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降低P-Δ效应敏感系统的坍塌能力离散性的新型地震强度指标研究

期刊:Bull Earthquake EngDOI:10.1007/s10518-016-9994-4

这篇文档属于类型a,即报告了一项原始研究,以下为详细的研究报告内容:

主要作者及机构

该研究由Styliani Tsantaki、Christoph Adam(奥地利因斯布鲁克大学应用力学单位)和Luis F. Ibarra(美国犹他大学土木与环境工程系)共同完成。研究于2017年发表在《Bulletin of Earthquake Engineering》期刊上。

学术背景

该研究的主要科学领域为地震工程,特别是针对受P-Delta效应影响的高非弹性单自由度系统(Single-Degree-of-Freedom,SDOF)的抗震能力评估。P-Delta效应是地震工程中一个重要的二阶效应,通常由重力荷载引起,可能导致结构在地震中失稳或倒塌。研究背景知识包括地震动强度指标(Intensity Measures,IMs)的优化选择,特别是如何通过改进IMs来减少由于地震动记录变异性引起的抗震能力离散性。研究的目标是提出并评估两种基于弹性伪谱加速度的IMs,以减少受P-Delta效应影响的非退化SDOF系统的倒塌能力离散性。

详细研究流程

研究分为以下几个主要步骤:

  1. IMs的选择与定义

    • 研究首先提出了两种IMs:第一种是基于结构振动周期和延长周期之间的谱伪加速度平均值(Spectral Pseudo-Acceleration Averaged over a Period Interval,SA,GM);第二种是在重力荷载存在下系统周期处的5%阻尼谱伪加速度(SA(Tpd))。
    • 这些IMs与传统的地震动强度指标(即不考虑P-Delta效应的5%阻尼谱伪加速度SA(T))进行了对比。
  2. 研究对象与样本规模

    • 研究对象为受P-Delta效应影响的非退化双线性SDOF系统。研究考虑了多种系统配置,包括不同的结构周期(0.1 s ≤ Tsdof ≤ 5.0 s)和负后屈服刚度比(0.04 ≤ h - a ≤ 0.80)。
    • 研究使用了FEMA P-695远场地震动记录集中的44条地震动记录进行动态分析。
  3. 实验与分析方法

    • 研究采用了增量动力分析(Incremental Dynamic Analysis,IDA)来确定每种系统配置的倒塌能力。IDA通过逐渐增加地震动强度,直到结构达到倒塌状态,从而确定每个记录的倒塌容量。
    • 倒塌能力的离散性通过统计方法进行评估,计算了中值、16%和84%分位值,并定义了离散度量s*来衡量倒塌能力的变异性。
  4. 数据处理与IMs评估

    • 通过不同周期间隔的SA,GM进行倒塌能力离散性的参数化研究,确定了最优的周期间隔,即上界周期为系统周期的1.6倍。
    • 对SA(Tpd)进行统计分析,验证其在不同负后屈服刚度比下的效率。

主要结果

  1. SA,GM的效率

    • 研究发现,当负后屈服刚度比h - a ≤ 0.45时,基于最优周期间隔(1.6倍系统周期)的SA,GM能够显著减少倒塌能力的离散性,平均离散度量s*约为0.23,相比传统IM的0.37有显著提升。
    • 当h - a > 0.45时,SA,GM的效率逐渐降低。
  2. SA(Tpd)的效率

    • 对于h - a > 0.45的系统,SA(Tpd)表现出更高的效率,能够进一步减少倒塌能力的离散性。
    • 当h - a ≥ 0.60时,SA(Tpd)成为最有效的地震动强度指标。
  3. IMs的充分性和缩放鲁棒性

    • 研究还对IMs的充分性和缩放鲁棒性进行了评估。结果表明,SA,GM和SA(Tpd)在大多数情况下都能够满足充分性和缩放鲁棒性要求,仅在少数极端情况下存在弱相关性。

结论

该研究提出了两种改进的地震动强度指标SA,GM和SA(Tpd),能够有效减少受P-Delta效应影响的非退化SDOF系统倒塌能力的离散性。研究结果表明,对于负后屈服刚度比h - a ≤ 0.45的系统,SA,GM是最优选择;而对于h - a > 0.45的系统,SA(Tpd)表现出更高的效率。这些结论为地震工程中的抗震设计和评估提供了新的工具和方法。

研究亮点

  1. 新颖的地震动强度指标

    • 提出的SA,GM和SA(Tpd)首次将P-Delta效应纳入地震动强度指标的计算中,显著减少了倒塌能力的离散性。
  2. 广泛的应用价值

    • 该研究为地震工程中的抗震设计提供了新的方法,特别是在评估高非弹性系统的抗震能力时具有重要的实际应用价值。
  3. 系统性参数化研究

    • 研究通过广泛的参数化分析,确定了最优的周期间隔和IMs的效率范围,为后续研究提供了重要的参考。

其他重要内容

研究还详细讨论了IMs的充分性和缩放鲁棒性,验证了SA,GM和SA(Tpd)在不同地震动特征下的适用性。此外,研究结果与多个国际标准(如Eurocode 8、ASCE/SEI 41-13)的建议进行了对比,进一步验证了其科学性和实用性。

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