曹 芳

(合肥市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230041)

時(shí)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(jì)研究院，安徽 合肥 230041)

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

時(shí)程分析，建筑結(jié)構(gòu)，反應(yīng)譜，地震動(dòng)

0 引言

工程結(jié)構(gòu)時(shí)程分析方法可以得到結(jié)構(gòu)在整個(gè)時(shí)間歷程上的地震反應(yīng)以及各個(gè)構(gòu)件特性的變化歷程，從而更精確地對(duì)結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行評(píng)估[1]。隨著結(jié)構(gòu)分析計(jì)算技術(shù)的不斷進(jìn)步和計(jì)算機(jī)計(jì)算速度的加快，結(jié)構(gòu)時(shí)程分析方法的應(yīng)用也將會(huì)越來越普遍。目前，幾乎所有國(guó)內(nèi)外抗震規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)時(shí)程分析方法都作了相應(yīng)的規(guī)定[2]。

結(jié)構(gòu)時(shí)程分析方法已被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)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(jì)算模型和分析方法以及地震動(dòng)輸入兩方面的影響。結(jié)構(gòu)計(jì)算分析方法目前來看已經(jīng)較為成熟，而地震動(dòng)輸入的不確定性成為制約時(shí)程分析發(fā)展的最重要因素，具有決定性作用。

地震動(dòng)輸入的合理選取是結(jié)構(gòu)時(shí)程分析方法的重要基礎(chǔ)，目前各國(guó)抗震規(guī)范對(duì)地震動(dòng)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(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。特別地，對(duì)于天然地震動(dòng)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(jì)譜相匹配，因此需要按照不同的原則進(jìn)行匹配處理和選擇，從而增加了選擇的隨意性。本文對(duì)天然地震動(dòng)記錄選擇過程中頻段控制原則和強(qiáng)震持時(shí)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(jìn)行分析討論，為時(shí)程分析方法合理選擇天然地震動(dòng)輸入提供參考。

1 常用選取原則

我國(guó)GB 50011-2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)時(shí)程分析方法作了相應(yīng)的規(guī)定，要求按照規(guī)范的場(chǎng)地類型和設(shè)計(jì)地震分組相關(guān)規(guī)定，選用實(shí)際強(qiáng)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(jì)譜在統(tǒng)計(jì)意義上相反，且加速度峰值需要按照規(guī)定采用。此外，對(duì)彈性時(shí)程分析每條記錄的計(jì)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(dòng)記錄，所選記錄的峰加速度值平均值不小于場(chǎng)地設(shè)計(jì)地面運(yùn)動(dòng)加速度與場(chǎng)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(jì)反應(yīng)譜值的90%。美國(guó)ASCE-7規(guī)范要求所選擇的地震動(dòng)記錄的震級(jí)、震中距、震源機(jī)制與設(shè)計(jì)的場(chǎng)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(dòng)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(duì)地震動(dòng)輸入的選擇規(guī)定來看，對(duì)記錄的數(shù)量要求至少為3條，當(dāng)取3條時(shí)通常以計(jì)算得到的最大值作為評(píng)價(jià)值，當(dāng)取5條以上時(shí)，則以平均值作為評(píng)價(jià)值，從而滿足統(tǒng)計(jì)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(jì)譜在整個(gè)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(jìn)行控制。強(qiáng)震持時(shí)是地震動(dòng)的重要特征，然而目前各國(guó)規(guī)范對(duì)持時(shí)都沒有作出具體的規(guī)定，主要原因是已有研究表明，強(qiáng)震持時(shí)對(duì)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(fù)振動(dòng)多次即可，比如我國(guó)規(guī)范給出了5倍～10倍結(jié)構(gòu)自振周期的有效持時(shí)建議。從目前各國(guó)規(guī)范的常用選取原則可以看出，選取天然地震動(dòng)記錄時(shí)，會(huì)存在頻段控制原則以及強(qiáng)震持時(shí)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(shí)，選擇到一組記錄均值譜能與設(shè)計(jì)譜在整個(gè)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜周期范圍內(nèi)各周期點(diǎn)都相差很小是比較困難的，因此通常只是在部分頻段進(jìn)行均值譜與設(shè)計(jì)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(zhǎng)，以及高階振型的影響而選擇一定的周期范圍進(jìn)行匹配控制，選取的記錄樣本僅在控制周期范圍進(jìn)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(guó)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(xiàn)[4]認(rèn)為在合理的周期控制范圍為設(shè)計(jì)反應(yīng)譜平臺(tái)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(huì)帶來地震動(dòng)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(xiàn)[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(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)時(shí)，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(duì)平臺(tái)段周期范圍內(nèi)的譜值進(jìn)行控制，但是平臺(tái)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(jì)譜平臺(tái)段不是控制周期范圍，選取的樣本記錄均值譜在平臺(tái)段譜值可能遠(yuǎn)大于或小于設(shè)計(jì)譜，會(huì)造成按兩種原則選擇記錄計(jì)算結(jié)果有較大差別，因此長(zhǎng)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(dòng)特征，選取合理的頻段控制范圍，對(duì)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(jì)譜的平臺(tái)段，因此可以采用單頻段或雙頻段控制原則。對(duì)于長(zhǎng)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(tái)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(dòng)記錄。

3 強(qiáng)震持時(shí)的不確定性

強(qiáng)震持時(shí)是地震動(dòng)的重要特性，對(duì)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)有重要影響。主要體現(xiàn)在對(duì)結(jié)構(gòu)破壞的累積效應(yīng)上，因此，彈性時(shí)程分析，強(qiáng)震持時(shí)的影響并不明顯，而對(duì)彈塑性時(shí)程分析則有著重要的影響。目前已有不同類型的強(qiáng)震持時(shí)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(shí)指標(biāo)。強(qiáng)震持時(shí)單獨(dú)作為一個(gè)指標(biāo)并沒有太大意義，要與震動(dòng)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(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)起決定性作用的時(shí)間段，而并非地震動(dòng)的持續(xù)時(shí)間[5]。

抗震規(guī)范對(duì)持時(shí)的規(guī)定較為籠統(tǒng)，主要原因?yàn)閺?qiáng)震持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的最大位移和最大承載力等反應(yīng)指標(biāo)的影響并不明顯。盡管強(qiáng)震持時(shí)是地震動(dòng)的重要特征，但是目前為止并沒有一個(gè)較好的強(qiáng)震持時(shí)指標(biāo)可以反映地震動(dòng)的持時(shí)特征。已有研究表明，強(qiáng)震持時(shí)會(huì)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(píng)價(jià)指標(biāo)，造成規(guī)范對(duì)強(qiáng)震持時(shí)的規(guī)定并不具體。

在選取天然地震動(dòng)記錄時(shí)，強(qiáng)震持時(shí)的影響通常不予考慮也會(huì)帶來分析結(jié)果的不確定性，特別當(dāng)進(jìn)行結(jié)構(gòu)耗能評(píng)價(jià)時(shí)，強(qiáng)震持時(shí)不同會(huì)影響地震動(dòng)輸入能量特征。當(dāng)需要考慮結(jié)構(gòu)累積損傷和耗能需求時(shí)，由于強(qiáng)震持時(shí)的不同會(huì)帶來分析結(jié)果的明顯不同，因此，當(dāng)采用能量指標(biāo)進(jìn)行抗震性能分析，則強(qiáng)震持時(shí)就是一個(gè)重要的參考指標(biāo)?；谏鲜鲈颍谶x取天然地震動(dòng)輸入時(shí)，如果以最大位移或最大承載力作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，則可以放寬對(duì)強(qiáng)震持時(shí)的要求；如果以能量指標(biāo)進(jìn)行評(píng)價(jià)，則需要對(duì)選擇的樣本個(gè)體的強(qiáng)震持時(shí)進(jìn)行合理的控制。

4 結(jié)語

對(duì)結(jié)構(gòu)時(shí)程分析過程中，選取天然地震動(dòng)的影響因素進(jìn)行了討論，對(duì)頻段控制原則和強(qiáng)震持時(shí)對(duì)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(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)則需要采用多頻段控制原則；

2)當(dāng)以能量指標(biāo)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，需要考慮強(qiáng)震持時(shí)的影響，對(duì)樣本中各條記錄的強(qiáng)震持時(shí)差別不能過大，否則會(huì)影響最終的評(píng)價(jià)結(jié)果。

[1] 王亞勇.關(guān)于設(shè)計(jì)反應(yīng)譜、時(shí)程法和能量方法的探討[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2000,21(1):21-28.

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

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

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

[5] 胡聿賢.地震工程學(xué)[M].北京:地震出版社,2006.

[6] 杜修力,劉勇生.強(qiáng)震持時(shí)對(duì)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(dòng)，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

A