结构动力分析实际地震动输入的选择与能量评价 (1)

英文版发表信息:
Ye X G, Wang D C. Selection of real earthquake accelerograms for structural dynamic analysis and energy evaluation. Sci China Tech Sci, 2011, 54: 28782885, doi: 10.1007/s11431-011-4541-7
中国科学: 技术科学
2011 年
第 41 卷
第 11 期
方法相对于前一种方法可以更好地控制均值谱与目 标谱之间的误差 . 文献 [9] 采用遗传算法优化选择一 组记录匹配目标谱 , 但是由于以总方差大小进行选 择 , 无法保证某些重要周期段各个周期点的误差均 较小, 可能有些周期点误差非常小, 而有些周期点的 误差则较大, 会造成控制的不均匀性. 目标谱类型通常为加速度反应谱 , 但是加速度 反应谱并不能考虑地震动对结构累积损伤的影响 , 抗规通常只是笼统地规定强震持时在一定的范围内 , 而且强震持时本身目前并没有公认合理的定义 [11]. 国内外已有的研究结果表明 , 结构输入能量和滞回 耗能可以有效地反映由于地震持续时间引起的累积 损伤破坏 , 而且也已形成了基于能量的抗震设计和 分析评估方法 , 并发表了研究成果 [12~15]. 因此 , 如何 在选择地震动记录时考虑到地震动输入能量的影响 , 从而反映地震动对结构的累积损伤的影响 , 也就成 为在地震动记录选择过程中需考虑的问题. 针对上述分析存在的问题 , 本文对选择实际地 震动记录的思路和选择过程中具体存在的问题进行 了分析 , 提出采用遗传算法和贪婪算法相结合的方 式优化选择一组地震动记录使均值谱可以较好匹配 目标谱的方法 . 对按照现有常规方法选择的地震动 记录的输入能量特征进行分析 , 并建议了考虑输入 能量需求的地震动输入选择方法.
关键词 动力分析 强震记录 遗传算法 输入能量 反应谱
目前 , 弹塑性动力时程分析方法已较广泛地应 用于结构抗震性能评价, 《建筑抗震设计规范》 (GB50011-2010) ( 以下简称 “ 抗规 ”) 对这种方法也作 了相应的要求和规定[1]. 在弹塑性动力时程分析过程 中 , 选择合理的输入地震动是得到较为可靠分析结果 的前提, 输入地震动不同, 计算所得地震反应可能相 差数倍甚至几十倍之多[2, 3]. 现阶段, 结构计算理论和 方法已比较成熟, 合理选择输入地震动记录也就成为 弹塑性动力时程分析方法需要解决的首要问题. 由于地震地面运动具有很强的随机性 , 采用每 一条地震动记录进行的反应分析相当于 Monte Carlo 分析的一个子样 . 为了保证动力分析结果有良好的 统计性质 , 需要采用更多的符合结构所在场地地面 运动特征的地震动记录进行分析. 但是, 采用大量的 记录进行分析需要大量的时间 , 考虑到经济性目前
各国抗震规范都规定只采用有限的几条地震动记录 进行地震反应分析 , 这就要求选择的地震动记录需 要有足够的代表性 , 这样才能保证分析结果的可靠 性. 在过去的研究中, 已有不同的选择地震动输入的 思路 , 并提出了不同的选择方法 [4~9]. 目前 , 最广泛 应用的是在设定地震学参数或地震动参数满足要求 的情况下 , 选择一组具有一定样本容量的记录使这 组记录的均值谱可以与设定的目标谱 (如抗规给定的 设计谱 ) 相接近 . 较常用的方法是选择记录的反应谱 值与目标谱值之间总方差最小的几条记录 , 保证选 择的一组记录均值谱可以与目标谱相吻合 . 但是随 着样本数量的增加 , 可能会导致某些周期点的误差 较大 , 无法在控制周期范围内各个周期点都能较好 地控制误差 . 另一种方法是采用优化算法选择一组 记录使均值谱与目标谱之间总方差较小 [10]. 后一种
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2011 年
第 41 卷
第 11 期: 1430 ~ 1438
《中国科学》杂志社
SCIENCE CHINA PRESS
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结构动力分析实际地震动输入的选择与能量评价
叶献国 , 王德才
① ②*
① 合肥工业大学土木与水利工程学院, 合肥 230009; ② 中国科学技术大学地球和空间科学学院, 合肥 230026 * E-mail: wdecai@163.com 收稿日期: 2011-04-14; 接受日期: 2011-07-22 国家自然科学基金重大研究计划项目(批准号: 90715016)资助
2
2.1
地震动记录选择的问题
数据库的建立及记录的筛选
1
地震动记录选择的思路
选择合理的地震动记录与给定的工程地震危险 性相关信息有着直接的关系 . 可以采用不同的分析 手段对工程场地进行危险性评价, 如确定地震危险性 评价(deterministic seismic hazard assessment, DSHA)以 及概率地震危险性评价 (probabilistic seismic hazard assessment, PSHA)等, 通常规范给出的设计反应谱是 基于 PSHA 得到的. 不同的评价方法得到的与地震学 参数有关的信息是不同的 , 从而也使选择的思路有 所不同 . 采用 DSHA 方法可以得到震级和断层距等 地震学参数 , 然后可以根据场地土类型选择满足地 震学参数要求和目标谱要求的地震动记录; PSHA 方 法同样可以通过解集方法得到震级和断层距等地震 学参数 , 可以与 DSHA 方法相同的方式选择地震动 记录. 但是, 大部分分析和设计都是以规范给定的设 计反应谱作为目标谱 , 并没有明确的地震学参数可
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最合理的地震动记录选择方式就是选择与场地 条件和地震环境完全一致的未经调整的实际地震动 记录作为地震动输入 , 但是这种地震动记录几乎是 找不到的. 如果不对地震动记录进行一定的调整, 一 般很少有记录能够满足要求 , 由此也形成了不同调 整方式, 如幅值比例调整和时间间隔调整等. 时间间 隔调整不但改变了地震动本身的持时特性 , 也改变 了地震动记录的频谱特性 , 会造成地震记录的失真 , 因此很少采用. 通常应用较多的是幅值的比例调整. 幅值调整方式通常根据定义的地震动强度指标 进行调整 , 使调整后的地震动强度指标与要求的相 同 , 目前主要采用峰值加速度 (PGA)、有效峰值加速 度(EPA)和结构自振周期对应的谱加速度(Sa(T1))作调 整参数. 我国抗震规范目前采用 PGA 作为衡量地震 动强度大小的指标 , 幅值调整一般也以不同设防烈 度和设防水准对应的 PGA 进行调整. 调整系数的确定可以通过 2 种方式, 第一种是将 每条记录的强度指标调整成与目标值相同 , 即所有 的记录都有相同的强度指标值 ; 另一种方式是考虑 到尽量使每条记录的反应谱在控制周期范围内与目 标谱之间的误差最小而确定的比例系数 [19], 调整之 后每条记录的强度指标值(如 PGA, Sa(T1)等) 并不相 同, 就会与设防水准和设防烈度对应的强度不同, 但 是采用这种调整方法可以使记录反应谱尽可能地逼 近目标谱 , 建议数据库中记录数量较少时可以采用 这种方法.
供参考 , 只有一些反映这些地震学参数的地震动参 数作为参考 , 因此只有通过拟合反应谱选择实际地 震动记录 , 并使选择的地震记录的地震动参数与设 定参数相近. 选择强震记录的思路可以概括为以下 3ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ个步骤: 1)根据记录的地震学参数, 如场地条件、震级和震中 距等选择与设定地震和设计场地特征相近的记录; 2) 根据地震动参数, 如强震持时、峰值加速度和卓越周 期等 , 选择与设定的参数相近的记录 ; 3)从上述两步 筛选出的记录中选择一组记录 , 使记录的平均反应 谱与目标反应谱在某个或某几个周期段相吻合. 从上述步骤中可以看出 , 选择出符合要求的实 际地震动记录 , 第一和第二步由于只是筛选并不会 产生影响, 主要在于第三步. 要使选择的记录具有代 表性 , 首先选择的这组记录中各记录之间的相关性 必须较小 , 其次要使记录的平均谱可以较好地拟合 目标谱 . 在具体选择记录过程中会存在数据库的建 立及记录的筛选、选择地震动记录的原则、幅值调整 和样本数量等问题, 以下分别加以分析和讨论.
因此 , 控制选择的记录的平均反应谱与设计反 应谱在某一段或某几段相吻合是较为合理的选择原 则 , 控制的周期段数和每个周期段的范围则需要根 据具体结构的动力特性进行确定.
2.3
记录的调整
2.2
选择地震动记录的原则
对于动力时程分析法中选取输入地震动的原则 , 普遍认为输入地震动的加速度反应谱须拟合设计加 速度反应谱 . 选择地震动记录过程中在整个反应谱 周期范围内都能较好地拟合设计反应谱的记录很少 , 因此不同学者提出了不同的拟合设计谱的原则 , 主 要有以下 4 种[16]: 1)依据场地选择; 2)依场地特征周期 (Tg)选择; 3)依反应谱的 2 个周期段选择; 4)依反应谱 所围成的面积选择. 文献[15]对上述 4 种选择地震动记录方案进行了 比较, 认为依反应谱的 2 个周期段选择进行选择地震 动记录相比于其他方案更合理. 依反应谱的 2 个周期 段选择地震动记录的思路是 : 对加速度反应谱值在 (0.1, Tg)周期段的均值进行控制 , 要求所选地震动记 录加速度谱在该段的均值与设计反应谱相差不超过 10%, 其次是对结构初始基本周期 (T1) 附近周期段加 速度反应谱均值进行控制 , 要求与设计反应谱在该 段的均值不超过 10%. 这种方法较为合理的主要原 因是结构的最大反应主要由结构的前几个振型 (特别 是第一振型 ) 决定 , 除第一振型外的振型周期多进入 反应谱平台段附近 , 同时对反应谱平台段的控制可 以使选择的记录的特征周期与规范规定的特征周期 相近. 其他一些规范, 如 Eurocode 8 (EC8), Uniform Building Code 1997 (UBC97)等[17, 18], 选择地震动记 录也是按照大致相同的思路 , 控制的周期范围与结 构的初始自振周期有关, 采用一个周期段控制, 一般 为[0.2 T1, 1.5~2 T1].
如何选择出一组合适的地震动记录进行动力时 程分析 , 首先需要建立一个有一定容量和可靠性的 地震动记录数据库 , 数据库中每组记录都需要有较 为完整的信息 , 并且每条记录都需进行合理的基线 校正和滤波处理 , 这是保证动力时程分析结果可靠 的必要前提 . 地震动记录数据库可以通过收集的地 震动记录经过整理和合理的处理后得到 , 也可以利 用不同研究机构已建立的地震动记录数据库 , 如太 平洋地震工程研究中心的地面运动记录数据库 (PEER GMD), 强震动观测合作组织 (consortium of organizations for strong-motion observation systems, COSMOS) 的 强 震 动 虚 拟 数 据 中 心 (strong-motion virtual data center, SMVDC), 欧 洲 强 震 动 数 据 库 (internet-site for european strong-motion data, ISESD) 以及中国国家强震台网中心的强震观测数据库等 [3]. 建立强震记录数据库时可以根据需要采用已建立的 数据库, 也可以收集不同数据库的强震记录数据, 经 过统一处理建立需要的数据库. 地震动记录的筛选过程与给定的地震学参数信
摘要
针对结构动力分析过程中实际地震动记录的合理选择问题, 对选择实际地震动记录
的思路、选择过程中数据库的建立及记录的筛选、选择地震动记录的原则、幅值调整和样本数 量等问题进行了分析, 提出了采用遗传算法和贪婪算法相结合的方式优化选择地震动记录样 本的方法, 对目前采用匹配设计加速度谱方法选择的实际地震动记录的输入能量特征进行了 分析. 采用所提出的优化选择方法可以使选择的记录均值谱与目标谱在控制周期段内较好的 吻合, 各记录反应谱之间的离散性较小, 而且可以控制重要周期段各周期点均具有比限值更小 的误差. 考虑结构的累积损伤或分析具有明显耗散特性元件的结构, 采用仅匹配加速度设计谱 选择的记录并不适用, 建议了考虑输入能量需求选择地震动输入的方法.
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叶献国等: 结构动力分析实际地震动输入的选择与能量评价
息多少有关, 如果进行了 DSHA 或 PSHA, 则可以得 到对应的设定地震信息以及目标谱和峰值参数 , 由 这些信息则可以首先根据设定地震对应的震级和断 层距 ( 或震中距 ) 设定选择的记录限定在一定的震级 和断层距范围内对记录进行筛选. 然后, 根据场地条 件情况筛选与对应场地条件的记录 . 规范并没有给 定不同设计地震分组所对应的设定地震信息 , 所以 大部分结构的动力时程分析只能基于规范给定设计 反应谱和给定的地震动参数 , 根据场地条件进行初 步筛选合适的记录. 因此 , 在收集地震动记录建立地震动记录数据 库时 , 需要选择有较完整记录信息和经过合理处理 的记录. 在筛选记录过程中, 选择与设定地震和场地 条件特征等相近的记录.