CN112699438A - 基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法，包括以下步骤：尽可能多的选取地震动记录和地震动参数，并通过相关性分析选出相对独立的代表性参数作为初始地震动参数；明确不同结构在地震作用下的响应指标，并对结构进行分类；初始地震动参数与结构响应的相关性和离散性分析，最终确定不同工况下与结构响应相关性最好的地震动参数，并进行排序；基于确定的地震动参数排序，以超越概率的形式表示地震动对不同结构的破坏强度，并给出推荐输入地震动记录。该方法选择不同超越概率的输入地震动进行抗震设计将面临不同的风险水平，设计者可以根据目标建筑的重要性等级、经济效益以及可承受地震风险水平自行选择输入地震动。

Description

基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法

技术领域

本发明涉及结构抗震技术领域，特别涉及一种基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法。

背景技术

挑选合理的输入地震动对结构抗震设计非常重要，传统挑选输入地震动方法存在明显的缺陷。目前挑选地震动记录最常用的方法是基于规范中设计谱匹配的方法进行挑选，在考虑震级、震中距等地震信息基础上，计算地震动的反应谱值，与设计谱进行匹配，选取规定周期点处误差较小的地震动记录作为输入地震动进行抗震设计。各个国家的建筑抗震设计规范规定可能不完全相同，但是进行设计谱匹配的基本思路是一致的。但是通过规范谱法始终存在着较大的离散性，更重要的是所选出的地震动记录代表某一设防水平的地震动记录，但对于未来结构可能遇到的地震风险水平无法评估。

因此，不少的专家和学者针对规范谱法的缺点进行改进或者提出不同的方法挑选输入地震动。例如两阶段法，基于EPA调幅改进规范谱法，权重系数匹配法以及条件均值谱法等等；与规范谱法相比，这些方法选出的地震动进行结构抗震设计时达到了离散性更小效果，但是这些方法从本质上讲都是基于弹性加速度反应谱值Sa(T)得到的结果，但是当结构发生复杂弹塑性反应时，仅仅进行弹性加速度反应谱Sa(T)的匹配并不能满足要求。更重要的是这些方法仍然无法定量评估地震动的破坏强度，对于目标结构在未来可能遇到的地震风险水平无法评估。

最不利设计地震动的方法从与规范谱法完全不同的思路进行考虑，选取最危险的地震动进行抗震设计，以保证结构具备足够的抗震能力，这对于核电站等极其重要的建筑物来说是非常适合的，但是对于抗震设防需求相对较弱的结构(民用住宅、商场或者是货物仓库等)来说，使用最不利地震动进行抗震设计是没有必要的，人们会考虑经济效益以及资源浪费等问题。

因此针对现有抗震设计方法的不足，亟待一套新的挑选输入地震动的方法。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法，该方法解决了传统抗震设计时挑选输入地震动方法的缺点。

为达到上述目的，本发明实施例提出了基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法，包括以下步骤：步骤S1，确定初始地震动参数；步骤S2，确定不同结构的响应指标；步骤S3，对所述初始地震动参数与所述响应指标进行相关性分析和离散性分析，确定不同工况下与结构响应相关性最好的地震动参数；步骤S4，对所述最佳地震动参数进行地震动破坏参数排名，以超越概率形式表示地震动对不同结构的破坏强度，并给出推荐输入地震动记录。

本发明实施例的基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法，通过选取的输入地震动输入结构得到的结构响应，减小了离散性，还可对选取的输入地震动的破坏强度进行定量分析，并且基于地震动的破坏强度进行排序，以概率的形式表征地震动记录的破坏强度，从而明确基于选取的输入地震动在未来可能面临的地震风险水平，为结构抗震设计中挑选输入地震动提供更好地的思路和方法。

另外，根据本发明上述实施例的基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S1具体步骤为：选取多个表征地震动对不同结构破坏程度的地震动参数；对所述地震动参数进行相关性分析，选取相对独立的地震动参数作为所述初始地震动参数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述步骤S2中基于三联谱原理将结构划分为刚性结构、刚柔结构和柔性结构，其中，选用加速度指标作为所述刚性结构的响应指标，选用位移指标作为所述刚柔结构和所述柔性结构的响应指标。

进一步地，在本发明的一个实施例中，结构划分的具体步骤为：确定地震动记录和场地分类；计算所述地震动记录的伪加速反应谱、伪速度反应谱和伪位移反应谱；处理所述伪加速反应谱、所述伪速度反应谱和所述伪位移反应谱确定出所述刚性结构和所述刚柔结构以及所述刚柔结构和所述柔性结构的周期分界点；根据所述周期分界点划分出所述刚性结构、所述刚柔结构和所述柔性结构。

进一步地，在本发明的一个实施例中，处理公式为：

其中，ε₁为PGA归一化后伪加速度反应谱的标准差，δ_Sa(T)为伪加速度反应谱的标准差，PGA为峰值加速度，ε₂为PGV归一化后伪速度反应谱的标准差，δ_Sv(T)为伪位移反应谱的标准差，PGV为峰值速度，ε₃为PGD归一化后伪位移反应谱的标准差，δ_Sd(T)为伪位移反应谱的标准差，PGD为峰值位移，ε为总的归一化后的标准差，T为周期点。

进一步地，在本发明的一个实施例中，在进行所述步骤S3之前，需通过改变屈服强度系数、阻尼比以及屈服后刚度，分析不同结构参数对地震作用下结构响应的影响。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法的流程图；

图2是本发明针对刚柔结构地震动破坏强度排序结果示意图；

图3是本发明针对柔性结构给出的地震动破坏强度排序结果示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法。

图1是本发明一个实施例的基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法的流程图。

如图1所示，该基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法包括以下步骤：

在步骤S1中，确定初始地震动参数。

进一步地，在本发明的一个实施例中，步骤S1具体步骤为：

选取多个表征地震动对不同结构破坏程度的地震动参数；

对地震动参数进行相关性分析，选取相对独立的地震动参数作为初始地震动参数。

具体而言，从地震动参数方面讲，现有方法中地震动的特征主要通过幅值、持时以及频谱等地震动参数体现，具体哪些地震动参数能够表征地震动对结构的破坏能力，因此首先广泛的选取地震动参数，为了避免重复分析，通过地震动参数的相关性分析进行地震动破坏参数初选，确定初始地震动参数。

在步骤S2中，确定不同结构的响应指标。

具体地，从结构的破坏方面，用结构损伤指标参数来表示地震造成的结构破坏。对于不同的结构类型，衡量结构在地震动作用下的破坏程度的指标也是不同，比如对于刚性结构一般需用加速度型响应指标，而对于刚柔及刚柔性结构一般选用位移类响应指标作为损伤程度评价标准，因此确定不同结构的响应指标也同样重要。

进一步地，结构类别的划分主要以结构的自振周期进行划分，主要是基于三联谱的原理将结构划分为刚性结构、刚柔结构和柔性结构。基于三联谱原理的具体步骤为：

确定地震动记录和场地分类；

计算地震动记录的伪加速反应谱、伪速度反应谱和伪位移反应谱；

通过下述公式(1)和(2)处理伪加速反应谱、伪速度反应谱和伪位移反应谱确定出刚性结构和刚柔结构以及刚柔结构和柔性结构的周期分界点T₁，T₂；

其中，ε₁为PGA归一化后伪加速度反应谱的标准差，δ_Sa(T)为伪加速度反应谱的标准差，PGA为峰值加速度，ε₂为PGV归一化后伪速度反应谱的标准差，δ_Sv(T)为伪位移反应谱的标准差，PGV为峰值速度，ε₃为PGD归一化后伪位移反应谱的标准差，δ_Sd(T)为伪位移反应谱的标准差，PGD为峰值位移，ε为总的归一化后的标准差，T为周期点。

在步骤S3中，对初始地震动参数与响应指标进行相关性分析和离散性分析，确定不同工况下与结构响应相关性的最佳地震动参数。

具体地，进行地震动参数与结构响应的相关性和离散性分析，最终确定不同工况下与结构响应相关性最好的地震动参数。与现有表征结构响应最常用基于加速度反应谱值Sa(T)，在本发明中充分考虑各种工况中结构响应与大量地震动参数的相关性，确定能够表征结构响应的最佳地震动参数。

进一步地，在进行步骤S3之前，需研究同一个周期情况下，通过OPENSEES建立单自由度体系模型进行分析，通过改变屈服强度系数、阻尼比以及屈服后刚度，分析不同结构参数对地震作用下结构响应的影响。

在步骤S4中，对最佳地震动参数进行地震动破坏参数排名，以超越概率形式表示地震动对不同结构的破坏强度，并给出推荐输入地震动记录。

具体地，基于不同工况下选的地震动破坏参数排名，得到的排名结果即为基于破坏强度的地震动排名结果；利用地震危险性分析的相关知识将每条地震的破坏强度以概率的形式表示出来，最终给出不同破坏强度的推荐地震动记录。与现有的地震危险性分析方法相比，本发明不考虑震级和震中距的影响，而只考虑有破坏强度的地震动；同时考虑结构的不确定性，地震动对不同结构的破坏能力存在明显差别，最终可针对不同结构给出基于概率的不同破坏强度的推荐地震动记录。

下面一个实施例对本发明基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法进一步说明。

步骤一，从地震动参数方面，从全球60000多条地震动记录中选出5500多条破坏能力较强的地震动记录，从5500多条地震动记录中选出相对独立的地震动参数作为初始地震动参数。

步骤二，从结构的破坏方面，基于三联谱的原理将结构划分为刚性结构、刚柔结构和柔性结构，并确定不同结构的响应指标。

步骤三，通过OPENSEES建立单自由度体系模型分析屈服强度系数、阻尼比以及屈服后刚度等结构参数的值对于地震作用下结构响应的影响。

步骤四，对初始地震动参数与结构响应的相关性和离散性进行分析，即在考虑场地分类的基础上对地震动记录的破坏强度进行定量分析，确定不同工况下与结构响应相关性最好的地震动参数，即最佳地震动参数。

步骤五，如图2和3所示，基于不同工况下选的地震动破坏参数进行排序，得到的排名结果即为基于破坏强度的地震动排名结果。

步骤六，利用地震危险性分析的相关知识将每条地震的破坏强度以概率的形式表示出，最终推荐出不同破坏强度的地震动记录。

综上，本发明实施例提出的基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法，从地震动不确定性和结构的不确定两方面分别分析，针对不同场地类别及结构工况，确定地震作用下可以表征结构响应的地震动破坏强度参数，从而区别于传统方法中基于单一Sa(T)值的方法；再基于所选取的地震动破坏强度参数对地震动记录进行排序，得到的排序结果即为针对该类结构的地震动破坏强度排序结果；最后用超越概率的形式表每条地震动在不同工况下的破坏强度，设计者可以根据目标建筑的重要性等级、经济效益以及可承受地震风险水平自行选择输入地震动。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，确定初始地震动参数；

步骤S2，确定不同结构的响应指标；

步骤S3，对所述初始地震动参数与所述响应指标进行相关性分析和离散性分析，确定不同工况下与结构响应相关性的最佳地震动参数；

步骤S4，对所述最佳地震动参数进行地震动破坏参数排名，以超越概率形式表示地震动对不同结构的破坏强度，并给出推荐输入地震动记录。

2.根据权利要求1所述的基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法，其特征在于，所述步骤S1具体步骤为：

选取多个表征地震动对不同结构破坏程度的地震动参数；

对所述地震动参数进行相关性分析，选取相对独立的地震动参数作为所述初始地震动参数。

3.根据权利要求1所述的基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法，其特征在于，所述步骤S2中基于三联谱原理将结构划分为刚性结构、刚柔结构和柔性结构，其中，选用加速度指标作为所述刚性结构的响应指标，选用位移指标作为所述刚柔结构和所述柔性结构的响应指标。

4.根据权利要求3所述的基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法，其特征在于，结构划分的具体步骤为：

确定地震动记录和场地分类；

计算所述地震动记录的伪加速反应谱、伪速度反应谱和伪位移反应谱；

处理所述伪加速反应谱、所述伪速度反应谱和所述伪位移反应谱确定出所述刚性结构和所述刚柔结构以及所述刚柔结构和所述柔性结构的周期分界点；

根据所述周期分界点划分出所述刚性结构、所述刚柔结构和所述柔性结构。

5.根据权利要求4所述的基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法，其特征在于，处理公式为：

其中，ε₁为PGA归一化后伪加速度反应谱的标准差，

为伪加速度反应谱的标准差，PGA为峰值加速度，ε₂为PGV归一化后伪速度反应谱的标准差，

为伪位移反应谱的标准差，PGV为峰值速度，ε₃为PGD归一化后伪位移反应谱的标准差，

为伪位移反应谱的标准差，PGD为峰值位移，ε为总的归一化后的标准差，T为周期点。

6.根据权利要求1所述的基于破坏强度的全球地震动定量排序的输入地震动选取方法，其特征在于，在进行所述步骤S3之前，需通过改变屈服强度系数、阻尼比以及屈服后刚度，分析不同结构参数对地震作用下结构响应的影响。

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