上海地震波-三向输入选取(说明)m

上海地区抗震设计输入地震时程说明

（共8页）

同济大学房结构工程与防灾研究所

二〇一二年六月

目录

1 天然地震时程选取原则 (3)

2 峰值调整 (3)

3 频谱特性 (3)

4 地震动持时 (3)

5 人造地震动生成的方法 (3)

6 目标反应谱的确定 (4)

7 所选地震时程的基本信息 (4)

8 地震时程反应谱与规范反应谱对比 (5)

上海地区抗震设计输入地震时程说明

1 天然地震时程选取原则

天然地震动具有很强的随机性，随着输入地震波的不同结构的地震响应也会有很大的差异，故要保证时程分析结果的合理性，在选择地震波时必须遵循一定的原则。一般而言，选择输入地震波时应以地震波的三要素（峰值、频谱特性、地震动持时）为主要考虑因素。

2 峰值调整

地震波的峰值一定程度上反应了地震波的强度，因此要求输入结构的地震波峰值应与设防烈度要求的多遇地震或罕遇地震的峰值相当（峰值相当并非峰值相等，而是在峰值相近的情况下所选用地震波的反应谱与规范反应谱基本相符）。

3 频谱特性

频谱是地面运动的频率成分及各频率的影响程度。它与地震传播距离、区域、介质及结构所在的场地土性质有密切关系。一般来说，在震中附近或岩石等坚硬场地土中，地震波中的短周期成分较多，在震中距较远或软弱场地土中，地震波的长期成分较多。输入地震波的卓越周期应尽可能与拟建场地的特征周期一致，且在一定的周期段内与规范反应谱尽量接近。对于天然地震记录而言，3个方向地震波同时都与规范反应谱很接近的条件是很难满足的，但应保证至少一个水平向地震波反应谱与规范反应谱基本吻合。

4 地震动持时

地震持时也是结构破坏和倒塌的重要因素，工程实践中确定地震动持续时间的原则是：1）地震记录最强烈部分应包含在所选持续时间内，2）若对结构进行弹塑性地震反应分析（考虑累计损伤效应），持续时间可取长些。另外，在截取地震波时尚需注意尽量在速度/位移零点处截断以尽量避免加速度积分时速度或位移的``漂移''现象。

5 人造地震动生成的方法

工程中较为实用的人造地震动的生成方法主要有两种：一是将不同频率具有随机相位的三角波进行叠加并根据目标反应谱或功率谱进行迭代修正；二是选择满足场地条件等要求的天然地震记录，保留其相位等随机特征，然后修正其不同频段的幅值以逼近目标反应谱或功率谱。由于三个方向地震动间的随机相关性关系很复杂，采用三角波叠加的方法生成地震波时各方向地震波的相关性难以确定，故本文采

用上述第二种方法生成三维人造地震动。

人造地震动的生成过程叙述如下：

1) 根据场地条件筛选合适的天然地震动（三向记录），并计算其反应谱（阻尼比取0.05）。

2) 确定目标β谱，根据目标谱与天然地震波反应谱的差异调整对应频段的幅值。调整过程可基于傅里叶变换进行：对于周期控制点i T ，若其对应的目标谱值为,at i S ，天然波的反应谱值为,a i S ，则其对应频率点傅里叶幅值应调整为：

()()

()()

a i i i at i S T A A S T ωω′=

()i A ω为对应天然波或前次调整迭代得到的时程傅里叶谱值。

若周期控制点个数为N ，人造地震波与目标反应谱的差异可由下面的相对误差函数判定：

ε=

3) 根据上述方法经过若干次迭代调整后便可得到满足要求（如取5%ε≤）的人造地震动。最终得到的地震波峰值虽可能不是1，但由于其反应谱与β谱相近，故使用时可直接乘以设防烈度要求的峰值加速度进行幅值缩放。

6目标反应谱的确定

根据《建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）》及上海市《建筑抗震设计规程（DGJ08-9-2003）》的场地划分方法，上海地区位于IV 类场地上，尽管按地震危险性划分为第一组，但多遇地震及设防地震（水平向）特征周期为0.9s ，罕遇地震特征周期为1.1s 。由此可确定地震动水平向归一化目标谱（即5%阻尼比的 β谱）为：

()()0.90.9112.500.1s

2.250.1,0.05= 2.2552.250.20.025510s

g g g g g g T T s T T

T T T T T T T T T T β+≤≤⎧⎪≤≤⎪

⎪⎛⎞⎨≤≤⎜⎟⎪⎝⎠⎪

⎡⎤⎪−−≤≤⎣⎦⎩

"""""""""""""""""""""""""""

其中，T 为结构周期，g T 为反应谱特征周期。

7所选地震波的基本信息

按照上述地震波选取原则及场地条件，对于特征周期为0.9g T =s 及 1.1g T =s 的两种情况分别选取/生成7组地震动时程（5组天然波，2组人工波，总计14组）以用于对拟建场地结构动力时程分析。

所选取天然地震波数据来自于美国太平洋地震中心（PEER ）的强震数据库及日本防灾科学技术研究所KiK-net 数字强震记录系统。按照目标反应谱并考虑上海地区场地条件筛选得到10条可直接用于拟建场地结构动力分析及4条用以生成人造地震动的天然地震记录，其相关信息见表。

表1 地震动时程的基本信息

特征 周期T g

编号* 来源地震 时间震级测站编号

持时 （s ） 震中距 （km ） 30m 剪切

波速（m/s ）

0.9s

NGA_1175 Kocaeli,Turkey 1999 7.51 USAK

53.9 226.7 274.5 NGA_1828 Hector Mine,USA 1999 7.13 San Bernardino -Fire Sta. #9 59.0 108.0 271.4 NGA_2104

Denali, USA

2002

7.9

Anchorage – New Fire Station #7

48.68

275.9

274.5 NGA_2711 Chichi, Taiwan 1999 6.02 CHY039 70.5 46.8 201.2 NGA_2723 Chichi, Taiwan 1999 7.62 CHY059

63.26 86.3 191.1 NGA_760** Loma Prieta,USA

1989

6.93

Foster City -Menhaden Court

30.0

45.4

126.4

HKD085

0411290332** Hokkaido,Japan 2004 7.1

HKD085 65.0 98.1 150.0

1.1s

NGA_175

Imperial Valley, USA

1979

7.62

El Centro Array #12

39.0 17.9 196.9 NGA_1215 Chichi, Taiwan 1999 7.62 CHY058 76.0 59.8 237.6 NGA_1237 Chichi, Taiwan 1999 7.62

CHY090

72.33 58.4

201

NGA_1355

Chichi, Taiwan

19997.62

KAU008 79.2 107.0 285.9 NGA_1382 Chichi, Taiwan 1999 7.62 KAU058 76.53 107.8 201 NGA_452** Morgan Hill 1984 6.19

Foster City - APEEL 1

36.0

53.9

116.4

HKD066

0309260450**

Hokkaido, Japan

2003 8.0 HKD066 70.9 226.5 116.1

* “NGA”

为来自PEER 数据库的记录，“HKD” 为来自KiK-net 的记录；

** 用于生成人工波的天然记录；生成人工波时周期控制点共100个，在区间[2Δt;10:0s ]

上呈对数均匀分布，人工波反应谱与目标谱的相

对误差小于5%。

每组地震波均根据目标 β 谱进行了归一化处理，即

()()a

t a t γ= 其中， γ 为归一化系数，可取为残差函数 ()()()2

1

E N

a i at i i S T S T γγ==

−⎡⎤⎣⎦∑ 取最小值时对应的γ 值。

在使用这些地震波进行时程分析时，直接乘以相应设防水准的加速度峰值即可得到所需的地震动时程。各组地震波方向与文件名标识对应关系如表2、3所示。

8 地震波反应谱与规范反应谱对比

所选用地震波名称与数据库中文件名称对照见表2、3所示。所选用地震波的加速度反应谱与规范反应谱的对比图、各组地震波的时频曲线详见附录文件。其中有些竖向时程曲线的反应谱在长周期部分