公茂盛,左占宣,趙一男,賈 佳

(中國地震局工程力學(xué)研究所 地震工程與工程振動(dòng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; 地震災(zāi)害防治應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

如何有效防御與減輕地震災(zāi)害是一個(gè)世界性難題,世界各國一直致力于發(fā)展地震工程新理論、新技術(shù)與新方法,以期避免和最大限度減輕地震災(zāi)害。因?yàn)榈卣鹬泄こ探Y(jié)構(gòu)的損傷破壞是造成人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失的最直接和最主要原因,所以對(duì)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行科學(xué)抗震設(shè)防,提高工程結(jié)構(gòu)抗震能力,被國際公認(rèn)為是最有效的防震減災(zāi)手段[1-2]。但無論采取哪種技術(shù)方法提高工程結(jié)構(gòu)抗震能力,都必須首先弄清楚結(jié)構(gòu)所遭受地震作用的破壞特性與規(guī)律。地震造成的強(qiáng)烈地面運(yùn)動(dòng),即地震動(dòng),是工程結(jié)構(gòu)直接遭受的地震作用,也是導(dǎo)致工程結(jié)構(gòu)地震破壞的最直接外部原因,因此探明地震動(dòng)的工程特性及其對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)與損傷的影響機(jī)理與規(guī)律,并在抗震設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)分析中全面考慮,是提高和改善工程結(jié)構(gòu)抗震能力、減輕地震災(zāi)害的最關(guān)鍵問題。地震動(dòng)工程特性由三個(gè)要素衡量與決定,即:幅值大小、頻譜成分和持時(shí)長短,這三個(gè)要素共同決定了地震動(dòng)對(duì)工程結(jié)構(gòu)的破壞作用,其中有關(guān)地震動(dòng)頻譜和幅值對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響一直是地震工程領(lǐng)域熱門研究課題,國內(nèi)外已經(jīng)開展了廣泛研究,相關(guān)成果也在各國抗震設(shè)計(jì)與評(píng)估中有明確體現(xiàn)和應(yīng)用。實(shí)際上,不同地震產(chǎn)生的地震動(dòng)持時(shí)長短差異甚大,短者僅僅數(shù)秒,長者可達(dá)數(shù)百秒,如2008年我國汶川地震中地震動(dòng)總持時(shí)長達(dá)180 s,2011年東日本大地震中地震動(dòng)總持時(shí)長達(dá)300 s。這兩次地震也是造成巨大地震災(zāi)害的典型震例,其震害嚴(yán)重除了與震級(jí)大、地震動(dòng)幅值高有關(guān)外,與地震中地面強(qiáng)震動(dòng)持續(xù)時(shí)間長也有很大關(guān)系,即較長持時(shí)的地震動(dòng)可能會(huì)導(dǎo)致更為嚴(yán)重的工程結(jié)構(gòu)損傷破壞進(jìn)而引起嚴(yán)重的地震災(zāi)害。

研究者和工程人員早已注意到這個(gè)問題,針對(duì)地震動(dòng)持時(shí)特性及其對(duì)工程結(jié)構(gòu)的影響開展了大量研究。但關(guān)于地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響,目前不同研究者分析結(jié)果與結(jié)論不一致,有些學(xué)者以加速度或位移變形為指標(biāo)分析持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響,發(fā)現(xiàn)地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)影響較小,而有些學(xué)者分析地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)滯回耗能和累積損傷指數(shù)等參數(shù)影響,卻表明較長持時(shí)的地震動(dòng)會(huì)明顯加重結(jié)構(gòu)損傷程度[3-7]。作者初步研究發(fā)現(xiàn):即使地震動(dòng)的幅值及頻譜相差很小,長持時(shí)地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)造成的累積損傷更為嚴(yán)重,對(duì)結(jié)構(gòu)位移延性需求是短持時(shí)地震動(dòng)的1.3～2.5倍,結(jié)構(gòu)滯回耗能及損傷指數(shù)則會(huì)增加30%以上,結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)、地震反應(yīng)分析與安全性評(píng)估中不可忽略地震動(dòng)持時(shí)的影響[8-9]。但令人遺憾的是:作為描述地震動(dòng)特性三大要素之一的持時(shí),至今未被各國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)明確考慮和應(yīng)用,或考慮相對(duì)簡單與籠統(tǒng),僅在結(jié)構(gòu)地震時(shí)程反應(yīng)分析中做出了簡單規(guī)定[10-11]。特別是應(yīng)用于截面強(qiáng)度設(shè)計(jì)和用以確定地震荷載的抗震設(shè)計(jì)譜,無論是通過小震下彈性反應(yīng)譜還是通過反應(yīng)譜折減方式得到設(shè)計(jì)譜[12-16],采用的參數(shù)均為無法反映累積效應(yīng)的參數(shù)指標(biāo),所以國內(nèi)外通過設(shè)計(jì)譜的抗震設(shè)計(jì)方法無法反映地震動(dòng)持時(shí)影響,而只能采用結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)時(shí)程分析進(jìn)行核驗(yàn)的方式進(jìn)行彌補(bǔ)[4-5]。

近些年隨著性態(tài)與韌性抗震設(shè)計(jì)理論的提出與發(fā)展,對(duì)決定結(jié)構(gòu)抗震能力的地震動(dòng)作用提出了更高目標(biāo)需求,即結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中除了考慮地震動(dòng)幅值與頻譜外,還應(yīng)充分考慮持時(shí)的影響。因此,如何充分考慮地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)與地震破壞的影響,探明與揭示其影響機(jī)理與規(guī)律,并納入結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與地震反應(yīng)分析,實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)有基于強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論的抗震設(shè)計(jì)方法有機(jī)結(jié)合,是目前地震工程領(lǐng)域亟需解決的一項(xiàng)重要課題。本文主要回顧和評(píng)述了地震動(dòng)持時(shí)對(duì)工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響的研究結(jié)果與進(jìn)展,并對(duì)未來關(guān)于地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響研究進(jìn)行了展望,希望可以為相關(guān)研究者及工程技術(shù)人員提供參考。

1 地震動(dòng)持時(shí)定義與發(fā)展

為了合理衡量和描述地震動(dòng)的持續(xù)時(shí)間(簡稱“持時(shí)”)特性,尤其是合理評(píng)判地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響,自上世紀(jì)60年代開始,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)地震動(dòng)的持時(shí)特性及其衡量指標(biāo)做過大量研究,迄今已發(fā)展了30余種地震動(dòng)持時(shí)的定義,這些持時(shí)定義歸納起來大致可以分為4類[9]:1)括號(hào)持時(shí)(bracketed duration,DB)。2)一致持時(shí)(uniform durationDU)。3)顯著持時(shí)(significant duration,DS)。4)有效持時(shí)(effective duration,DE)。具體各類持時(shí)定義及計(jì)算方法如圖1所示,其中括號(hào)持時(shí)定義為:地震動(dòng)加速度記錄幅值絕對(duì)值在第一次和最后一次達(dá)到或超過事先設(shè)定閾值之間的時(shí)間間隔,計(jì)算方法如圖1(a)所示;一致持時(shí)定義為:加速度記錄幅值絕對(duì)值達(dá)到或超過事先設(shè)定閾值的所有時(shí)間間隔的總和,計(jì)算方法如圖1(b)所示;顯著持時(shí)定義為:給定Arias強(qiáng)度(IA)閾值(百分比)區(qū)間所對(duì)應(yīng)的加速度記錄時(shí)間間隔,計(jì)算方法如圖1(c)和圖1(e)所示;有效持時(shí)定義為給定Arias強(qiáng)度(IA)閾值區(qū)間所對(duì)應(yīng)的加速度記錄時(shí)間間隔,如圖1(d)和圖1(f)所示。

圖1 地震動(dòng)持時(shí)定義示意圖Fig. 1 Definition of strong ground motion duration

由圖1可知:不同地震動(dòng)持時(shí)定義采取的計(jì)算方法、參數(shù)及閾值不同,各有針對(duì)性和優(yōu)缺點(diǎn),哪一種定義更為合理或具有明顯優(yōu)勢(shì),至今仍無定論[17-18]。需要指出的是:在研究地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響時(shí),選取的持時(shí)指標(biāo)應(yīng)能夠準(zhǔn)確反映地震動(dòng)的強(qiáng)震動(dòng)階段特性,并且與結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)參數(shù)有較好的相關(guān)性。上述4種持時(shí)定義中:因?yàn)轱@著持時(shí)包含了整個(gè)地震動(dòng)記錄的幅值特性,也能夠反映地震動(dòng)的強(qiáng)震動(dòng)段特性,并且由于采用了相對(duì)累積能量作為閾值,持時(shí)長短不會(huì)隨地震動(dòng)調(diào)幅而發(fā)生變化,也不會(huì)出現(xiàn)因地震動(dòng)幅值過小持時(shí)為0或地震動(dòng)幅值過大尚未進(jìn)入持時(shí)段結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)生破壞的情況[19],所以被絕大多數(shù)學(xué)者作為地震動(dòng)持時(shí)指標(biāo)研究其對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響[20-21]。

早期的地震動(dòng)持時(shí)定義一般直接采用地震動(dòng)本身的參數(shù)如幅值定義,隨著研究人員認(rèn)識(shí)到持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)有重要影響,在早期地震動(dòng)持時(shí)指標(biāo)定義基礎(chǔ)上,不少學(xué)者嘗試提出新的持時(shí)定義,如謝禮立等[22]早在上世紀(jì)80年代就提出了工程持時(shí)的概念,其定義與地震參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)均有關(guān)聯(lián),既能描述地震動(dòng)持時(shí)特征,又可評(píng)價(jià)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響;尹保江等[23]在對(duì)比了地震動(dòng)各類持時(shí)特點(diǎn)后,建議采用能量參數(shù)表征地震動(dòng)持時(shí),并建議了能量百分比取值閾值;BOOMER等[10]在對(duì)地震動(dòng)參數(shù)分析后認(rèn)為,Arias強(qiáng)度是定義地震動(dòng)持時(shí)的較好指標(biāo),實(shí)際大部分學(xué)者也都是基于該指標(biāo)定義持時(shí);TAFLAMPAS等[24]提出了基于地震動(dòng)絕對(duì)速度的持時(shí)定義,并研究了其對(duì)中長周期結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響;李新樂等[25]分析了近斷層地震動(dòng)持時(shí)特征及影響因素,表明地震動(dòng)持時(shí)受震級(jí)影響較大;而劉毅[26]分析了地震動(dòng)持時(shí)與地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)相關(guān)性,認(rèn)為其相關(guān)性強(qiáng)弱取決于所選取的地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)。

近些年來,研究者開始根據(jù)地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)參數(shù)定義地震動(dòng)的持時(shí),劉哲鋒等[27]利用單自由度(SDOF)體系結(jié)構(gòu),討論了地震動(dòng)持時(shí)與結(jié)構(gòu)退化損傷之間的關(guān)系,指出輸入能量是定義持時(shí)的較好指標(biāo);WANG等[28]將多個(gè)持時(shí)指標(biāo)相結(jié)合,綜合提出了一個(gè)地震動(dòng)持時(shí)定義,并分析了所提持時(shí)對(duì)混凝土重力壩的影響,表明長持時(shí)地震動(dòng)激勵(lì)下大壩的動(dòng)力反應(yīng)會(huì)顯著增大;MASHAYEKHI等[29]采用結(jié)構(gòu)發(fā)生非線性反應(yīng)的總時(shí)間定義持時(shí),并對(duì)4種混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,得出所定義的持時(shí)指標(biāo)與結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)相關(guān)性比其它持時(shí)指標(biāo)高15%～20%。這些研究表明地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響與不同的持時(shí)定義相關(guān),如果評(píng)價(jià)地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響規(guī)律,一般采用結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)參數(shù)定義地震動(dòng)持時(shí)較為合理。為了減少結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)時(shí)程分析時(shí)間,LI等[30]和HE等[31]通過截?cái)嗟姆绞綄?duì)地震動(dòng)進(jìn)行截取處理,給出了一個(gè)新的持時(shí)定義,算例表明:以截取處理后地震動(dòng)為輸入,可以大大減少結(jié)構(gòu)地震時(shí)程反應(yīng)分析計(jì)算時(shí)間,并且可以保證計(jì)算結(jié)果具有較高可靠性,這對(duì)需要開展大量地震反應(yīng)時(shí)程分析來講,無疑具有較大意義。

除了研究地震動(dòng)持時(shí)的定義與特性外,有些研究者開始建立地震動(dòng)持時(shí)的預(yù)測(cè)方程,以期對(duì)地震動(dòng)持時(shí)進(jìn)行預(yù)測(cè)。如徐培彬等[32]基于我國強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù),采用隨機(jī)效應(yīng)回歸方法,建立了中國大陸地震動(dòng)顯著持時(shí)預(yù)測(cè)方程;孫曉丹等[33]采用美國NGA強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù),對(duì)地震動(dòng)顯著持時(shí)優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià),建立了地震動(dòng)顯著持時(shí)預(yù)測(cè)公式。這些研究多是從地震動(dòng)角度出發(fā),討論地震動(dòng)持時(shí)特性或影響因素,從中無法得出哪一種持時(shí)定義或標(biāo)定方法更為合理。由于本文主要討論地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響進(jìn)展,關(guān)于地震動(dòng)持時(shí)本身特性等內(nèi)容不再展開詳細(xì)討論。

2 持時(shí)對(duì)工程結(jié)構(gòu)及場(chǎng)地地震反應(yīng)影響

在開展文獻(xiàn)調(diào)研中發(fā)現(xiàn):研究地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,絕大部分研究集中在分析對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的影響,而關(guān)于地震動(dòng)持時(shí)對(duì)大壩、橋梁和輸電塔等構(gòu)筑物地震反應(yīng)影響的研究相對(duì)較少,特別是對(duì)場(chǎng)地地震反應(yīng)影響方面的研究更少。因此,本文將建筑結(jié)構(gòu)單獨(dú)作為一類重點(diǎn)討論地震動(dòng)持時(shí)的影響進(jìn)展,而將其他類型工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合并討論,而關(guān)于持時(shí)對(duì)場(chǎng)地地震反應(yīng)的影響,則進(jìn)行了簡單討論與分析。

2.1 對(duì)建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響

考慮到地震動(dòng)持時(shí)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)有重要影響,為了改善結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)及性態(tài)評(píng)估,研究者針對(duì)不同類型房屋建筑結(jié)構(gòu),開展了大量地震動(dòng)持時(shí)效應(yīng)及相關(guān)研究。早期徐植信等[34]采用53條地震動(dòng),對(duì)考慮剛度退化及P-Δ效應(yīng)的SDOF體系結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗倒塌分析,結(jié)果表明結(jié)構(gòu)倒塌與地震動(dòng)持時(shí)有較大關(guān)系,但分析中沒有考慮地震動(dòng)頻譜與持時(shí)的耦合影響;宋雅桐等[35]以人工合成地震動(dòng)為輸入,分析了地震動(dòng)持時(shí)對(duì)多層結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響,結(jié)果表明:地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)彈性變形沒有影響,當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生高度非線性反應(yīng)時(shí),持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)塑性變形有較大影響,長持時(shí)地震動(dòng)下結(jié)構(gòu)變形會(huì)增加20%左右;杜修力等[36]分析了地震動(dòng)持時(shí)對(duì)鋼筋混凝土(RC)結(jié)構(gòu)累積損傷的影響,表明地震動(dòng)的持時(shí)增大會(huì)明顯加重結(jié)構(gòu)破壞程度;劉鳴等[37]分析了地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響,也表明持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)非線性反應(yīng)影響較大,長持時(shí)地震動(dòng)作用下薄弱層累積損傷更為明顯;EIBL等[38]研究了持時(shí)對(duì)存在退化效應(yīng)的砌體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響,發(fā)現(xiàn)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)最大位移有較大影響;但同期RAHNAMA等[39]分析了持時(shí)對(duì)雙線性SDOF體系結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果卻顯示地震動(dòng)持時(shí)與結(jié)構(gòu)最大位移反應(yīng)相關(guān)性很小。由此可見地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響與選取的結(jié)構(gòu)類型及本構(gòu)關(guān)系模型有很大關(guān)系,這也是研究人員需要注意的一個(gè)方面。

LINDT等[40]以結(jié)構(gòu)極限強(qiáng)度為指標(biāo),分析了地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度的影響,表明地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)可靠度影響顯著;CHAI等[41-42]在研究考慮持時(shí)效應(yīng)的非彈性反應(yīng)譜時(shí),指出長持時(shí)地震動(dòng)作用下,結(jié)構(gòu)所經(jīng)歷的非線性循環(huán)次數(shù)增多,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)累積損傷增大;盛明強(qiáng)等[43]研究了持時(shí)對(duì)SDOF體系滯回耗能的影響,表明結(jié)構(gòu)滯回耗能隨持時(shí)增加而增大;HANCOCK等[44]分析了持時(shí)對(duì)某8層RC框剪結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響,表明持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)最大層間位移角等峰值反應(yīng)沒有影響,但長持時(shí)地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)滯回耗能與疲勞損傷程度會(huì)顯著增大;周靖等[45]利用位移反應(yīng)譜,研究了地震動(dòng)持時(shí)對(duì)阻尼折減系數(shù)的影響,表明隨著地震動(dòng)持時(shí)增大,結(jié)構(gòu)阻尼折減系數(shù)會(huì)減小。

RAGHUNANDAN等[46]采用增量動(dòng)力分析(IDA)方法,研究了持時(shí)對(duì)RC框架結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的影響,指出結(jié)構(gòu)在長持時(shí)地震動(dòng)作用下的倒塌風(fēng)險(xiǎn)顯著高于短持時(shí)地震動(dòng),并建議在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)及地震風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中,除了考慮地震動(dòng)強(qiáng)度和頻譜特性外,持時(shí)也要有所考慮和體現(xiàn);BARBOSA等[47]針對(duì)9層鋼框架結(jié)構(gòu),評(píng)估了地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,指出持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)最大層間位移角的影響幾乎可以忽略,而對(duì)殘余變形、滯回耗能及非線性循環(huán)次數(shù)具有顯著影響;后來BARBOSA等[48]分別對(duì)3、9和20層鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震性能及損傷評(píng)估,并根據(jù)分析結(jié)果指出:因?yàn)槟壳敖Y(jié)構(gòu)評(píng)估方法沒有考慮地震動(dòng)持時(shí)的影響,無論是基于性態(tài)的還是基于傳統(tǒng)規(guī)范的結(jié)構(gòu)評(píng)估方法均應(yīng)該修訂和改善;HOU等[49]對(duì)理想彈塑性SDOF結(jié)構(gòu)的延性需求和滯回耗能進(jìn)行了研究,結(jié)果表明長持時(shí)地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)滯回耗能顯著增大,位移延性需求則沒有明顯變化,后一結(jié)論與有些研究者的結(jié)果不一致。

近幾年隨著性態(tài)抗震設(shè)計(jì)理論的發(fā)展以及韌性抗震設(shè)計(jì)理論的提出,研究者越來越重視地震動(dòng)持時(shí)效應(yīng),開始重點(diǎn)考慮和分析地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震能力的影響,又成為一個(gè)最熱門的研究課題。韓建平等[50]以規(guī)范譜為目標(biāo)譜,合成了30條持時(shí)不等的地震動(dòng),分析了持時(shí)對(duì)RC框架結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的影響,表明長持時(shí)地震動(dòng)作用下,結(jié)構(gòu)倒塌概率明顯升高;CHANDRAMOHAN等[20]采用長短持時(shí)地震動(dòng)匹配方法,研究持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)抗倒塌能力的影響,對(duì)5層鋼框架結(jié)構(gòu)和混凝土橋墩進(jìn)行了分析,結(jié)果表明:長持時(shí)地震動(dòng)作用下鋼框架結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力會(huì)降低29%,而對(duì)橋墩而言則會(huì)降低17%;HAN等[51]采用相同方法對(duì)3層RC框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析,也得到了相似結(jié)論;孫小云[52]研究了持時(shí)對(duì)RC框架結(jié)構(gòu)的影響,表明長持時(shí)的地震動(dòng)會(huì)明顯增加結(jié)構(gòu)的易損性、可修復(fù)狀態(tài)超越概率及倒塌概率。

MOLAZADEH等[53]通過與規(guī)范譜匹配,得到了20條長持時(shí)和27條短持時(shí)地震動(dòng),以此為輸入分析了地震動(dòng)持時(shí)及退化捏縮效應(yīng)對(duì)SDOF結(jié)構(gòu)滯回耗能的影響,結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度較大、退化效應(yīng)較低時(shí),較長持時(shí)地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)的滯回耗能顯著增大;BRAVO-HARO等[54]以77對(duì)長和短持時(shí)地震動(dòng)為輸入,對(duì)50個(gè)鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震反應(yīng)分析,結(jié)果表明:長持時(shí)地震動(dòng)作用下,鋼結(jié)構(gòu)抗地震倒塌能力最大會(huì)降低40%;近來BRAVO-HARO等[55]分析了持時(shí)對(duì)具有P-Δ效應(yīng)的SDOF結(jié)構(gòu)抗倒塌能力影響,結(jié)果顯示:如果不考慮地震動(dòng)持時(shí)的影響,結(jié)構(gòu)抗地震倒塌能力可能會(huì)被高估50%;SAMANTA等[56]針對(duì)15層RC框架結(jié)構(gòu),以長和短持時(shí)地震動(dòng)為輸入,分析了持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明:當(dāng)?shù)卣鹱饔盟捷^低時(shí),結(jié)構(gòu)最大層間位移角會(huì)隨持時(shí)增長而增大,當(dāng)?shù)卣鹱饔盟捷^高和結(jié)構(gòu)發(fā)生損傷時(shí),持時(shí)對(duì)最大層間位移角不會(huì)產(chǎn)生影響,但會(huì)使結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)峰值降低;PAN等[57]以我國汶川地震中7條長持時(shí)地震動(dòng)和蘆山地震中7條短持時(shí)地震動(dòng)為輸入,對(duì)3棟低層木結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行了抗倒塌能力分析,結(jié)果表明:長持時(shí)地震動(dòng)下木結(jié)構(gòu)房屋抗倒塌能力會(huì)降低26%～71%;后來PAN等[58]又針對(duì)6層木結(jié)構(gòu),分析了結(jié)構(gòu)地震易損性,表明長持時(shí)地震動(dòng)下結(jié)構(gòu)抗倒塌能力下降了18%,而損傷指數(shù)則提高了36%;但PAN等[59]后續(xù)對(duì)4棟低層木結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)損傷指數(shù)與地震動(dòng)持時(shí)的相關(guān)性依賴于地震動(dòng)強(qiáng)弱及結(jié)構(gòu)本身抗震能力。

HARATI等[60]以結(jié)構(gòu)滯回耗能和非線性循環(huán)次數(shù)為指標(biāo),評(píng)估地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響,在對(duì)3個(gè)RC框架結(jié)構(gòu)分析后指出:結(jié)構(gòu)最大層間位移對(duì)持時(shí)極不敏感,但累積損傷及滯回耗能受持時(shí)影響很大;同時(shí)HARATI等[61]針對(duì)4個(gè)RC結(jié)構(gòu),分析了持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)位移需求及抗倒塌能力的影響,發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)位移需求和持時(shí)相關(guān)性較小,但相關(guān)性會(huì)隨著地震動(dòng)水平增加而提高,長持時(shí)地震動(dòng)下結(jié)構(gòu)抗倒塌能力會(huì)降低20%;FAIRHURST等[62]采用IDA方法,分析了地震動(dòng)持時(shí)對(duì)RC剪力墻結(jié)構(gòu)的影響,也表明持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響與地震動(dòng)作用水平相關(guān),當(dāng)?shù)卣饎?dòng)作用水平提高時(shí),持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響增大;DE JESUS VEGA等[63]在分析地震動(dòng)持時(shí)對(duì)RC結(jié)構(gòu)延性需求時(shí)發(fā)現(xiàn):持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響很難量化,亦無規(guī)律,主要依賴于結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、強(qiáng)度和剛度退化特性,長持時(shí)地震動(dòng)對(duì)較剛的結(jié)構(gòu)影響更大,同時(shí)指出:結(jié)構(gòu)建模方法及本構(gòu)模型的選取起到關(guān)鍵性作用,不同建模方法及不同材料本構(gòu)模型帶來的差別可達(dá)2倍以上;徐熙等[64]分析了地震持時(shí)對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件加速度響應(yīng)及結(jié)構(gòu)樓層反應(yīng)譜的影響,結(jié)果表明:持時(shí)對(duì)長周期結(jié)構(gòu)的樓層反應(yīng)譜影響較大;崔玥等[65]采用IDA易損性分析方法,評(píng)估RC框架結(jié)構(gòu)抗倒塌能力,結(jié)果表明:當(dāng)?shù)卣饎?dòng)幅值和頻譜接近時(shí),采用短持時(shí)地震動(dòng)會(huì)明顯高估結(jié)構(gòu)抗倒塌能力,與他人研究結(jié)果略有不同,其得到的結(jié)論是持時(shí)不僅對(duì)結(jié)構(gòu)累積損傷有影響,而且對(duì)結(jié)構(gòu)最大層間位移角等峰值變形也會(huì)產(chǎn)生不可忽略的影響。

韓建平等[66]以長和短持時(shí)兩組地震動(dòng)為輸入,分析了RC框架結(jié)構(gòu)的地震易損性,結(jié)果表明:持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震易損性的影響不容忽視,地震動(dòng)持時(shí)越長,對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能不利影響越明顯,長持時(shí)地震動(dòng)會(huì)使結(jié)構(gòu)失效概率增加50%以上;LIAPOPOULOU等[67]以101對(duì)長和短持時(shí)地震動(dòng)為輸入,對(duì)SDOF體系抗倒塌能力進(jìn)行分析,得出長持時(shí)地震動(dòng)下結(jié)構(gòu)抗倒塌能力會(huì)下降60%,持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)影響程度依賴于結(jié)構(gòu)周期、P-D反應(yīng)水平及結(jié)構(gòu)滯回特性;MASHAYEKHI等[11]提出了一種在IDA方法中考慮地震動(dòng)持時(shí)的方法,主要針對(duì)地震動(dòng)不同強(qiáng)度,通過譜匹配產(chǎn)生持時(shí)不同的地震動(dòng)作為輸入,替代傳統(tǒng)IDA只調(diào)整峰值加速度做法,分析結(jié)果顯示:無論是否考慮結(jié)構(gòu)退化效應(yīng),地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響都不可忽略;MANESH等[68]采用剛度和強(qiáng)度退化模型,分析了地震動(dòng)持時(shí)對(duì)相鄰鋼結(jié)構(gòu)碰撞的影響,指出在相鄰鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,應(yīng)采用時(shí)程反應(yīng)分析確定兩個(gè)結(jié)構(gòu)之間安全距離,而且必須要考慮地震動(dòng)持時(shí)的影響;劉洋[69]針對(duì)不同層數(shù)的RC框架結(jié)構(gòu),以人工合成的頻譜相同而持時(shí)不同的地震動(dòng)為輸入,對(duì)結(jié)構(gòu)開展了地震反應(yīng)分析,研究了地震動(dòng)持時(shí)與結(jié)構(gòu)不同地震反應(yīng)參數(shù)之間的相關(guān)性,表明地震動(dòng)持時(shí)與結(jié)構(gòu)最大反應(yīng)加速度、最大層間位移角等參數(shù)相關(guān)性較小,相關(guān)系數(shù)在0.2以下,而與結(jié)構(gòu)Park-Ang損傷指數(shù)中等相關(guān),相關(guān)系數(shù)在0.4～0.7之間,但與結(jié)構(gòu)滯回耗能相關(guān)性最大,相關(guān)系數(shù)在0.70～0.88之間。

上述研究表明:地震動(dòng)持時(shí)對(duì)建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)有重要影響,但其影響程度取決于結(jié)構(gòu)類型、本構(gòu)關(guān)系以及選取的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)參數(shù),對(duì)與時(shí)間累積無關(guān)的地震反應(yīng)參數(shù),如峰值加速度和最大位移等影響較小,而對(duì)與時(shí)間累積相關(guān)的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)參數(shù),如滯回耗能和累積損傷指數(shù)等影響較大,因此在研究地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響時(shí),必須考慮和選擇可以表征結(jié)構(gòu)地震性態(tài)且與時(shí)間累積相關(guān)的地震反應(yīng)參數(shù)(如結(jié)構(gòu)滯回耗能和考慮累積效應(yīng)的損傷指數(shù)等)進(jìn)行分析[3,5],否則可能得不到地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及損傷破壞的定量影響。

2.2 對(duì)其他類型工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響

除了研究地震動(dòng)持時(shí)對(duì)建筑工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響外,也有一些研究針對(duì)不同類型工程結(jié)構(gòu)展開,討論地震動(dòng)持時(shí)對(duì)不同類型結(jié)構(gòu)的影響。張社榮等[70]對(duì)水庫大壩地震損傷進(jìn)行了評(píng)估,表明長持時(shí)地震動(dòng)會(huì)使大壩產(chǎn)生較大的累積損傷破壞;而WANG等[28]也發(fā)現(xiàn)較長持時(shí)地震動(dòng)激勵(lì)下混凝土重力壩的動(dòng)力反應(yīng)會(huì)顯著增大;王星亮[71]研究了地震動(dòng)持時(shí)對(duì)大壩地震變形的影響,表明隨著持時(shí)的增加,壩體變形逐漸增大并使大壩受損加劇,特別指出:地震動(dòng)強(qiáng)度越大,持時(shí)對(duì)大壩動(dòng)力響應(yīng)的影響越不可忽略。

郎需軍等[72]和蓋霞等[73]分別研究了地震動(dòng)持時(shí)對(duì)輸電塔-線體系地震反應(yīng)的影響,均表明在塔-線體系動(dòng)力響應(yīng)分析中地震動(dòng)的持時(shí)效應(yīng)不容忽視;田興業(yè)[74]分析了地震動(dòng)持時(shí)對(duì)單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的影響,結(jié)果表明:持時(shí)增加會(huì)明顯降低結(jié)構(gòu)的失效荷載,降低幅度可達(dá)36%,并建議在結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)分析及失效荷載評(píng)估中應(yīng)考慮地震動(dòng)持時(shí)影響;花逸揚(yáng)[75]研究了地震動(dòng)持時(shí)對(duì)混凝土橋墩抗震性能的影響,指出在長持時(shí)地震動(dòng)作用下,應(yīng)充分考慮疲勞效應(yīng)造成的損傷,才能保證抗震分析結(jié)果的準(zhǔn)確性;HASSAN等[76]分析了地震動(dòng)持時(shí)對(duì)橋梁地震反應(yīng)的影響,結(jié)果顯示:從橋板加速度、橋墩基底剪力和支座殘余變形等參數(shù)來看:長持時(shí)地震動(dòng)會(huì)對(duì)橋梁會(huì)造成更大破壞,特別是對(duì)橋梁支座影響更為顯著。由此可見,在大壩、橋梁和輸電塔等構(gòu)筑物進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí),也應(yīng)該考慮地震動(dòng)持時(shí)的影響,以保證在長持時(shí)地震動(dòng)作用下的地震安全。

2.3 對(duì)場(chǎng)地地震反應(yīng)的影響

除了研究地震動(dòng)持時(shí)對(duì)工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響外,有少數(shù)研究圍繞工程場(chǎng)地及巖土構(gòu)筑物等方面展開。黃雨等[77]采用持時(shí)不同的地震動(dòng),對(duì)河流堤防的液化性狀進(jìn)行了分析與評(píng)估,結(jié)果表明持時(shí)較長的地震動(dòng)會(huì)使堤防產(chǎn)生更大的液化變形;侯春林等[78]分析了地震動(dòng)持時(shí)對(duì)核島結(jié)構(gòu)場(chǎng)地非線性地震反應(yīng)的影響,指出在非基巖核電廠抗震設(shè)防中,十分有必要考慮地震動(dòng)持時(shí)對(duì)場(chǎng)地非線性地震反應(yīng)的影響;WANG等[79]分析了地震動(dòng)持時(shí)對(duì)滑坡的影響,結(jié)果顯示長持時(shí)地震動(dòng)作用下邊坡失效概率會(huì)提高20%～50%,邊坡穩(wěn)定性評(píng)估中必須考慮地震動(dòng)持時(shí)的影響。這些是研究地震動(dòng)持時(shí)對(duì)工程場(chǎng)地等影響的典型代表,表明持時(shí)對(duì)工程結(jié)構(gòu)所在場(chǎng)地有不同程度影響,且會(huì)影響到上部工程結(jié)構(gòu)。

通過上述分析可知:地震動(dòng)持時(shí)對(duì)工程場(chǎng)地及各類建筑物、構(gòu)筑物等工程結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)及損傷狀態(tài)均有不同程度影響,無論哪類工程結(jié)構(gòu)都應(yīng)考慮地震動(dòng)的持時(shí)效應(yīng)。特別是具有剛度、強(qiáng)度退化特性的RC框架、框剪等結(jié)構(gòu)以及具有捏縮效應(yīng)本構(gòu)關(guān)系的砌體、磚混等結(jié)構(gòu),其地震反應(yīng)對(duì)地震動(dòng)持時(shí)更為敏感,累積損傷與地震動(dòng)持時(shí)相關(guān)性超過80%[29,80]。日本學(xué)者SHOJI等[81]也曾明確指出:地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響與幅值、頻譜對(duì)結(jié)構(gòu)的影響具有同等重要性,不可以忽略,地震工程工作者應(yīng)給予地震動(dòng)持時(shí)充分重視,結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)也應(yīng)充分考慮與體現(xiàn)地震動(dòng)持時(shí)效應(yīng)。

3 規(guī)范對(duì)地震動(dòng)持時(shí)考慮

正如上述分析,地震動(dòng)持時(shí)對(duì)各類工程結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)都有重要影響,在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮,但目前基于強(qiáng)度的抗震設(shè)計(jì)方法,無論是直接通過小震下彈性反應(yīng)譜還是通過反應(yīng)譜折減方式得到設(shè)計(jì)譜[12-16],采用參數(shù)均為無法反映持時(shí)累積效應(yīng)的加速度和位移等指標(biāo),所以國內(nèi)外通過設(shè)計(jì)譜方法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)無法反映地震動(dòng)持時(shí)影響,只能通過地震反應(yīng)時(shí)程分析驗(yàn)算進(jìn)行彌補(bǔ)[3-7],為此,不同設(shè)計(jì)規(guī)范除了對(duì)結(jié)構(gòu)時(shí)程反應(yīng)分析輸入地震動(dòng)數(shù)量要求之外,對(duì)輸入地震動(dòng)持時(shí)也給出了不同要求。如《歐洲抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(EN1998—1)[13]對(duì)地震反應(yīng)分析輸入地震動(dòng)頻譜特性等規(guī)定較為詳細(xì),但在持時(shí)方面,只規(guī)定當(dāng)無法獲取符合工程場(chǎng)地特征的實(shí)際輸入地震動(dòng)記錄時(shí),需采用人工合成地震動(dòng),人工地震動(dòng)反應(yīng)譜除了要與5%阻尼比的彈性設(shè)計(jì)譜匹配外,其穩(wěn)定震動(dòng)段的時(shí)間長度應(yīng)不小于10 s。美國系列抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)時(shí)程分析輸入地震動(dòng)類型、峰值、頻譜特性及地震動(dòng)數(shù)量等給出了詳細(xì)規(guī)定,但對(duì)于輸入地震動(dòng)持時(shí)則無特別明確的規(guī)定[82-84]。

我國規(guī)范也規(guī)定了類似的輸入地震動(dòng)持時(shí)要求,如我國《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[12]規(guī)定,除了正確選擇輸入地震加速度時(shí)程外,還要求地震動(dòng)頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間均要符合規(guī)定,對(duì)于持時(shí)則采用括號(hào)持時(shí),從首次達(dá)到輸入地震動(dòng)最大峰值10%那一點(diǎn)算起,到最后一點(diǎn)達(dá)到最大峰值10%為止,且有效持續(xù)時(shí)間一般為結(jié)構(gòu)基本周期的5～10倍,即結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)的位移可按基本周期往復(fù)5～10次。《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 7—2010)[87]也規(guī)定,采用時(shí)程分析法時(shí),應(yīng)考慮地震動(dòng)強(qiáng)度、地震動(dòng)譜特征和地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間等地震動(dòng)三要素,合理選擇與調(diào)整地震動(dòng),特別提到所取地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間不同,計(jì)算出的地震響應(yīng)亦不同,尤其當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性階段后,由于持續(xù)時(shí)間的差異,使得能量損耗積累不同,從而影響了地震響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果;對(duì)于持時(shí)則指出可以采用絕對(duì)持時(shí)(括號(hào)持時(shí))、相對(duì)持時(shí)和等效持時(shí)等,使用最方便的是絕對(duì)持時(shí),按絕對(duì)持時(shí)計(jì)算時(shí),輸入的地震動(dòng)持續(xù)時(shí)間內(nèi)應(yīng)包含地震動(dòng)最強(qiáng)部分,并要求選擇足夠長的持續(xù)時(shí)間,一般建議取不少于結(jié)構(gòu)基本周期的10倍,且不小于10 s。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 3—2010)[88]和《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JGJ 99—2015)[89]也均給出了類似要求,但規(guī)定地震動(dòng)的持續(xù)時(shí)間為不宜小于建筑結(jié)構(gòu)基本自振周期的5倍和15s。

從這些規(guī)范中對(duì)于輸入地震動(dòng)持時(shí)的規(guī)定說明:無論是結(jié)構(gòu)彈性反應(yīng)時(shí)程分析,還是彈塑性反應(yīng)時(shí)程分析,除了關(guān)注幅值與頻譜特性外,還要重點(diǎn)關(guān)注地震動(dòng)的持時(shí)影響。但從這些規(guī)定又不難看出:不同規(guī)范針對(duì)輸入地震動(dòng)持時(shí)的規(guī)定有較大差別,究其原因,除了考慮地震動(dòng)隨機(jī)性較大外,人們對(duì)于地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響機(jī)理及定量影響程度的認(rèn)識(shí)在一定程度上還不是太明確。

4 存在主要問題

綜合分析國內(nèi)外已經(jīng)開展的大量研究可以發(fā)現(xiàn):研究者普遍認(rèn)為地震動(dòng)持時(shí)對(duì)工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)及地震性態(tài)具有重要影響,在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與分析中必須考慮地震動(dòng)的持時(shí)效應(yīng),這在地震工程領(lǐng)域已經(jīng)達(dá)成了共識(shí)。但從研究結(jié)果與結(jié)論來看,基本可以分為兩類:一是持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響較小甚至可以忽略,得到這類結(jié)論的研究一般采用結(jié)構(gòu)加速度或位移變形作為評(píng)價(jià)指標(biāo);二是持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響較大,得到這類結(jié)論的研究普遍采用滯回耗能、損傷指數(shù)等與時(shí)間累積相關(guān)的參數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。兩類看似相反的研究結(jié)果與結(jié)論實(shí)際并不矛盾,只是與研究者選取的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)參數(shù)與評(píng)價(jià)指標(biāo)有重要關(guān)系[3]。

實(shí)際這也是地震動(dòng)持時(shí)難以應(yīng)用于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與評(píng)估等工作的主要原因,目前結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)地震性態(tài)評(píng)估,一般基于加速度和位移等參數(shù),而這類參數(shù)往往受持時(shí)影響較小[6-7]。特別是由不同周期SDOF體系最大加速度反應(yīng)得到的加速度反應(yīng)譜不能反映持時(shí)的影響,使得基于加速度譜統(tǒng)計(jì)得到的抗震設(shè)計(jì)譜無法包含和反映地震動(dòng)的持時(shí)效應(yīng)。在評(píng)估結(jié)構(gòu)地震性態(tài)時(shí),一般以結(jié)構(gòu)最大層間位移等參數(shù)為評(píng)價(jià)指標(biāo),也很難反映持時(shí)的影響,而結(jié)構(gòu)損傷水平與滯回耗能等累積參數(shù)相關(guān)性更大。因此,目前關(guān)于地震動(dòng)持時(shí)的研究成果要么無法全面考慮和反映地震動(dòng)持時(shí)的影響(以加速度和位移等參數(shù)為代表),要么很難與現(xiàn)行基于強(qiáng)度、以設(shè)計(jì)譜為代表的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法相兼容(以滯回耗能和累積損傷指標(biāo)為代表)。為此,某些抗震設(shè)計(jì)規(guī)范通過彈性或彈塑性時(shí)程反應(yīng)分析對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行驗(yàn)算,并對(duì)輸入地震動(dòng)的持時(shí)給出要求,算是在一定程度上彌補(bǔ)了這一缺陷,但如果采用加速度和位移等峰值參數(shù),可能仍不能完全反映輸入地震動(dòng)持時(shí)的影響[4-5]。

值得一提的是:即使采用結(jié)構(gòu)滯回耗能和損傷指數(shù)等考慮累積效應(yīng)的反應(yīng)指標(biāo)評(píng)價(jià)持時(shí)的影響,尤其是對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的定量影響,不同研究者結(jié)論也不統(tǒng)一,這也反映了目前人們對(duì)于地震動(dòng)持時(shí)效應(yīng)及破壞機(jī)理的認(rèn)識(shí)仍不明確。研究結(jié)果在很大程度上取決于結(jié)構(gòu)類型、材料本構(gòu)、建模方法以及結(jié)構(gòu)發(fā)生非線性反應(yīng)的強(qiáng)烈程度,特別是當(dāng)選取不同的結(jié)構(gòu)恢復(fù)力模型時(shí),甚至?xí)霈F(xiàn)截然相反的分析結(jié)果[63-67]。可見研究地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)與破壞的影響機(jī)理,必須要考慮不同類型結(jié)構(gòu)及其本構(gòu)特性,選擇合適的材料本構(gòu)關(guān)系及滯回模型,特別要考慮材料強(qiáng)度及剛度退化效應(yīng),這也是地震動(dòng)持時(shí)效應(yīng)不能應(yīng)用于目前主流基于強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與分析的主要原因。

正是因?yàn)檫@些原因,也就導(dǎo)致多數(shù)研究未能將地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的影響定量化,除了通過地震反應(yīng)時(shí)程分析時(shí)對(duì)輸入地震動(dòng)的持時(shí)給出要求外,其他未能給出具有可操作性考慮持時(shí)影響的抗震設(shè)計(jì)及分析方法。需要特別指出的是:因?yàn)楹茈y確定地震動(dòng)持時(shí)對(duì)加速度譜的定量影響,所以很少有研究能夠給出考慮持時(shí)效應(yīng)、較為實(shí)用的抗震設(shè)計(jì)譜。盡管有學(xué)者曾試圖解決這一問題,嘗試建立考慮持時(shí)效應(yīng)的抗震設(shè)計(jì)譜,但由于統(tǒng)計(jì)結(jié)果的離散性及可靠性問題[85],或給出的是考慮累積效應(yīng)的非彈性反應(yīng)譜[41-42],甚至提出的僅僅是一些抗震設(shè)計(jì)概念[86],導(dǎo)致研究結(jié)果在目前基于強(qiáng)度以設(shè)計(jì)譜為代表的抗震設(shè)計(jì)方法中很難得以應(yīng)用,僅在結(jié)構(gòu)地震時(shí)程反應(yīng)分析中可以考慮。因此,在目前對(duì)地震動(dòng)幅值與頻譜研究與應(yīng)用較為成熟的基礎(chǔ)上,充分探明地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)與損傷影響機(jī)理和規(guī)律,提出考慮地震動(dòng)持時(shí)影響的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與分析方法,是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論與地震反應(yīng)分析技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)之一。

5 結(jié)論與展望

本文針對(duì)有關(guān)地震動(dòng)持時(shí)特性及其對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響的國內(nèi)外研究進(jìn)展及現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)述,得到主要結(jié)論如下:

1)國內(nèi)外關(guān)于地震動(dòng)持時(shí)特性及其對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響開展了大量研究,取得了重要進(jìn)展,但綜合這些研究不難得出:目前關(guān)于地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響機(jī)理與規(guī)律仍不十分明確,研究者關(guān)于持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響的認(rèn)識(shí)尚未一致,除結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)時(shí)程分析或通過時(shí)程反應(yīng)分析進(jìn)行其他分析外,缺少合理的方法以恰當(dāng)?shù)胤从撑c考慮地震動(dòng)持時(shí)效應(yīng)。這些問題直接限制和阻礙了地震動(dòng)持時(shí)效應(yīng)在以加速度參數(shù)為代表的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與評(píng)估中的應(yīng)用,遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前基于性態(tài)和韌性等先進(jìn)抗震設(shè)計(jì)方法以及結(jié)構(gòu)韌性評(píng)估等對(duì)地震作用的迫切需求,成為地震工程領(lǐng)域亟需解決的重要問題。

2)如何使得地震動(dòng)持時(shí)效應(yīng)在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)、分析及評(píng)估等工作中得以應(yīng)用,需重點(diǎn)考慮和解決好以下三個(gè)關(guān)鍵問題:①消除地震動(dòng)幅值及頻譜與持時(shí)耦合作用,針對(duì)不同類型結(jié)構(gòu),選取恰當(dāng)結(jié)構(gòu)本構(gòu)模型與可以表征結(jié)構(gòu)地震性態(tài)且可表征持時(shí)影響的地震反應(yīng)指標(biāo),明確地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)與損傷影響機(jī)理與特征。②定量化地震動(dòng)持時(shí)對(duì)不同類型結(jié)構(gòu)及不同累積損傷參數(shù)的影響,將其映射與遷移到對(duì)加速度或位移反應(yīng)影響,發(fā)展地震動(dòng)持時(shí)在基于強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)與分析中實(shí)用方法。③針對(duì)目前結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)時(shí)程分析對(duì)持時(shí)的需求,進(jìn)一步明確結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析及評(píng)估對(duì)輸入地震動(dòng)的持時(shí)要求。

總之,通過研究地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)不同反應(yīng)參數(shù)影響機(jī)理與規(guī)律,建立地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)定量影響模型,得到地震動(dòng)持時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的定量影響,才可以建立考慮持時(shí)影響的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)及分析方法,滿足當(dāng)前基于性態(tài)和韌性等先進(jìn)抗震設(shè)計(jì)方法對(duì)地震輸入迫切需求。這對(duì)于促進(jìn)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論與方法發(fā)展,減輕工程結(jié)構(gòu)地震破壞與地震災(zāi)害,具有重要的科學(xué)理論意義與工程實(shí)用價(jià)值。