地震动参数的选取在结构响应分析中的应用

乔 琪 张亮泉

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

地震动本身具有不确定性，所以国内外学者通过不断研究总结各参数去描述地震动的特性。但是还是不能准确得描述地震动，因为参数只能代表地震动的部分特性。地震动的三要素是振幅、频谱和持时。也通过这地震动的三要素将地震动参数分为三类。在结构动力分析中，最常用的方法是动力时程分析。它可以比较准确的表现结构在地震作用下的结构特性。而在进行动力时程分析时，最关键的一步就是选择合理的地震动记录。地震动参数在结构动力响应和地震动特性之间起连接作用，所以研究地震动参数与结构之间的关系是非常重要的。

1 地震动的参数研究概况

地震动本身的特点是不断变化的，它随着震源的远近，当时的地质条件不同而变化着，在不同地点记录的地震动也是不同的，这也体现了地震波本身的不确定性和复杂性。在早期地震波的研究中，一般通过地面峰值加速度PGA，地面峰值速度PGV，地面峰值位移PGD来描述地震动。这类参数一般都是宏观的或者直接通过地震波得到，但是要用来描述地震动还是不够的。在随后的研究中，科研学者不断的总结研究，从不同角度总结了多种地震动指标。

叶献国对一栋12层钢筋混凝土框架结构输入17条不同的地震加速度记录进行非线性动力分析，分析8 种地震动强度参数与结构破损指数的相关性。叶列平等通过建立单自由度体系和多自由度体系，以60条真实的震动记录作为基础，计算了33个地震动强度参数与结构响应的相关性，并总结出不同参数适用的范围。吕大刚等选择40条实际地震动输入单自由度体系进行动力时程分析，对36个地震动强度参数从五个方面做出评价。Giovenale通过直接和间接两种方案验证地震动强度参数是连接地震灾害分析和结构分析的媒介。

地震表征参数如下：

1)地面峰值参数。

地面峰值加速度PGA是最常用的地震动参数，通过将地面峰值加速度PGA积分可以得到地面峰值速度，再积分得到地面峰值位移。这三类也是最早期描述地震动的强度参数。

PGA=max|üg(t)|

(1)

2)有效峰值参数。

将阻尼比为5%的加速度反应谱在周期0.1 s～0.5 s之间的谱值的均值定义为有效峰值谱加速度。同样也将此概念扩展到有效峰值谱速度和有效峰值谱位移上。后两者的参数与有效峰值谱加速度在定义区间上有所不同。最常用的定义区间为：有效峰值谱速度取周期0.7 s～2.0 s之间做平均值；有效峰值谱位移采用周期2.5 s～4 s之间做平均值。式(2)中的2.5为经验系数。

(2)

3)谱烈度参数。

谱加速烈度的定义是阻尼比为5%的加速度反应谱在周期0.1 s～0.5 s区间积分。可以看成在此区间段加速度反应谱曲线和周期包围的面积。同样此概念也可以扩展到速度和位移上，也是在积分区间上有所不同。谱烈度参数的积分区间与有效峰值参数的区间相同。谱加速度烈度公式：

(3)

4)Arias强度。

单位质量体系消耗的能量为Arisa强度，同样可以将参数定义扩展到位移强度，速度强度。加速度强度公式如下：

(4)

5)均方根加速度。

Housner将结构的总输入能量在时间上的均值作为地震动对结构破环的指标。改变积分对象将此定义扩展到均方根速度，均方根位移参数。

(5)

6)累计绝对速度参数。

将地震动地面加速度值得绝对值对持时积分得到累计绝对速度CAV，改变积分对象可以得到累计绝对位移CAD和累计绝对动量CAI。CAD是在对地震地面速度在绝对持时上的积分，CAI是地震地面位移在绝对持时上的积分。

7)平方根加速度、平方根速度、平方根位移参数。

将地震动的时程值的平方沿持时开方得到：

(6)

(7)

(8)

8)反应谱参数。

在给定的地震加速度作用期间内，单质点体系的最大位移反应、速度反应和加速度反应随质点自振周期变化的曲线。反应谱主要反映了结构动力特性和地震动特性之间的动力关系。

2 地震动表征参数适用性

地震动表征参数与结构的应用。

进行结构非线性动力分析时，最关键的一步就是选择地震动记录，不同的地震动记录由于本身具有不同的特性所以在进行动力时程分析时结构也会产生不同的结构响应。所以如何选择地震动记录是关键。Giovenale通过两种方案验证地震动强度参数是连接地震灾害分析和结构分析的媒介。所以我们可以参考哪种参数和结构响应的相关性较高去选取地震动记录。

不同的参数除了可以描述地震动的特性之外，还适用于不同的结构。陈波通过对44种参数进行有效性分析，建立不同周期，6种延性的单自由度弹塑性模型来分析地震动参数随结构自振周期变化的相关性。先根据参数之间的相关性将参数分为三类，与地面峰值加速度相关性较高的参数Ars,Ia,Ic,Sa(max)等和短周期结构相关性较高。和地面峰值速度相关性较高的参数EPV,CAV,Sv(max)与中长周期结构相关性较高。PGD，Drs，EPD等参数和长周期结构相关性较高。并且通过结构位移的离散性计算了参数的有效性。

3 结语

地震动参数时连接地震特性和结构响应的媒介，在进行结构非线性动力时程分析时，如果分析的对象是某个长周期结构，通过跟长周期结构相关性较高的地震动参数去选择地震动记录，将其输入到结构中去进行分析，可以起到理想的效果。如果选择的参数与该结构相关性不大，那么分析结果就不能体现预期的研究目的。所以地震参数的选取在结构动力反应分析中起到重要作用。

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