时程分析法地震波选取探析

时程分析法地震波选取探析
杨爱全
【摘要】Taking the time history analysis application ob-jects and the three elements of seismic wave: spectrum charac-teristics, effective peak value, the duration time, as a starting point, discuss and analysis on the selection of seismic waves in the history analysis, which lay a good foundation for the future study.%以时程分析法应用对象和地震波三要素频谱特性、有效峰值、持时的本质内涵为出发点，结合工程设计讨论了软件筛波的方法，初步探析了时程分析法中地震波选取这一重要问题，为其后续研究奠定了良好基础。

【期刊名称】《四川建材》
【年(卷),期】2015(000)005
【总页数】2页(P53-53,55)
【关键词】频谱特性;有效峰值;持时;地震波选取
【作者】杨爱全
【作者单位】农业部规划设计研究院，北京 100125
【正文语种】中文
【中图分类】P631.4+9
随着经济社会的发展，现今各种高层建筑、异形建筑日益增多，工程师采用时程分析法对结构进行抗震补充计算的需求越来越大。

现行GB50011-2010《建筑抗震设计规范》(以下简称《规范》)对地震波的选取已给出一些规定，但实际工作中还
是存在工程师不知如何选取地震波的问题，造成有些设计过于保守，出现浪费，有些设计结果差别较大、甚至有误，不能起到对薄弱层、关键构件的设计施工加以指导的作用。

由此可见，合理有效地选取地震波，不仅关系到结构的经济性而且还关系到结构的安全性，是一项十分重要的工作。

现行《规范》第5.1.2条、第5.5.3条对时程分析法的适用范围进行了规定。

地震波有较强的随机性，地震动特性也受到多种因素的影响[2-4]，如震源机理、传播媒介、震中距、地震震级等。

地震波的选取是为了反映地震作用，体现地震所带来的后果，研究表明，建筑结构的地震破坏与地震波的峰值(最大幅值)、频谱、持时紧密相关，工程界称之为地震波的三要素，地震波的选取也应以这三要素为控制要素，工程设计中，我们需要选取与抗震设计规范相协调的“在统计意义相符”的地震波时程曲线，常常为了弥补自然波的不足，需要人工拟合地震波。

1.1 频谱特性
地震波频谱影响因素众多，不仅与震源形成机制、震中距有关还与场地条件、传播介质等因素有关，它反映了地震动不同频率简谐运动的构成。

现阶段的研究以及历次地震已经证明，建筑结构的场地条件对地震波存在“滤波”的作用，可通过场地特性来选择地震波，就可以使得将来可能发生的地震与过去已发生的地震波记录具有了某些相似性。

同时我们还需要对地震波依据场地特征周期进行频谱调整，使得场地特征周期之内富含其频率成分[5]。

1.2 峰值调整
为了获得与相应地震动强度一致的结构抗震性能，需要对地震波记录的强度幅值进行调整。

地震动强度指标有多种，目前日本就以PGV(地面峰值加速度)作为强度指标，有些学者用PGD(地面运动位移峰值)作为指标来研究抗震，大多数国家采用传统的PGA作为强度指标，我国《规范》亦采用该方法。

在实际设计中，不可能选取大量的地震波来进行计算，可依据小样本容量下的计算
数据对地震作用进行估算，常用的做法为选取3组或7组有代表性的地震波[6]，依据地震类型、地震烈度确定时程分析所用地震加速度时程的最大值，对地震波强度幅值进行调整，按某一比例将地震波时程曲线数值统一放大或缩小，以期达到峰值加速度与规范要求相同，该调整对地震波的频谱特性没有太大影响。

1.3 地震波持时
地震波持时对结构动力影响尤其是弹塑性动力响应影响很大。

汶川地震地震持时较长，建筑结构的破坏也较大，这与结构在地震动持续反复下更易发生疲劳损伤破坏是有关系的。

从能量累计的角度看，地震持续时间越长，对结构的耗能能力要求越高，在平时的工程实践中对持续时间的要求原则是：①所选取的地震持续时间应包含地震波中最强烈的曲线部分，一般为达到地震波时程曲线最大峰值10%的那点算起，直至达到峰值10%的最后一点为止；②一般情况下，弹性时程分析因受持时的影响不大，所以其可以相应减小持时，但对弹塑性时程分析应适当延长地震波持时，以保证非线性分析的准确性；③依据《规范》地震波的有效持时为结构基本周期的5～10倍。

鉴于地震波选取的复杂性，实际工作中我们常常把其交给电脑，现今的很多软件如PKPM软件、YJK软件自身有地震波选波库，可以借助软件完成地震波选取工作。

具体过程如下：①准确合理地建立结构模型，完成结构弹性阶段的配筋计算，这时也能够得到结构的基本周期、振型简图等参数；②进入时程分析模块，设定抗震设防分类、抗震设防烈度、设计地震分组、场地类别、场地特征周期等基本参数，从地震波库中框选与场地特征周期相同或相近的地震波以用来进行选波试算，同时设置主方向峰值加速度与次方向峰值加速度以完成对地震波的峰值调整，设置地震波的积分时长与积分步长等参数；③运行程序，软件会依据规范对地震波进行组合，筛选出“平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符”的地震波。

工程中我们根据需要一般情况选取3组(2组自然波和1组人工波)或7组(5组自然波和2组人工波)地震波，软件的自动选波功能具有波库丰富、效率高的特点，大
大减少了人工选波时多次试算的工作量。

如果工程师对自动筛选的地震波还不满意，也可以利用美国PEER/NGA数据库提供的搜索引擎，利用其上的地震名称、震级、平均剪切波速、峰值加速度等选项初选地震波，然后利用工程软件的自由数据格式地震波导入功能，将地震波改写为软件支持的通用文本文件，导入软件以进行试算筛选。

经软件选取地震波时程分析后，应对计算结果有基本的判断，从工程安全方面讲，每条地震波的输出底部剪力不应小于振型分解反应谱法底部剪力的65%，多条地
震波的输出平均底部剪力不应小于振型分解反应谱法的80%，从工程经济性上讲，计算结果也不应过大，每条地震波输出计算结果不宜大于135%，平均值不宜大于120%[1]。

地震动十分复杂，实现建筑的抗震性能化设计及对高层、异形结构的分析计算，迫切需要解决地震波的合理选择问题，它是进行动力时程分析的前提和关键一环，亦是通过分析结果客观评价结构抗震性能的重要保障。

本文总结了选取地震波的要点并介绍了工程中实用的软件筛波方法，为后续地震波选取的研究提供了有益借鉴和良好基础。

[1] GB50011-2010建筑抗震设计规范[S].
[2] 宋宝峰,秦毅.关于建筑结构时程分析法输入地震波的研究[J].丹东纺专学报: 自然科学版，2004,11(3):41-42,45.
[3] 王亚勇,程民光.建筑结构时程分析法输入地震波的研究[J].建筑结构学
报,1991,12(2):51-60.
[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，2000,47(6):33-36.
[5] 赵伯明,王挺.高层建筑结构时程分析的地震波输入[J].沈阳建筑大学学报：自然科学版，2010,31(6):1111-1118.
[6] 徐飚,韩兵.采用时程分析法进行抗震设计[J].治淮，2002，51(2):17-18.。