时程分析天然记录选取的不确定因素分析

曹 芳

(合肥市规划设计研究院，安徽 合肥 230041)

时程分析天然记录选取的不确定因素分析

曹 芳

(合肥市规划设计研究院，安徽 合肥 230041)

介绍了建筑结构时程分析选择天然地震动记录的基本原则，对选取过程中频段控制原则和强震持时等不确定因素进行了分析，为时程分析选择天然记录提供参考建议。

时程分析，建筑结构，反应谱，地震动

0 引言

工程结构时程分析方法可以得到结构在整个时间历程上的地震反应以及各个构件特性的变化历程，从而更精确地对结构的抗震性能进行评估[1]。随着结构分析计算技术的不断进步和计算机计算速度的加快，结构时程分析方法的应用也将会越来越普遍。目前，几乎所有国内外抗震规范对结构时程分析方法都作了相应的规定[2]。

结构时程分析方法已被广泛应用于结构抗震性能评估，但是，仍然面临着许多不确定因素的影响，主要包括结构计算模型和分析方法以及地震动输入两方面的影响。结构计算分析方法目前来看已经较为成熟，而地震动输入的不确定性成为制约时程分析发展的最重要因素，具有决定性作用。

地震动输入的合理选取是结构时程分析方法的重要基础，目前各国抗震规范对地震动记录的类型和选取方法都做了规定，但是，大部分都比较笼统，没有给出具体的选取方法和评价标准。特别地，对于天然地震动记录的选择，由于很难选择某一条记录可以与规范设计谱相匹配，因此需要按照不同的原则进行匹配处理和选择，从而增加了选择的随意性。本文对天然地震动记录选择过程中频段控制原则和强震持时等影响结构反应分析结果的主要因素的不确定性进行分析讨论，为时程分析方法合理选择天然地震动输入提供参考。

1 常用选取原则

我国GB 50011-2010建筑抗震设计规范对时程分析方法作了相应的规定，要求按照规范的场地类型和设计地震分组相关规定，选用实际强震记录和人工模拟记录，选取记录的数量没有作明确的规定，只要求天然记录的数量不少于总数的2/3，多组记录的平均反应谱与设计谱在统计意义上相反，且加速度峰值需要按照规定采用。此外，对弹性时程分析每条记录的计算结果也作了相关规定。

欧洲规范EC-8要求选择至少3条地震动记录，所选记录的峰加速度值平均值不小于场地设计地面运动加速度与场地系数的乘积，在0.2倍～2倍结构自振周期范围内记录平均反应谱值不小于设计反应谱值的90%。美国ASCE-7规范要求所选择的地震动记录的震级、震中距、震源机制与设计的场地条件相一致，在0.2倍～1.5倍结构自振周期范围内，选择的地震动记录平均反应谱不应小于规范反应谱[3]。

从上述不同规范对地震动输入的选择规定来看，对记录的数量要求至少为3条，当取3条时通常以计算得到的最大值作为评价值，当取5条以上时，则以平均值作为评价值，从而满足统计意义上相符的要求。由于很难选取到一组记录样本满足均值谱与设计谱在整个周期范围内均可以较好匹配，所以通常只在重要的频段内进行控制。强震持时是地震动的重要特征，然而目前各国规范对持时都没有作出具体的规定，主要原因是已有研究表明，强震持时对结构承载力和位移分析影响并不明显，只需要保证结构可以往复振动多次即可，比如我国规范给出了5倍～10倍结构自振周期的有效持时建议。从目前各国规范的常用选取原则可以看出，选取天然地震动记录时，会存在频段控制原则以及强震持时的不确定性问题。

2 频段控制原则的影响

在选取的记录样本数量较少时，选择到一组记录均值谱能与设计谱在整个设计反应谱周期范围内各周期点都相差很小是比较困难的，因此通常只是在部分频段进行均值谱与设计谱匹配选择。目前选择控制周期范围的原则是综合考虑结构发生非弹性变形后周期的延长，以及高阶振型的影响而选择一定的周期范围进行匹配控制，选取的记录样本仅在控制周期范围进行拟合。如，ASCE-7规范给予的控制周期范围为0.2倍～1.5倍结构自振周期范围，我国抗震规范并没有给出具体的选择控制周期范围的原则，文献[4]认为在合理的周期控制范围为设计反应谱平台段和结构自振周期周围。从上述的选择原则来看，一般都以结构自振周期作为参考选取一定的控制频段。

采用不同的频段控制范围会带来地震动输入选取的不确定性，因此确定合理的频段控制原则较为重要。以文献[4]的双频段控制原则和0.2倍～1.5倍结构自振周期范围的单频段控制原则为例进行对比分析，当结构为长周期结构时，二者控制周期范围有明显区别，主要在于单频段控制范围内，下限0.2倍自振周期可能已经超过特征周期，无法对平台段周期范围内的谱值进行控制，但是平台段的影响可能也较为明显。因此，按单周期段选取原则，由于设计谱平台段不是控制周期范围，选取的样本记录均值谱在平台段谱值可能远大于或小于设计谱，会造成按两种原则选择记录计算结果有较大差别，因此长周期结构按照双周期段选择记录要比单周期段选择记录合理。而中短周期结构，由于二者的控制频段基本重合，不存在上述问题。

从上述分析可知，频段控制原则的确定要充分考虑结构的振动特征，选取合理的频段控制范围，对于中短周期结构，由于高阶振型的影响可能并不明显，而且比较接近设计谱的平台段，因此可以采用单频段或双频段控制原则。对于长周期结构，由于高阶振型的影响比较明显，采用单频段可能无法考虑到高阶振型的影响，而且平台段也无法较好匹配，建议采用多频段控制原则选取天然地震动记录。

3 强震持时的不确定性

强震持时是地震动的重要特性，对结构的地震反应有重要影响。主要体现在对结构破坏的累积效应上，因此，弹性时程分析，强震持时的影响并不明显，而对弹塑性时程分析则有着重要的影响。目前已有不同类型的强震持时定义，但并没有可以较好地反应结构累积破坏特征的持时指标。强震持时单独作为一个指标并没有太大意义，要与震动幅值和频谱特征相联系，在工程意义上才较为合理。此外，应该定义为对结构地震反应起决定性作用的时间段，而并非地震动的持续时间[5]。

抗震规范对持时的规定较为笼统，主要原因为强震持时对结构的最大位移和最大承载力等反应指标的影响并不明显。尽管强震持时是地震动的重要特征，但是目前为止并没有一个较好的强震持时指标可以反映地震动的持时特征。已有研究表明，强震持时会影响结构的累积损伤特征[6]，但是目前大部分的结构抗震分析方法仍然是以结构反应的最大值作为评价指标，造成规范对强震持时的规定并不具体。

在选取天然地震动记录时，强震持时的影响通常不予考虑也会带来分析结果的不确定性，特别当进行结构耗能评价时，强震持时不同会影响地震动输入能量特征。当需要考虑结构累积损伤和耗能需求时，由于强震持时的不同会带来分析结果的明显不同，因此，当采用能量指标进行抗震性能分析，则强震持时就是一个重要的参考指标。基于上述原因，在选取天然地震动输入时，如果以最大位移或最大承载力作为评价指标，则可以放宽对强震持时的要求；如果以能量指标进行评价，则需要对选择的样本个体的强震持时进行合理的控制。

4 结语

对结构时程分析过程中，选取天然地震动的影响因素进行了讨论，对频段控制原则和强震持时对分析结果的不确定性展开了分析，得到以下结论：

1)频段控制原则的确定需要考虑结构的自振周期特征，中短周期结构可以采用单频段控制原则，而长周期结构则需要采用多频段控制原则；

2)当以能量指标对结构抗震性能进行评价时，需要考虑强震持时的影响，对样本中各条记录的强震持时差别不能过大，否则会影响最终的评价结果。

[1] 王亚勇.关于设计反应谱、时程法和能量方法的探讨[J].建筑结构学报,2000,21(1):21-28.

[2] GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[3] 曲 哲,叶列平,潘 鹏.建筑结构弹塑性时程分析中地震动记录选取方法的比较研究[J].土木工程学报,2011,44(7):10-21.

[4] 杨 溥,李英民,赖 明.结构时程分析法输入地震波的选择控制指标[J].土木工程学报,2000,33(6):33-37.

[5] 胡聿贤.地震工程学[M].北京:地震出版社,2006.

[6] 杜修力,刘勇生.强震持时对钢筋混凝土结构地震累积破坏的影响[J].地震工程与工程振动，1992,12(3):65-70.

Analysis on uncertain factors in selecting nature records for time history analysis

CAO Fang

(HefeiPlanningandDesignResearchInstitute,Hefei230041,China)

Basic principles of selecting nature records for time history analysis of building structure are introduced. Uncertain factors on control basis of frequency scope and strong motion duration are analyzed. Some suggestions are provided for selecting nature records.

time history analysis， building structure， response spectrum， ground motion

1009-6825(2014)22-0034-02

2014-05-26

曹 芳(1980- )，女，工程师

TU311

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