关于改进我国抗震设计反应谱的探讨

第26卷第3期2006年6月
地 震 工 程 与 工 程 振 动
EARTHQUAKE ENG I NEER I NG AND ENG I NEER I NG V IBRAT I ON
V o.l 26,N o .3
Jun .2006
收稿日期:2005-12-15; 修订日期:2006-03-23
作者简介:赵艳(1976-),女,硕士研究生,讲师,主要从事抗震设计方面的研究.
文章编号:1000-1301(2006)03-0047-04
关于改进我国抗震设计反应谱的探讨
赵
艳1,2
,郭明珠1
,吴焕娟1
,张
皎
1
(1.北京工业大学建筑工程学院,北京100022; 2.佳木斯大学建筑系,黑龙江佳木斯154007)
摘要:本文回顾了地震反应分析理论发展的三个阶段,指出反应谱理论仍然是许多国家现阶段抗震设计的理论依据,我国规范也主要采用反应谱法进行抗震设计分析。

进一步讨论了反应谱与抗震设计反应谱的联系和区别。

把我国《建筑抗震设计规范(G B50011)2001)》中有关地震影响系数分别与ISO 3010:2001(E)和美国的建筑抗震设计规范中的地震影响系数做了对比,发现我国规范有些地方考虑得还不够全面,还需要不断地完善。

提出在抗震设计中运用地震动参数代替地震烈度来进行计算能更好地反映工程实际情况。

关键词:抗震设计;反应谱;地震影响系数;地震动参数中图分类号:P315.95
文献标识码:A
D iscussi on on m endi ng seis m ic design response
spectra of our country
Zhao Yan 1,2
,Guo M i n gzhu 1
,W u H uan j u an 1
,Zhang Jiao
1
(1.The C ollege of Arch i tecture and C i v ilE ngi neeri ng ,B eiji ng U nivers it y of Technol ogy ,Beiji ng 100022,C h i na ;
2.Depart m ent ofA rch itect u re ,J i a m us iU n i vers it y ,Jia mu si 154007,Ch i na)
Abst ract :The authors po i n ted out t h at the seis m ic desi g n in m any countries is based on the response spectra theory and co m pared our country .s code fo r se is m ic desi g n(GB50011-2001)w ith I SO 3010:2001(E )and Am erican .s code respecti v ely on the factors o f earthquake effec.t They found that our country .s code w as defective i n so m e w ay ,and needed to be a m ended i n cessantly .The authors put for w ar d that it ism aybe a better w ay to substitute the
earthquake i n tensity by the para m eters of earthquake ground m otion i n se is m ic desi g n .K ey w ords :se is m ic desi g n ;response spectra ;earthquake effect facto r ;Para m eter of earthquake ground m oti o n
引言
结构的地震作用计算是建筑抗震设计的基础,是确定抗震设防要求的关键。

由于结构地震反应取决于地震动与结构动力特性,因此,地震反应分析也随着人们对这两方面认识的提高而不断发展。

1 抗震设计反应谱
[3]
实际地震的反应谱是根据一次地震中强震仪记录的加速度时程曲线计算得到的谱,也就是具有不同周期和一定阻尼的单质点结构在地震地面运动影响下的最大反应与结构自振周期的关系曲线。

在工程上,通
常可分相对位移(与结构的变形有关)、相对速度(与地震动的输入能量有关)和绝对加速度(与地震惯性力有关)三种反应谱。

地震是随机的,即使在同一地点,相同的地震烈度,前后两次地震所记录到的地面运动加速度时程曲线也有很大差别。

因此,仅用某一次地震加速度时程曲线得到的反应谱曲线作为设计标准来计算地震作用是不恰当的。

而且,依据单个地震所绘制的反应谱曲线波动起伏、变化频繁,也很难在实际抗震中应用。

为此,必须根据同一类场地上所得到的强震地面运动加速度记录分别计算出它的反应谱曲线,然后将这些谱曲线进行统计分析,求出其中具有代表性的平均反应谱曲线作为设计依据,通常称这样的反应谱为抗震设计反应谱。

2 中外抗震设计反应谱的对比和分析
2.1 在我国抗震设计规范中,抗震设计反应谱通常表为地震影响系数。

在我国抗震规范地震影响系数曲线(图1)中,我们可以看到如下的一些规律。

图中,A 为地震影响系数;A max 为地震影响系数最大值(表1);T 为结构自振周期(s );T g 为特征周期,与场地类别和设计地震分组有关。

[4,5]
表1 水平地震影响系数最大值A m ax
T ab l e 1
M ax i m u m o f hor izonta l earthquake effect factor
地震影响6度7度8度9度多遇地震0.040.08(0.12)0.16(0.24)0.32罕遇地震
)))
0.50(0.72)
0.90(1.20)
1.40
注:括号中数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g 和0.30g
的地区。

图1 地震影响系数曲线F ig .1 Curve o f earthquake e ffect factor
(1)当T =0时A =0.45A m ax ;这是因为当T =0时,表示该结构为刚体,其最大加速度反应Sa =r &X g (t)t
max
,则由动力系数的定义可知B =S a /r
&X g (t)t m ax =1,则A =k =A max /B max =A max /2.25=0.45A max (注:我国规范B m ax =2.25)。

(2)在0[T [0.1s 时,A =[0.45+(10G 2-4.5)T ]A m ax 统一用一条上升的斜直线段来表示; (3)在0.1s [T [T g 时,A =G 2A m ax 用一水平直线表示;
(4)在T g [T [5T g 时,A =(T g /T )r
G 2A max 用一
下降的曲线表示;
(5)在5T g [T [6.0时,A =[G 20.2r
-G 1(T -5T g )]A m ax 用一下降的斜直线表示;式中:G 2)阻尼调整系数,按下式计算,当小于0.55时,应取0.55;
G 2=1+(0.05-F )/(0.06+1.7F )
(1)
F )阻尼比;r )曲线下降段的衰减指数,按下式计算:
r =0.9+(0.05-F )/(0.5+5F )
(2)
G 1为曲线下降段斜率调整系数,按下式计算,小于0时取0:
G 1=0.02+(0.05-F )/8
(3)
2.2 国际标准化协会于2001年12月1日颁布了I SO 3010:2001国际标准[6]
,其中包括结构设计基础:结构
的地震作用。

对比我国规范与国际标准,其结果如表2所示:
48 地 震 工 程 与 工 程 振 动 26卷
表2设计反应谱对比
T able2D esi gn response spectra con trast
GB50011-2001ISO3010:2001(E
)
(1)反应谱周期达到6s(1)不规定反应谱最长周期
(2)提供不同阻尼比的反应谱(2)规定阻尼比为0.05时的A m ax值
(3)T g=0.25s~0.90s(3)T g=0.30s~1.20s
(4)r=0.80~0.97,阻尼比为0.01~0.20(4)r=0.33~1.00,与地震地质条件有关
(5)长周期段没有A的最小限值(5)长周期段建议取限值0.20A m ax~0.33A m ax
2.3从表2中可以看出:
(1)我国的反应谱周期比较短(只有6s),随着超高层建筑、大跨桥梁、海洋平台以及大型储油罐等结构的迅速增加,自振周期达到数秒以上结构的抗震设计问题已经越来越引起人们的关注。

据报道,我国一些已建成的大跨桥梁的第一阶振动周期已经达到十几秒甚至几十秒。

有专家认为,应该延长到10s或者更长,而国际标准不规定最长周期似乎更加合理和有长远意义[7~9]。

而我国早期的规范也没有限定界限。

(2)反应谱特征周期T g取值会影响中长周期的结构计算地震作用,我国规范所取的T g值比ISO3010规范小30%左右,对一般钢筋混凝土结构和单层厂房影响较大。

(3)对曲线下降段指数r,我国规范取值变化较小,仅与阻尼比有关;I SO3010变化较大,与地震地质条件有关,但与阻尼比无关,二者相差较多,有必要进行认真研究。

(4)我国规范周期在0~0.1s之间为斜直线与国际标准规定在0~T c c之间为斜直线相比,显得主观性太强,没有科学依据,而对一些重力坝、核电站等短周期结构影响较大,应该进一步研究[5]。

2.4从表1中可以看出,我国的《建筑抗震设计规范(GB50011)2001)》中,地震影响系数仍然按照烈度划分,而烈度只是一个宏观的、综合的、粗略的等级,给我们工程中的应用带来了不便,同时,国际上许多国家在抗震规范中不采用烈度,例如,日本在抗震规范中就不用烈度,美国也是按地震分区(从0至4共5个区)直接规定地震动加速度[10](表3)。

1980年国际抗震规范汇编所用的33个国家和地区的规范统计,其中直接用地震动参数而不用烈度的有18个,占1/2多。

另外,我国已经制定了地震动参数区划图(GB18306-2001)[11]所以现在已经有条件用地震动参数来进行抗震设计。

另一方面,表1中也没有考虑场地条件的影响,而大量工程实践证明场地条件也是影响反应谱最大值的主要因素。

这些都是在今后制定抗震设计规范时应该考虑的问题,有必要进行进一步的研究[12~14]。

表3美国建筑抗震设计规范中地震影响系数的调整系数短周期场地系数F
a
和长周期场地系数F
v T ab l e3Site coe fficients as a functi on of s ite conditi ons and rock level of shak i ng conta i ned i n U S se i s m ic codes
(BSSC1995,1998))[15](short per i od site coeffic i ent F
a
and l ong per i od site coeffic i ent F
v
)
场地分类
区划图确定的B类场地的有效加速度峰值
[0.1g0.2g0.3g0.4g\0.5g
A0.8(0.8)0.8(0.8)0.8(0.8)0.8(0.8)0.8(0.8)
B1.0(1.0)1.0(1.0) 1.0(1.0)1.0(1.0) 1.0(1.0)
C1.2(1.7)1.2(1.6) 1.1(1.5)1.0(1.4) 1.0(1.3)
D1.6(2.4)1.4(2.0) 1.2(1.8)1.0(1.6) 1.0(1.5)
E2.5(3.5)1.7(3.2) 1.2(2.8)0.9(2.4)*(*)
F*(*)*(*)*(*)*(*)*(*)注:括号中数字是长周期时的系数,*需要进行专门的地质调查和动力场地反应分析。

3结语
本文分析了我国的《建筑抗震设计规范(GB50011-2001)》中有关地震影响系数与ISO3010:2001(E)
49 3期赵艳等:关于改进我国抗震设计反应谱的探讨
50地震工程与工程振动26卷
和美国建筑抗震设计规范中的地震影响系数做了对比,发现各有利弊,都需要不断改进。

短周期和长周期地震影响系数相差较大,我国的规范显得主观性较强,需要进一步研究以便更好地反映工程实际,有利于工程抗震设计。

同时,在工程实际中,场地因素对地震影响系数的影响较大,应该区分不同场地的影响。

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