基于抗震规范的地震动选择方法

摘要

本发明涉及抗震设计和评估技术领域，具体涉及一种基于抗震规范的地震动选择方法，首先根据设计场地地震环境特征进行初步选择，选择符合场地地震环境特征的地震地面记录，再进行后面的匹配步骤，能够有效控制地震地面运动的地震工程特征；然后通过选取关键点，并通过方差来控制反应谱的谱形，达到反应谱整体谱形匹配的目的；最后再通过精准匹配规范反应谱的特征周期点选出一组所需要的地震动记录。通过本发明的基于抗震规范的地震动选择方法选择出的地震动记录，能够使选择地震动平均反应谱与规范反应谱统计意义上达到一致，同时能控制反应谱的谱形，且地震动能保持天然地震动记录所具有的地震工程学特性，适用于抗震设计和评估。

说明书

技术领域

本发明涉及抗震设计和评估技术领域，具体涉及一种基于抗震规范的地震动选择方法。

背景技术

时程分析中地震动输入的选择问题自从时程分析方法提出以来就一直是一个备受关注的问题，合理的地震动输入是结构动力时程分析的必要前提。各国学者对时程分析时地震动输入的选择问题进行了大量研究，提出了多种选波方法，例如《抗规》、《高规》、ASCE 7-10规范方法、杨博和李英民的双频段法和FEMA P695规范法等方法。

《抗规》和《高规》要求按照建筑场地类别和设计地震分组选择地震动，把与设计反应谱统计意义相一致作为评价标准，并控制时程分析的底部剪力。但这种方法只要求按照建筑场地类别和设计地震分组选择地震动，未能明确匹配规范反应谱，控制因素较少；特别是要求计算时程分析的底部剪力，其实质是针对特地结构的地震地面运动的选择法，要计算时程分析的底部剪力，对超高层或复杂结构而言，计算量很大，若不满足时，由于是试算性质的，每次都需计算超高层或复杂结构的时程分析底部剪力，反复计算，工作量巨大，可能出现选不出合适的地震动的情况。

美国ASCE 7-10规范按照场地地震环境特征选择地震动，要求多条地震地面运动记录的反应谱在0.2T1-1.5T1(T1为结构第一周期)范围内不低于规范设计反应谱。双频段法的本质与美国ASCE 7-10规范的做法相同，只是将0.2T1-1.5T1拆成平台段和T₁-ΔT₁,T₁+ΔT₂。这两种方法均未采用方差控制，误差较大；而且只是对反应谱的部分区域进行了控制，没有在反应谱的全周期范围控制，很难控制整个反应谱谱形；另外这两种方法必须依附于结构第一周期T1，即只适合特定结构的地震地面运动选择。

FEMA P695(PEER方法)考虑场地地震环境特征要素，也采用了方差控制，但并未给出如何使用方差，常规使用方差控制的方法一般是在反应谱的全周期范围使用方差控制，或者仅仅在结构第一周期T1附近实施方差控制。若在反应谱的全周期范围使用方差控制，规定的方差限制要很大，才能满足要求，方差限制若很大，实质是起不到控制作用的。而仅仅在结构第一周期T1附近实施方差控制不仅依附于结构第一周期，而且没有在整个反应谱谱形上进行控制。

虽然现有技术中存在很多种选择地震动输入的方法，但是每种方法都存在相应的缺点，可能会出现选不出符合要求的地震动或者选出的地震动不精准的问题。

发明内容

针对上述方法的缺点，本发明提出一种基于抗震规范的地震动选择方法，该方法能够精准的选出所需的地震动，而且选出的地震动能保持天然地震动记录所具有的频域非平稳特性，适用于抗震设计和评估。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：基于抗震规范的地震动选择方法，包括如下步骤，

S1.收集大量天然地震动记录；

S2.对S1中的地震动记录，按照设计场地地震环境特征进行初步筛选，得到第一次筛选地震动记录；

S3.在抗震规范反应谱上选择若干个关键点；

S4.设定方差，对于每一条第一次筛选地震动记录反应谱，找到地震动记录反应谱上与关键点对应位置的点，计算抗震规范反应谱关键点与第一次筛选地震动记录反应谱上对应位置的点的方差，根据设定的方差进行二次筛选，得到第二次筛选地震动记录；

S5.设定特征周期相对误差，计算每条第二次筛选的地震动记录反应谱的特征周期，并将其与规范反应谱的特征周期进行比较，若每条第二次筛选的地震动记录反应谱的特征周期与规范反应谱的特征周期的相对误差值均小于设定特征周期相对误差，则结束选择地震动；若不满足要求，则返回步骤S4重新设定方差，直到满足要求为止，得到第三次筛选地震动记录。

进一步地，所述步骤S2中地震环境特征包括地震震级、断层机制、断层距和场地条件。

进一步地，所述步骤S3中关键点包括反应谱的起始点、反应谱平台段的起始点、反应谱速度控制段和位移控制段的交点。

进一步地，所述步骤S4的筛选条件为：抗震规范反应谱上的关键点与第一次筛选地震动记录反应谱上对应位置的点的方差值小于设定值。

进一步地，所述步骤S5中所述地震动特征周期为

T_S＝T_D1/T_DS

其中，T_D1为选择地震动1秒处反应谱谱值，T_DS为选择地震动0.2秒处反应谱谱值。

通过本发明的基于抗震规范的地震动选择方法选择出的地震动记录，能够使选择地震动平均反应谱与规范反应谱统计意义上达到一致，同时能控制反应谱的谱形，且地震动能保持天然地震动记录所具有的地震工程学特性，适用于抗震设计和评估。

附图说明

图1为规范反应谱；

图2为地震动平均反应谱和规范反应谱。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明的基于抗震规范的地震动选择方法，包括如下步骤，

S1.收集大量天然地震动记录。

S2.对S1中的地震动记录，按照设计场地地震环境特征进行初步筛选，得到第一次筛选地震动记录；其中，地震环境特征包括地震震级、断层机制、断层距和场地条件等。初步筛选的目的是从大量的天然地震动记录中按照地震环境特征进行初步匹配，确定一个比较小但是准而全的范围。

S3.在抗震规范反应谱上选择若干个关键点；关键点主要包括反应谱的起始点、反应谱平台段的起始点、反应谱速度控制段和位移控制段的交点等，关键点的数量可根据不同的需要具体选择，通过关键点能控制抗震规范反应谱的整体谱形。

S4.设定方差，对于每一条第一次筛选地震动记录反应谱，找到地震动记录反应谱上与关键点对应位置的点，计算抗震规范反应谱关键点与第一次筛选地震动记录反应谱上对应位置的点的方差，根据设定的方差进行二次筛选，得到第二次筛选地震动记录

其中，根据方差对第一次筛选地震动记录进行筛选具体为：

设定方差，对于每一条第一次筛选地震动记录，找到地震动记录上与关键点对应位置的点，计算关键点与第一次筛选地震动记录上对应位置的点的方差，

其中，Si为选择地震动关键点对应位置的点的反应谱谱值，S为规范反应谱上关键点的谱值，当所有关键点对应的方差值均小于设定方差时满足筛选条件。

在步骤S4中，通过选取关键点来宏观匹配抗震规范反应谱的整个谱形，相比于现有技术中只选取平台段和基本周期附近进行匹配，能够更一步提高精度，而且通过关键点的匹配，既保证了匹配的精度，又简化了计算。

S5.设定特征周期相对误差，计算每条第二次筛选的地震动记录反应谱的特征周期，并将其与规范反应谱的特征周期进行比较，若每条第二次筛选的地震动记录反应谱的特征周期与规范反应谱的特征周期的相对误差值均小于设定特征周期相对误差，则结束选择地震动；若不满足要求，则返回步骤S4重新设定方差，直到满足要求为止，得到第三次筛选地震动记录。

地震动特征周期为

T_S＝T_D1/T_DS

其中，T_D1为选择地震动1秒处反应谱谱值，T_DS为选择地震动0.2秒处反应谱谱值。

本发明的基于抗震规范的地震动选择方法，首先根据设计场地地震环境特征进行初步选择，选择符合场地地震环境特征的地震地面记录，再进行后面的匹配步骤，能够有效控制地震地面运动的地震工程特征；然后通过选取关键点，并通过方差来控制反应谱的谱形，达到反应谱整体谱形匹配的目的；最后再通过精准匹配规范反应谱的特征周期点选出一组所需要的的地震动记录。通过本发明的基于抗震规范的地震动选择方法选择出的地震动记录，能够使选择地震动平均反应谱与规范反应谱统计意义上达到一致，同时能控制反应谱的谱形，且地震动能保持天然地震动记录所具有的地震工程学特性，适用于抗震设计和评估。

为了验证本发明方法的有效性，本发明求取了第三次筛选地震动记录的地震动平均反应谱，并将其与规范反应谱进行了比较，如图1所示为规范反应谱，如图2所示为地震动平均反应谱和规范反应谱，通过对比观察可知，最后第三次筛选出的地震动记录的地震动平均反应谱与规范反应谱统计意义上达到一致，同时能控制反应谱的谱形，且地震动能保持天然地震动记录所具有的地震工程学特性，适用于抗震设计和评估。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。