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功率谱参数的误差源及其对多点地震动和大跨桥梁结构反应的敏感性分析
作者: 柳国环,练继建,刘卓,田利,国巍
 

 

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功率谱参数的误差源及其对多点地震动和大跨桥梁结构反应的敏感性分析
第47 卷第7 期《哈尔滨工业大学学报》 
2015
    
摘要:大跨结构承受地震差动(多点地震动)的研究涉及到三个步骤:(1)通过规范反应谱求解地震动目标频谱(目标功率谱);(2)采用目标功率谱模拟时域内多点地震动信号;(3)将多点地震动作为输入计算大跨结构的多点地震反应。首先,回顾通过规范反应谱求解地震动目标频谱参数的两种方法:直接转化法和逐步积分法;然后,开发求解频谱参数的可视化程序TJU.SPSP,并计算给出具体参数,由此指出求解方法不同而导致参数间误差的根本来源;其次,更新了多点地震动模拟程序MEMS_b至新版本,总结了地震动能量与场地类型、功率谱模型之间的关系,验证了直接法和积分法对幅值和主频带宽影响的不容忽视性,进而强调了功率谱模型中描述低频分量参数的重要性且不应忽略。同时,澄清了功率谱模型中阻尼比及二层过滤阻尼比的物理和数学意义,以区别于以往的普遍认识。最后,以一实际桥梁工程为例,从结构的地震反应角度进一步验证了上述理论分析的正确性。
关键词:大跨结构;多点地震动;反应谱;功率谱;低频分量;桥梁
中图分类号:P315.9;U442   文献标识码:A     文章编号:

                      


Abstract: Three aspects are generally involved in the research about the seismic responses of long-span structure under multi-point ground motions: (1) obtaining the target power spectrum density (PSD) fitting to code response spectrum (CRS). (2) simulating the multi-point ground motions using the obtained target PSD. (3) computing the seismic response of long-span structure under the simulated multi-point ground motions histories. In this paper, two methods that are respectively direct and integral method and usually used to solve the parameters in target PSD model according to CRS are firstly reviewed. Then, developing a visualization program named TJU.SPSP, the main functions of TJU.SPSP include the calculation the parameters of PSD and list the parameter values in fixed format. According to the results, the fundamental error source and difference between the different methods can be analyzed obviously. Moreover, the program for multi-point earthquake motions simualtion (MEMS) is updated and the relation between earthquake-induced ground motion energy and site soil type are summarized. While, it indicate that the two methods have significant influence on the amplitude and band width of dominant frequency. So, it further pointed out that the parameters describing the low-frequency component in PSD models are important and can’t be ignored .Furthermore, the physical and mathematical significance of damping ratio in PSD models are clarified, which are different from original viewpoints. At last, to further verify the validity of the theoretical analysis above, the seismic responses of a long-span bridge as numerical example are analyzed.  
Keywords: long-span structure; multi-point ground motion; response spectrum; power spectrum; low-frequency component;
bridge
                
 
                                                                                                                                                       430m 超高层, ABAQUS+TJU .plastics 程序, 天津大学,www.liuguohuan.net                基于三种功率谱的计算结果
 

引言
    地震作为一种能量巨大的偶然荷载,其所带来的后果是灾难性的,因此一直受到工程界的高度关注。研究者们根据其固有的随机性特点,建立了各种地震动随机模型,其中金井清功率谱模型、胡聿贤-周锡元改进模型和Clough-Penzien功率谱模型应用较为广泛。上述三种模型之间的区别主要体现在低频部分的能量分布上,这一点对于工程结构尤其对于长周期结构而言,功率谱模型的选择更为重要。而且,功率谱模型中均涉及到物理意义为阻尼比的拟合参数,根据田利等[[i]]人的计算结果,该参数的拟合结果均在0.5以上,这显然远大于实际结构中的阻尼比,而这一点易被忽略。因此,以上三种功率谱模型的物理意义值得进一步商榷。
在进行有关地震动的设计或研究工作时,应先根据相关规范进行反应谱与功率谱之间的转换。转换方法主要包括直接转化法和逐步积分法。直接转化法是在随机理论及结构动力学理论的基础之上,进行适当的近似处理,依此建立了反应谱与规范谱之间的显式公式,应用起来十分方便;而逐步积分法则严格依据理论,并结合迭代方法反复试算,所得结果更为精确。虽然直接转化法应用简单,但有必要对其结果进行检核以满足工程的要求。
本文首先回顾通过规范反应谱求解地震动目标频谱参数的直接转化法和逐步积分法;然后,开发求解频谱参数的可视化程序TJU.SPSP,并计算给出具体参数,指出求解方法不同而导致参数间误差的根本来源;进而,更新MEMS_b至新版本,明确了地震动能量与场地类型、功率谱模型之间的关系,进行直接法和积分法对幅值和主频带宽影响的不容忽视性验证,强调了低频分量参数的重要性;此外,重新对功率谱模型中阻尼比及二层过滤阻尼比的物理和数学意义加以澄清,以区别以往的普遍认识;最后,以一实际桥梁工程为例进行进一步验证。本文研究内容兼有理论和实用意义,可直接为研究和工程应用提供参考。
 

 


结论

  本文集中研究了三种地震动功率谱模型,研究应用直接法和积分法所导致的目标功率谱参数的误差,及其这些参数对多点地震动时域信号和大跨结构地震反应的敏感性影响,总结如下:
  1. 详细分析了直接转化法和逐步积分法计算结果的差异,并明确分析了造成误差的根本原因,进一步验证积分法的有效性。
  2. 开发了可视化程序TJU.SPSP,计算给出了3种功率谱模型4类场地的共72组具体参数,可为规范规程的完善和补充提供参考程序TJU.SPSP界面操作方便、简单实用,可直接应用于桥梁、建筑和电力设施的实际工程。在上述研究基础之上,进一步更新了多点地震动模拟程序MEMS_b至新版本,其特点是引入上述了三种谱参数,相对于以往版本更直接、更方便。同时,应用本程序所得的计算结果验证了直接法和积分法对幅值和主频带宽影响的不容忽视性,进而强调了功率谱模型中描述低频分量参数的重要性且不应忽略,总结了多点地震动的能量与4类场地、3种功率谱模型之间在性质和量化上的关系,进而从能量角度说明了上述理论分析的合理性。
  3. 澄清了功率谱模型中阻尼比 及二层过滤阻尼比 的物理和数学意义,这一点区别于以往的普遍认识。

参考文献(References):
[1] 田利,李宏男. 基于《电力设施抗震设计规范》的地震动随机模型参数研究[J]. 防灾减灾工程学报,2010,30(1):
17-22.
     Tian Li, Li Hongnan. Parameter study on seismic random model based on code for design of seismic of electrical installations[J]. Journal of disaster prevention and mitigation engineering, 2010, 30(1): 17-22.
[2]  Maharaj K. Kaul. Stochastic characterization of earthquakes through their response spectrum [J]. Earthquake engineering and structural dynamics, 1978, Vol. 6: 497-509.
      D. E. Cartwright, M. S. Longuet-Higgins. The statistical distribution of maxima of a random function [J].
[3]  李桂青,曹宏,李秋胜. 结构动力可靠性理论及其应用[M]. 北京:地震出版社,1993.
[4]  Davenport A G. Note on the distribution of the largest value of a random function with application to gust loading [J]. Proceedings of the Institution of Civil Engineering,1994,(28):187-196.
[5]  Housner G W, Jennings P C. Generation of artificial earthquake[J]. Journal of the Engineering Mechanics Divison,ASEC,1964,90(1):113-150.
[6]  Amin M, Ang A H-S. Nonstationary stochastic model of earthquake motion [J]. Journal of the Engineering Mechanics Division,1968,94(EM 2):559-583.
[7]  薛素铎,王雪生,曹资. 基于新抗震规范的地震动个随机模型参数研究[J]. 土木工程学报,2003,36(5):5-10.
      xueSuduo, Wang Xuesheng, Cao Zi. Paremeters study on seismic random model based on the new seismic code[J]. China
      civil engineering journal, 2003, 36(5): 5-10.
[8]  江近仁,洪峰. 功率谱与反应谱的转换和人造地震波[J]. 地震工程与工程振动,1984,4(3):1-10.
      Jiang Jinren, Hong Feng. Transformation between power spectrum and response spectrum and artificial seismic wave[J]. Earthquake engineering and engineering vibration, 1984, 4(3): 1-10.
[9] 重庆交通科研设计院,公路桥梁抗震设计细则[S]. (JTG/T B02-01-2008),人民交通出版社,2008.
    Chongqing Communication Research and Design Institute, Guidelines for Seismic Design of Highway Bridges [S]. (JTG/T B02-01-2008), China Communication Press, 2008.
[10] 中华人民共和国住房和城乡建设部,建筑抗震设计规范[S].(GB 50011-2010),中国建筑工业出版社,2010.
       Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People's Republic of China, Code for Seismic Design of Building[S].(GB 50011-2010),China Architecture & Building Press , 2010.
[11] 中华人民共和国电力工业部,电力设施抗震设计规范[S]. (GB 50260-96), 中国计划出版社,1997.
       The Ministry of Electric Power Industry of the People's Republic of China, Code for design of seismic of electrical installations [S]. (GB 50260-96), China Planning Press, 1997.
[12] 周艺,韦小浩,张陶. 地震动功率谱模型综述[J]. 中国科技信息,2010,(24):54-56.
       Zhou Yi, Wei Xiaohao, Zhang Tao. The earthquake-induced ground motion power spectrum model summary[J]. China science and technology information, 2010, (24): 54-56.


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天津大学 建筑工程学院 ; 天津大学 前沿技术研究院; 国家重点实验室-水利工程仿真与安全