強(qiáng)震動記錄選取中目標(biāo)譜的研究及應(yīng)用

李　琳

(中國地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

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強(qiáng)震動記錄選取中目標(biāo)譜的研究及應(yīng)用

李琳

(中國地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

隨著強(qiáng)震動觀測技術(shù)的發(fā)展， 強(qiáng)震動觀測數(shù)據(jù)的累積推動了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計理論的發(fā)展。 目前， 在許多國家的抗震規(guī)范中都將結(jié)構(gòu)動態(tài)時程分析方法列為靜態(tài)設(shè)計方法的必要補(bǔ)充， 但對于高層建筑、 大跨結(jié)構(gòu)等特殊結(jié)構(gòu)形式及重要建設(shè)工程， 要求強(qiáng)制使用動態(tài)時程分析方法。 我國結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于強(qiáng)震動記錄選取的規(guī)定過于籠統(tǒng)， 結(jié)構(gòu)設(shè)計人員在面對大量強(qiáng)震動記錄數(shù)據(jù)時缺乏明確的選取依據(jù)。 本文搜集整理了國內(nèi)外現(xiàn)有強(qiáng)震動記錄數(shù)據(jù)， 通過對地震參數(shù)的統(tǒng)計， 提出基于場地類型的改進(jìn)反應(yīng)譜譜值相關(guān)系數(shù)經(jīng)驗公式， 并將其應(yīng)用于條件均值反應(yīng)譜(conditions mean spectrum， CMS)的建立。 同時， 本文基于地震動衰減關(guān)系建立地震信息與抗震設(shè)計參數(shù)的對應(yīng)關(guān)系， 將其作為匹配規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)譜選波方法的篩選依據(jù)， 進(jìn)而明確了抗震規(guī)范中強(qiáng)震動記錄選取的初選條件。 研究中發(fā)現(xiàn)， 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)譜不宜作為譜形匹配選取強(qiáng)震動記錄的目標(biāo)譜， 因此， 提出兩種建立合理目標(biāo)譜的方法： 一是基于地震動衰減關(guān)系建立PGA目標(biāo)譜； 另一是基于地震參數(shù)建立EPA均值目標(biāo)譜。 最后探討了在地震安全性評價工作中實際強(qiáng)震動記錄的選取及應(yīng)用。

本文主要研究內(nèi)容及結(jié)論如下：

(1) 通過對20000余條強(qiáng)震動記錄的地震動參數(shù)進(jìn)行分析， 發(fā)現(xiàn)記錄的加速度、 速度及位移峰值和反應(yīng)譜譜值的相關(guān)系數(shù)的分界周期點隨著場地條件而變化， 并提出基于場地類別改進(jìn)反應(yīng)譜譜值相關(guān)系數(shù)經(jīng)驗公式。 改進(jìn)后的反應(yīng)譜譜值相關(guān)系數(shù)經(jīng)驗公式改善了目標(biāo)譜的場地特征， 使其更符合場地條件的要求。

(2) 針對抗震設(shè)計規(guī)范中關(guān)于強(qiáng)震動記錄選取的相關(guān)條款， 提出強(qiáng)震動記錄選取的基本原則和具體方法， 為完善相關(guān)規(guī)定提供參考依據(jù)。 針對一般建設(shè)工程， 依據(jù)地震動加速度峰值(PGA)衰減關(guān)系， 提出同等設(shè)防PGA目標(biāo)值對應(yīng)的地震參數(shù)范圍， 建立斷層距和地震設(shè)計分組的對應(yīng)關(guān)系， 進(jìn)而確定強(qiáng)震動記錄選取的初選條件。 討論了結(jié)構(gòu)響應(yīng)和強(qiáng)震動記錄反應(yīng)譜譜值的關(guān)系， 以典型框架結(jié)構(gòu)為例確定匹配周期范圍。 結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)與強(qiáng)震記錄反應(yīng)譜相關(guān)性分析表明， 兩者在結(jié)構(gòu)自振周期前后相關(guān)關(guān)系最為顯著， 距離自振周期越遠(yuǎn)的反應(yīng)譜值與結(jié)構(gòu)反應(yīng)的相關(guān)系數(shù)越小。 基于以上分析， 建立了選取強(qiáng)震記錄的基本原則： 以距離和場地條件作為強(qiáng)震動記錄選取第一限制條件。 根據(jù)結(jié)構(gòu)自振周期確定匹配規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)譜周期范圍， 建議的匹配周期范圍為0.4T1～1.5T1， 最后由實際記錄與規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)譜在匹配周期范圍內(nèi)的均方差由小到大的順序選取記錄， 記錄的放縮系數(shù)限定在0.2～4.0之間。

(3) 本文基于地震動衰減關(guān)系， 建立PGA目標(biāo)譜并匹配目標(biāo)分布的強(qiáng)震動記錄的選取方法。 對于未進(jìn)行地震安全性評價， 無法提出地震參數(shù)的一般建筑工程擬建場地， 先利用PGA衰減關(guān)系， 確定同等PGA目標(biāo)值下的震級和距離， 再代入加速度反應(yīng)譜衰減關(guān)系， 確定與PGA目標(biāo)值對應(yīng)的反應(yīng)譜即為PGA目標(biāo)譜。 PGA目標(biāo)譜不僅是確定的均值譜， 而且具有概率含義。 PGA目標(biāo)譜的分布及概率特性反應(yīng)了地震動的不確定性， 進(jìn)而為結(jié)構(gòu)反應(yīng)的離散性提供了一個合理的參考范圍。

(4) 本文按場地條件和斷層距將現(xiàn)有強(qiáng)震動記錄數(shù)據(jù)分組， 建立EPA均值目標(biāo)譜。 通過將EPA均值譜、 PGA目標(biāo)譜和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)譜進(jìn)行比較， EPA均值譜與PGA目標(biāo)譜譜形相似均具有良好譜形， 匹配效果優(yōu)于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)譜。 建議規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)譜作為強(qiáng)震記錄選取的目標(biāo)譜時， 需要： ① 增加特征周期； ② 減小地震設(shè)計分組1、 2組， 場地類型為I類場地和II類場地的中長周期段反應(yīng)譜值。

(5) 探討了地震安全性評價工作中強(qiáng)震動記錄的選取， 結(jié)合不同等級的工程場地地震安全性評價， 提出與之相適應(yīng)的強(qiáng)震記錄選取的基本方法及原則， 建議如下：

① I級安評的工程場地， 采取基于設(shè)定地震的強(qiáng)震動記錄選取方法。 首先根據(jù)設(shè)定地震確定地震參數(shù)的初選條件， 然后以場地設(shè)計譜作為目標(biāo)譜， 匹配場地設(shè)計譜選取記錄。

② II級和III級安評的工程場地， 采取建立條件均值目標(biāo)譜的方法。 即以場地設(shè)計譜上結(jié)構(gòu)特征周期點對應(yīng)的加速度反應(yīng)譜值為條件， 利用設(shè)定地震的震級和距離等基于加速度反應(yīng)譜衰減關(guān)系建立條件均值目標(biāo)譜， 并采取匹配條件均值目標(biāo)譜分布的方法選取強(qiáng)震動記錄。

③ Ⅳ級安評的工程場地， 根據(jù)目標(biāo)PGA值， 采取PGA目標(biāo)譜的方法選取強(qiáng)震動記錄。

關(guān)鍵詞強(qiáng)震動記錄； 反應(yīng)譜； 地震動峰值加速度； 時程分析； 目標(biāo)譜

(作者電子信箱， 李琳： lilin559@sina.com)

中圖分類號：P315.6；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.03.015