场地卓越周期的讨论与场地建筑的共振现象

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关于场地卓越周期和特征周期的若干讨论

关于场地卓越周期和特征周期的若⼲讨论第30卷第6期V ol.30N o.62009青岛理⼯⼤学学报Journal of Qingdao T echnological University关于场地卓越周期和特征周期的若⼲讨论陈鹏,刘⽂锋*,付兴潘(青岛理⼯⼤学⼟⽊⼯程学院,青岛266033)摘要:场地卓越周期和特征周期是反映场地动⼒特性的重要参数,两者均基于频谱分析理论.对卓越周期和特征周期的概念、研究意义及两者之间的关系进⾏了论述,分析对⽐了两者在计算原理、研究意义、⼯程应⽤及取值等⽅⾯的不同,界定了两者的概念.对⽬前较为常⽤的计算卓越周期和特征周期的⽅法,分别进⾏了分析⽐较,指出了卓越周期各计算⽅法的优缺点及适⽤条件,同时以144条地震波为例分析了特征周期各计算⽅法的特点及其差异,对场地动⼒特性的测定具有⼀定指导意义.关键词:卓越周期;特征周期;概念界定;计算⽅法;适⽤条件中图分类号:T U 315.9 ⽂献标志码:A ⽂章编号:1673)4602(2009)06)0030)06Discussions on Site Predominant Period and Characteristic PeriodCH EN Peng,LIU Wen -feng *,FU Xin -pan(Scho ol of Civ il Engineer ing,Q ing dao T echno lo gical U niver sity,Q ing dao 266033,China)Abstract:Site predominant period and desig n characteristic period ar e the most two impor -tant param eters in reflecting the dynam ic property of the site.Bo th are based on spectrum a -nalysis theory.T his paper introduces the concept and the sig nificance of site pr edominant pe -riod and design characteristic period and analyses the main differ ences between the tw o pa -rameters on the m ethod o f calculation and the numerical value in eng ineering design.Be -sides,three com mon methods w hich ar e usually used in the deter mination of site predom-inant period and design character istic period ar e proposed,and the adv antages and disadvanta -ges of each method are analyzed.144g round recor ds are employed to analyze characteristicand difference o f calculatio n methods of desig n characteristic period.T he r esults offer refer -ences in the determ inatio n of site predom inant period.Key words:pr edominant period;characteristic period;delimitation;calculation metho ds;ap -plicable conditio n收稿⽇期:2008-09-12基⾦项⽬:⼭东省教育厅科技计划项⽬(J07YA09-2)作者简介:陈鹏(1982- ),男,⼭东费县⼈.硕⼠,研究⽅向为混凝⼟结构及其抗震.E -mail:pan20040@/doc/1584f84a2e3f5727a5e962bc.html .*通讯作者(Corresponding author):刘⽂锋,男,博⼠,教授.E -m ail:lw f6688@/doc/1584f84a2e3f5727a5e962bc.html .⽬前,国家规范、标准和⼯程设计⼿册[1-6]虽对场地卓越周期T 和设计特征周期T g 作出了各⾃的定义,但由于两者在研究途径、影响因素、⼯程应⽤以⾄取值等⽅⾯存在诸多相似之处,在研究过程中往往容易混淆概念,不能对两者作出准确的区分和正确的使⽤,以致在学术交流和⼯程实践中产⽣认识误区.对场地卓越周期和设计特征周期的不同认识,⽂献[7]认为/两者都是场地固有周期T 0的不同预测值,因预测⽅法不同⽽冠以不同的名称0;⽂献[8]的划分标准取为/当涉及到傅⾥叶谱时称卓越周期,当涉及到反应谱时称为特征周期0.也有⼀部分学者认为,在场地性能测试时称卓越周期,在抗震设计中称特征第6期陈鹏,等:关于场地卓越周期和特征周期的若⼲讨论周期.这些划分⽅法都只是从两者的应⽤⾓度或研究⽅法来考虑卓越周期与特征周期的区别,并没有从本质上指出两者的根本不同,不能达到准确的认识和区分卓越周期和特征周期的⽬的.在1990年发⾏的国家标准[9]的条⽂说明中提到/有关场地的特征周期,过去许多勘察单位都是根据⼟层实测的横波波速按经验公式计算场地-卓越周期.,但鉴于该公式是⼀近似公式,且在深度上看法不⼀致,以⾄计算结果有较⼤差别,因⽽⼀般情况下,不需再按该近似经验公式计算场地-卓越周期.,以避免所计算-卓越周期.与-特征周期.不⼀致⽽发⽣⽭盾0,可见,其中对/卓越周期0和/特征周期0的使⽤存在⼀定程度的混乱,容易使读者混淆两者的概念.1 场地卓越周期与特征周期1.1 概念及影响因素场地卓越周期和特征周期均是⼯程抗震中的概念.场地卓越周期是描述场地特性的重要指标.对于卓越周期,⽂献[4]定义为/随机振动过程中出现概率最多的周期,常⽤以描述地震震动或场地特性0.⼯程抗震中研究的是地震波经过场地过滤作⽤(震源、传播途径和⼯程场地相互作⽤)后的特性,即地⾯运动的特性,以此来分析结构在地震作⽤中的响应.⽂献[2]对卓越周期基本概念的描述为/地震波在⼟层中传播时,经过不同性质界⾯的多次反射,将出现不同周期的地震波.若某⼀周期的地震波与地表⼟层固有周期相近时,由于共振的作⽤,这种地震波的振幅将得到放⼤,此周期称为卓越周期0.⽂献[3]对此的描述为/地表⼟层对不同周期的地震波有选择放⼤作⽤,致使在地震记录图上某些周期的波形特别多⽽好,也显得-卓越.,这个周期称为卓越周期0.场地卓越周期是地⾯运动的重要特征量,它与覆盖⼟层的厚度、构成、物理⼒学性质以及场地的背景振动等有密切关系.⽂献[10]研究表明,卓越周期还随震中距、震级等因素⽽变化.特征周期是抗震设计中的概念.基于⼤量的强震观测记录的分析,5建筑抗震设计规范6规定设计地震动⽤弹性加速度反应谱表⽰,设计特征周期则定义为/抗震设计⽤的地震影响系数曲线中,反映地震震级、震中距和场地类别等因素的下降段起始点对应的周期值0.5⼯程抗震术语标准6[4]中没有设计特征周期的定义,它采⽤的是/反应谱特征周期0,定义为与设计反应谱曲线下降段起点对应的周期,因此它和5建筑抗震设计规范6中的设计特征周期是⼀致的.5建筑抗震设计规范6把设计特征周期T g 简称为特征周期,并根据设计地震分组和场地类别的不同给出了相应的T g 值,如表1.表1 GB 5001)2001规定的特征周期值s 设计地震分组场地类别?òó?第⼀组0.250.350.450.65第⼆组0.300.400.550.75第三组0.350.450.650.90根据5建筑抗震设计规范6,特征周期是由地震分组与场地类别共同决定的,通过场地类别和设计地震分组就可以确定场地的特征周期.反过来,如果能根据场地实测地震动记录求出特征周期,则可以由此⼤致判断该场地所属的场地类别.此外,根据地震动记录求出的特征周期,不但可以反映场地类别和地震分组的影响,还可以反映震源特性、震级⼤⼩以及传播途径的影响.因此,根据地震动记录计算特征周期,不仅可以⽤于场地动⼒特性的分析[11],还可以作为设计特征周期指导抗震设计.5建筑抗震设计规范6中定义的特征周期与通过地震动记录计算的特征周期在概念上是⼀致的,都是反应谱下降段的起始周期,不同之处在于前者是基于⼤量的强震观测记录的分析的基础上得到的规准化后的反应谱(⽔平地震作⽤影响系数曲线)的下降段起始周期,具有⼀定的概率保证(50年超越概率为10%[12]),⽽后者通过单个地震动记录的计算得到,不存在概率保证的概念.⽂献[13]研究后认为特征周期物理意义不明确、涉及因素多、结果离散,且研究成果相对较少.1.2 场地卓越周期和特征周期的关系场地卓越周期和特征周期均基于对地⾯运动的研究,所有影响地⾯运动的因素,如场地条件、地震震级、震中距等因素,均会对两者产⽣影响,这属于客观的影响因素.基于此,两者均为场地动⼒响应分析的重要参数.场地卓越周期可以作为⼯程抗震中场地⼟类型划分、场地类别划分的标准(见表2[3])以及估算31青岛理⼯⼤学学报第30卷地震动峰值加速度及其分布规律,依据场地特征周期,由表1也可以⼤致判断场地类别.⾄于两者之间在数值上是否可以建⽴统计关系,需要做研究⼯作.⽂献[14]在这⽅⾯做了初步的探索,⽂中根据⼴东省珠江三⾓洲地区和潮汕地区380个⼯程项⽬的地震安全性评价结果,对这些⼯程项⽬的设计特征周期和场地脉动卓越周期进⾏了统计分析,得到式(1)所⽰的关系:表2 地基⼟的卓越周期类别⼟的名称卓越周期/s ò~ó⼀般⼟层0.15~0.4?松软⼟层0.3~0.7T g =T(1+kI a )(1)式中:T g ,T,I 分别为特征周期、卓越周期和地震烈度;k 和a 为与场地周围地址环境有关的常数.将所收集的资料带⼊式(1)对珠江三⾓洲地区进⾏回归分析,得到以下统计关系:T g =T (1+0.0038I2.25964)(2)场地卓越周期和特征周期的区别在于:1)研究途径不同.卓越周期是通过场地地震动记录的分析得到,⽽特征周期是通过场地地⾯运动反应谱的分析得到.2)研究意义或⽤途不尽相同.除了可⽤于⼟层动⼒反应分析的研究外,场地卓越周期还可以防⽌特殊的地震效应发⽣,避免拟建建筑物⾃振周期与场地脉动卓越周期⼀致或接近,在地震发⽣时,地基与建筑物产⽣共振或类共振;对某⼀特定场址,特征周期可以根据实测强震记录计算,并综合场地安全性评价的结果确定该场址的设计特征周期⽤于抗震设计.3)两者在取值上的差异.从取值⼤⼩上考虑,由统计关系式(2)可以看出,场地特征周期⼀般⼤于卓越周期;从取值特点上考虑,某⼀特定场地可以存在2个或多个地震动卓越周期[6,10],⽽其特征周期只有1个,是反应谱的下降段的起始周期;此外,两者的取值不具有可⽐性,前者研究的是地⾯运动的频度较⼤的周期,后者研究的是在场地运动各频率激励的综合作⽤下结构的反应中满⾜某⼀特征关系的周期,因此,卓越周期⼤的场地,并不意味着其特征周期⼀定⼤,反之,也并不意味着特征周期就⼩.4)场地卓越周期更多的是场地地震动特性的客观反映,即它是地震动记录上客观的存在1个或多个特别卓越的周期;⽽特征周期更多的体现了⼈们的主观性,即在考虑我国经济发展和⼈们对地震灾害的可接受程度的基础上,对其规定相应的计算公式,并根据此公式在反应谱上确定特征周期,供抗震设计使⽤.2 卓越周期的计算⽅法及⽐较2.1 计算⽅法根据研究对象的不同,场地卓越周期T 的计算⽅法可以划分为3种:1)根据场地卓越周期的定义,利⽤场地的实测强震记录进⾏Fourier 分析,确定场地卓越周期.相对于后两种⽅法,此⽅法可以称为直接计算法.2)应⽤⾼灵敏的地震仪观测地⾯脉动,将所得记录进⾏Fo urier 分析,确定卓越周期.有时为了简单起见,也可通过绘制地⾯脉动记录的频度-周期曲线来确定卓越周期.可以看到,以上两种计算⽅法均基于频谱分析理论,计算过程中对数据的处理⽅法,⽂献[6]做了如下规定:1当场地为单⼀⼟层时,三分量记录曲线的周期彼此重合或接近,场地只有⼀个卓越周期;o当场地为多层⼟且层厚较⼤、出现多个谱峰时,可将主峰(最⾼的谱峰)定为本场地的卓越周期,必要时,⼀个场地可给出两个或两个以上的卓越周期供⼯程设计部门选定;?三分量的卓越周期不相同时,应以⽔平的卓越周期为主,必要时可分别提出⽔平和竖直的卓越周期.3)根据场地分层剪切波速测试结果由相应公式计算该场地的卓越周期.⽂献[10]给出了如下计算公式:T =E n i =14h i /V s i (3)式中:T 是根据剪切波速计算的场地卓越周期,s;h i 为各分层⼟的厚度,m;V s i 为各分层⼟的剪切波速,m/s;n 为⼟层层数.⽂献[2-3]采⽤了此计算公式,并规定式(3)覆盖⼟层的计算深度⼀般应计算⾄基岩⾯,当基岩⾯较深时,可计算⾄30~50m [2](50~100m [3]).3233第6期陈鹏,等:关于场地卓越周期和特征周期的若⼲讨论对于以上3种计算⽅法,⽂献[7]对其计算结果分别定义为记录卓越周期T r、测试卓越周期T m以及波速卓越周期T v,笔者沿⽤这种定义.2.2计算⽅法的分析⽐较及其适⽤条件对于以上3种⽅法,⽂献[7]认为:T r是真实反映场地地震动的卓越周期,即T r=T;T m是接近T的卓越周期;T v是与T相⽐有⼀定误差(有时相当⼤)的卓越周期.1)T r是场地条件和震源特性、震级⼤⼩、震中距离、传播途径及⽅位等因素共同作⽤的体现,它真实地反映了场地在强震时地⾯运动情况的周期.但是,⽤T r确定场地卓越周期仍是⼀种近似,因为严格来讲,它只对测得地震动记录的场点才是精确的,即⽤T r确定场地卓越周期实质上是⼀点对附近⼀区域的预测和近似.如果某场地地层条件及地形地貌变化⽐较剧烈,则很显然,⽤T r确定的场地卓越周期就会产⽣⼤的偏差.所以此时就不宜再⽤T r预测场地卓越周期.2)根据⽂献[10]的研究,常时微动测定的场地卓越周期与地震动的特性(地震动的频谱)⼤体相同.因此,只要根据地脉动确定的卓越周期,就可确定地震时地基⼟的振动特性.⼤量理论研究和⼯程实践表明,场地常时微动的卓越周期与地震动的特性(频谱)相关,利⽤场地常时微动卓越周期(测试卓越周期T m)可以较好的预测场地卓越周期.但是,T m仅是某地场地⼟层在常时微动时场地震动特性的精确描述,它并不能反映震源特性、震级⼤⼩、震中距离、传播途径及⽅位等因素的影响,因此,T m同样是对场地卓越周期的近似,它是某⼀特定场地常时微动下的振动特性对强震下振动特性的近似.3)式(3)是⽇本学者⾦井清按多重反射理论所得近似公式.他通过对东京的本乡、青⼭(居民区)及九之内等地所得的地震图分析地震震级和地震动的卓越周期之间的关系,得到的结论:当震级⾼于某值时,对于某⼀地点来说,地震动的卓越周期⼏乎为⼀常值,即T v.由于假定地基⼟层为均匀平⾏,故有⼀定误差,其误差与剪切波速的观测精度、地基的均匀性和场地覆盖层的厚度等密切相关.此外,式(3)除是⼀个近似公式外,最⼤的问题是计算深度不统⼀,以致计算结果缺乏可⽐性.由此可见,场地卓越周期的确定需要根据场地特性的不同⽽采⽤适当的⽅法,⽽且必要时还需要采取多种⽅法进⾏综合分析.总体来说,当⼯程场地范围内有适宜的强震记录,且场地的地层结构及局部地形地貌变化不甚剧烈时,抗震设计应优先选⽤T r,其次可选⽤T m;当⼯程场地附近虽有强震记录,但该场地地层结构及局部地形地貌变化⼗分剧烈时,应考虑优先选⽤T m;由于式(3)是⼀近似公式,故应尽量避免选⽤T v,若地基⼟层基本满⾜均匀平⾏的条件,则可考虑使⽤.⼯程实践中,适宜的强震记录不易获得,⽽且地层结构及局部地形地貌的改变都会有较⼤的变化,所以⼯程应⽤中多⽤常时微动的测试分析来确定场地卓越周期.3特征周期的计算⽅法及⽐较3.1计算⽅法⽂献[11]推荐了3种计算特征周期的⽅法:1)如果认为由场址反应分析得的⼀个场地的地⾯震动的主峰波可⽤正弦函数表⽰,则它的周期为:T g=2P V max/A max(4)式中:V max为与主峰波相应的地⾯最⼤速度;A max为与主峰波相应的地⾯最⼤加速度.2)⽤加速度反应谱的最⼤值和加速度反应谱最⼤值来确定:T g=2P S v/S a(5)式中:S v为速度反应谱最⼤值;S a为加速度反应谱最⼤值.3)在我国5建筑抗震设计规范6中实际隐含着规准设计谱的最⼤值为B=2125,因此,对于给定场地的反应谱曲线,可以根据规准设计谱确定特征周期.此外,美国AT C3)06规范中对特征周期作了如下规定:T g=2P EP V(6)EP A式中:EP V为有效峰值速度,取T=[011,015]区间拟速度反应谱均值除以215;EPA为有效峰值加速度,青岛理⼯⼤学学报第30卷取T =[015,210]区间绝对加速度反应谱均值除以215.5中国地震动参数区划图6(GB 18306)2001)对EP V 和EP A 的定义作了修改,即求取时不将频段固定,⽽具体分析每条反应谱以确定相应的平台频段,在对数坐标系中同时作出绝对加速度反应谱S a 和拟速度反应谱S v ,找出绝对加速度反应谱平台段的起始周期T 0和结束周期T 1,再在拟速度反应谱上选定平台段,其起始周期应该为T 1,结束周期为T 2,则有:T g =2P EP V *EPA *(7)式中:EP V *取T =[T 0,T 1]区间拟速度反应谱均值除以215;EP A *取T =[T 1,T 2]区间绝对加速度反应谱均值除以215.3.2 计算结果及分析笔者采⽤了144条常⽤地震波,Elcentro 、Kobe 、Traft 、Beijing H otel(EW)、Beijing Hotel(NS)、Qianan (EW)、Qianan(NS)、Tianjin H ospital(EW)、Tianjin H ospital(NS)、集集地震(62条)、唐⼭地震(15条)、墨西哥地震(22条)、美国北岭地震(36条),分别⽤式(4))式(7)4种⽅法进⾏计算,共分4组,见图1.图1 特征周期计算结果⽐较通过对图1计算结果的⽐较分析,发现以下特点:1)当反应谱谱值较⼤的点对应的周期普遍较⼤时,按式(6)确定的特征周期严重失真;2)按式(7)计算时,平台段的选择需要对S a 谱和S v 谱综合分析,当地震动反应谱有多个峰值周期,或S a 与S v 的平台段由于重叠⽽难以确定时,此时式(7)便不再适⽤;3)总体来看,式(4))式(7)相对地震动真实特征周期的偏差依次减⼩,式(6)、式(7)能够较好的确定特征周期值;3435第6期陈鹏,等:关于场地卓越周期和特征周期的若⼲讨论4)特征周期取值普遍⼤于卓越周期,但也存在前者⼩于后者的情况.通过对计算数据的特点的分析,可以看到,式(6)和式(7)的计算结果总体来说相对准确,但两者产⽣⽭盾的时候仍需要直接根据反应谱或参考式(4)、式(5)及卓越周期的计算结果进⾏进⼀步分析,从⽽判断特征周期的取值.仅仅通过某⼀种特定的计算⽅法的计算结果较难确定特征周期.4结论场地卓越周期和特征周期虽然在研究途径、影响因素甚⾄取值等⽅⾯存在诸多相似之处,但是它们却有本质的区别,应予以明确地区分和认识,准确地把握两者的概念并正确使⽤.⽬前确定场地卓越周期较为常见的三种⽅法各有利弊,应当视场地条件的不同⽽采取适合的⽅法,必要时要综合分析以得到相对较为合理的结果.场地特征周期的确定包含了更多的⼈为因素,在考虑我国经济发展和⼈们对地震灾害的可接受程度的基础上,规定相应的计算⽅法,特征周期可根据多种⽅法综合确定.需要指出的是,场地卓越周期和特征周期不具有可⽐性,两者之间是否可以建⽴统计关系需要进⼀步研究.参考⽂献(References):[1]GB5001)2001,建筑抗震设计规范[S].GB5001)2001,Code for S eism ic Design of Bu ildings[S].[2]⼯程地质⼿册编写委员会.⼯程地质⼿册[K].3版.北京:中国建筑⼯业出版社,1992.E ngineering Geological M anu als Comm ittee.Engin eering Geological H andb ook[K].3rd ed.Beijing:China Architectu re&Bu ildingPress,1992.[3]岩⼟⼯程⼿册编写委员会.岩⼟⼯程⼿册[K].北京:中国建筑⼯业出版社,1994.Geotechn ical E ngineering M anuals Committee.Geotech nical Engin eering H andb ook[K].Beijing:China Arch itecture&Bu ilding Press,1994.[4]J GJ/T97)95,⼯程抗震术语标准[S].J GJ/T97)95,Term S tandard in E arthquake E ngineering[S].[5]GB/T50269)97,地基动⼒特性测试规范[S].GB/T50269)97,Code for M easurement M eth od of Dynam ic Pr operties of S ubsoil[S].[6]CE CS74:95,场地微振动测量技术规程[S].CE CS74:95,T echnical Specification for S urveyin g of S ite M ocro-Seis ms[S].[7]⾼⼴运,刘奋勇.场地卓越周期的讨论与测定[J].⼯程勘察,2000(5):29-31.GAO Guang-yun,LIU Fen-yong.Discus sion and Determ ination on S ite Predominant Period[J].Geotechn ical In vestigation&Su rvey-ing,2000(5):29-31.[8]陈贡联.基于性能⽬标的反应谱研究[D].青岛:青岛理⼯⼤学,2006.CH EN Gong-lian.S tu dy on Performance T arg et Based Res pon se Sp ectrum[D].Qingdao:Qingdao T echn ological U niver sity,2006. [9]J GJ72)90,⾼层建筑岩⼟⼯程勘察规程[S].J GJ72)90,S pecification for Geotech nical In vestigation of T all Bu ildings[S].[10]⾦井清.⼯程地震学[M].常宝琦,张虎男,译.北京:地震出版社,1987.Kiyos hi kanai.Engin eering S eis mology[M].T rans lator:CH ANG Bao-qi,ZH ANG H u-nan.Beijing:Earthquake Press,1987.[11]龚思礼.建筑抗震设计⼿册[K].2版.北京:中国建筑⼯业出版社,2003.GONG S-i li.S eism ic Design for Buildings H andbook[K].2nd ed.Beijing:Ch ina Architectur e&Bu ilding Press,2003.[12]GB18306)2001,中国地震动参数区划图[S].GB18306)2001,Seismic Ground M otion Param eter Zonation M ap of China[S].[13]刘⽂锋,付兴潘,于振兴,等.反应谱特征周期的统计分析[J].青岛理⼯⼤学学报.2009,30(5):1-7.LIU W en-feng,FU Xing-pan,YU Zh en-xing,et al.Empirical Statis tical Analysis of Characteris tic Period of Acceleration Respons e S pectru m[J].Journ al of Qingdao Technological University,2009,30(5):1-7.[14]蒋维强,欧阳⽴胜.场地卓越周期与设计特征周期的关系研究[J].⼯程抗震,2004(2):46-49.J IANG We-i qiang,OUYANG L-i sh eng.An Investigation on th e Application of Site Dominant Period in E arthquake Fortification[J].E arthquake Res istan t Engin eering,2004(2):46-49.(英⽂校审⾼嵩)。

场地卓越周期的测定及其在建筑抗震设计中的应用

的随机振动。地基土的固有周期一般为Ｏ０．，．ｓＯ其中周期为Ｏ１一１ｓ１４ｓ．ｓ．的地基土是工程０
勘察和建筑抗震设计研究的重点。
研究表明… ，地微振测定的场地卓越周期与地震动的特性（地震动的频谱）大体相同，如图ｌ所示。因此，只要根据地微振测定的卓越周期，就可确定地震时地基土的振动特性。
泥；④粉土；⑤圆砾。
波速测试结果表明，该场地属中软场地土类型，地微振测定的时域速度曲线、频域功
率谱曲线见图３，其卓越周期为０７ｓ．４。因此，４在进行建筑抗震设计时，拟建建筑物的自振
周期应避免与场地卓越周期一致或接近，以免产生共振，导致建筑物的严重破坏。
微振。
场地微振是由包括自然震源和人工震源的共同影响下场地土的振动反应，是一种平稳
作者简介：郑柱坚（９１１６一）男，广西容县人，１８９２年毕业于桂林冶金地质学院地球物理勘探专业，高级
工程师，主要从事工程质量检测工作。
维普资讯
３６ａ，相对标准差为０，相应的加速度为１２ａ。因此，该地震波的振动幅值分布以２ｇｌ．１３４０ｇｌ
小于１２ａ为主，约占７．％，大振幅的波分布很少。０ｇｌ５６
２６４．ｊ
（ｔ）
４００
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Ｌ．．．．．．．．
笔者在文献［］ｕ３ｑ介绍了实测剪切波速与场地卓越周期的关系，并通过实测卓越周期与由剪切波速计算的卓越周期的工程对比，说明场地卓越周期实际上定性反映了场地覆盖层

岩土工程勘察中卓越周期的定义及应用

是地震波通过场地时的反应，它是震源、传播途径和工程场地们不仅要获得原始地震记录，还应知晓地震台站或测点在该场
的相互作用，用来分析结构在地震作用中的响应。
地的空间分布情况，地质条件复杂地区不宜用Ｔｒ确定场地卓越
《工程地质手册》描述为：地震波在土层中传播时，经过不同周期。
运动的重要特征量，它与覆盖土层的厚度、构成、物理力学性质ｃ．上式（１）中波速卓越周期Ｔｖ的计算是日本学者金井清按
以及场地的背景振动等有密切关系。
多重反射理论获得的。他通过在日本多地进行调查，研究各地
中图分类号：Ｐ６３１．４
文献标识码：Ａ
文章编号：２０９６－－４３９０（２０１８１２９－４３０１１－－０２
１概述
行Ｆｏｕｒｉｅｒ变换，得到卓越周期，有时为了简便，也通过绘制地脉
地震造成的破坏是地震力通过场地土实现的，因此确定场动记录的震动一周期曲线来确定卓越周期。称为测试卓越周期
同一场地的卓越周期并不总是一定的，而且当地基是双层或多Ｎ：覆盖土层的层数
层时，卓越周期不唯一。金井清所著《工程地震学》指出，卓越周３．２方法比较
期还随震中距、震级等因素而变化。
前两种计算方法均基于Ｆｏｕｒｉｅｒ频谱分析理论，而频谱分析
由上可知，卓越周期是地震波在场地地层中传播产生的，它地震震级与卓越周期之间的关系，得出：当震级在某一数值之

关于结构设计中各种周期的解惑

关于结构设计中各种周期的解惑结构设计中碰到最多的周期大致有四个：场地（地震动）卓越周期、设计特征周期、结构自振周期、结构基本周期，四个周期或多或少存在一定的联系，首先了解一下各周期的含义。

卓越周期是指随机振动过程中出现概率最多的周期，常用以描述地震动或场地特性。

地震波在土层中传播，由于土层的过滤特性与选择放大作用（过滤与放大通过不同性质界面的多次反射来实现），周期与场地土固有周期接近的地震波得到增强（通过共振作用放大），此周期称为场地（地震动）卓越周期。

设计特征周期也可称为设计反应谱特征周期，是指地震影响系数曲线下降段起始点对应的周期值，与地震震级、震中距和场地类别等因素有关，规范通过设计地震分组和场地类别反映，场地越软，震级、震中距越大，值越大。

结构自振周期是结构的动力特性之一，按某一振型完成一次自由振动所需的时间，仅与结构的质量m、刚度k有关，可通过特征值分析求解。

结构基本周期是结构按基本振型完成一次自由振动所需的时间。

地震动卓越周期反映的是场地土动力特性，与场地覆土厚度、土层剪切波速及岩土阻抗比（土地震效应的三要素）有关，前两者影响频谱，后者影响幅值。

一般来讲震级、震中距越大，高频分量被长距离传播路径所过滤，低频（长周期）分量越显著；软土地基上卓越周期显著，而硬土地基上则包含多种频率成分，卓越周期不显著（可以包含若干个），如下图。

设计特征周期针对的是设计反应谱，因此数落一下设计反应谱的来历很有必要。

为了迎合结构设计，将不同的地震动记录的反应谱曲线加以统计平均（均值反应谱），再利用数学上的平滑拟合，基于安全或经济因素的修正，便得到设计反应谱。

设计反应谱并不针对某个特定地震波，而是据大量地震动的综合认识预估结构地震作用的一种规定。

即设计反应谱不是真正的反应谱，是经验物理领域的概念，设计特征周期的物理意义不很明确。

从反应谱的分段区间来看，设计特征周期可以认为是速度与位移控制段的分界周期。

地震动卓越周期与设计特征周期存在必然联系吗？答案是否定的，顶多也就是特定地区的统计关系。

场地卓越周期

1.卓越周期的定义地震发生时，由震源发出的地震波传至地表岩土体，迫使其振动，由于表层岩土体对不同周期的地震波有选择放大作用，某种岩土体总是以某种周期的波选择放大得尤为明显而突出，使地震记录图上的这种波记录得多而好。

这种周期即为该岩土体的特征周期，也叫做卓越周期。

由多层土组成的厚度很大的沉积层，当深部传来的剪切波通过它向地面传播时就会发生多次反射，由于波的叠加而增强，使长周期的波尤为卓越。

卓越周期的实质是波的共振，即当地震波的振动周期与地表岩土体的自振周期相同时，由于共振作用而使地表振动加强。

巨厚冲积层上低加速度的远震，可以使自振周期较长的高层建筑物遭受破坏的主要原因就是共振。

2. 几种周期及相关概念自振周期T：结构按某一振型完成一次自由振动所需的时间，是结构本身的动力特性，与结构的高度H、宽度B有关。

基本周期T1:是指结构按基本振型完成一次自由振动所需的时间。

基本振型：单质点体系在谐波的作用下的振型称为基本振型：任一地震波都可以分解为若干谐波的叠加，多质点体系按振型分解法计算地震作用时，可以简化为具有基本振型的等效单质点体系进行分析。

而对建筑结构而言，有时又称为主振型，一般是指每个主轴方向以平动为主的第一振型。

高阶振型：相对于低阶振型而言。

一般来说，低阶振型对结构振动的影响要大于高阶振型的影响。

对一般较规则的建筑物，选择的振型个数可以取其地震作用计算时的质点数（大多数情况下为楼层数），若质点数较多时，根据计算结果可以只取前几个振型（即低阶振型）进行叠加。

特征周期Tg：即建筑场地自身的周期，是建筑物场地的地震动参数，在地震影响系数曲线中，水平段与下降段交点的横坐标，反映了地震震级，震源机制（包括震源深度）、震中距等地震本身方面的影响，同时也反映了场地的特性；如软弱土层的厚度，类型等场地类别等。

在抗震设计规范中，设计特征周期Tg与场地类别有关：场地类别越高（场地越软），Tg越大；地震震级越大、震中距离越远，Tg越大。

场地卓越周期

场地卓越周期文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]场地卓越周期,结构自振周期,基本振型,高阶振型基本概念自振周期T：结构按某一振型完成一次自由振动所需的时间，是结构固有的特性。

基本周期T1：结构按基本振型完成一次自由振动所需的时间。

通常需要考虑两个主轴方向的和扭转方向的基本周期。

设计特征周期Tg：抗震设计用的地震影响系数曲线的下降阶段起始点所对应的周期值，与地震震级、震中距和场地类别等因素有关。

场地卓越周期Ts ：根据场地覆盖层厚度H和土层平均剪切波速Vs计算的周期，表示场地土最主要的振动特征。

场地卓越周期只反映场地的固有特征，不等同于设计特征周期。

场地脉动周期Tm：应用微震仪对场地的脉动、又称为”常时微动”进行观测所得到的振动周期。

场地脉动周期反映了微震动情况下场地的动力特征，与强地震作用下场地的动力特性既有关系又有区别。

场地卓越周期：地震波在某场地土中传播时，由于不同性质界面多次反射的结果，某一周期的地震波强度得到增强，而其余周期的地震波则被削弱。

这一被加强的地震波的周期称为该场地土的卓越周期。

结构自振周期：自振周期是结构的动力特性之一。

单质点体系在谐波的作用下，都会按一定形状作同频率同相位的简谐运动，其相应的周期就称为自振周期。

当建筑物的自振周期与场地土卓越周期接近时，其地震反应就大，反之则小。

设计特征周期Tg：抗震设计用的地震影响系数曲线中，反映地震震级、震中距和场地类别等因素的下降段起始点对应的周期值，应根据其所在地的设计地震分组和场地类别确定。

当结构的自振周期超过设计特征周期时，地震作用就会随其自振周期的增大而减小。

当结构的自振周期小于0.1s时，地震作用会随其自振周期的增大而急剧增大。

实际的建筑结构的自振周期大都会大于设计特征周期，但一般不大于6.0s。

基本振型：单质点体系在谐波的作用下的振型称为基本振型。

任一地震波都可以分解为若干谐波的叠加，多质点体系按振型分解法计算地震作用时，可以简化为具有基本振型的等效单质点体系进行分析。

高层建筑结构设计思考题答案-(2)

第二章2.1钢筋混凝土房屋建筑和钢结构房屋建筑各有哪些抗侧力结构体系？钢筋混凝土房屋建筑和钢结构房屋建筑各有哪些抗侧力结构体系？每种结构体系举1~2例。

答：钢筋混凝土房屋建筑的抗侧力结构体系有：框架结构(如主体18层、局部22层的北京长城饭店)；框架剪力墙结构（如26层的上海宾馆）；剪力墙结构（包括全部落地剪力墙和部分框支剪力墙）；筒体结构[如芝加哥Dewitt-Chestnut公寓大厦（框筒），芝加哥John Hancock大厦（桁架筒），北京中国国际贸易大厦（筒中筒）]；框架核心筒结构（如广州中信大厦）；板柱-剪力墙结构。

钢结构房屋建筑的抗侧力体系有：框架结构（如北京的长富宫）；框架-支撑（抗震墙板）结构（如京广中心主楼）；筒体结构[芝加哥西尔斯大厦（束筒）]；巨型结构（如香港中银大厦）。

2.2框架结构、剪力墙结构和框架----剪力墙结构在侧向力作用下的水平位移曲线各有什么特点？答：(1)框架结构在侧向力作用下，其侧移由两部分组成：梁和柱的弯曲变形产生的侧移，侧移曲线呈剪切型，自下而上层间位移减小；柱的轴向变形产生的侧移，侧移曲线为弯曲型，自下而上层间位移增大。

第一部分是主要的，所以框架在侧向力作用下的水平位移曲线以剪切型为主。

(2)剪力墙结构在侧向力作用下，其水平位移曲线呈弯曲型，即层间位移由下至上逐渐增大。

(3)框架-剪力墙在侧向力作用下，其水平位移曲线呈弯剪型, 层间位移上下趋于均匀。

2.3框架结构和框筒结构的结构构件平面布置有什么区别?答：(1)框架结构是平面结构，主要由与水平力方向平行的框架抵抗层剪力及倾覆力矩，必须在两个正交的主轴方向设置框架，以抵抗各个方向的侧向力。

抗震设计的框架结构不宜采用单跨框架。

框筒结是由密柱深梁组成的空间结构，沿四周布置的框架都参与抵抗水平力，框筒结构的四榀框架位于建筑物的周边，形成抗侧、抗扭刚度及承载力都很大的外筒。

2.5中心支撑钢框架和偏心支撑钢框架的支撑斜杆是如何布置的？偏心支撑钢框架有哪些类型？为什么偏心支撑钢框架的抗震性能比中心支撑框架好？答：中心支撑框架的支撑斜杆的轴线交汇于框架梁柱轴线的交点。

结构抗震设计原理》复习思考题答案

1.1地震按其成因分为哪几种类型？按其震源的深浅又分为哪几种类型？答：构造地震、火山地震、陷落地震、爆炸地震、诱发地震。

浅源地震、中源地震、深源地震。

1.2什么是地震波？地震波包含了哪几种波？各种地震波各自的传播特点是什么，对地面和建筑物的影响如何?答：地震引起的振动以弹性波的形式从震源向各个方向传播并释放能量（波动能），这就是地震波。

它包括体波和面波。

特点：体波中，纵波周期短，振幅小，速度快，产生颠簸，可以在固体液体中传播。

横波周期长，振幅大，只能在固体中传播，产生摇晃。

面波振幅大，周期长，只能在地表附近传播，能量大，破坏大，产生颠簸摇晃。

故面波的危害最大。

1.3什么是震级？什么是烈度、基本烈度和抗震设防烈度？三种烈度如何确定？答：震级是表征一次地震大小或强弱的等级，是地震释放能量多少的尺度。

烈度：表示某一地点地面震动的强烈程度或者说地震影响的强弱程度。

确定方法：当设计基准期为五十年时，50年内众值烈度的超越概率为63.2%，这就是第一水准的烈度。

基本烈度：在50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇超越概率为10%的地震烈度值。

确定方法：一般情况下，取50年内超越概率10% 的地震烈度，为第二水准烈度。

抗震设防烈度：按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。

确定方法：一般情况下，取50年内超越概率10% 的地震烈度。

确定方法：它所产生的烈度在50年内的超越概率为2%，作为第三水准烈度。

基本烈度与众值烈度相差1.55度，基本烈度与罕遇烈度相差1度。

1.4简述众值烈度、基本烈度和罕遇烈度的划分及其关系。

答：当设计基准期为五十年时，50年内众值烈度的超越概率为63.2%，这就是第一水准的烈度。

一般情况下，取50年内超越概率10% 的地震烈度，为第二水准烈度。

烈度在50年内的超越概率为2%，作为第三水准烈度。

基本烈度与众值烈度相差1.55度，基本烈度与罕遇烈度相差1度。

1.5何谓“抗震概念设计”？“抗震概念设计”包括哪些方面的内容?答：定义：抗震概念设计是根据地震灾害和工程经验等形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部的过程。

建筑振动问题的原因和解决方法

建筑振动问题的原因和解决方法建筑物是人们生活和工作的场所，是人们生产和居住的基础设施，作为一种重要的建筑物，其稳定性和安全性是至关重要的，然而，在某些情况下，建筑物会出现振动问题，这不仅会对建筑物的稳定性和安全性产生影响，还会对人们的日常生活和工作带来负面影响。

本文将探讨建筑振动问题的原因和解决方法。

一、建筑振动问题的原因1. 自然环境因素自然环境因素是造成建筑物振动的常见原因之一，例如地震、风力、海浪等自然力量都有可能对建筑物产生影响。

其中，地震是最为严重的一种，能够造成建筑物的倒塌和毁坏。

2. 施工过程中的问题施工过程中，操作不当或者施工设备问题也可能会导致建筑物的振动，比如在吊装过程中高空坠物，或者使用不合格的混凝土等。

3. 设计因素建筑物的设计也是建筑振动的一个重要因素，如果设计不合理，比如质量不达标、结构不稳定等，都会对建筑物的稳定性产生影响，从而导致建筑振动。

二、建筑振动问题的解决方法1. 加强地基的承载能力地基承载力不足可能会导致建筑物振动，因此，加强地基的承载能力是解决建筑振动问题的重要方法。

首先，需要对地基进行检测和评估，了解其承载能力。

接下来，可以采取加固地基的方法，例如使用钢筋混凝土（RC）桩、喷浆桩、振动加固桩等。

2. 采取减振措施减振也是解决建筑振动的一种有效方法，主要包括调整结构体系、设置减振器等。

例如，在高层建筑中，可以采用迟滞支撑、摆式减振器等减振设施，减少建筑物的振动效应。

3. 完善建筑物设计与施工建筑物的设计和施工也是避免建筑振动的重要环节。

因此，需要在建筑物的设计和施工过程中，遵循标准和规范，加强施工质量控制，完善建筑物的各项技术要求，确保建筑物的结构稳定、牢固。

结语：建筑物的振动问题是建筑工程面临的一个严重问题，它不仅会影响建筑物的使用寿命，还会给人们的日常生活和工作带来很大的影响。

因此，我们必须采取有效的措施来解决建筑振动问题。

①加强地基承载能力，防止地基承载力不足。

《建筑结构抗震设计》课后习题集全解析

第一章绪论1.1地震按其成因分为哪几种类型？按其震源的深浅又分为哪几种类型？构造地震、火山地震、陷落地震和诱发地震。

深浅：构造地震可分为浅源地震（d<60km）、中源地震(60 –300km)，深源地震(>300km)1.2什么是地震波？地震波包含了哪几种波？各种地震波各自的传播特点是什么？对地面和建筑物的影响如何？地震波：地震引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播并释放能量。

是一种弹性波，分为体波（地球内部传播）、面波（地球表面传播）。

体波：分为纵波（p波）：在传播过程中，其介质质点的振动方向与波的前进方向一致。

特点是：周期短，振幅小；影响：它使地面发生上下振动，破坏性较弱。

橫波（s波）：在传播过程中，其介质质点的振动方向与波的前进方向垂直。

特点是：周期长，振幅大。

影响：它使地面发生前后、左右抖动，破坏性较强，。

面波：分为洛夫波（L波）：传播时将质点在与波前进方向相垂直的水平方向上作蛇形运动。

影响：其波长大、振幅强，只能沿地表面传播，是造成建筑物强烈破坏的主要因素。

地震波的传播速度：纵波＞横波＞面波橫波、面波：地面震动猛烈、破坏作用大。

地震波在传播过程中能量衰减：地面振动减弱、破坏作用逐渐减轻。

地震波是指从震源产生向四外辐射的弹性波。

地震发生时，震源区的介质发生急速的破裂和运动，这种扰动构成一个波源。

由于地球介质的连续性，这种波动就向地球内部及表层各处传播开去，形成了连续介质中的弹性波。

1.3什么地震震级？什么是地震烈度和基本烈度？什么是抗震设防烈度？地震震级：表示地震本身强度或大小的一种度量指标。

地震烈度：指某一地区的地面和各类建筑物遭受一次地震影响的强弱程度。

基本烈度：在一定时期内（一般指50年），某地区可能遭遇到的超越某一概率的最大地震烈度。

抗震设防烈度：就是指指地面及房屋等建筑物受地震破坏的程度。

1.4什么是多遇地震和罕遇地震？多遇地震一般指小震，50年可能遭遇的超越概率为63％的地震烈度值。

地脉动测试技术讲解

前言工程抗震设计是地震区建筑物设计中的重要内容,通常除了测试场地土剪切波速,进行场地土类型划分、场地类别划分、场地地震反应分析外,测试场地脉动卓越周期也是一项重要工作。

场地脉动卓越周期的测试除了防止特殊的地震效应发生,避免拟建建筑物自振周期与场地脉动卓越周期一致或接近,在地震发生时,地基与建筑物产生共振或类共振；还可依据场地脉动卓越周期作为工程抗震中场地土类型划分、场地类别划分的标准,以及估算地震动峰值加速度。

因此, 从地脉动出发研究地基土层构造与地脉动卓越周期的关系以及不同场地类别的卓越周期特征, 以便对地基土层场地准确评价,以及有针对性地选用基础结构与埋深等方面都具有重要的理论及现实意义。

1 地脉动简介在一般情况下,任何时刻在地球表面的任何地点,都可以用高灵敏度的仪器观测到非地震引起的一种振幅很小的微弱震动噪声,其位移一般只有几微米到几十微米,把这种人体难以察觉到的微小振动称为地脉动。

地脉动是由场地周围自然震源(风、海浪等) 和人工震源(机器振动源、交通工具等) 所产生, 是地面的一种稳定的非重复性随机波动。

通常情况下地脉动具有频率低、振幅小等特点。

从地震观测的角度,按周期长短把地脉动分为两类:一是短周期地脉动;二是长周期地脉动,长短周期地脉动有如下区别:(1) 常时微动。

为短周期地微动,一般为0. 1～1 s ,波长较短,是地微动信号中反映场地土动态特性的成分,主要是近距离的人类活动、交通运输、机械振动等人工振动源引起的。

在理论上可用横波在土层中的多层反射理论解释。

(2) 脉动。

为中长周期地微动,一般为1 s至几十秒,波长较长,是地微动中反映振源特性的分量,主要是由海浪、风雨、气候、雷电、火山、地震等自然现象变化引起的,由较远距离的振源或海洋波浪、大气环流及地球深部构造运动激发,可利用它研究地震、台风、火山及地球内部的其它运动,理论上可用面波传播特征解释。

相对于常时微动而言,是一短期内的振动现象,故称之为“脉动”。

振动的各种周期

卓越周期目录定义卓越周期分级几种周期及相关概念场地卓越周期、特征周期对建筑物的影响定义predominant period 地震时，从震源发出的地震波在土层中传播时，经过不同性质地质界面的多次反射，将出现不同周期的地震波。

若某一周期的地震波与地基土层固有周期相近，由于共振的作用，这种地震波的振幅将得到放大，此周期称为卓越周期。

由多层土组成的厚度很大的沉积层，当深部传来的剪切波通过它向地面传播时就会发生多次反射，由于波的叠加而增强，使长周期的波尤为卓越。

卓越周期的实质是波的共振，即当地震波的振动周期与地表岩土体的自振周期相同时，由于共振作用而使地表振动加强。

巨厚冲积层上低加速度的远震，可以使自振周期较长的高层建筑物遭受破坏的主要原因就是共振。

卓越周期分级卓越周期按地震记录统计得到，地基土随软硬程度的不同有不同的卓越周期，可划分为四级：一级——稳定基岩，卓越周期是0.1-0.2s，平均为0.15s。

二级——一般土层，卓越周期为0.21-0.4s，平均为0.27s。

三级为松软土层，卓越周期在二级和四级之间。

四级——为异常松软的土层，卓越周期为0.3-0.7s，平均为0.5s.几种周期及相关概念自振周期T：结构按某一振型完成一次自由振动所需的时间，是结构本身的动力特性，仅与结构的质量m、刚度系数k有关。

基本周期T1:是指结构按基本振型完成一次自由振动所需的时间。

而对建筑结构而言，有时又称为主振型，一般是指每个主轴方向以平动为主的第一振型。

高阶振型：相对于低阶振型而言。

一般来说，低阶振型对结构振动的影响要大于高阶振型的影响。

场地脉动卓越周期在工程抗震中的应用

场地脉动卓越周期在工程抗震中的应用随着地震灾害的增多，如何有效地抗震变得越来越重要。

基于此，开发并应用场地脉动卓越周期（SDP）在工程抗震中变得越来越重要。

在这篇文章中，我们将讨论场地脉动卓越周期的应用和一些重要的抗震考虑因素。

首先，场地脉动卓越周期是一种抗震重要性考虑因素，提出了一种新的方法来预测和评估地震作用下建筑物的振动特性。

SDP通过测量地表引起的振动，分析其与地震波的相似性，以进行抗震设计所需的知识获取和满足安全要求。

此外，SDP也提供了一种新的数据可用于抗震设计，并收集到更多的关于地震波的信息。

其次，抗震设计中采用的SDP需建立在地震灾害研究的基础上。

地震学家认为，地震脉动模式（通常称为模式因子）在整个地区是唯一的，它们正在改变和演变，因为地质构造和地表改变，而其影响也会反映到地球表面和地表结构上。

SDP可以用来比较和抗震设计时的地震脉动模式和地震波，从而更好地抗震。

最后，在抗震设计中应用SDP的过程中，一个重要的考虑因素是结构物的性能。

在抗震设计中，要考虑结构物的力学性能，包括其刚度、弹性和阻尼特性。

同时，要考虑结构物的构造和尺寸参数，如厚度、半径等。

此外，在SDP的过程中，还应考虑到结构物环境中的障碍物和抗震设备。

这些装置可以在结构物内部或外部安装，其作用是在地震波造成的振动能量缓冲，防止结构物遭受太大的损坏。

综上所述，在工程抗震中，场地脉动卓越周期的应用对抗震设计具有重要意义。

它可以分析地表引起的振动，预测和评估地震作用下建筑物的振动特性，从而帮助抗震设计更好地抗震。

此外，在抗震设计中，还应考虑结构物的力学性能、构造参数和环境中的障碍物和抗震设备，从而有效地防止抗震失败。

地震时的几种周期

地震发生时，由震源发出的地震波传至地表岩土体，迫使其振动，由于表层岩土体对不同周期的地震波有选择放大作用，某种岩土体总是以某种周期的波选择放大得尤为明显而突出，使地震记录图上的这种波记录得多而好。

这种周期即为该岩土体的特征周期，也叫做卓越周期。

由多层土组成的厚度很大的沉积层，当深部传来的剪切波通过它向地面传播时就会发生多次反射，由于波的叠加而增强，使长周期的波尤为卓越。

卓越周期的实质是波的共振，即当地震波的振动周期与地表岩土体的自振周期相同时，由于共振作用而使地表振动加强。

巨厚冲积层上低加速度的远震，可以使自振周期较长的高层建筑物遭受破坏的主要原因就是共振。

2. 几种周期及相关概念自振周期T：结构按某一振型完成一次自由振动所需的时间，是结构本身的动力特性，与结构的高度H、宽度B有关。

基本周期T1:是指结构按基本振型完成一次自由振动所需的时间。

而对建筑结构而言，有时又称为主振型，一般是指每个主轴方向以平动为主的第一振型。

高阶振型：相对于低阶振型而言。

一般来说，低阶振型对结构振动的影响要大于高阶振型的影响。

在抗震设计规范中，设计特征周期Tg与场地类别有关：场地类别越高（场地越软），Tg越大；地震震级越大、震中距离越远，Tg越大。

已找好答案《结构抗震设计原理》复习思考题目

《结构抗震设计原理》思考题1.1地震按其成因分为哪几种类型？按其震源的深浅又分为哪几种类型？按成因：构造地震；火山地震；陷落地震；诱发地震。

按震源深浅：浅源地震；中源地震；深源地震。

1.2什么是地震波？地震波包含了哪几种波？各种地震波各自的传播特点是什么？对地面和建筑物的影响如何？地震引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播并释放能量，这就是地震波。

体波（纵波、横波）和面波（洛夫波、瑞雷波）纵波：P波，为压缩波，速度快，产生颠簸。

横波：S波，为剪切波，速度稍慢，产生摇晃。

洛夫波（类似于蛇行，左右运动）瑞雷波（上下、前后运动，最慢）纵波使建筑物产生上下颠簸，剪切波使建筑物产生水平方向摇晃，而面波则使建筑物既产生上下颠簸又产生左右摇晃，一般是在剪切波和面波都达到时振动最为激烈。

1.3什么是地震震级？什么是地震烈度、基本烈度和抗震设防烈度？上述三种烈度之间有何区别？简述众值烈度、基本烈度和罕遇烈度的划分及其关系。

地震震级：震级是表示一次地震本身强弱程度和大小的尺度。

地震烈度：地震烈度是指地震时某一地区的地面和各类建筑物遭受到一次地震影响的强弱程度。

基本烈度：在50年期限内，一般场地条件下可能遭遇超越概率为10%勺地震烈度值。

设防烈度：按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。

众值烈度：出现频率最多的低于基本烈度的称为多遇烈度。

罕遇烈度：很少出现的高于基本烈度的大的地震烈度称为罕遇烈度。

经研究其分布函数可用极值III型表示。

■—上限值，=12 I m —众值烈度K —形状参数基本烈度：超越概率为10%多遇烈度（众值烈度）：超越概率63.2%比基本烈度小1.55度。

罕遇烈度：超越概率为2~3%比基本烈度高1度左右。

1.4何谓“抗震概念设计”？“抗震概念设计”包括哪些方面的内容？抗震概念设计：为了保证结构具有足够的抗震可靠性，在进行结构的抗震设计时，必须综合考虑多种因素的影响，着重从建筑物的总体积上进行抗震设计，这就是结构的概念设计。

场地卓越周期与结构基本周期关系研究

第Z 4卷第4期Z 004年8月地震工程与工程振动EART~@UAKE ENG I NEER I NG AND ENG I NEER I NG V I BRAT I ONVol .Z 4 No .4Au g .Z 004收稿日期!Z 004-05-19 修订日期!Z 004-06-Z 9基金项目!国家电力公司科研基金项目 KJ00-03-Z 6-01 作者简介!蔡元奇 1963- 男副教授博士从事计算力学和结构动力分析的教学与研究.文章编号!1000-1301"Z 004#04-0070-05场地卓越周期与结构基本周期关系研究蔡元奇!韩芳!朱以文武汉大学土木建筑工程学院湖北武汉43007Z摘要!本文从抗震概念设计的背景出发认为抗震设计应充分考虑结构与地基耦合作用的影响其中结构和场地的频率关系是十分重要的根据地震作用是瞬态冲击的特性在理论上和数值上分析了结构自振周期与场地卓越周期在不同比值情况下对结构抗震性能的影响提出两个周期之间存在最优比值T \=3T g > 当结构与场地频率满足最优比值时结构的抗震性能最佳它可以作为抗震概念设计中的参考准则此外进行了各种框架结构在地震作用下的时程分析验证了此最优比值的合理性关键词!抗震概念设计耦合作用卓越周期振型参与因子中图分类号!P315.95 文献标识码!AS t ud y on t he rel ati on of p redo m i nant p eri od ofs ite and nat ural p eri od of struct ureCai yuan C i ~an fan g Zhu y i WenS chool of C i vil En g i neeri n g W uhan Uni versit y W uhan 43007Z Chi naAbstract Thi s p a p er de monstrat es t hat t he cou p li n g eff ect on str uct ure and g r ound shoul d be consi dered t hor ou g hl y When i nvol vi n g W it h anti-sei s m i c conce p t desi g n .The f re C uenc y rel ati on bet Ween str uct ure andg r ound i s i m p ort ant .Consi deri n g t he i m p act charact eri sti c of eart h C uake t hi s p a p er anal y ses t he eff ects on t he anti-sei s m i c p r o p ert y of t he str uct ure t heoreti call y and nu m eri call y on t he basi s of diff erent rati os of nat ural p eri od t o p redo m i nant p eri od .The result p r oves t hat t here exi sts a most advant a g eous rati o T \=3T g > Whi ch i s more benefi ci al t o t he anti-sei s m i c p r o p ert y of t he str uct ure .I n additi on vari ous exa m p l es are g i ven t o vali dat e t he concl usi on b y t he transi ent d y na m i c anal y si s .Ke y words anti-sei s m i c conce p t desi g n cou p li n g eff ect p redo m i nant p eri od p arti ci p ati on f act or引言我国是一个多地震的国家地震分布广频度高强度大强烈地震发生时给人类生命财产安全及文明成果都带来了极大的灾难在历次震害的深刻教训中抗震概念设计逐渐被提出并日趋完善概念设计即通过合理选取场地抗震结构体系合理规划建筑布置等举措从总体设计方案上提高建筑物的抗震能力作为抗震设计的重要参数建筑物的自振周期与场地卓越周期的关系成为概念设计的一项重要内容概念设计中明确指出结构的自振周期应尽量避开场地卓越周期以免发生共振而加重震害也有文献 1 通过对建筑震害宏观和微观数据对照考虑到建筑周期与地震卓越周期相接近是引起建筑共振破坏的主要因素和直接原因后9提出在设计中应尽量加大建筑物基本周期与场地卓越周期的差距O 问题是实际设计时这个差距到底应该加大到什么程度才算合适？另外9这个差距是否越大越好？这是值得研究的问题O 此外9现在国内外抗震研究的重点在于隔震减震技术在结构中的广泛应用9隔震减震技术无疑是十分重要的9但结构本身的抗震性能的研究也是不可忽略的O 鉴于以上Z 点9本文认为抗震概念设计中9在充分考虑结构与场地的耦合作用的前提下进行结构频率特性的优化是减震的一个重要方面O1 T \=3T g > 关系的存在多自由度体系在地震作用下的运动方程:M u 十C u十K u ＝—M u g(1)其中M 为质量矩阵9C 为阻尼矩阵9K 为刚度矩阵9u 为系统相对于地面的位移向量9 u g 为地震加速度向量O由u =!x 9用振型分解法解耦后得到1个广义单自由度运动方程:m ei J i +C e i Ji +a e i J i =P e i (t ) (i =19Z 939 91)(Z )其中9J i 为广义自由度3P ei (t )=-!T i Mu g 为第i 阶振型的广义荷载3m e i 9c e i 9a e i 分别为第i 阶振型的广义质量~广义阻尼~广义刚度O 由于振型的正交性9每个单自由度方程是独立的9不失一般性9可对单自由度方程进行研究O 为表达简便起见9将i 和e 省略9从而得到:m J +c J+aJ =P (t )(3)地震激励包括了较宽的频谱9可将地震载荷在场地特征圆频率附近按傅里叶展开O 由于场地土对不同频率地震波的滤波作用9使得地震动能量以场地卓越周期附近最大9取P (t )=F si n t 9则式(3)简化为:m J +c J+aJ =F si n t (4)式(4)的特解为J =A si n t +B cos t 9代入(4)9有:A =F ( Z - Z)m ( Z - Z )Z +4 Z Z Z I B =-Z F m ( Z - Z )Z +4 Z Z ZI(5)其中9 =a \m 为结构圆频率9 =c Z m为结构阻尼比O 齐次解与特解相叠加9得到方程的全解:J (t )={e -t (C 1cos r t +C Z si n rt )}+{A si n t +B cos t }(6)其中 r = 1-\ZO 引入初始条件9J (0)=09J(0)=09得到:C 1=-B 9 C Z =A +B - 1- \Z(7)地震作用时间极短9体系通常来不及达到稳态振动而处于瞬态O 令J S 代表瞬态振动的幅值9J L 代表稳态振动的幅值9显然J S =C Z 1+C \ZZ 9J L =A Z +B \Z 9将式(5)和式(7)参数代入9得到J S =C Z 1+C \ZZ =F m (1- Z ) ( Z - Z )Z +4 Z Z Z\I(8)J L =A Z 1+B \ZZ =Fm ( Z - Z )Z +4 Z Z\Z (9)令 ( )= Z( Z - Z )Z +4 Z Z ZI (10)则J S =F m (1- Z) (\)O 1 ( \)9现在分析函数 ( )的特性:令( )=Z 3 4-4 Z (1-Z Z ) Z + 4I =09求得拐点 1= 9 Z =\3(不计阻尼且 >0)9 由式(10)得 ( )=Z 15 4-1Z Z Z (1-Z Z )+ 4I 9将拐点带入:( 1)= ( )=8 4>09则 ( )有极小值9J S 有极大值3174期蔡元奇等:场地卓越周期与结构基本周期关系研究(Z>=(/\3>=-8/34<0则(>有极大值J S有极小值o显然当1=时结构发生类共振瞬态振动达到位移幅值;当Z=/\3时瞬态振动位移达到结构类共振前的最小值o由此可以得到结论当结构自振周期与场地卓越周期满足比值T\=3T g时瞬态振动的动力响应为最小o2T\=3T g关系的修正对于以第1振型为主的结构上述T\=3T g关系可以直接应用对于地震作用下高层建筑的反应只考虑1个振型是不够的o考虑除第1阶振型外的其它振型的影响T\=3T g关系必须作一定的修正o为此考虑3种不同类型的框架(见图1>进行数值实验每种类型考虑了尺寸变化的系列即采用单跨(梁柱等截面>~双跨斜撑(梁柱等截面>~单跨(强柱弱梁>3类模型每类模型分别采用<规范>规定的高宽比~/B=Z! 6建立5种子模型o在ANSyS5.7中建立模型采用bea m3单元截面属性见表1o首先进行模态分析得到结构的频率特性由此按照不同的比例换算出地震载荷的频率并以si n t函数的形式作用在结构上以反映结构基本周期与卓越周期之间的变化关系o时程分析5s内的地震反应时间步长为0.01s不计阻尼o大量计算结果表明对于框架类结构而言1阶振型的振型参与因子最大对结构的整体响应的贡献最大o就本文所考虑3种类型框架结构的计算结果来看1阶振型的振型参与因子值占全部值的50以上(见表Z>这也说明结构基本周期和场地卓越周期T\=3T g关系提出的合理性o图13类框架结构模型示意图(~/B=Z>表13类模型动力特性参数分类截面属性梁柱结构基频/~Z~/B=Z~/B=3~/B=4~/B=5~/B=6类型1截面1截面1Z.77Z71.75831.Z8061.005Z0.8Z64类型Z截面1截面110.7Z8Z6.061Z3.777Z Z.55001.8Z70类型3截面1截面Z3.75Z6Z.007Z1.3Z Z50.97080.7605截面1:边长0.Z m的正方形S=0.04m Z ZZ=0.133E-03m4截面Z:边长0.4m的正方形S=0.16m Z ZZ=Z.133E-03m4由前文理论推导得知瞬态振动地震响应的极小值发生在共振之前另外目前常见的建筑结构以及今后更多出现的高柔结构使得结构自振周期长于场地的特征周期故r=/>1o在每组数值试验中令r在1.0!3.0中插值形成13种地震载荷频率即13种工况o首先比较得出同种工况下在5S内结构顶点位移绝对值的最大值然后考查不同工况作用下的位移最小值从而确定最优工况也就是结构与场地周期的最优比值/并对理论计算值进行一定的修正o为了描述的客观性对位移进行无量纲化处理即以/\=3工况Z7地震工程与工程振动Z4卷下对应的位移为基准!其余工况的位移与其比值见表3"表Z前10阶振型沿地震方向的振型参与因子比例模态~#B=Z~#B=3~#B=4~#B=5~#B=6类型11阶1.001.001.001.001.00 Z阶0.350.370.360.350.35 3阶0.000.190.Z Z0.Z Z0.Z Z 4阶0.000.000.1Z0.150.16 5阶0.190.000.000.090.11 6阶0.000.1Z0.000.000.06 7阶0.000.000.000.000.00 8阶0.180.140.080.000.00 9阶0.070.000.000.060.00 10阶0.000.000.100.000.00基频所占比例5655535353类型Z1阶1.001.001.001.001.00 Z阶0.060.150.480.540.56 3阶0.1Z0.1Z0.030.130.09 4阶0.040.1Z0.000.040.18 5阶0.100.000.0Z0.000.09 6阶0.150.000.000.010.01 7阶0.050.040.010.0Z0.01 8阶0.Z Z0.Z00.060.040.03 9阶0.100.110.0Z0.050.0Z 10阶0.100.050.040.080.04基频所占比例5Z56605Z49类型31阶1.001.001.001.001.00Z阶0.500.490.460.440.433阶0.000.Z90.Z90.Z90.Z84阶0.000.000.Z00.Z10.Z05阶0.000.000.000.150.166阶0.Z80.000.000.000.1Z7阶0.000.000.000.000.008阶0.180.190.000.000.009阶0.000.000.000.000.0010阶0.000.000.000.000.00基频所占比例5151514846表3类型1顶点位移比值工况#~#B=Z~#B=3~#B=4~#B=5~#B=6 11.0Z5.08813.7Z610.4Z48.3856.7Z9Z1.Z3.176Z.734Z.990Z.859Z.891 31.51.3961.Z Z31.3631.Z661.Z63 41.61.1971.1Z11.1841.1361.144 51.7Z.1861.0531.1051.0970.9916\31.0001.0001.0001.0001.000 71.81.0700.9681.0661.0Z90.995 81.91.0160.9050.9940.9590.9669Z.00.89Z0.8300.9410.9170.9Z Z10Z.10.9680.8911.0150.9570.97911Z.Z0.8510.8490.9860.98Z1.0151Z Z.51.0380.9681.1681.Z Z61.Z Z4 133.0Z.755Z.3653.0313.6834.6Z0最小位移比0.8510.8300.9410.9170.9Z Z对应比例Z.Z Z.0Z.0Z.0Z.0374期蔡元奇等$场地卓越周期与结构基本周期关系研究表4类型Z与类型3的顶点位移比值工况类型Z类型3~B=Z~B=3~B=4~B=5~B=6~B=Z~B=3~B=4~B=5~B=611.09.Z3Z37.308Z9.940Z0.Z6117.4963Z.5Z719.13810.6367.1395.311Z1.Z1.401Z.613Z.749Z.7913.3673.0693.303Z.78Z Z.730Z.5Z831.53.9811.Z Z81.Z811.1431.5061.3801.4931.Z591.0671.Z1441.63.9451.1171.1641.1031.3691.1901.3Z91.0481.0771.04851.71.8171.0Z Z1.0311.0171.Z181.0701.18Z1.0531.0191.0156\31.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.0001.00071.80.8890.9310.9Z30.9471.1Z00.9861.1070.9450.9590.95Z81.90.7400.8530.9050.8781.0610.9651.0690.9400.90Z0.8899Z.00.6380.8060.8080.7800.9160.8000.9Z70.83Z0.8170.803 10Z.10.6910.8600.8460.8Z00.9610.8450.96Z0.78Z0.83Z0.855 11Z.Z0.7Z40.9700.8800.7980.9560.8Z40.9600.8350.8Z60.836 1Z Z.51.0041.1Z40.9000.8430.9Z00.8180.9610.8690.8890.861 133.00.68Z0.8131.5510.8391.01Z0.8441.0440.9910.9591.Z Z6最小位移比0.6380.8060.8080.7800.9160.8000.9Z70.78Z0.8170.803对应比例Z.0Z.0Z.0Z.0Z.0Z.0Z.0Z.1Z.0Z.0大量数值分析表明T\=3T g关系应作一定的修正且其修正系数值是稳定的以上结果显示在=1.0时结构发生类共振顶点位移达到最大在=Z.0附近顶点位移达到最小考虑到1阶振型外其它振型的影响T\=3T g的规律有一定偏离但上述规律为把T\=3T g规律从单自由度推广到多自由度奠定了基础计算结果表明对于各种类型各种高度比各种自由度下的框架结构使得结构响应值最小的结构基本周期T与场地卓越周期Tg之间存在一个稳定的比值\3即存在T=\3T g的稳定关系就本文所选择的3类框架而言稳定在1.Z所以论文提出多自由度框架结构的结构基本周期与场地卓越周期的最优比例关系为T=\3T g3结论本文针对抗震概念设计中提出的建筑物基本周期应尽量避开场地卓越周期的设计思想提出两者之间的关系并非越远越好而是存在最有利的比值关系对单自由度体系或以第1振型为主的结构这个关系是T\=3T g对于多自由度框架体系或地震作用下的高层结构这个关系是T=\3T g建议值为1.Z本文提出的这一关系可为抗震概念设计提供参考参考文献!1I刘大海杨翠如.高层建筑抗震设计M I.北京=中国建筑工业出版社1993.Z I朱镜清.结构抗震分析原理M I.北京=地震出版社Z00Z.3I李培林.建筑抗震与结构选型构造M I.北京=中国建筑工业出版社1990.4I许本文.机械振动与模态分析基础M I.北京=机械工业出版社1998.5I王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSyS上的实践M I.西安=西北工业大学出版社Z001.47地震工程与工程振动Z4卷场地卓越周期与结构基本周期关系研究作者：蔡元奇，韩芳，朱以文作者单位：武汉大学,土木建筑工程学院,湖北,武汉,430072刊名：地震工程与工程振动英文刊名：EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING VIBRATION年，卷(期)：2004,24(4)被引用次数：8次1.刘大海;杨翠如高层建筑抗震设计 19932.朱镜清结构抗震分析原理 20023.李培林建筑抗震与结构选型构造 19904.许本文机械振动与模态分析基础 19985.王国强实用工程数值模拟技术及其在ANSYS上的实践 20011.刘俊杰.王家全.LIU Jun-jie.WANG 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场地卓越周期的计算及其工程应用

场地卓越周期的计算及其工程应用
郝冰;张彦;曲淑英;侯兴民
【期刊名称】《水利与建筑工程学报》
【年(卷),期】2016(014)005
【摘要】场地卓越周期是场地土地震动力特性的重要参数，总结了不同规范对场
地卓越周期的定义，阐述了卓越周期在工程抗震中的应用、计算方法及其优缺点。

结合工程实例，通过对某一场地的地脉动和剪切波速记录，计算得到该场地的卓越周期分别为0．375 s 和0．590 s ，分析了差别产生的原因；对鲁甸地区某场地
强震记录进行计算，得其卓越周期为0．5 s 。

同时，比较了各种计算方法的适用性，并通过地脉动及强震记录的频谱分析，研究了场地土层结构和场地频谱特性的对应关系。

【总页数】7页(P144-150)
【作者】郝冰;张彦;曲淑英;侯兴民
【作者单位】烟台大学土木工程学院，山东烟台 264005;烟台大学土木工程学院，山东烟台 264005;烟台大学土木工程学院，山东烟台 264005;烟台大学土木工
程学院，山东烟台 264005
【正文语种】中文
【中图分类】TU42
【相关文献】
1.场地卓越周期的讨论与场地建筑的共振现象 [J], 刘俊杰;王家全
2.场地卓越周期计算浅议 [J], 葛双成
3.建筑场地地面脉动测试与卓越周期计算研究 [J], 龚湘湖
4.基于灰色理论的场地卓越周期的计算 [J], 余建星;石江水;邓凯
5.基于观测记录的场地卓越周期与场地基本周期对地震动放大模型的影响研究 [J], 侯瑞彬
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