弹性动力时程分析地震波选取方法探讨

　　摘要：本文根据珠海市某超限高层弹性动力时程分析结果，探讨了选波方法。研究表明，采用小样本容量的地震波输入时，天然波输入数量的增加可以降低地震波的总体离散性，按规范推荐的比例输入三向地震波加速度是合理的。
　　关键词：结构设计；弹性动力时程分析；地震波
　　
　　近年来，随着我国社会经济的发展，各类高层建筑在全国各地日益增多。它们新颖别致、多样化、复杂化和独特个性等特点给城市带来崭新面貌的同时也给高层建筑结构设计者带来了严峻的挑战。《建筑抗震设计规范》[1]第5.1.2条和《高层建筑混凝土结构技术规程》[2]第4.3.4条规定了高层建筑应采用弹性时程分析法进行多遇地震下的补充验算的范围。本文对珠海市某超限高层建筑进行弹性动力时程分析，探讨地震波的选取方法。
　　1超限高层弹性动力时程分析
　　本工程位于珠海市，30层钢筋混凝土框架-剪力墙结构，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，场地类别为Ⅲ类。该结构采用PKPM2010版中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，高层结构三维模型如图1。
　　
　　图1珠海市某超限高层PKPM三维模型
　　《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第5.1.2条规定采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3。文献[3]中建议增加小样本分析的地震波数量，本文采用9条地震波对该结构进行弹塑性动力时程分析，采用本文所述的选波方法，实际地震波选取PKPM中地震库中的地震波。
　　
　　
　　表1单向输入弹性时程分析相应结果
　　地震波 基底剪力/KN 基底剪力比值/% 基底弯矩/(KN.m) 基底弯矩比值/%
　　RH1TG045 1720.4 75.37% 112853.4 92.97%
　　RH2TG045 1973.3 86.45% 102573.1 84.50%
　　RH4TG045 2311.2 101.25% 122793.6 101.16%
　　TH4TG045 1667.7 73.06% 103025.7 84.87%
　　TH3TG055 1673.4 73.31% 92716.9 76.38%
　　TH4TG055 2196.5 96.22% 134338.2 110.67%
　　TH1TG065 2127.1 93.18% 113589.1 93.57%
　　TH1TG075 2151.9 94.27% 111922.3 92.20%
　　TH2TG075 1935 84.77% 101675.7 83.76%
　　平均值 1972.94 86.43% 110609.78 91.12%
　　CQC法 2282.71 100 121388.34 100
　　
　　表2单向输入地震波离散性分析
　　地震波选取 基底剪力平均值/KN 基底剪力标准
　　/KN 基底弯矩平均值/(KN.m) 基底弯矩标准差/(KN.m)
　　3条人工波 2001.63 242.02 112740.03 8255.37
　　6条天然波 1958.6 219.42 109544.65 13065.99
　　9条地震波 1972.94 228.11 110609.78 11781.32
　　
　　表3三向输入弹性时程分析相应结果
　　地震波 基底剪力/KN 基底剪力比值/% 基底弯矩/(KN.m) 基底弯矩比值/%
　　RH1TG045 1719.2 75.31% 112801.9 92.93%
　　RH2TG045 1972.3 86.40% 102555.5 84.49%
　　RH4TG045 2311.6 101.27% 122802.2 101.16%
　　TH4TG045 1666.6 73.01% 102985.9 84.84%
　　TH3TG055 1674 73.33% 92776 76.43%
　　TH4TG055 2195.8 96.19% 134336.6 110.67%
　　TH1TG065 2083 91.25% 111987.6 92.26%
　　TH1TG075 2156.8 94.48% 109508.2 90.21%
　　TH2TG075 2046.6 89.66% 106620.8 87.83%
　　平均值 1980.66 86.77% 110708.30 91.20%
　　CQC法 2282.71 100 121388.34 100
　　
　　表4三向输入地震波离散性分析
　　地震波选取 基底剪力平均值/KN 基底剪力标准
　　/KN 基底弯矩平均值/(KN.m) 基底弯矩标准差/(KN.m)
　　3条人工波 2001.03 242.70 112719.87 8265.88
　　6条天然波 1970.47 217.63 109702.52 12604.33
　　9条地震波 1980.66 226.75 110708.3 11432.88
　　
　　
　　
　　图2单向输入时主方向最大楼层剪力曲线
　　
　　图3单向输入时主方向最大楼层弯矩曲线
　　
　　图4三向输入时主方向最大楼层剪力曲线
　　
　　图5三向输入时主方向最大楼层弯矩曲线
　　
　　图6规范谱与地震波谱对比图
　　
　　
　　图7基底剪力对比图
　　
　　图8基底弯矩对比图
　　（1）弹性时程分析时，不管采用单向还是三向输入，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪
　　力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%，满足抗震规范对时程分析结构底部剪力的要求。
　　（2）对于基底剪力，单向输入的响应结果和三向输入的结果相差不大，时程分析各响应结果的平均值均比CQC法的结果小，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小，人工波和天然波的离散性都较大，离散性最大的一条人工波的基底剪力与CQC法的基底剪力相差24.69%，离散性最大的一条天然波的基底剪力与CQC法的基底剪力相差26.99%。本工程选取6条天然波，天然波的离散性比人工波的小。
　　（3）对于基底弯矩，单向输入的响应结果和三向输入的结果相差不大，时程分析各响应结果的平均值均比CQC法的结果小，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小，人工波和天然波的离散性都较大，离散性最大的一条人工波的基底弯矩与CQC法的基底弯矩相差15.51%，离散性最大的一条天然波的基底弯矩与CQC法的基底剪力相差23.62%。本工程选取6条天然波，天然波的离散性比人工波的小。
　　（4）对于本工程，3条人工波的离散性比6条天然波的离散性大，可以增加天然波的数量降低总体离散性。
　　2 选波方法探讨
　　从本工程的分析中可以看出，弹性动力时程分析过程中，可根据以下步骤进行分析：
　　1）在SATWE地震波库中初选满足以下条件的地震波：地震波的持续时间不宜小于建筑结构基本自振周期的5倍和15s，地震波的时间间距可取0.01s或0.02s；地震加速度记录反应谱特征周期Tg与建设场地特征周期相符。
　　2）将上述初选的地震波可采用规范[1]中提供的时程分析所用地震加速度时程的最大值；三向输入时，其加速度最大值按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，对于本工程的基底剪力，人工波计算结果的离散程度比天然波计算结果的离散程度大，在满足规范[1]的前提下，可以适当增加天然波的输入数量，这与文献[3]是不同的。
　　4)根据计算下来的响应筛选地震波，如果不满足规范[1]要求，再次选波，如此往复，最后得到结构的响应结果。
　　3结论
　　（1）不同的地震波输入，时程分析法得到的基底剪力响应与CQC法之间的偏差比基底弯矩大，基底剪力响应结果具有重要的参考价值。
　　（2）在满足规范的前提下，合理增加天然波的输入数量可以降低地震波的总体离散性。
　　（3）地震波三向输入的结构响应与单向输入的结构响应相差不大，按规范推荐的比例输入三向地震波的加速度是比较合理的。
　　
　　参考文献：
　　[1]GB50011-2010,建筑抗震设计规范[S]
　　[2]JGJ3-2010,高层建筑混凝土结构技术规程[S]
　　[3]陈康华,郭远翔.弹性动力时程分析中地震波波的选取方法研究[J],河北工业科技,2010,29(1),40-43

《弹性动力时程分析地震波选取方法探讨》

本文由职称驿站首发，您身边的高端学术顾问

文章名称： 弹性动力时程分析地震波选取方法探讨

文章地址： https://m.zhichengyz.com/p-16730