CN109782352A - 提高结构地震反应分析计算效率的地震记录截取方法 - Google Patents

Abstract

本发明是提高结构地震反应分析计算效率的地震记录截取方法。本发明在对结构时程分析之前，预先对地震记录进行截断处理，仅将地震记录加速度时程较强部分输入到结构中进行计算分析，使得截断地震记录前后结构最大位移或最大层间位移角不改变。本发明适用于求取参数为最大位移或最大层间角且地震记录为单向水平输入的情况。本发明计算结构位移反应结果较为准确，在一定程度上减少了计算分析的时间，提高了计算效率，特别是对于复杂超高结构和持时较长的地震记录，效果更为显著。

Description

提高结构地震反应分析计算效率的地震记录截取方法

技术领域

本发明涉及结构时程分析计算技术领域，是一种提高结构地震反应分析计算效率的地震记录截取方法。

背景技术

在国内外现行的抗震分析方法中，结构弹塑性时程分析是一种常用的结构动力计算方法。其可以通过输入地震加速度记录对结构基本运动方程进行积分，获得结构地震作用效应随时间的变化过程，以此应用于结构地震反应分析和结构性态评估。由于结构弹塑性时程分析在每一个步长内都需要进行积分求解，遇到结构复杂、所选地震记录时程较长的情况时，计算耗费时间较多。因此，研究如何提高计算效率、减少计算时间具有较大意义。

结构位移或结构层间位移角是衡量结构状态的重要指标，结构层间位移角可由楼层层间位移与层高的比值计算获得。结构最大层间位移角是一个常用的工程需求参数，在我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2016)中，通过对结构最大层间位移角进行限值使结构满足抗震性能方面的要求。

地震记录加速度时程曲线可以反映地面运动随时间变化的强烈程度，通过对地震记录的统计发现，由台站记录所获的大部分地震记录持时较长，其所反映的地面运动程度基本呈现由弱到强再到弱，最后停止的过程。强烈的地面运动发生后，会有一段逐渐减小的震动。在此过程中，地面运动加速度由峰值逐渐减小到零。如果对结构输入一条完整的地震记录，经历了强震部分后的结构大都达到了最大位移，在其后逐渐减小的弱地面震动中位移很难继续增加。

发明内容

本发明为解决现有存在的问题，提供了一种提高结构地震反应分析计算效率的地震记录截取方法，本发明提供了以下技术方案：

一种提高结构地震反应分析计算效率的地震记录截取方法，包括以下步骤：

步骤一：采用有限元软件对待分析结构进行模态分析，获得待分析结构的基本周期T₁，确定单自由度结构体系屈服强度折减系数R的取值范围，建立周期段为0.2T₁～2T₁的单自由度结构体系有限元模型；

步骤二：选择地震记录，将所选地震记录输入至周期段为0.2T₁～2T₁的单自由度结构体系有限元模型，对单自由度结构体系有限元模型进行时程分析，获得单自由度结构最大位移反应出现时刻t_max的最大值T_max，以T_max作为输入到待分析结构中对应地震记录的截断时间；

步骤三：对地震记录进行处理，将0～T_max的部分地震记录输入待分析结构，完成待分析结构的地震反应分析，获得最大位移或者最大层间位移角；

优选地，所述步骤一具体为：

第一步：采用有限元软件对待分析结构进行模态分析，获得待分析结构框架的基本周期T₁；

第二步：根据待分析结构，确定单自由度结构体系屈服折减系数R的取值范围；

第三步：采用有限元软件建立周期段0.2T₁～2T₁的单自由度结构体系有限元模型。

优选地，所述单自由度结构体系屈服强度折减系数R取值范围根据计算所需而定。

优选地，所述步骤二具体为：

第一步：从地震记录数据库中挑选出用于计算的地震记录，将挑选出的地震记录输入至周期段为0.2T₁～2T₁的单自由度结构体系有限元模型；

第二步：对单自由度结构体系有限元模型进行时程分析，获得单自由度结构最大位移反应出现时刻t_max的最大值T_max；

第三步：将单自由度结构最大位移反应出现时刻t_max的最大值T_max作为输入到待分析结构中对应地震记录的截断时间。

优选地，从地震记录数据库中挑选出所需地震记录进行计算。

优选地，所述步骤三具体为：

第一步：对地震记录进行处理，根据地震记录截断时间T_max对选取的地震记录进行截断；

第二步：将0～T_max的部分地震记录输入待分析结构，待到完成待分析结构的地震反应分析，即获得最大位移或者最大层间位移角。

本发明具有以下有益效果：

本发明采用有限元软件对待分析结构进行模态分析，建立周期段为0.2T₁～2T₁的单自由度结构体系有限元模型，对单自由度结构体系有限元模型进行时程分析，对地震记录进行处理，将0～T_max的部分地震记录输入待分析结构，完成待分析结构的地震反应分析，获得最大位移或者最大层间位移角。从地震记录数据库中挑选出所需地震记录进行计算，本发明采用任意数量的地震记录都可行。

本发明计算结构位移反应结果较为准确，在一定程度上减少了计算分析的时间，提高了计算效率，特别是对于复杂超高结构和持时较长的地震记录，效果更为显著。

附图说明

图1是两框架结构平面尺寸示意图。

图2是两框架结构立面尺寸示意图，其中，图2-a为13.2m框架结构立面尺寸示意图，图2-b为52.8m框架结构立面尺寸示意图。

图3是单自由度体系在一条地震记录下最大位移出现时刻示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本发明进行了详细说明。

具体实施例一：

本发明提供一种提高结构地震反应分析计算效率的地震记录截取方法，包括以下步骤：

步骤一：采用有限元软件对待分析结构进行模态分析，获得待分析结构的基本周期T₁，确定单自由度结构体系屈服强度折减系数R的取值范围，建立周期段为0.2T₁～2T₁的单自由度结构体系有限元模型；

步骤二：选择地震记录，将所选地震记录输入至周期段为0.2T₁～2T₁的单自由度结构体系有限元模型，对单自由度结构体系有限元模型进行时程分析，获得单自由度结构最大位移反应出现时刻t_max的最大值T_max，以T_max作为输入到待分析结构中对应地震记录的截断时间；

步骤三：对地震记录进行处理，将0～T_max的部分地震记录输入待分析结构，完成待分析结构的地震反应分析，获得最大位移或者最大层间位移角；

具体实施例二：

步骤1：如图1、2所示，以两高度分别为13.2m和52.8m的钢筋混凝土框架结构为例，采用本方法求解两结构在不同地震记录下每层的最大层间位移角。基于有限元软件对两框架结构进行建模并完成模态分析，由此获得两框架结构基本周期T₁分别为0.88s和2.58s。利用有限元软件建立周期段为0.2T₁～2T₁的单自由度结构体系有限元模型，两框架结构对应的单自由度结构体系周期段分别为0.18s～1.76s、0.52s～5.16s，综合考虑两结构情况，此次单自由度结构体系周期取值从0.2s开始，以0.1s为步长计算到T＝5.2s结束，其中材料本构采用双线性滞回模型，结构屈服强度折减系数R取值范围是1到6的正整数。

步骤2、从地震记录数据库中挑选一千余条地震记录用于计算。将选出的地震记录输入到步骤1中建立的单自由度结构体系有限元模型，对单自由度结构体系进行时程分析，分别计算出结构周期T等于0.2s～1.8s、0.5s～5.2s下单自由度结构体系最大位移响应出现时刻t_max的最大值T_max如图3所示，图3是其中一条地震记录的演示过程，T_max1和T_max2分别表示此条地震记录输入两框架结构的截断时间，作为输入到两框架结构中对应地震记录的截断时间。

步骤3、按步骤2中确定的地震记录截断时间T_max对相应地震记录进行截断，取0～T_max段地震记录输入两框架结构，完成结构的地震反应分析即可获取结构每一层的最大层间位移角。

步骤4、将步骤3中获得的最大位移或者最大层间位移角与地震记录直接输入至待分析结构进行时程分析获得的最大位移或者最大层间位移角对比，判断是否存在地震记录截断前后待分析结构最大层间位移角的平均相对误差。

为对比说明截断地震记录方法的可行性，将选出的原始地震记录直接输入两框架结构进行时程分析获得每层最大层间位移角，把结果与上述步骤中截断地震记录后输入两框架结构获得的每层最大层间位移角进行对比，求得地震记录截断前后结构最大层间位移角的平均相对误差如表1所示，可以看出截断地震记录前后结构最大层间位移角存在误差，但其平均相对误差极小，在可接受范围内。表2给出了地震记录截断后减少的地震记录持时占原始地震记录持时的平均百分比以及平均少输入的持时长短。可以看到对于两框架结构，平均每条地震记录分别减少了12.66s和10.12s的输入地震记录持时，平均每条地震记录提升了20％～30％的计算效率，说明本发明提出的地震记录截取方法节省时间效果显著且计算结果可靠。

表1两框架结构最大层间位移角平均相对误差

表2每条地震记录平均舍弃率及平均节省输入持时

以上所述仅是提高结构地震反应分析计算效率的地震记录截取方法的优选实施方式，提高结构地震反应分析计算效率的地震记录截取方法的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于该思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和变化，这些改进和变化也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种提高结构地震反应分析计算效率的地震记录截取方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一：采用有限元软件对待分析结构进行模态分析，获得待分析结构的基本周期T₁，确定单自由度结构体系屈服强度折减系数R的取值范围，建立周期段为0.2T₁～2T₁的单自由度结构体系有限元模型；

步骤二：选择地震记录，将所选地震记录输入至周期段为0.2T₁～2T₁的单自由度结构体系有限元模型，对单自由度结构体系有限元模型进行时程分析，获得单自由度结构最大位移反应出现时刻t_max的最大值T_max，以T_max作为输入到待分析结构中对应地震记录的截断时间；

步骤三：对地震记录进行处理，将0～T_max的部分地震记录输入待分析结构，完成待分析结构的地震反应分析，获得最大位移或者最大层间位移角。

2.根据权利要求1所述的一种提高结构地震反应分析计算效率的地震记录截取方法，其特征是：所述步骤一具体为：

第一步：采用有限元软件对待分析结构进行模态分析，获得待分析结构框架的基本周期T₁；

第二步：根据待分析结构，确定单自由度结构体系屈服折减系数R的取值范围；

第三步：采用有限元软件建立周期段0.2T₁～2T₁的单自由度结构体系有限元模型。

3.根据权利要求2所述的一种提高结构地震反应分析计算效率的地震记录截取方法，其特征是：所述单自由度结构体系屈服强度折减系数R取值范围根据计算所需而设定。

4.根据权利要求1所述的一种提高结构地震反应分析计算效率的地震记录截取方法，其特征是：所述步骤二具体为：

第一步：从地震记录数据库中挑选出用于计算的地震记录，将挑选出的地震记录输入至周期段为0.2T₁～2T₁的单自由度结构体系有限元模型；

第二步：对单自由度结构体系有限元模型进行时程分析，获得单自由度结构最大位移反应出现时刻t_max的最大值T_max；

第三步：将单自由度结构最大位移反应出现时刻t_max的最大值T_max作为输入到待分析结构中对应地震记录的截断时间。

5.根据权利要求4所述的一种提高结构地震反应分析计算效率的地震记录截取方法，其特征是：从地震记录数据库中挑选出所需地震记录进行计算。

6.根据权利要求1所述的一种提高结构地震反应分析计算效率的地震记录截取方法，其特征是：所述步骤三具体为：

第一步：对地震记录进行处理，根据地震记录截断时间T_max对选取的地震记录进行截断；

第二步：将0～T_max的部分地震记录输入待分析结构，待到完成待分析结构的地震反应分析，即获得最大位移或者最大层间位移角。