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震灾防御技术 2022年第4期17卷 611-621页

作者：王国波王垚王建宁董正方温州大学建筑工程学院浙江温州325035 中国机械工业集团有限公司北京100080 河南大学土木建筑学院河南开封475004

设计并开展一系列土-结构群相互作用体系振动台试验,考虑结构数量、地震动类型与幅值等参数,研究土-结构群相互作用对结构及场地土响应的影响,并对模型土参数确定方法进行分析。研究结果表明,地表建筑物的存在并不总是减小自由场地面运... 详细信息

设计并开展一系列土-结构群相互作用体系振动台试验,考虑结构数量、地震动类型与幅值等参数,研究土-结构群相互作用对结构及场地土响应的影响,并对模型土参数确定方法进行分析。研究结果表明,地表建筑物的存在并不总是减小自由场地面运动,但地面运动随着地表结构数量的增加而降低;土-结构群相互作用对位于结构群中心的结构响应影响最大,且会放大土体卓越频率附近的响应成分;不同评价指标之间具有不同的侧重点,但均可较好地评价结构群之间的相互作用;输入地震动的总能量越高,土-结构群相互作用越明显。

关键词：振动台试验土-结构相互作用结构-土-结构相互作用土-结构群相互作用

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场地-建筑群地震反应特征分析及空间变异地震动模拟方法研究

场地-建筑群地震反应特征分析及空间变异地震动模拟方法研究

引用

作者：杜振宇东南大学

学位级别：博士

城市震害的准确模拟对于制定合理有效的防灾减灾措施至关重要,而在建筑分布密集的城市区域内,建筑群往往会改变原始场地的动力特性和入射地震波的传播轨迹,且在地震过程中,大量结构作为次生振源在场地空间范围内形成多点振动能量辐射,... 详细信息

城市震害的准确模拟对于制定合理有效的防灾减灾措施至关重要,而在建筑分布密集的城市区域内,建筑群往往会改变原始场地的动力特性和入射地震波的传播轨迹,且在地震过程中,大量结构作为次生振源在场地空间范围内形成多点振动能量辐射,引起地震动的空间变异。这意味着基于自由场假定和一致地震动输入所得出的区域建筑地震响应结果可能不准确,易产生灾情误判。为了在城市震害模拟及快速评估中充分考虑土-结构群动力相互作用(Soil-Structure Cluster Interaction,简称SSCI)的影响,本文采用振动台试验、数值仿真及小波包变换对场地-建筑群系统的地震反应特征进行分析,量化研究了SSCI效应中不同因素对区域地震动的影响,并在此基础上提出了一种城市建筑群空间变异地震动快速模拟方法,具体工作及主要结论如下: (1)土-结构群地震模拟振动台试验研究对缩尺比例为1/20的自由场模型、土-单体结构模型、土-等高度结构群模型和土-多高度结构群模型进行了地震模拟振动台试验,并根据实测数据研究了不同基岩波激励及结构布置方式下系统的动力特性变化与地震反应变异特征。结果表明,结构群改变了场地的质量分布与自振频率,使得场地幅频曲线中的主通带向低频域偏移,并且当入射地震波包含丰富的低频成分时,可能会导致地表产生更为强烈的地震动。这些区别于自由场的场地地震反应特征通常有利于结构群中的短周期(低于场地自振周期)结构,但增加了长周期(高于场地自振周期)结构的潜在破坏风险。 (2)SSCI对地震动影响的参数分析研究针对SSCI效应中的多种驱动因素,包括结构动力特性、结构群规模与布置方式、结构间距、基础尺寸、地震波频谱特征及场地条件等,通过数值模拟研究了结构基底震动在不同参数影响下的变化规律。数值模型采用有限元软件ABAQUS建立,并与试验结果对比验证其有效性。分析结果显示,上部结构可视为嵌入到地表浅埋土层的自由振子,并对基底施加调谐质量阻尼效应,抑制中心频率接近于结构自振频率的地震动分量;在结构群投影区域内,外围结构会阻碍场地的辐射阻尼效应,造成高频振动能量在围合区域内滞留,地震动强度由结构群中心向外递减;增加场地覆土层厚度与剪切波速均能削弱SSCI效应所产生的影响。 (3)地震动变异特征量化分析研究基于小波包算法,采用能量变异指数和空间变异系数定量表征了地震动在结构群扰动下所产生的整体变异与空间变异,并进一步讨论了SSCI效应的主要驱动因素。另一方面,针对建筑集群效应的触发条件和演化规律进行了研究,确定了SSCI退化为土-结构相互作用(Soil-Structure Interaction,简称SSI)所需的结构间距及其影响因素。研究结果表明,结构群质量密度是影响地震动整体变异的主要参数变量;结构间距、结构之间的动力特性差异、覆土层厚度及场地剪切波速会显著影响地震动的空间变异性;SSCI退化为SSI所需要的结构间距与结构自振频率和场地剪切波速有关,并随着这两个参数的减小而增大。 (4)城市建筑群空间变异地震动模拟方法研究以松散型小波包神经网络为代理模型工具,通过机器学习建立了自由场地震动与城市区域地震动之间的非线性映射关系。在该分解集成框架中,采用小波包变换对二维时间序列进行特征降维,通过小波包能量比来描述地震动特征变化并将其作为代理模型的唯一输出,从而实现对自由场地震动的多分辨率频谱调制。代理模型的开发基于1080个虚拟实验结果所生成的数据样本,并涵盖广泛的输入参数及因素水平,能够充分考虑SSCI对地震动的影响并对目标区域内每个结构的地震动输入进行修正。经过算例验证,所预测的结构基底震动其谱能分布和时程曲线均与目标结果吻合良好,峰值加速度误差仅为1.23%。与传统的人工神经网络相比,该代理模型具有调制精度高、样本量需求低等优点。

关键词：土-结构群相互作用空间变异地震动振动台试验数值分析小波包变换机器学习

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