高层建筑结构时程分析的地震波输入

《建筑抗震设计规范》GB 50011［1］规定： “对 于特别不规则的建筑、甲类建筑和以下所列高度 范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地 震下的补充计算”． 采用时程分析法的房屋高度 范围如下： 1） 8 度 I 类、Ⅱ类场地和 7 度地区，高 度大于 100 m 的结构； 2） 8 度Ⅲ类、Ⅳ类场地的地 区，高度大于 80 m 的结构； 3） 9 度地区，高度大于 60 m 的结构．
1 输入地震波选取的基本原则
地震动具有很强的随机性． 研究分析表明，结 构的地震响应随输入地震波的不同而相差甚大． 故要保证结构时程分析的合理性，必须合理选择 输入地震波． 归纳起来，选择输入地震波时应当考 虑以下几方面的因素： 频谱特性、峰值、地震动持 时以及地震波数量，其中，前 3 个因素称为地震动
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celeration of Wenchuan seismic waves for 400 cm / s2 and one group of earthquake with a seismic time for 30 s and the peak acceleration of artificial seismic waves for 400 cm / s2 are obtained by applying the method as described above． Time － history analysis results show that the design of Pangu steel frame structure is more reasonable，and the seismic performance of structure is also good by inputing these 3 groups of seismic waves into the Pangu Plaza steel frame structural． But considering the complexity of the frame structure and irregular structure of the top ，the structure should be installed with some additional dampers between the columns and the top truss to improve the seismic performance． The conclusion is drawn that the method of the selection of seismic waves and synthesis of artificial seismic wave for the time-history analysis of high-level structures is simple and easy to grasp and handle programming． Key words： time-history analysis； Wenchuan seismic wave； frequency spectrum； power spectrum； design response spectrum； artificial seismic wave
Abstract： The calculation results are very different if the earthquake input are different when we do the timehistory analysis of high-rise structures，so it is necessary to study seismic wave input to improve the accuracy of the results． The method of the selection of actual seismic waves for time-history analysis of high-rise structures is illustrated by examples． Meanwhile，according to the actual situation of the project，earthquake is regarded as a hypothesis with different frequencies with random phase angle of the trigonometric series of the superposition． And a brief exposition of the generated response spectrum fitting synthesis of artificial seismic wave theory and method is presented． The seismic waves are obtained to meet the requirements of time-history analysis by the methods and programming． Then，the resulting seismic waves are combined into 3 groups cases of time-history analysis by using the ETABS nonlinear finite element program，and the time-history analysis of the Pangu steel frame structure in Beijing is carried out． Two groups of earthquakes with a seismic time for 30 s and a peak ac-
（ 1. School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing，China，100044； 2. Earthquake Administrator of Guangdong Province，Guangzhou，China，510070）
2010 年11 月 第26 卷 第 6 期
沈阳建筑大学学报（ 自然科学版） Journal of Shenyang Jianzhu University （ Natural Science）
文章编号： 1671 － 2021（ 2010） 06 － 1111 － 08
Nov． 2010 Vol ． 26 ，No ． 6
关键词： 时程分析； 汶川地震波； 频谱； 功率谱； 设计反应谱； 人工地震波
中图分类号： TU973 + . 31
文献标志码： A
Seismic Waves Input for the Time-History Analysis of High-Rise Building
ZHAO Boming1，WANG Ting2
高层建筑结构时程分析的地震波输入
赵伯明1 ，王 挺2
（ 1. 北京交通大学土木建筑工程学院，北京 100044； 2. 广东省地震局，广东 广州 510070）
Fra Baidu bibliotek
摘 要： 目的 高层结构在进行时程分析时，不同地震输入计算结果差异很大，因此有必要对地 震波输入进行研究，提高计算结果的准确性． 方法 通过工程实例来阐述高层结构时程分析用 实际地震波选取，同时根据工程的实际情况，将地震看成不同频率具有随机相位角的三角级数 的迭加，简要地阐述了生成拟合反应谱的人工地震波的理论和方法，并结合所述方法通过编程 处理得到符合要求的时程分析用地震波． 最后将得到的地震波组合成 3 组时程工况，运用 ETABS 非线性有限元程序对北京地区盘古大观钢框架结构进行时程分析． 结果 应用所述方法 处理得到 2 组地震动持时为 30 s、峰值加速度为 400 cm / s2 的汶川地震波以及 1 组地震动持时 为 30 s、峰值加速度为 400 cm / s2 的人工地震波，输入盘古大观钢框架结构时程分析的结果表 明结构设计较为合理，具有较好的抗震性能，但考虑到该钢框架结构形式较为复杂，且顶部结 构极不规则，结构宜在柱间和顶部桁架处加设阻尼器来改善结构的抗震性能． 结论 结合工程 实例可以看出这种高层结构时程分析用地震波选取和合成人工地震波的方法简单明了，易于 掌握并进行编程处理．
地震波的加速度峰值是反映地面地震动强度 特性的一个重要参数． 在确定输入地震波时，目前 的简单做法是选择 3 条以上类似场地上的实际地 震动加速度记录或者其他场地的人工地震动时 程，根据结构场地的地震特性以及不同烈度水准
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下的地震动峰值，在时域进行时间调整或峰值调 整，峰值调整是将地震动加速度时程各时刻的值 按一定比例放大或缩小，使其峰值加速度等于设 计地震动加速度峰值，这种调整只是针对原地震 波的幅值强度进行的，基本上保留了实际地震动 记录的频谱特征．《建筑抗震设计规范》GB 50011
的三要素． 1. 1 频谱特性
频谱即地面运动的频率成分及各频率的影响 程度． 由于地震是突发的随机过程，每次地震的地 震动特性都是不同的，其频谱特征取决于震源机 制，传播介质和场地条件． 对于未来可能发生的地 震，正确预测它的波形是很困难的，但场地却能通 过一定的方法来划分、确定． 因而按场地特性来选 择地震记录，可使已发生的实际地震记录与未来 可能发生的地震有其相似性． 因此需要根据场地 特征周期对地震波进行频谱调整，使其富含频率 成分处于场地特征周期之内． 频率调整是考虑到 场地的卓越周期，调整地震动时程的时间步长，即 将记录的时间步长直接拉长或缩短，改变其卓越 周期，还可用数字滤波的方法滤去某些频率成分， 保留有效频率成分． 笔者采取数字滤波的方法对 汶川地震波（ 绵竹清平测站东西向记录和什邡八 角测站东西向记录） 进行说明； 清平站东西向记 录最大加速度值为 802. 713 cm / s2 ，发生在 48. 52 s，八角 站 东 西 向 记 录 最 大 加 速 度 值 为 633. 092 cm / s2 ，发生在 37. 4 s） 进行滤波处理，基于 Matlab［2］语 言 编 制 了 Chebyshev I 型 带 通 数 字 滤 波 器［3］，根据规范查的北京地区高层钢框架结构 － 盘古大观所在场地特征周期为 0. 45 s，设定通带 频率范围为 1 Hz ～ 5 Hz，阻带边界频率为 0. 5 Hz 和 10 Hz，滤波前后的地震波如图 1 所示． 1. 2 峰值调整
收稿日期： 2010 － 08 － 10 基金项目： 国家自然科学基金项目（ 40674016） ； 国家十五重大科学工程项目（ ［2003］178） ； 科技部地震行业基金项
目（ ［2007］203 /8 － 53） ． 作者简介： 赵伯明（ 1963—） ，男，教授，博士后，主要从事地震工程方面研究．
采用时程分析法时，应按建筑场地和所处地 震环境选用不少于 2 条的实际记录和 l 条人工模 拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线 应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲 线在统计意义上相符． 时程分析法计算所得的平 均底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果 的 80% ．
而在对结构进行时程分析的过程中，地震波 的选择又是其中的重要环节，直接影响计算结果 的正确与否和结构的安全． 因此，笔者针对时程分 析用地震波的选择进行研究，采用原始地震波为 两组汶川地震波记录（ 绵竹清平测站记录和什邡 八角测站记录） ． 研究的结构模型为北京地区盘 古大观钢框架结构，通过对其进行时程分析来阐 述地震波选取的方法以及拟合标准反应谱的人工 地震波的合成．