脉冲型地震波输入方向对非线性结构地震响应的影响毕业论文
2020-02-17 01:17:53
摘 要
近断层地震作为具有强大破坏力的地震一直是研究的重点，随着地震监测水平的提高以及对其研究的深入，人们揭示了近断层地震所具有的前方向性效应和永久位移效应等。但研究具有速度脉冲的近断层地震动的输入方向对结构影响的研究还较少，本文通过在Midas Gen中建立10层示范结构，并选取20条下载自美国太平洋地震数据库(PEER)的实际地震记录并通过Matlab转动同一地震波两个水平分量的角度进行地震波重构，进而输入到Midas Gen中进行时程分析得出地震波输入最有利和最不利角度，分析结构响应随地震波输入方向变化的规律特点，并量化分析其层剪力，层间位移，层间位移角和相对位移四个指标的最大值与最小值的比值，旨在为近断层建筑物的抗震设计提供一定指导作用。
关键词：近断层；近断层脉冲型地震动；输入方向；结构响应
Abstract
Near-fault ground motion is regarded as one of the most destructive ground motions. With the development of seismic monitoring technique and further study in it, near-fault ground motions has been found with forward directivity effect, fling-step effect and so on. However, the research on the pulse-like near-fault ground motion’s input direction is to be explored and conducted yet. Thus, this essay establishes a 10-floors demonstration steel-frame model and select 20 records from Pacific Earthquake Engineering Research Center(PEER). Then using Matlab to rotate the two orthogonal components of one ground motion to recombine a new ground motion achieving the goal of changing the input direction. Finally, analyzing the 4 typical structural response aiming to give some instructions to the future seismic design.
Key words: near-fault; pulse-like near-fault ground motion; input direction; structural response
目 录
第1章 绪论 1
1.1研究的背景和意义 1
1.2国内外研究现状 2
1.3存在的问题 2
1.4本文所做的工作及创新点 3
第2章 建立模型及地震波处理 4
2.1模型的建立 4
2.1.1示范结构的设定 4
2.1.2通过Midas Gen建立分析模型 9
2.2地震波的处理 10
2.2.1 地震波选取 10
2.2.2 重构地震波 11
第3章 结构的地震响应分析 19
3.1定性分析 19
3.1.1结构在旋转角度相同的不同地震波的响应随楼层变化趋势 19
3.1.2结构在所有旋转角度的不同地震波的响应变化趋势 19
3.1.3重构地震波脉冲特性与结构地震响应的关系 19
3.1.4重构地震波PGV与结构响应的分析 22
3.2 定量分析 22
3.2.1层剪力 22
3.2.1相对位移 23
3.2.3层间位移和层间位移角 23
3.2.4最大值与最小值所对应角度的差值 24
3.3本章小结 25
第4章 结论与展望 26
4.1结论 26
4.2展望 28
参考文献 29
致谢 30
第1章 绪论
1.1研究的背景和意义
地壳受力发生断裂，沿破裂面两侧岩块发生显著相对位移的构造称为断层，由断层诱发的地震称作断层地震，也称作构造地震。近断层是地震学和工程地震学家们用于区分台站至断层之间距离的粗略划分，虽然没有严格的定义，近断层一般表示断层距小于 20 km的范围。
大量观测数据表明，近断层区域与较远区域在地震作用下地面运动有显著不同，区别于远场地震动，近断层地震动具有方向性效应和永久位移效应等特点。方向性效应由断层破裂、地震波的剪切波的方向和大小有关，方向性效应中的前方向性效应，可类比于多普勒效应，意为剪切波速和断层破裂速度接近且方向夹角较小时可以在断层破裂前方产生具有大幅值，短持时的脉冲，出现在地震记录的开始，也正是由于该效应加重了结构的破坏。永久位移效应由于产生地面永久位移，同时产生与其断层滑动方向一致的单向速度脉冲，对横穿或接近断层的结构以及城市生命线系统工程的各种设施会造成严重破坏。
一般来说，具有速度脉冲是近断层地震动的主要特点，也是由于其速度脉冲所产生的速度还有位移时程中的短持时，大幅值导致了一次强烈地震中位于近断层区域的建筑物和构筑物受到的破坏是最为严重的。在1994年美国洛杉矶的北岭地震和1995年日本的神户地震中，监测得到的地震数据有着高达175cm/s的PGV，Tp位于1-2s的范围，且由于其周期接近许多桥梁和中等高度建筑物的自振周期，故对其造成了严重的破坏[1]。与之类似的还有1971年美国圣·费南多地震，1978年的伊朗塔巴斯大地震，1979年帝谷地震，与之同年的黑山地震,1980年意大利波坦察地震，1995年板神地震，1999年台湾集集地震和2009年拉奎拉地震等。
实际工程中无法预知断层的存在，但是如果在出现过断层的区域附近进行结构建设，可以研究不同方向的脉冲型地震波输入对结构响应的影响[2]，通过分析，可以得到地震波输入方向对结构响应的影响变化趋势，从而得到结构建设的最有利和最不利方向，同时可通过量化计算得到在工程设计中所需要考虑的放大系数，从而在一定程度上给予近断层结构设计指导作用。
1.2 国内外研究现状
地震的发生使建筑结构破坏，人员死伤，社会财富大量损失并对社会稳定性造成一定的冲击，但是各国学者们通过测站点所记录的地震动数据，对其分析研究，从而改进抗震理论，完善抗震规范，进而指导地震监测技术和之后的结构设计，从而能设计出抗震性能更好的结构。归功于上世纪的著名工程学家George W.Housner和Donald E.Hudson，他们通过研究1957年美国怀尼米港的地震数据记录发现其据有脉冲特性，而正是由于脉冲特性导致只有4.7级，PGA为0.78的怀尼米港地震对城市造成了破坏[3]。至此世界范围内才开始了对于近断层脉冲型地震波的研究。
王海云，刘启方在2006年分别阐述了近断层地震动的主要特点，包括破裂方向效应，滑冲效应（永久位移效应），上盘效应等，两人分别对近断层地震动的方向性和近断层速度大脉冲进行了详细说明[4]。同年韦韬分析50余条地震波数据，对比了含有速度脉冲和不含有速度脉冲的近断层地震动的反应谱及特征周期[5]。赵凤新在2008年研究了近断层速度脉冲的工程特性，发现在加速度反应谱一致的前提下，含有速度脉冲的近断层地震动作用时，结构的响应有较大幅度的增大[6]，李明在2009年研究发现对辕氏地震波进行平滑化处理可以进一步运用程序化的方法进行脉冲周期和脉冲速度峰值的识别，从而克服以往方法的局限性[7]。2013年耿方方研究了近断层地震作用下PGV，PGA，PGD等变量和某特定高层隔振建筑的地震响应相关关系发现加速度的相关性较差，速度相关性在结构周期较小时好，而位移相关性在结构周期较大时好[8]。2014郭富强研究了近断层脉冲型地震动下对单自由度体系地震响应的量纲分析，发现对地震响应影响最重要的量纲是结构的屈服位移[9]。蒲武川在2018年的研究中对近断层脉冲型地震波的加速度以及位移反应谱进行量化分析[10]。而在国外，David M. Boore 在2010年研究了一种新型的测量包含两个互相垂直方向地震动的地震强度的方法[11]，Faramarz Khoshnoudian在2014年研究了关于非线性土壤结构在包含脉冲型和高频型的成分的近断层地震波作用下的影响[12]。Andrés Alonso-Rodríguez在2018年研究发现近断层脉冲型地震中脉冲周期对多自由度结构的地震响应影响最大[13]。
1.3存在的问题
自发现近断层地震动对结构具有强烈影响以来国内外学者均致力于研究其特性，但目前探究脉冲型近断层地震动输入方向对于非线性结构的影响的相关研究不多，为了更加明确地揭示其工程特性，本文旨在在一定条件的基础之上研究近断层脉冲型地震波输入方向对某一特殊结构的响应影响。
首先，在建模方面选择《被动减震结构设计·施工手册》中的10层刚框架结构，其次[14]，在地震波选取时所获得的H1，H2两相互垂直的地震波分量所对应的断层假定为走滑断层，不考虑倾速度脉冲铅直方向的分量。判断旋转角度后的重构地震波的判断依据为PGV30cm/s，PI0.80，最后在Midas Gen中进行时程分析时将地震波沿单一方向输入，即是结构的刚度较小的方向，故本文通过转动地震波两分量得到重构地震波从而达到从不同方向输入地震波的目的，进而分析得到结构的地震响应值。
1.4 本文所做的工作及创新点
《被动减震结构设计·施工手册》中由于考虑到对减震结构的开发研究目的以及在工程实际中的交流的应用，故而在其附录二中给出了4层，10层和20层非线性示范结构，首先，本文在其中选取10层刚框架结构，通过在Midas Gen建立简化的10层钢框架实际工程结构模型，选取世界范围内8次地震中20组近断层地震动记录数据，数据均来自美国太平洋地震数据库(PEER)的实际地震监测，再将水平方向上相互垂直的两条原始脉冲型地震波分量H1和H2以5为单位依次旋转得到其他方向上的重构地震波[15]，研究重构地震波是否具有脉冲特性，并将重构地震波输入有限元模型，采用时程分析方法来探究不同重构方向的脉冲型地震波对于非线性结构响应，输出结构的层间位移，层间位移角，相对位移和层剪力数值，研究分析其随重构地震波旋转角度的变化规律，分析其最大值和最小值所在的角度并计算不同楼层结构地震响应最大值与最小值的比值，对比值进行统计分析。
但目前探究近断层脉冲型地震动输入方向对于非线性结构的影响的相关研究不多，在工程地震方面，对不同输入角度的脉冲型近断层地震动研究能进一步加深对地震震动过程的认识，对于推动近场地震学的发展有重要的理论价值，从而分析得到近断层区域的建筑物和构筑物设计最有利和最不利的方向，及设计中所需要考虑到的放大系数，从而对结构设计提供一定的指导作用。
第2章 建立模型及地震波处理
2.1模型的建立
2.1.1示范结构的设定
（1） 建筑规划
根据《被动减震结构设计·施工手册》的附录2，选取传统型10层钢框架示范结构，模型采用一般办公楼模数：层高3.2m，主梁方向跨度6.4m，进深方向跨度9.6m，如图2.1-2.3所示。建筑物高度为42m，一层层高6m、标准层层高4m。建筑面积860面积，出租率为71％ (图2.1中阴影部分为公用部分)，高宽比X方向上为1.1，Y方向上为1.9.
图2.1 结构平面图
图2.2 结构正、背立面图
图2.3 结构侧立面图
（2）结构规划
1）结构规划条件
基本的结构规划条件如下：
主结构为钢结构，两个方向均为纯框架结构。
柱为工厂焊接箱型组合截面、梁为工厂焊接H型组合截面，材质均为SN490级。
楼板二楼至九楼均为矢高75mmU型钢 厚80mm上部混凝土的压型钢板结构，一楼不设置楼板
楼面荷载包含墙面荷载的基础上，结构采用的楼面荷载如表2.1所示。
地震荷载取用美国太平洋地震数据库(PEER)的实际地震记录所得地震波两分量旋转角度后得到的重构地震波。
在计算振动特性系数时，自振周期T按分析模型的精确计算值取用。的下限按T=0.03H（H为建筑物高度）求得自振周期T后算得值的3/4。
地基种类取第 2 种地基。
根据建筑基准法对应力应变等数值进行验算和构件设计。
表2.1 楼面荷载（恒荷载）
位置 | 项目 | N/ |
办公室（标准层） | 天棚 办公楼面荷载 装修 设备 混凝土外墙（换算成楼面积） 内部干式墙（换算成楼面积） U型钢（矢高 75，t=1.2） U型钢混凝土填充（等效厚度 t=125） 总计 | 150 500 100 150 1800 100 150 3000 (5950) |
1层 | 设备 装修（瓷砖） 天棚 混凝土外墙（换算成楼面积） 混凝土板（t=200） 总计 | 150 1000 150 1000 4800 (7100) |
屋面（上人） | 天棚 找平层混凝土（t=80） 防水层设 备机器及基础 遮阳棚（换算成楼面积） 混凝土墙（换算成楼面积） U 型钢（矢高 75，t=1.2） U 型钢混凝土填充（等效厚度 t=125） 总计 | 1500 1840 1000 150 150 1000 150 3000 (8790) |
*钢结构的自重另行计算
*混凝土外墙板、内部干式墙已根据楼面面积换算计入表中
表2.2 荷载表(N/)
位置 | 项目 | 楼板 | 框架用 | 地震用 |
办公室（标准层） | 恒荷载 活荷载 总荷载 | 5950 3000 8790 | 5950 1800 7750 | 5950 800 6750 |
屋面（上人） | 恒荷载 活荷载 总荷载 | 8790 1800 10590 | 8790 1300 10090 | 8790 600 9390 |
- 主结构模型的假定
建筑物1层的柱脚固定，柱脚刚接于地面。
将梁、柱构件置换成杆端弹塑性弹簧杆件。
构件恢复力特性如下：关系为双线性模型，刚度转折点为达到(，)的点，第2斜率为弹性刚度的1/1000。
梁刚度中考虑与楼板的组合效应，刚度的增大系数为：（单侧）和（双侧）。
梁，柱节点均为刚性节点不考虑变形和刚域。
分析仅在Y方向进行，不考虑水平力引起的建筑物的扭转运动，仅考虑沿纵向的水平运动。
表2.3 柱截面表(mm)
