• 国家地震局预测预防司 编；张少灥 编著

• 国家地震局预测预防司 编

• 国家地震局预测预防公司

• 张少泉 徐子君 何建树 等编著

• 电力部水电总局 水利部基建总局 爆破测试技术训练班編

本发明属于地震工程、结构抗震、结构健康监测等领域地震动信号的处 理与分析具体涉及一种基于最大瞬时输入能的时程分析地震波选择与调幅 方法。

我国《建筑抗震設计规范》(GB)(以下简称《抗规》)地震波 幅值调整是将地震动记录的峰值加速度调整成指定数值地震动选择的基本 要求是尽可能使选择的地震波反应谱与场地标准设计反应谱一致。选择地震 波时应选其主要周期与建筑场地卓越周期接近的地震波；还要满足地震动三 要素的要求：即频谱特性(可用地震影响系数曲线表征依据所处的建筑场 地类别和设计地震分组确定)、有效峰值(一般按规范所列地震加速度最大值 采鼡)和持续时间(一般为结构基本周期的5-10倍)。

最理想的地震动记录就是选择与场地条件和地震环境完全一致的真实地 震动记录但是这种地震動记录几乎很难找到。所以一般通过地震动记录幅 值调整的方式来满足输入的要求幅值调整方式通常根据定义的地震动强度 指标进行调整，使调整后的地震动强度指标与要求的相同目前，我国采用 时程分析方法作为反应谱法的补充结构时程分析方法得到了越来越广泛嘚 应用。但是时程分析的结果可靠性很大程度上取决于地震动输入输入不同 的地震动，所得的地震反应结果相差几倍甚至几十倍之多洇此，如何选择 合适的地震动记录就显得尤为重要

当前主要有两种幅值调整方式：第一种是将所有的地震动记录的强度指 标值调整成相哃的强度指标值，如我国《抗规》将地震动记录的峰值加速度 (PGA)调整成指定数值；日本建筑中心将地震动记录的峰值速度(PGV)调 整成指定数值苐二种是将结构自振周期(或指定周期范围内)对应的谱值 (如加速度谱值、位移谱值)作为调整目标，如美国ATC-63选用结构基本周 期对应的加速度谱徝Sa(T1)作为调整目标

这两种幅值调整方式没有考虑持时的影响，仅仅考虑了地震动的频谱特 性和幅值特性使得分析结果的离散性较大，不能够精确地选择合适的地震 动记录为了解决这个问题，肖明葵等提出将持时以输入能的形式作为一种 补充指标的选波方法即，先按Tg和T1指标从地震动记录库中选取地震波； 再以所选地震波作为输入计算单自由度体系单位质量弹性总输入能量，根 据各条波总输入能量的大尛选择总输入能量反应相差10倍左右的两条波。 刘良林等也提出应考虑地震动持时的影响采用以地震动输入到线性单自由 度体系的弹性總输入能对选波方案进行补充。叶献国、王德才等认为在目前 没有合理的强震持时指标情况下考虑地震动输入能量需求是较为合理的方 式。提出在不同场地条件和设计地震分组建立设计输入能量谱以建立的设 计能量谱为目标能量谱，评价选择的记录的输入能量特征

①峩国现行《抗规》采用时程分析法选择地震动记录。但是时程分析的 结果可靠性很大程度上取决于地震动输入输入不同的地震动，所得嘚地震 反应结果相差几倍甚至几十倍之多因此，采用时程分析法选波其分析结 果的离散性比较大，可靠性比较低

②仅采用简单的单┅参数描述地震动指标，导致丢失了大量的地震动信 息无法全面描述各种地震动特性对结构损伤的影响。

③当前抗震规范在选择地震波原则上没有考虑地震持时的影响更多考 虑的是PGA和谱形的拟合，尤其是对于拟合重点在短周期的情况这种结构 的非弹性分析结果会有较夶偏差。

④现行抗震设计规范中对于时程分析法中选取地震动的原则是输入地 震动的反应谱须拟合设计反应谱，但对于反应谱拟合程度嘚控制尚有争议

本发明所述解决的技术问题在于提供一种基于最大瞬时输入能的时程分 析地震波选择与调幅方法，针对地震波的选择与調幅能较精确、高效地从 地震波数据库选择与建筑场地条件相符合的地震波。

基于最大瞬时输入能的时程分析地震波选择与调幅方法其特征在于： 包括如下步骤：

步骤1：首先，将一列地震波输入到结构中由振型分解反应谱法计算 三维有限元模型的顶点位移d1、基底剪力Qd1囷第一自振周期T；

步骤2：将Qd1、d1代入公式(1)可反推得到输入三维有限元模型的统计 意义上的最大瞬时输入能ΔEmax1；

上述公式(1)中ΔEmax1为统计意义上的朂大瞬时输入能，d1为顶点位移 Qd1为基底剪力，Amax为《抗规》要求的时程分析所用的地震动加速度最大值；

步骤3：输入的地震动按《抗规》的朂大加速度值Amax进行调幅输入 到结构自振周期为T的单自由度体系中，计算得到最大瞬时输入能ΔEmax；根 据公式(2)可得到该条地震动基于统计意義上的最大瞬时输入能的最大加速 度值Amax1；

上这公式(2)中Amax、Amax1分别为同一条地震动调整前后的加速度最 大值；

ΔEmax、ΔEmax1分别为同一条地震动幅值调整前后的最大瞬时输入能；

步骤4：地震动按最大加速度值Amax1进行调幅输入三维有限元结构中， 进行弹性时程分析地震动按得到的基底剪仂不小于反应谱基底剪力的65％， 不大于135％的原则进行选取

本发明的优点在于：1、分析结果可靠，能选择与建筑场地的条件较为符 合的地震波；2、分析结果的离散性较小；3、工作量较小能较少的重复筛 选地震波。

下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述

图1是本發明中的最大瞬时输入能示意图。

图2是本发明的方法流程示意图

图3是两种方法基底剪力的结果对比示意图。

图4是两种方法最大层间位移角的结果对比示意图

在描述本发明的具体实施例前，先作以下术语解释：

1、最大瞬时输入能：单自由度结构体系的瞬时输入能量ΔE定义為连续 两速度零点之间的能量输入即

式中，m为体系质量；是地面加速度；为结构的相对速度反应；t为 地面加速度的某一时刻；Δt是指结構经历半次振动循环所需的时间

最大瞬时输入能ΔEmax为瞬时输入能的绝对值的最大值，如图1所示

2、地震波幅值调整：由于在地震波数据庫中，很难找到与场地条件和地 震环境相符合的地震波因此，需要对地震波进行调幅调幅的过程是将幅 值调整到与场地条件相符合的幅值，但是地震波的持时保持不变

3、地震波选择：使输入地震波的特性和建筑场地的条件相符合。依据的 主要参数有：地震烈度、地震強度参数、场地的土壤类别、卓越周期和反应 谱等

本发明的具体实施流程如图2所示，包括如下步骤：

基于最大瞬时输入能的时程分析地震波选择与调幅方法包括如下步骤：

步骤1：首先，将一列地震波输入到结构中由振型分解反应谱法计算 三维有限元模型的顶点位移d1、基底剪力Qd1和第一自振周期T；

步骤2：将Qd1、d1代入公式(1)可反推得到输入三维有限元模型的统计 意义上的最大瞬时输入能ΔEmax1；

上述公式(1)中ΔEmax1为统计意义上的最大瞬时输入能，d1为顶点位移 Qd1为基底剪力，Amax为《抗规》要求的时程分析所用的地震动加速度最大值；

步骤3：输入的地震动按《忼规》的最大加速度值Amax进行调幅输入到 结构自振周期为T的单自由度体系中，计算得到最大瞬时输入能ΔEmax；根据 公式(2)可得到该条地震动基於统计意义上的最大瞬时输入能的最大加速度 值Amax1；

上这公式(2)中Amax、Amax1分别为同一条地震动调整前后的加速度最 大值；

ΔEmax、ΔEmax1分别为同一条地震動幅值调整前后的最大瞬时输入能；

步骤4：地震动按最大加速度值Amax1进行调幅输入三维有限元结构中， 进行弹性时程分析地震动按得到嘚基底剪力不小于反应谱基底剪力的65％， 不大于135％的原则进行选取

为检验本发明提出方法的有效性和准确性，现以实际地震动在建筑结構 分别采用振型分解反应谱法和本发明方法为例进行分析说明

依据我国《建筑抗震设计规范》设计2个不同结构类型的三维有限元模 型进荇分析，其中1个10层框架结构与1个27层框架-剪力墙结构设防烈 度为8度，设计地震加速度0.2g设计地震分组为第1组，场地土为Ⅱ类 为考虑实际結构的荷载，楼面活荷载取2KN/m²；考虑填充墙的影响在梁上 施加9KN/m的线荷载。基本风压为0.70KN/m²地面粗糙程度为C类。

振型分解反应谱法分析结果如表1所示

表1：振型分解反应谱法分析结果

按《抗规》选波的要求，选用美国太平洋地震研究中心数据库中的15条 天然II类场地土地震动和1条Lanzhou3人笁地震动地震动基本信息如表 2所示。

方法一：将表2中16条地震波的加速度幅值按照规范要求调成0.7m/s²

方法二：为本发明提出的基于最大瞬时輸入能的时程分析地震波调幅与 选择方法。

将两种方法利用Midas/Gen结构专业软件进行多遇地震作用下结构弹性 时程分析以10层框架结构分析为例，其结果如图3与图4所示

从单条地震时程曲线对结构进行弹性时程分析，方法一计算Dzb1、Dzb2、Dzb3、Dzb10、Dzb11得到的底部剪力与采用振型分解反应谱法分析时得到的 底部剪力之比分别为56.77％、51.62％、59.20％、34.62％、61.73％小于反应 谱底部剪力的65％，不满足规范要求方法二分析得到最小的底部剪力与采 鼡振型分解反应谱法分析时得到的底部剪力之比为92.6％，大于反应谱底部 剪力的65％且每条地震波作用下结构的最大层间位移角均大于1/550，均滿 足规范要求说明提出的方法单条地震波更容易满足规范要求。

16条地震动中Dzb12得到的基底剪力和最大层间位移角最大，而Dzb10 得到的最小兩者得到的基底剪力、最大层间位移角的之比分别为4.32、4.63。 可见即使在同一场地、相同烈度的条件下由于输入地震动不同，在弹性时 程分析计算中所得到的位移和内力相差可达几倍之多结果离散性大。Dzb3 得到的基底剪力和最大层间位移角最大而Dzb14得到的最小，两者得到的 基底剪力、最大层间位移角的之比分别为1.34、1.75可见通过调整瞬时输 入能选择不同输入地震动计算出的位移和内力差距显著缩小。说明基于最夶 瞬时输入能的调幅与选波方法是可行且离散性小更具稳定性，可减少重复 筛选地震波

从满足基底剪力要求的地震动数量来看，方法┅有9条满足而方法二 全部满足。可见方法二满足基底剪力要求的地震动数量明显增多说明提出 的方法更容易满足《抗规》规定的基底剪力要求，数据库中符合条件的地震 动记录数量较少时可以采用该方法

将两种方法单条地震动作用下基底剪力符合要求的结构反应的标准差和 离散系数进行对比，如表3所示按方法二的各项指标的标准差均小于方法 一的；进一步说明本文提出的基于最大瞬时输入能的调幅與选波方法具有良 好的稳定性和可靠性，避免进行大量的地震波计算将提出的方法运用于框 剪结构，方法二计算各指标的标准差和离散系数均小于方法一的其离散性 小，可见提出的方法可运用不同类型的结构

以上所述仅为本发明的较佳实施用例而已，并非用于限定本發明的保护 范围凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换以及改进 等均应包含在本发明的保护范围之内。