动力时程分析中地震波的选取方法研究

1、弹性动力时程分析中地震波的选取方法研究第29卷第1期2012年1月河北工业科技HebeiJournalofIndustrialScienceandTechnologyVo1.29,No.1Jan.2O12文章编号:1008-1534(2012)0104004弹性动力时程分析中地震波的选取方法研究陈康华,郭远翔(1.华南理工大学土木与交通学院,广东广州510641;2.华南理工大学建筑设计研究院,广东广州510641)摘要:对建筑结构进行弹性动力时程分析时,为了既能让设计人员易于操作,又能在地震波选取方面不失合理性,根据上海市某超限高层结构设计实例的弹性动力时程分析结果,探讨了具有实际工程意义的

2、选波方法.研究表明,无论是基底剪力还是基底弯矩,地震波三向输入的结构响应均比单向输入的结构响应小.采用小样本容量的地震波输入时,人工波输入数量的增加对降低地震波的总体离散性有显着作用.关键词:弹性动力时程分析;地震波;选取方法中图分类号:TU318文献标志码:ASelectionofearthquakewavesinelastictimehistorydynamicanalysisCHENKanghua.GUOYuanxiang.(1.SchoolofCivilEngineeringandTransportation.SouthChinaUniversityofTechnology.Guang

3、zhouGuangdong510641,China;2.ArehitturalDesignandResearchInstitute.SouthChinaUniversityofTechnology.GuangzhouGuangdong510641?China)Abstract:Inelastictime-historydynamicanalysisforbuildingstructures,botheasytOoperateandrationalityinwavesselec.rionarebothimportant.Byusingtotheresultsofelastictime-histo

4、rydynamicanalysisforstructuraldesignofaShanghaiSUperhighbuilding.thewave-selectionwithengineeringsignificanceisdiscussed.Thestudyshowsthatforthebendingmomentortheshearforceofbase,structureresponsesofthree-direction-inputaresmallerthantheresponseofone-direction-input.WhenusingsmaIIsamplesizeofearthqu

5、akewaves.Theincreaseinthenumberofartificialwavescanreducetheoveralldispersionofearthquakewaves.Keywords:elastictime-historydynamicanalysis;earthquakewave;selection随着建筑结构体型的复杂化和结构高度的不断增加,弹性动力时程分析越来越多地被应用于结构分析与设计中,以此作为振型分解反应谱法的补充计算.本文结合上海市某超限高层结构的弹性动力时程分析实例,对地震波的选取方法进行探讨.1对某超限高层结构的弹性动力时程分析图1所示为上海市某超限高

6、层结构三维模型,收稿日期:20110603责任编辑:冯民作者简介:陈康华(1986一).男,东湛江人,硕士研究生,主要从事建筑结构设计方面的研究.1l层钢筋混凝土框架一剪力墙结构,平面和竖向均不规则.抗震设防类别属丙类,抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度为0.10g,所属的设计地震分组为第1组,类场地土,多遇地震特征周期为0.9S.该结构采用中国建筑科学研究院编制的SATWE(高层建筑结构空间有限元分析与设计软件)进行弹性动力时程分析.由于上海地区没有实际强震记录,故采用地震波库里特征周期为0.9S的地震波进行输入.在实际的设计过程中,多数设计人员采用中国较常用的”2+l,或”3+l”的小

7、样本容量选波方案LlJ.此类选波方案一般依据结构基底剪力,第1期陈康华等弹性动力时程分析中地震波的选取方法研究41图l上海市某超限高层结构三维模型Fig.1StructuremodelofasuperhighbuildinginShanghai最大顶点位移,最大层间位移等结构整体反应指标而取得.杨红等就框架多数构件端部转角延性的结构局部特性的”3+1”分析均值偏小的情况,建议增加小样本分析的地震波数量r.故本文采用8条地震波对该结构进行弹性动力时程分析.王亚勇认为,对计算结果的评估是将结构基底剪力和最大层间位移或顶点位移与振型分解反应谱法的计算结果进行比较,控制在一定的误差范围之内嘲.然而,中

8、国现行规范M中并未具体体现时程分析中位移方面的要求.因此,本文针对基底剪力和基底弯矩等结构内力响应结果进行分析.数据见表1一表4.表1,表4分别为单向和三向输人多遇地震地震波的弹性时程分析响应与反应谱法分析响应的对比结果.表2,表3分别为单向和三向输人多遇地震地震波的离散性分析.其中,4条人工波和4条天然波均为PKPM新版地震波库中特征周期为0.9S的地震波.三向输入时,其加速度最大值按中国规范推荐的1(水平1):0.85(水平2):0.65(竖向)的比例进行调整.表1单向输入弹性时程分析响应结果Tab.1Elastictime-historyresponsewithsingldirectio

9、ninput表2单向输入地震波离散性分析Tab.2Earthquakewavesdiscretenessanalysiswithsingle-directioninput表3三向输入地震波离散性分析Tab.3Earthquakewavesdiscretenessanalysiswithtriple-directioninput42河北工业科技第29卷表4三向输入弹性时程分析响应结果Tab.4Elastictime-historyresponsewithtriple-directioninput地震波基底剪力/kN基底剪力比值/基底/(kN?m)基底弯矩比值/RH1TG09018106.987.

10、7453981.4.79.1RH2TG09016065.977.84556l6.579.4RH3TG09018307.688.7531528.892.6RH4TG090l4337.469.4430304.274.9TH1TG09021643.6104.8558513.197.3TH2TG09015541.575.3475328.682.8TH3TG0902489l_9120.6651967.9113.6TH4TG09020329.298.5608296.0105.9针对表1一表4以及图2和图3的计算结果,可以作出以下分析.1)无论采用单向还是三向输入,各地震波时程曲线所对应的结构基底剪力均大于

11、振型分解反应谱法计算结果的65,8条时程曲线计算所得结构基底剪力的平均值也大于振型分解反应谱法计算结果的8O,满足中国规范对时程分析结构底部剪力的要求.2)就基底剪力而言,采用单向输入的响应结果比三向输入的结果略大.然而,时程分析各响应结果的平均值均比振型分解反应谱法的结果小.采用天然波输入的结构基底剪力平均值比人工波的计算结果大.人工波和天然波的离散性均较大.离散性最大的一条人工波的基底剪力与反应谱法的基底剪力相差30.6%,离散性最大的一条天然波的基底剪力与反应谱法的基底剪力相差26.19/6.然而,就各自基底剪力的标准差而言,天然波的离散性明显比人工波的大.Z急蠼醐=兰岛籍灸地震波图2基

12、底剪力对比图Fig.2Comparisonofshearforceofbase结果的平均值均比振型分解反应谱法的结果小.采用天然波输入的结构基底弯矩平均值比人工波的计算结果大.人工波和天然波的离散性均较大.离散q一/.-.x一;t/iI/iIi;J;,I/i-.z二兰高籍地震波图3基底弯矩对比图Fig.3Comparisonofbendingmomentofbase性最大的一条人工波的基底弯矩与反应谱法的基底弯矩相差25.1,离散性最大的一条天然波的基底弯矩与反应谱法的基底弯矩相差20.8.然而,就各自基底弯矩的标准差而言,天然波的离散性明显比人工波的大.4)在不同的地震波输入条件下,时程分析

13、法得到的结构基底剪力响应偏差比基底弯矩的略大.即基底剪力这一指标更能体现地震波的离散性,具有较重要的参考价值.杨志勇等对时程分析下结构顶点位移和基底剪力这2个响应结果进行了对比,得到的结论是两者在不同地震波作用下存在明显的区别_lj,这一结论与本文所述结果不同.3)就基底弯矩而言,采用单向输入的响应结果2选波方法探讨也比三向输人的结果略大.然而,时程分析各响应从对上述工程实例的分析可以看出,在实际工咖咖咖咖咖咖咖o卯如加m言.乏,醐第1期陈康华等弹性动力时程分析中地震波的选取方法研究43程结构的弹性动力时程分析过程中,可根据以下步骤进行分析.1)在地震波库中初选满足以下条件的地震波:地震加速度

14、记录反应谱特征周期与建设场地特征周期相符;输入的地震加速度时程曲线的持续时间为结构基本周期丁.的5l0倍.2)将上述初选的地震波按文献1中提供的地震加速度时程曲线的最大值来确定加速度有效峰值.三向输人时,其加速度最大值按文献1推荐的1(水平1):0.85(水平2):0.65(竖向)的比例进行调整.3)选波数量方面,因考虑到天然波的离散性过大的因素,故建议适当扩大人工波的输人数量.在条件允许的前提下,可采用”4+4”或”4+3”等方案进行时程分析.4)按照文献1对基底剪力的要求,根据时程分析的基底剪力响应筛选地震波.5)筛选后得到的地震波再一次根据第3)步确定选波数量,如此往复,得到最后的结构响

15、应结果.通过以上步骤的分析,设计人员可以较方便地输入地震波进行弹性动力时程分析.上述工程实例的分析结果也表明,这种选波方法得到的响应结果也较为合理.3结论I)当采用三维结构模型进行弹性动力时程分析时,无论是基底剪力还是基底弯矩,地震波三向输入驴驴,驴舻护,驴驴驴?驴,驴驴c:的结构响应均比单向输入的结构响应小.若不按规范推荐的比例输入地震波,则可能导致设计上的不经济.2)无论对于何种结构响应,天然波的离散性要大于人工波的离散性.当采用小样本容量的地震波输入时,人工波输人数量的增加会对降低地震波的总体离散性有显着作用.3)无论是人工波还是天然波,单条地震波的离散性较大,进行弹性动力时程分析应该输

16、入足够数量的地震波,以确保结构响应结果的合理性.4)对于不同的地震波输入,时程分析法得到的结构基底剪力响应偏差比基底弯矩的略大.从实际工程分析设计的角度来看,可只采用基底剪力响应而不采用基底弯矩响应来作为结构时程分析的内力响应结果.参考文献:1杨志勇,黄吉锋,邵弘.弹性与弹塑性动力时程分析方法中若干问题探讨J.建筑结构,2008,29(S1);213-217.2杨溥,李英民,赖明.结构时程分析法输入地震波的选择控制指标J.土木工程,2000,33(6):3337.3徐海英.双向地震对地震波选取及柱抗震设计的影响D.重庆:重庆大学,2009.4杨红,吴晶晶.考虑结构局部反应特征的时程分析法输入地震波研究J.土木工程,2007,40(11):2935.5王亚勇.关于设计反应谱,时程法和能量方法的