CN108416140B - 基于最大瞬时输入能的时程分析地震波选择与调幅方法 - Google Patents

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Abstract

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：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；将Qd1、d1代入公式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；输入的地震波按《建筑抗震设计规范》(GB50011‑2010)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；代入公式可得到该条地震波基于统计意义上的最大瞬时输入能的最大加速度值Amax1；地震波按最大加速度值Amax1进行调幅，输入三维有限元结构中，进行弹性时程分析，地震波按得到的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。本发明针对地震波的选择与调幅，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。

Description

基于最大瞬时输入能的时程分析地震波选择与调幅方法
【技术领域】
本发明属于地震工程、结构抗震、结构健康监测等领域地震波信号的处理与分析，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。
【背景技术】
我国《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)(以下简称《抗规》)地震波幅值调整是将地震波记录的峰值加速度调整成指定数值。地震波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；还要满足地震波三要素的要求：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用)和持续时间(一般为结构基本周期的5-10倍)。
最理想的地震波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波记录，但是这种地震波记录几乎很难找到。所以一般通过地震波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波强度指标进行调整，使调整后的地震波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的应用。但是时程分析的结果可靠性很大程度上取决于地震波输入，输入不同的地震波，所得的地震反应结果相差几倍甚至几十倍之多。因此，如何选择合适的地震波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波记录的强度指标值调整成相同的强度指标值，如我国《抗规》将地震波记录的峰值加速度(PGA)调整成指定数值；日本建筑中心将地震波记录的峰值速度(PGV)调整成指定数值。第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值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，仅仅考虑了地震波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波记录。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指标从地震波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小，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波持时的影响，采用以地震波输入到线性单自由度体系的弹性总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，考虑地震波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。
现有技术缺点：
①我国现行《抗规》采用时程分析法选择地震波记录。但是时程分析的结果可靠性很大程度上取决于地震波输入，输入不同的地震波，所得的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仅采用简单的单一参数描述地震波指标，导致丢失了大量的地震波信息，无法全面描述各种地震波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大偏差。
④现行抗震设计规范中，对于时程分析法中选取地震波的原则是输入地震波的反应谱须拟合设计反应谱，但对于反应谱拟合程度的控制尚有争议。
【发明内容】
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调幅，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。
本发明是这样实现的：
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；
Figure GDA0003096224310000031
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波加速度最大值；
步骤3：输入的地震波按《抗规》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)可得到该条地震波基于统计意义上的最大瞬时输入能的最大加速度值Amax1；
Figure GDA0003096224310000032
上这公式(2)中Amax、Amax1分别为同一条地震波调整前后的加速度最大值；
ΔEmax、ΔEmax1分别为同一条地震波幅值调整前后的最大瞬时输入能；
步骤4：地震波按最大加速度值Amax1进行调幅，输入三维有限元结构中，进行弹性时程分析，地震波按得到的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。
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。
【附图说明】
下面参照附图结合实施例对本发明作进一步的描述。
图1是本发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。
【具体实施方式】
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定义为连续两速度零点之间的能量输入，即
Figure GDA0003096224310000041
式中，m为体系质量；
Figure GDA0003096224310000042
是地面加速度；
Figure GDA0003096224310000043
为结构的相对速度反应；t为地面加速度的某一时刻；Δt是指结构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：由于在地震波数据库中，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、地震强度参数、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；
Figure GDA0003096224310000051
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波加速度最大值；
步骤3：输入的地震波按《抗规》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)可得到该条地震波基于统计意义上的最大瞬时输入能的最大加速度值Amax1；
Figure GDA0003096224310000052
上这公式(2)中Amax、Amax1分别为同一条地震波调整前后的加速度最大值；
ΔEmax、ΔEmax1分别为同一条地震波幅值调整前后的最大瞬时输入能；
步骤4：地震波按最大加速度值Amax1进行调幅，输入三维有限元结构中，进行弹性时程分析，地震波按得到的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。
工程实例
为检验本发明提出方法的有效性和准确性，现以实际地震波在建筑结构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行分析，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。为考虑实际结构的荷载，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
Figure GDA0003096224310000061
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类场地土地震波和1条Lanzhou3人工地震波，地震波基本信息如表2所示。
表2：地震波基本信息
Figure GDA0003096224310000062
两种方法对比：
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输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用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，均满足规范要求。说明提出的方法单条地震波更容易满足规范要求。
16条地震波中，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，两者得到的基底剪力、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，由于输入地震波不同，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波计算出的位移和内力差距显著缩小。说明基于最大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波数量来看，方法一有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波数量明显增多，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波记录数量较少时可以采用该方法。
表3：两种方法对比
Figure GDA0003096224310000071
将两种方法单条地震波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与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，并非用于限定本发明的保护范围。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。

Claims (1)

1.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；
Figure FDA0003096224300000011
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《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)要求的时程分析所用的地震波加速度最大值；
步骤3：输入的地震波按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)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)可得到该条地震波基于统计意义上的最大瞬时输入能的最大加速度值Amax1；
Figure FDA0003096224300000012
上这公式(2)中Amax、Amax1分别为同一条地震波调整前后的加速度最大值；
ΔEmax、ΔEmax1分别为同一条地震波幅值调整前后的最大瞬时输入能；
步骤4：地震波按最大加速度值Amax1进行调幅，输入三维有限元结构中，进行弹性时程分析，地震波按得到的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。
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