CN112733222B - 基于物理机制的三层次工程抗震地面运动选择方法 - Google Patents

基于物理机制的三层次工程抗震地面运动选择方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于工程抗震技术领域，本发明的基于物理机制的三层次工程抗震地面运动选择方法包括如下步骤：综合考虑场地效应、震中距、震级大小的地震环境因素，第一层次地面运动的选择完成；计算工程结构各阶周期和振型，计算各振型参与质量系数；确定有效振型数及有效周期为；计算区段周期点上地面运动时程谱加速度与规范谱相对差，进行局部谱匹配，第二层次初步地面运动选择完成；计算有效周期上地面运动时程谱加速度与规范谱相对差；计算区段周期点上地面运动时程谱加速度与规范谱相对差平均值。本申请解决了长周期工程结构的高振振型地面运动选择问题，提升了不同工程结构地面运动选择技术在大震、特大震条件下的适用问题。

Description

基于物理机制的三层次工程抗震地面运动选择方法
技术领域
本发明属于工程抗震技术领域，具体涉及一种工程抗震领域的地面运动选择方法。
背景技术
与目标谱匹配一致选择地面运动是世界工程抗震中地面运动选择的主要方法。目标谱包括规范谱、一致概率谱、条件均值谱等。美国ASCE/SEI7-10规范要求在[0.2T1，1.5T1]周期段上与规范设计谱匹配；欧洲抗规EC-8取[0.2T1，2.0T1]，要求所选地震动记录反应谱在该范围内的均值不小于90％的规范谱；我国《抗规》和《高规》并没有具体提及地面运动的选择方法，但提出了地面运动选择后的要求，按照建筑场地类别和设计地震分组选择地震动，把与设计反应谱统计意义相一致作为评价标准，并控制时程分析的底部剪力，工程实践中多采用了杨溥提出的方法，该方法将反应谱平台段[0.1,Tg]和结构基本周期段[T1-ΔT1,T1+ΔT2](ΔT1取0.2s,ΔT2取0.5s)作为匹配范围，选择地面运动。此外，Naeim等利用遗传算法；周颖、张锐等考虑了多振型影响；冀昆等考虑权重优化；韩小雷等考虑长周期选波。这些方法主要考虑的与规范谱的一致的原则，但皆尚未统一考虑地震场地环境、谱形匹配、多振型三个因素的影响。
长周期工程结构，高振振型的地面运动选择是个难题，虽有研究但未能很好地解决。强震时，工程结构进入塑性状态，结构构件损伤严重，强度明显退化，与弹性阶段相比，各阶振型周期发生变化，但是，已有地面运动选择方法未考虑此问题。
发明内容
针对现有技术中，本申请提出了基于物理机制的三层次工程抗震地面运动选择方法。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括如下步骤：
步骤1，综合考虑场地效应、震中距、震级大小的地震环境因素，按照与建筑物场地相一致的原则，第一层次完成地面运动的选择；
步骤2，计算工程结构各阶周期和振型，计算各振型参与质量系数；
步骤3，累积振型参与质量系数达到90％时，确定多个有效振型数n，其每个有效振型对应的有效周期为T1，T2，……，Tn；
步骤4，在Tg至T1+TΔ周期段上，计算区段周期点上地面运动时程谱加速度与规范谱相对差εi1，按照εi1≤δ1进行局部谱匹配，第二层次初步地面运动选择完成，其中，Tg为抗震规范特征周期，T1为结构第一周期，TΔ取[0，0.5T1]，δ1∈[0，50％]；
步骤5，计算有效周期点区段[Ti-TiΔ1，Ti+TiΔ2]上地面运动时程谱加速度与规范谱相对差εi2，按照εi2≤δ2，第二层次进一步地面运动选择完成，其中，δ2∈[0，20％]；
步骤6中，在T1+TΔ至6s周期段上，计算区段周期点上地面运动时程谱加速度与规范谱相对差平均值ε3，或计算区段周期点上地面运动时程谱加速度与规范谱相对差平方和的平均值
Figure BDA0002864147650000023
从第二层次选择地面运动中，基于抗震规范要求的个数，按照ε3或
Figure BDA0002864147650000022
由小到大排序最终确定所选的地面运动。
上述步骤(1)中宏观匹配场地地震环境，步骤(4)和步骤(6)中匹配规范谱谱形，步骤(5)中多振型匹配规范谱。
优选地，步骤1中，所述的场地效应可采用V30(即30米深度范围内土层等效剪切波速)、V20+土覆盖层厚度等确定。
优选地，步骤2中，所述的工程结构包括建筑物、构筑物、桥梁等。
优选地，步骤3中，所述的局部谱匹配：在Tg至T1+TΔ地面运动的反应谱与规范谱的局部谱型匹配。
优选地，步骤5中，所述TiΔ1和TiΔ2可按[0，0.2Ti]确定。
优选地，步骤6中，代表在T1+TΔ至6s周期段上，地面运动的反应谱与规范谱的局部谱型选优匹配。
本申请采用了地面运动谱加速度与规范谱谱形匹配与多阶振型精度控制混合技术，一方面解决了长周期工程结构的高振振型地面运动选择问题，另一方面，可有效控制工程结构进入塑性后，各阶振型周期发生变化的问题，提升了不同工程结构地面运动选择技术在大震、特大震条件下的适用问题。
附图说明
图1为框架结构立体图；
图2为框架结构平面布置示意图；
图3为ε3由小到大排序其谱加速度、平均谱加速度、规范谱谱加速度；
图4为
Figure BDA0002864147650000035
由小到大排序其谱加速度、平均谱加速度、规范谱谱加速度。
具体实施方式
下面结合实施例与附图进一步说明本发明：
以某5层框架结构为例，该框架结构抗震地面运动选择方法如下所述：该框架结构立体图见图1，平面图见图2。该框架设防烈度为6度、场地类别为II类场地、设计地震分组为第二组、场地特征周期Tg为0.40s。
(1)综合考虑场地效应、震中距、震级大小等地震环境因素，按照与建筑物场地尽可能一致的原则，第一层次完成地面运动的选择。
(2)计算工程结构各阶周期和振型，计算各振型参与质量系数：
第j阶振型质量参与系数：
Figure BDA0002864147650000031
其中，第j阶振型参与系数
Figure BDA0002864147650000032
第j阶振型的模态质量
Figure BDA0002864147650000033
第j阶振型的有效质量
Figure BDA0002864147650000034
M为结构体系的质量矩阵，φj为结构的第j阶振型。
计算出结构的周期、振型参与质量系数、累计振型参与质量系数，见表1所示。
表1结构动力特性
Figure BDA0002864147650000041
(3)累积振型参与质量系数达到90％时，确定多个有效振型数n，有效周期为T1，T2，……，Tn。
本实施例，选择2个振型满足累积振型参与质量系数达到90％的要求，T1＝0.796s，T2＝0.258s。
(4)在Tg至T1+TΔ周期段上，Tg为抗震规范特征周期，T1为结构第一周期，TΔ取[0，0.5T1]，计算区段周期点上地面运动时程谱加速度与规范谱相对差εi1，按照εi1≤δ1进行局部谱匹配，第二层次初步地面运动选择完成，δ1∈[0，50％]。
计算区段周期点上地面运动时程谱加速度与规范谱相对差：
Figure BDA0002864147650000042
其中，
Figure BDA0002864147650000043
为Tg至T1+TΔ周期段上的各周期点，周期点的间隔0.05s，
Figure BDA0002864147650000044
为该周期段地面运动的谱加速度，
Figure BDA0002864147650000045
为该周期段规范谱的谱加速度。
本实施例，Tg＝0.40s，T1+TΔ＝1.0s，δ1按20％考虑。
(5)计算有效周期点区段[Ti-TiΔ1，Ti+TiΔ2]上地面运动时程谱加速度与规范谱相对差εi2，按照εi2≤δ2，进行第二层次进一步选择地面运动，δ2∈[0，20％]。
Figure BDA0002864147650000046
其中，S(Ti)为第i个有效周期上的谱加速度，Sa(Ti)为第i个有效周期上规范谱的谱加速度。
本实施例，TiΔ1＝Ti+TiΔ2＝0.05s，i＝2，δ2按10％考虑。
(6)在T1+TΔ至6s周期段上，计算区段周期点上地面运动时程谱加速度与规范谱相对差平均值ε3，也可计算区段周期点上地面运动时程谱加速度与规范谱相对差平方和的平均值
Figure BDA0002864147650000051
从第二层次选择地面运动中，基于抗震规范要求的个数，按照ε3或
Figure BDA0002864147650000052
由小到大排序，最终确定所选的地面运动。其代表在T1+TΔ至6s周期段上，地面运动的反应谱与规范谱的局部谱型进行选优匹配。
计算区段周期点上地面运动时程谱加速度与规范谱相对差平均值：
Figure BDA0002864147650000053
计算区段周期点上地面运动时程谱加速度与规范谱相对差平方和的平均值：
Figure BDA0002864147650000054
其中，
Figure BDA0002864147650000055
为T1+TΔ至6s周期段上的各周期点，周期点的间隔0.05s，共N个，
Figure BDA0002864147650000056
为该周期段地面运动的谱加速度，
Figure BDA0002864147650000057
为该周期段规范谱的谱加速度。按照中国抗震规范，地面运动取7条。
本实施例，从T1+TΔ＝1.0s至6s周期段上，ε3由小到大排序，选出7条地面运动，其谱加速度、平均谱加速度、规范谱谱加速度见图3。
Figure BDA0002864147650000058
由小到大排序，选出7条地面运动，其谱加速度、平均谱加速度、规范谱谱加速度见图4。
以上所述并非是对本发明的限制，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明实质范围的前提下，还可以做出若干变化、改型、添加或替换，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于物理机制的三层次工程抗震地面运动选择方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，综合考虑场地效应、震中距、震级大小的地震环境因素，按照与建筑物场地相一致的原则，第一层次地面运动的选择完成；
步骤2，计算工程结构各阶周期和振型，计算各振型参与质量系数；
步骤3，累积振型参与质量系数达到90％时，确定有效振型数n，其每个有效振型对应的有效周期为T1，T2，……，Tn；
步骤4，在Tg至T1+TΔ周期段上，计算区段周期点上地面运动时程谱加速度与规范谱相对差εi1，按照εi1≤δ1进行局部谱匹配，第二层次初步地面运动选择完成，其中，Tg为抗震规范特征周期，T1为结构第一周期，TΔ取[0，0.5T1]，δ1∈[0，50％]；
步骤5，计算有效周期点区段[Ti-TiΔ1，Ti+TiΔ2]上地面运动时程谱加速度与规范谱相对差εi2，按照εi2≤δ2，第二层次进一步地面运动选择完成，其中，δ2∈[0，20％]；
步骤6中，在T1+TΔ至6s周期段上，计算区段周期点上地面运动时程谱加速度与规范谱相对差平均值ε3，或计算区段周期点上地面运动时程谱加速度与规范谱相对差平方和的平均值
Figure FDA0002864147640000011
从第二层次选择地面运动中，基于抗震规范要求的个数，按照ε3或
Figure FDA0002864147640000012
由小到大排序最终确定所选的地面运动。
2.根据权利要求1所述的基于物理机制的三层次工程抗震地面运动选择方法，其特征在于，步骤1中，所述的场地效应采用V30、V20+土覆盖层厚度确定。
3.根据权利要求1所述的基于物理机制的三层次工程抗震地面运动选择方法，其特征在于，步骤2中，所述的工程结构包括建筑物、构筑物、桥梁。
4.根据权利要求1所述的基于物理机制的三层次工程抗震地面运动选择方法，其特征在于，步骤3中，所述的局部谱匹配为在Tg至T1+TΔ地面运动的反应谱与规范谱的局部谱型匹配。
5.根据权利要求1所述的基于物理机制的三层次工程抗震地面运动选择方法，其特征在于，步骤5中，所述TiΔ1和TiΔ2按[0，0.2Ti]确定。
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