，向前方向性效应引起的地面运动是一个双侧往复形式的动力振动过程, 其速度时程表现为大幅值、长周期、短持时的强脉冲形式。导致了近断层脉冲型地面运动的反应谱与远场地面运动反应谱之间存在着比较显著的差异。近断层脉冲型地面运动对中、长周期结构(例如大跨桥梁、减震结构、隔震结构等) 可能会产生比较大的破坏。永久地面位移造成的速
4、度时程表现为单侧或者偏向单侧的脉冲形式，其位移时程表现为单侧阶跃型脉冲。一般认为, 永久地面位移运动是一个拟静力变形过程，其频率比向前方向性脉冲的频率要小得多。但由于实际的脉冲型地震记录数量有限以及对工程结构分析的需要，有必要建立一套针对工程设计人员的近断层脉冲型地震动的模拟方法, 以便快速地得到能够应用于工程结构时程分析的脉冲型时程。2）研究现状近断层地震动特性以往研究表明：速度脉冲是近断层地震动的一个显著特征，也是造成近断层区域建筑物严重破坏的主要原因。国外很多学者对脉冲产生的机理进行了深入研究，发现速度脉冲的产生及大小不但跟断层机制、断裂速度、震级等地震本身参数有关，还跟断层距、地震发生
5、的场地类别有关。产生速度脉冲的因素虽然很多,但主要因素是由断裂机制和断裂扩散方向决定的向前方向性效应和由断层滑移方向引起的永久地面位移效应。除了速度脉冲以外，近断层地震动还有其他显著特点。Jonathan D.Bray等2为了更好地描述近断层地震动特点，提出了一个简化系数，该系数是脉冲振幅、周期及速度时程中典型速度脉冲个数的函数，并且发现PGV随震级、断层距和场地类别的变化而变化，指出近断层地面运动的方向性效应导致地震波能量主要集中在脉冲持时阶段。G-Q.Wang等3对台湾集集地震中近断层地面运动的加速度峰值、速度峰值、位移峰值和地面运动持时等特点进行了研究，发现近断层地面运动受断层距、断层破
6、裂方向、场地类别等因素的影响；断层破裂方向导致水平两方向地面运动峰值不同，但是对地面运动持时影响不明显；并且再次得出速度脉冲效应和永久地面位移效应是该次地震近断层地面运动的最显著特征。刘启方,袁一凡等4对近断层地震动的基本特性做了详细分析，提出了近断层地震动的一些基本特征：近断层地震动的集中性、地表破裂、地面永久变形、破裂的方向性效应、近断层速度大脉冲和上盘效应。近断层地震动的模拟为了更好地模拟具有速度脉冲效应的近断层地震，国内外很多学者致力于对简化速度脉冲模型的研究。Somerville把脉冲考虑为冲击的影响，用简化脉冲来考虑近断层地震动对结构的影响，并提出一个回归公式，利用该公式将脉冲周期
7、、脉冲峰值、震级和断层距等因素联系起来。Alavi和Krawinkler对somerville的简化脉冲模型进行了进一步的研究，在此基础上提出了PZ型矩形速度脉冲模型，认为简化脉冲可以代表近断层地震动明显的反应特征。在对脉冲模型研究的过程中，很多学者将其简化为类似某些函数形式的脉冲，其中最典型的是指数函数和正、余弦函数，如:Ghobarah将实际地震记录简化为半个或一个正弦脉冲；Menun等综合分析以往的脉冲模型，以最小二乘法为基础，采用非线性回归方法，提出了一种指数函数与正弦函数相结合的简化脉冲模型；Makris认为地震波由不同周期长度的正弦或余弦波组合而成，他将近断层地面运动的长周期速度脉
8、冲模拟为三种脉冲类型，每种都代表一种独特的正弦或余弦函数。这种将不同函数形式进行组合来描述脉冲过程的方法在模拟近断层地震速度和位移时程时比较理想，但是这种等效速度脉冲模型只包含单一的频率成分，不能完全反映脉冲型地震记录的高频成分。基于此，Agrawa等提出了衰减的正弦函数模型，该模型考虑了对长周期脉冲有影响的高频成分。国内在对速度脉冲简化模型研究方面也取得了一定成果。李新乐、朱晞等5利用一些地震记录对国外学者提出的简化脉冲模型进行了验证，认为这些模型还不够合理和完善，在此基础上提出了对速度脉冲模型具有重要意义的两个参数：半周期循环个数和幅值对脉冲强度的贡献率；王国权等6对台湾集集地震的30组近
9、断层加速度时程的周期和幅值特性进行了研究，引入幅值概率密度谱、周期频度谱以及穿零率函数等概念，并建立了相应的数学模型；田玉基等7认为以往只考虑低频成分的简化脉冲模型在模拟加速度时程时，结果并不理想。在此基础上，他将低频脉冲成分和高频成分分开模拟，然后将速度脉冲模拟时程求导得到脉冲加速度时程，根据高频加速度模拟时程的峰值发生时刻，对脉冲加速度时程进行时间平移，并将高频加速度时程和低频脉冲加速度时程进行叠加，生成近断层脉冲型地震动的模拟时程。近断层地震作用下结构响应Bertero8 通过对圣费尔南多(SanFernando)地震中奥利弗眼科医院破坏的研究，证实医院建筑的破坏是由于长周期的脉冲引起的
10、，而不是由于高频的大数值的加速度引起的。Mahin和Bertero (1977) 9研究指出:在极震区，大脉冲运动引起结构的特殊反应，类似“fling”效应(单边速度脉冲效应)，脉冲运动引起周围建筑的极大破坏，依据现行抗震设计规范设计的短周期结构在近场地震动激励下出现非常大的延性需求，应对靠近断层的结构进行特殊设计。Liao (2000) 10比较研究了一座五跨连续梁桥分别承受近断层地震及远断层地震的动力响应，非线性时程计算结果显示近断层地震作用下的延性需求及基底剪力系数远超过远震。Praveen K.Malhotra11对带有明显方向性效应的近断层地震动作用下结构响应进行了分析，发现PGA和
11、持时均相同的条件下，当地震动具有方向性脉冲效应时，由于PGV/PGA比值的增大，高层结构在其作用下会产生更高的底部剪力、层间位移和顶层位移，因而对延性提出了更高的要求。他还指出当结构受脉冲地震动作用时，结构中的附加阻尼的有效性将会大大降低。Anil K.Chopra和Chatpan Chintanapakdeep12提出在计算结构受近断层地震动作用下内部变形时可以将侧移谱法配合反应谱法使用，通过对侧移谱法和反应谱法的比较，发现近断层地面运动作用下结构高阶振型的影响很显著，不能忽视，并指出反应谱法比侧移谱法能更准确地计算结构地震响应。Wen-I Liao,Chin-Hsiung等13采用台湾集集
12、地震中收集到的几组近断层地震记录和相同地点收集到的远场地震记录，分别对一个5层和一个12层混凝土框架结构进行计算分析，结果显示近断层地震动下结构的破坏明显大于远场地震动作用下的破坏；并对pushover法和非线性动力时程法下结构延性要求做了比较，发现Pushover法下谱位移的变化更具有随机性；最后，提出影响结构动力反应特性的一些重要参数，如PGV/PGA，谱速度和输入的能量等，这些参数对结构地震响应的影响在高层框架结构中显得尤为明显。Seneviratua等14对强柱弱梁型、强梁弱柱型和底部大空间三种破坏机制的单跨框架结构，屈服机制在底层剪力墙的地震需求进行了研究，认为层间延性需求和破坏机制
13、有关。Babak Alavi和Helmut Krawinkler15 得出以下结论：当结构固有周期大于脉冲周期时，上部结构最先达到屈服，随着地震动作用的加强和上部结构强度的降低，上部层间延性需求趋于稳定，同时，最大延性需求向下部转移，但是对于固有周期小于脉冲周期的结构，结构最大变形只发生在底部结构。随后，他们将地震记录转化成等效脉冲并得到了等效脉冲跟震级和断层距的回归公式。王京哲和朱晞16对四个桥墩模型进行时程分析发现，桥墩在含有速度脉冲的近断层地震激励下，会产生较大的墩顶位移和墩底剪力；近断层地震速度脉冲效应下结构附加阻尼的衰减效应较一般记录明显，尤其是在长周期部分衰减更是显著变大。廖文义等
14、(2001) 17采用台湾集集地震记录研究了近断层地震作用下隔震桥梁的地震反应，他们发现在近断层地震作用下隔震对基底剪力影响较小，对位移则很敏感；在地震动的特征参数PGV/PGA、输入能量及谱速度值中，PGV/PGA比值可能对隔震桥梁承受近断层地震的隔震效果影响更为明显。Anderson18研究表明，近断层地震动显著破坏性的因素不是其峰值地面加速度而是其长持时脉冲，主要表现为地面运动所激起的高速度。这对隔震技术的应用形成较大的冲击。但也有研究表明，只要提供合适的耗能装置，隔震对近断层抗震仍是一个有效的策略。Nicos Makris等19对脉冲和近断层地震动下结构的各种耗能效率进行了计算研究，认
15、为隔震对含有产生大部分大位移和高速度的长持时脉冲的近场地震动更有意义。Jerry Shen等20通过参数分析得出，当脉冲周期等于隔震体系的有效周期时，隔震桥梁的近场反应效应将扩大。张显明等21分别考虑竖向地震动、水平地震动与竖向地震动共同作用下单墩桥梁的反应，得出近断层竖向地震动的高频成分更丰富、衰减更快，并建议采用近场因子的方法，通过修正公路桥梁抗震设计规范(征求意见稿，2005竖向反应谱来得到设计使用的近场竖向反应谱。黄建文和朱晞22选用了几条典型脉冲型近断层地震记录，对一单自由度结构非弹性位移响应进行了研究，认为具有宽频加速度敏感区的近断层脉冲型地面运动增加了对单自由度结构基底剪力、顶部
16、位移及延性需求等非弹性响应，并指出影响结构在近断层地震作用下非弹性位移响应的主要因素是地面运动的加速度峰值、最大增量速度、方向性效应和场地类别。韦韬23对钢筋混凝土框架在有速度脉冲和无速度脉冲的地震动作用下的响应进行了对比分析，得出以下结论：与没有速度脉冲的地震动作用相比，在有速度脉冲的地震动作用下，结构在弹性阶段的地震反应没有明显的区别，但是进入塑性阶段后，会产生更大的层间剪力、层间位移和总位移，并且通过对比具有相同反应谱的实际和人工合成地震动下的地震反应，发现反应谱参数只能较好地反映结构在弹性阶段的反应，不能很好得反映结构进入塑性阶段后速度脉冲的影响。李冰24利用Pushover法和时程分
17、析法对近场地震作用下框架和桥梁结构的响应进行了深入研究，发现常规的Pushover分析方法大大低估了结构抵御近场地震作用的能力，有必要对其进行修正，使之具有更广泛的适用性，并指出近场地震作用下框架结构和桥梁结构的应力和位移均大于远场地震下的反应值，可以将峰值加速度、PGV/PGA及速度反应谱等作为进行近场地震设防时的考虑因素。2、研究目标、研究内容、拟解决的关键问题1）研究目标论文的目标是通过对近断层强震记录的分析研究，分析近断层地震动的规律和特点，、得到近断层附近地震动的模拟输入参数和输入方法，通过和对大跨度桥梁的地震响应分析得到近断层桥梁在近断层地震下的响应规律。抗震设计的若干建议。2）研
18、究内容为实现上述目标，需要完善如下的研究内容： 收集世界上近断层强震记录（断层距在20km以内且最大加速度amax>0.1g）1从PEER网站得到国外近断层强震记录；2从国家强震动台网中心得到国内近断层强震记录； 处理收集到的强震记录1记录的基线矫正（针对不同地震选用适当的基线矫正方法）；2对加速度时间历程积分得到速度和位移时间历程，并用seismosignal得到傅立叶谱和能量谱；3分析加速度、速度和位移时间历程及傅立叶谱总结近断层地震动特征；模拟进断层地震动1.搜集进断层地震动模拟方法；2.选用几种模拟合适的方法并生成进近断层人工合成地震动；桥梁在人工合成近断层地震动下的响应1.建立
19、桥梁模型；2.加上地震动荷载并分析其响应；3） 拟解决的关键问题本课题拟解决的关键问题主要包括四个方面：总结得到近断层附近地震动特征;确定地震动输入参数与震级、断层距的关系；近断层地震长周期脉冲特性输入方法;近断层地震作用下桥梁结构的响应特点研究及破坏形式；3、拟采取的研究方法、技术路线1)研究方法本课题将通过调查分析、理论分析和数值模拟手段，对近断层地震动特性、近断层地震动模拟及桥梁结构响应展开深入细致的研究。在地震波处理阶段，比较现有的各种基线矫正方法得出适合近断层地震波的矫正方法；用seismosignal进行积分得到速度、位移时间历程及傅里叶谱。在地震动模拟阶段选用几种近断层地震动模拟
20、方法模拟地震。在研究桥梁响应阶段，用以上模拟地震波作为动力输入，通过ANSYS或Midas有限元软件开展动力分析。2)技术路线本课题拟采用如下技术路线开展研究工作确定近断层地震动特征理论研究数值模拟分析确定研究方法确定近断层地震动输入方法模拟桥梁在近断层地区的响应特点、破坏特征根据破坏形式，研究近断层地区桥梁抗震设防策略近断层地区抗震研究调研报告资料收集及调研：首先对国内外近断层地震记录和有关近断层抗震的论文进行收集；其次，对国内近断层区已遭地震破坏的桥梁进行现场调研和资料收集，调查近断层区已建大跨度桥梁出现的病害情况和设计中存在的不足之处；最后，对调研资料进行技术总结，形成调研分析报告。确定
21、近断层地震动特征：分析近断层地震动参数（PGA、PGV、PGV/PGA、IV、瞬时输入能量E、谱速度）特征及与震级、场地条件、断层距的关系。确定近断层地震动输入方法：拟采用田玉基等7所提出的用一连续函数模拟低频速度脉冲和用Boore(2003)或者Thráinsson和Kiremidjian (2002)等方法模拟高频成分的加速度时程，然后两者叠加生成近断层等效加速度时程。模拟桥梁在近断层地区的响应特点、破坏特征：建立桥梁有限元模型，分别输入等效地震荷载和实际地震荷载，比较两种输入下桥梁的响应及结构构造破坏的方式，已检验模拟方法的合理性和为抗震设防策略的研究提供理论数据。4、论文的创
22、新性在近断层地面运动的特点方面，国内外己经取得一些成就，但是大部分理论来自宏观总结得出的结论，缺少对近断层地面运动具体参数的深入探究；在近断层地震下结构地震响应问题的研究方面，虽然取得了一定成果，但在以往的研究过程中，但缺乏对近断层地震下桥梁响应规律性的研究。，国内大多数学者采用的是钢筋混凝土结构，对钢结构、混合结构和组合结构的研究还远远不够，不能满足抗震设计的要求。大多数学者只研究了水平脉冲型地震动对结构的响应，而没有考虑竖向地震的作用。5、计划进度和预期成果1）计划进度本论文拟在15个月内完成，详细计划如下：第一阶段：（2013092012.12）广泛查阅国内外相关文献，制定具体的研究方案
23、和研究方法，进而确定实施计划。第二阶段：（2014.012014.03）把收集到的地震波处理成图形并矫正后分组，以便找出有代表性的几组数据。第三阶段：（2014.042014.06）分析有代表性的地震记录，确定各地震参数的特点及大致取值范围。第四阶段：（2014.072014.08）由以上得到的地震参数模拟地震动，生成人工地震波。第五阶段：（2014.92015.3）完成整篇论文的撰写、修改并定稿。整理并发表相关小论文及论文答辩。2）预期研究成果确定近断层地震参数与震级、断层距的关系。确定近断层地震动更合理的模拟方法。大跨度桥梁近断层地震响应特性。根据此课题撰写硕士论文1篇，发表专题论文2篇。
24、参考文献：1贺秋梅. 地震动的速度脉冲对结构反应及结构减隔震性能影响研究D.中国地震局地球物理研究所,2012.2Jonathan D. Bray,Adrian Rodriguez-Marek. Characterization of forward-directivity ground motions in the near-fault regionJ. Soil Dynamics and Earthquake Engineering,2004,2411:.3G.-Q Wang,X.-Y Zhou,P.-Z Zhang,H Igel. Characteristics of amplitude
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