地震结构设计谱理论

抗震结构设计谱理论

一、绪论

1.1 抗震结构设计谱的背景

反应谱理论是描述地震工程和抗震设计中结构体系激励和响应关系的重要工具。由于反应谱可以直接给出地震动作用下单自由度体系的最大反应，因而成为结构动力分析和抗震设计中关注的焦点。抗震设计谱是以地震动记录资料为依据，经统计分析和平滑化处理，结合当前经济发展水平和要求的基础上确定的。然而，由于地震动的复杂性以及对反应谱规律认识的不足，使得抗震规范设计谱往往不能全面准确地反映地震动的客观特征，这也就不可避免地影响到其使用范围和结构的抗震安全。另外，设计谱的传统建立方法对已获取大量地震动记录的国家和地区是来说是可行的，但对缺少地震动记录的地区来说如何确定设计谱也是值得探讨的。因此，揭示地震动的普遍规律和新特征，解决这一领域面临的诸多问题依然是地震工程界的重要课题。

1.2 反应谱概念与研究意义

抗震设计中采用的地震动参数习惯上称为设计地震，尽管工程界早已习惯于选择地震动的幅值、频谱和持时三要素作为工程地震动参数，但由于反应谱不能有效地反映持时的影响，因此，世界上绝大多数国家的抗震设计规范选择幅值和频谱作为设计参数。通常使用的地震动参数包括峰值加速度(或有效峰值加速度)和规准设计谱。因此，设计地震主要归结为设计谱的研究。在输入的地震动加速度时程给定后，以阻尼常数作为参数时，单自由度体系的最大相对位移反应、最大相对速度反应和最大绝对加速度反应，针对无阻尼固有周期画成的图形，分别称为相对位移反应谱、相对速度反应谱和绝对加速度反应谱，总称为地震反应谱。或者简称为位移反应谱、速度反应谱和加速度反应谱，总称为反应谱。

设计反应谱的演变是一个随着震害经验和强震记录的积累以及对地震动反应谱特性的不断认识而逐渐深入的过程，无论是考虑场地条件，还是考虑近远震的影响，从实质上讲，设计反应谱的演变都是朝着场地地震环境相关性设计反应谱的方向发展，而场地地震环境的区别主要表现在场地特征周期和反应谱谱值上，我国《地震动参数区划图》也将反应谱的特征周期和地震动加速度作为反应

谱的两个独立的参数，因此，设计反应谱的演变主要体现在对反应谱的特征周期以及反应谱谱值的不断修正上。抗震设计反应谱是工程结构抗震设计中的重要依据，也是世界地震工程界研究的重点课题之一。然而，按照传统方法对设计反应谱的研究中存在许多问题，现行的设计谱不仅不存在统一性，而且存在巨大的不确定性和不完善性，这样一方面阻碍了反应谱理论的发展，另一方面也影响到国家经济建设和社会进步。有鉴于此，本文提出了一种基于双规准化的统一反应谱理论，根据这一理论，不仅可以得到确定的和比较完善的抗震设计反应谱，还可以使现有抗震设计规范以及反应谱理论得到进一步的发展和应用。

反应谱概念的提出使得结构抗震理论从静力阶段发展到动力阶段，是地震工程学发展史上一次重要的里程碑。由于地震反应谱很好地反应了地震动的有效峰值和频谱特性，使它与结构的振型分解法相结合，可将复杂的多自由度体系在地震作用下的反应问题得到大大简化，为工程结构抗震设计中考虑地震对工程结构可能产生的作用提供了定量的依据，因而地震动反应谱理论的发展为抗震设计提供了有效的手段。抗震设计谱是以地震动加速度反应谱特性为依据，经统计和平滑化处理确定的。然而，由于影响地震动反应谱的因素既多且又十分复杂，要针对每一种具体的情况给出适用的设计谱就变的十分困难，以至世界各国采用的抗震设计谱之间不仅存在明显的差异，而且普遍存在大量的不确定性。目前各国科学家都指望能在一个较长的时期内，取得尽量多的强震观测记录，同时将能够影响设计谱的各种因素分类的更细，以期能在这样的基础上得到较为稳定的各种设计谱。但是也有的学者认为目前所出现在设计谱中的这些问题决不是能够靠增加观测记录的数量所能解决的，必须另辟蹊径。研究不同地震动反应谱的统一性才能有望取得较好的结果。因此，研究地震动的普遍规律和反应谱的新特性，是探索解决设计谱存在问题的有些途径。

地震动区划图是制订抗震设计规范的依据，在具体建立规范中采用的设计谱的过程中，还考虑到其它设计谱的确定方法和研究结果，因此，规范设计谱与地震动区划的设计谱谱形参数取值并非完全一致。加上不同国家或地区，不同类别的抗震规范考虑问题的方式和因素不同，不同的规范设计谱之间可能会存在明显的差别。

二、抗震设计谱理论的发展与存在问题分析

2.1抗震设计谱的确定

设计反应谱及其形状参数的确定是以大量的强地震动观测记录为数据基础，取相同或相近的条件(例如相近的场地条件)下的许多加速度记录，在给定阻尼比的情况下，得到相应于该阻尼下的加速度反应谱，除以对应的加速度记录的最大加速度，进行统计分析取综合平均并结合经验判断给予平滑化得到“规准反应谱”(或标准谱或β谱)，将规准反应谱乘以相应的地震系数，即为规范通常采用的地震影响系数曲线，也就是传统意义上所说的抗震设计反应谱。设计谱的建立程序一般要经过四个过程，这四个过程可以简单地归结为规准化、平均化、平滑化和经验化。规准化是指将地震动记录的绝对反应谱简单处理为规准化反应谱或放大系数谱的过程；平均化是设计谱建立过程中的主要工作，需要在地震动记录的选取分类基础上进行，地震动记录的数量，其选取是否具有代表性，记录分类指标和分类方法的选择，分类程度的粗细等都会对平均结果产生较大的影响，也是不同研究结果之间存在差异的最主要原因；平滑化指按照一定的表达形式将平均结果简单处理为光滑线条或简单形状的过程，经验化则是根据专家的经验考虑最终确定设计谱的过程，一般需要结合经济状况、安全度以及数据的离散情况而定。设计反应谱的确定方法在不同的时期和不同的国家都存在一定程度的差别，但设计谱的标定又是以地震动区划图为依据的。我国现行规范《建筑抗震设计规范(GB50011-2001)》中的设计反应谱主要是参照《中国地震动参数区划图(GB18306-2001)》中双参数标定方法确定的。双参数标定设计谱涉及到地震动反应谱、规准化反应谱、规准化设计反应谱、地震动峰值加速度PGA、有效峰值加速度EPA、反应谱特征周期Tg等几个概念。

2.2对我国建筑抗震设计谱的讨论

我国建筑抗震设计规范大致经过了1959、1964、1974、1989 和新规范《建筑抗震设计规范(GB50011-2001)》五次大的演变过程。然而，在经过几次演变之后，仍然不能说我国的设计谱已经足够准确到令人满意的程度。除了上一节讨论的设计谱存在的共性问题之外，我国的设计谱至少还存在两大问题，一是在考虑阻尼影响的时候造成了不同阻尼比的设计谱在长周期段出现交叉且不收敛；二是缺少对近场地震动设计谱的具体规定，根据现行规范的规定，近场设计谱的特征周期小于中、远场设计谱对应的特征周期，这一规定与考虑方向性效应影响的