時程分析天然記錄選取的不確定因素分析

曹 芳

(合肥市規(guī)劃設(shè)計研究院，安徽 合肥 230041)

時程分析天然記錄選取的不確定因素分析

曹 芳

(合肥市規(guī)劃設(shè)計研究院，安徽 合肥 230041)

介紹了建筑結(jié)構(gòu)時程分析選擇天然地震動記錄的基本原則，對選取過程中頻段控制原則和強震持時等不確定因素進行了分析，為時程分析選擇天然記錄提供參考建議。

時程分析，建筑結(jié)構(gòu)，反應(yīng)譜，地震動

0 引言

工程結(jié)構(gòu)時程分析方法可以得到結(jié)構(gòu)在整個時間歷程上的地震反應(yīng)以及各個構(gòu)件特性的變化歷程，從而更精確地對結(jié)構(gòu)的抗震性能進行評估[1]。隨著結(jié)構(gòu)分析計算技術(shù)的不斷進步和計算機計算速度的加快，結(jié)構(gòu)時程分析方法的應(yīng)用也將會越來越普遍。目前，幾乎所有國內(nèi)外抗震規(guī)范對結(jié)構(gòu)時程分析方法都作了相應(yīng)的規(guī)定[2]。

結(jié)構(gòu)時程分析方法已被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)抗震性能評估，但是，仍然面臨著許多不確定因素的影響，主要包括結(jié)構(gòu)計算模型和分析方法以及地震動輸入兩方面的影響。結(jié)構(gòu)計算分析方法目前來看已經(jīng)較為成熟，而地震動輸入的不確定性成為制約時程分析發(fā)展的最重要因素，具有決定性作用。

地震動輸入的合理選取是結(jié)構(gòu)時程分析方法的重要基礎(chǔ)，目前各國抗震規(guī)范對地震動記錄的類型和選取方法都做了規(guī)定，但是，大部分都比較籠統(tǒng)，沒有給出具體的選取方法和評價標準。特別地，對于天然地震動記錄的選擇，由于很難選擇某一條記錄可以與規(guī)范設(shè)計譜相匹配，因此需要按照不同的原則進行匹配處理和選擇，從而增加了選擇的隨意性。本文對天然地震動記錄選擇過程中頻段控制原則和強震持時等影響結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析結(jié)果的主要因素的不確定性進行分析討論，為時程分析方法合理選擇天然地震動輸入提供參考。

1 常用選取原則

我國GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范對時程分析方法作了相應(yīng)的規(guī)定，要求按照規(guī)范的場地類型和設(shè)計地震分組相關(guān)規(guī)定，選用實際強震記錄和人工模擬記錄，選取記錄的數(shù)量沒有作明確的規(guī)定，只要求天然記錄的數(shù)量不少于總數(shù)的2/3，多組記錄的平均反應(yīng)譜與設(shè)計譜在統(tǒng)計意義上相反，且加速度峰值需要按照規(guī)定采用。此外，對彈性時程分析每條記錄的計算結(jié)果也作了相關(guān)規(guī)定。

歐洲規(guī)范EC-8要求選擇至少3條地震動記錄，所選記錄的峰加速度值平均值不小于場地設(shè)計地面運動加速度與場地系數(shù)的乘積，在0.2倍～2倍結(jié)構(gòu)自振周期范圍內(nèi)記錄平均反應(yīng)譜值不小于設(shè)計反應(yīng)譜值的90%。美國ASCE-7規(guī)范要求所選擇的地震動記錄的震級、震中距、震源機制與設(shè)計的場地條件相一致，在0.2倍～1.5倍結(jié)構(gòu)自振周期范圍內(nèi)，選擇的地震動記錄平均反應(yīng)譜不應(yīng)小于規(guī)范反應(yīng)譜[3]。

從上述不同規(guī)范對地震動輸入的選擇規(guī)定來看，對記錄的數(shù)量要求至少為3條，當取3條時通常以計算得到的最大值作為評價值，當取5條以上時，則以平均值作為評價值，從而滿足統(tǒng)計意義上相符的要求。由于很難選取到一組記錄樣本滿足均值譜與設(shè)計譜在整個周期范圍內(nèi)均可以較好匹配，所以通常只在重要的頻段內(nèi)進行控制。強震持時是地震動的重要特征，然而目前各國規(guī)范對持時都沒有作出具體的規(guī)定，主要原因是已有研究表明，強震持時對結(jié)構(gòu)承載力和位移分析影響并不明顯，只需要保證結(jié)構(gòu)可以往復振動多次即可，比如我國規(guī)范給出了5倍～10倍結(jié)構(gòu)自振周期的有效持時建議。從目前各國規(guī)范的常用選取原則可以看出，選取天然地震動記錄時，會存在頻段控制原則以及強震持時的不確定性問題。

2 頻段控制原則的影響

在選取的記錄樣本數(shù)量較少時，選擇到一組記錄均值譜能與設(shè)計譜在整個設(shè)計反應(yīng)譜周期范圍內(nèi)各周期點都相差很小是比較困難的，因此通常只是在部分頻段進行均值譜與設(shè)計譜匹配選擇。目前選擇控制周期范圍的原則是綜合考慮結(jié)構(gòu)發(fā)生非彈性變形后周期的延長，以及高階振型的影響而選擇一定的周期范圍進行匹配控制，選取的記錄樣本僅在控制周期范圍進行擬合。如，ASCE-7規(guī)范給予的控制周期范圍為0.2倍～1.5倍結(jié)構(gòu)自振周期范圍，我國抗震規(guī)范并沒有給出具體的選擇控制周期范圍的原則，文獻[4]認為在合理的周期控制范圍為設(shè)計反應(yīng)譜平臺段和結(jié)構(gòu)自振周期周圍。從上述的選擇原則來看，一般都以結(jié)構(gòu)自振周期作為參考選取一定的控制頻段。

采用不同的頻段控制范圍會帶來地震動輸入選取的不確定性，因此確定合理的頻段控制原則較為重要。以文獻[4]的雙頻段控制原則和0.2倍～1.5倍結(jié)構(gòu)自振周期范圍的單頻段控制原則為例進行對比分析，當結(jié)構(gòu)為長周期結(jié)構(gòu)時，二者控制周期范圍有明顯區(qū)別，主要在于單頻段控制范圍內(nèi)，下限0.2倍自振周期可能已經(jīng)超過特征周期，無法對平臺段周期范圍內(nèi)的譜值進行控制，但是平臺段的影響可能也較為明顯。因此，按單周期段選取原則，由于設(shè)計譜平臺段不是控制周期范圍，選取的樣本記錄均值譜在平臺段譜值可能遠大于或小于設(shè)計譜，會造成按兩種原則選擇記錄計算結(jié)果有較大差別，因此長周期結(jié)構(gòu)按照雙周期段選擇記錄要比單周期段選擇記錄合理。而中短周期結(jié)構(gòu)，由于二者的控制頻段基本重合，不存在上述問題。

從上述分析可知，頻段控制原則的確定要充分考慮結(jié)構(gòu)的振動特征，選取合理的頻段控制范圍，對于中短周期結(jié)構(gòu)，由于高階振型的影響可能并不明顯，而且比較接近設(shè)計譜的平臺段，因此可以采用單頻段或雙頻段控制原則。對于長周期結(jié)構(gòu)，由于高階振型的影響比較明顯，采用單頻段可能無法考慮到高階振型的影響，而且平臺段也無法較好匹配，建議采用多頻段控制原則選取天然地震動記錄。

3 強震持時的不確定性

強震持時是地震動的重要特性，對結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)有重要影響。主要體現(xiàn)在對結(jié)構(gòu)破壞的累積效應(yīng)上，因此，彈性時程分析，強震持時的影響并不明顯，而對彈塑性時程分析則有著重要的影響。目前已有不同類型的強震持時定義，但并沒有可以較好地反應(yīng)結(jié)構(gòu)累積破壞特征的持時指標。強震持時單獨作為一個指標并沒有太大意義，要與震動幅值和頻譜特征相聯(lián)系，在工程意義上才較為合理。此外，應(yīng)該定義為對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)起決定性作用的時間段，而并非地震動的持續(xù)時間[5]。

抗震規(guī)范對持時的規(guī)定較為籠統(tǒng)，主要原因為強震持時對結(jié)構(gòu)的最大位移和最大承載力等反應(yīng)指標的影響并不明顯。盡管強震持時是地震動的重要特征，但是目前為止并沒有一個較好的強震持時指標可以反映地震動的持時特征。已有研究表明，強震持時會影響結(jié)構(gòu)的累積損傷特征[6]，但是目前大部分的結(jié)構(gòu)抗震分析方法仍然是以結(jié)構(gòu)反應(yīng)的最大值作為評價指標，造成規(guī)范對強震持時的規(guī)定并不具體。

在選取天然地震動記錄時，強震持時的影響通常不予考慮也會帶來分析結(jié)果的不確定性，特別當進行結(jié)構(gòu)耗能評價時，強震持時不同會影響地震動輸入能量特征。當需要考慮結(jié)構(gòu)累積損傷和耗能需求時，由于強震持時的不同會帶來分析結(jié)果的明顯不同，因此，當采用能量指標進行抗震性能分析，則強震持時就是一個重要的參考指標?；谏鲜鲈?，在選取天然地震動輸入時，如果以最大位移或最大承載力作為評價指標，則可以放寬對強震持時的要求；如果以能量指標進行評價，則需要對選擇的樣本個體的強震持時進行合理的控制。

4 結(jié)語

對結(jié)構(gòu)時程分析過程中，選取天然地震動的影響因素進行了討論，對頻段控制原則和強震持時對分析結(jié)果的不確定性展開了分析，得到以下結(jié)論：

1)頻段控制原則的確定需要考慮結(jié)構(gòu)的自振周期特征，中短周期結(jié)構(gòu)可以采用單頻段控制原則，而長周期結(jié)構(gòu)則需要采用多頻段控制原則；

2)當以能量指標對結(jié)構(gòu)抗震性能進行評價時，需要考慮強震持時的影響，對樣本中各條記錄的強震持時差別不能過大，否則會影響最終的評價結(jié)果。

[1] 王亞勇.關(guān)于設(shè)計反應(yīng)譜、時程法和能量方法的探討[J].建筑結(jié)構(gòu)學報,2000,21(1):21-28.

[2] GB 50011-2010，建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3] 曲 哲,葉列平,潘 鵬.建筑結(jié)構(gòu)彈塑性時程分析中地震動記錄選取方法的比較研究[J].土木工程學報,2011,44(7):10-21.

[4] 楊 溥,李英民,賴 明.結(jié)構(gòu)時程分析法輸入地震波的選擇控制指標[J].土木工程學報,2000,33(6):33-37.

[5] 胡聿賢.地震工程學[M].北京:地震出版社,2006.

[6] 杜修力,劉勇生.強震持時對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)地震累積破壞的影響[J].地震工程與工程振動，1992,12(3):65-70.

Analysis on uncertain factors in selecting nature records for time history analysis

CAO Fang

(HefeiPlanningandDesignResearchInstitute,Hefei230041,China)

Basic principles of selecting nature records for time history analysis of building structure are introduced. Uncertain factors on control basis of frequency scope and strong motion duration are analyzed. Some suggestions are provided for selecting nature records.

time history analysis， building structure， response spectrum， ground motion

1009-6825(2014)22-0034-02

2014-05-26

曹 芳(1980- )，女，工程師

TU311

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