时程分析方法的几点思考

时程分析方法的几点思考 收稿日期:2005 - 02 - 23 作者简介:赵东升(1963 ,3 - ) ,男(汉 ) , 辽宁北宁,助理工程师 主要研究土木工程。 赵东升 (中国医科大学 附属第四医院 基建维修中心,沈阳110032) 摘 要:针对 建筑抗震设计规范G B500112001 第5. 1. 2条第三款及有关规定进行了分析,提出了 一些建议。 关键词:时程分析;场地;地震动 中图分类号:TU352文献标识码:A 文 章 编 号:100928984(2006)0120022203 0 前言 在 建筑抗震设计规范G B500112001中,第 5.1. 2条第三款规定,对于特别不规则的建筑,甲类 建筑及8度区 、 类场地和7度区房屋高度大于 100m ,8度区 、 类场地高度大于80m和9度区房 屋高度大于60m的高层建筑,宜采用时程分析进行 补充计算。同时还规定,弹性分析时,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 %。本文就这一规定及有关的内容进行分析 并提出一些建议。 1 关于将时程分析法作为补充计算的 分析 从 建筑抗震设计规范G B500112001的规定 和该规范的条文说明中,还可以知道,利用时程计算 出来的结果还需与规范的其它方法在统计期望的意 义上相协调,否则就要调整输入地震动使之能达到 这一要求。这就给人们一个错觉,时程分析方法是 不精确的或是不可靠的,仅仅能作为其它方法的补 充,是次要的,不能作为一种主要方法。其实我们对 这些方法稍加分析出就可以看出,这些方法应该是 同等重要的。 1. 1 时程分析法 所谓时程分析,就是根据材料及构件的弹性(或 非弹性)性能对结构动力方程做积分求解的方法。 这种方法可以考虑地震动的振幅、 频谱和持时的3 个要素,也可以考虑地震环境和场地条件的影响,能 够对结构进行非线性分析,还可以计算能量损耗和 损伤等,可获得更多的有用信息,可以说时程分析是 一个真正的动力分析方法。但这种方法,比较复杂 麻烦,工程经验还比较少。 1. 2 底部剪力法和振型分解反应谱法 振型分解反应谱法是利用结构动力学振型分解 法的概念,将多自由度体系分解成若干担自由度系 统的组合,然后引用达自由度体系的反应谱理论来 计算各振型的作用,然后再按照一定的规律将各振 型的作用进行组合。底部剪力法是根据反应谱理论 计算出作用于结构总水平地震作用,即作用于结构 底部的剪力,然后将总水平作用按照一定的规律分 配到各个质点上,从而得到各个质点的水平地震 作用。 这2种方法的理论依据都是反应谱理论,反应 谱理论仅反应了地震动的振幅、 频谱2个要素,而且 在设计中把地震惯性力看作是静力,所以说反应谱 理论仅是一种准动力法1,反应谱只能考虑平均场 地条件,很难考虑具体工程场地条件对地面加速度 的影响,但这种方法简单方便,广大工程设计人员比 较熟悉,取得了相当丰富的经验。 从上面的分析来看,应该说时程分析方法是更 精确、 更可靠的方法。文献2在1983年对外国30 本抗震规范进行了统计,其中有15本规范对时程分 析方法有规定,在这15本规范中,有1本规范明确 规定它可取代一般的静力方法或动力法,有6本规 范采用与振型分析法并用,有7本没有具体规定,仅 有1本是做为振型分解法的补充。随着人们认识的 提高,计算机技术的发展,应用软件的开发利用、 设 7/ 28 22224 长春工程学院学报(自然科学版) 2006年 第7卷 第1期 J. Changchun Inst. Tech. (Nat. Sci. Edi. ) ,2006,Vol.7 ,No.1 ISSN 100928984 CN 2221323/ N 计人员理论水平的提高和利用时程方法工程经验的 积累,发展趋势应该是时程分析方法与其它方法并 用,甚至有可能取代其它方法。对于采用时程分析 方法与其它方法并用,即同时用2种方法对结构进 行分析计算,取得的2个结果应如何从安全的角度 作出取舍,应做专门研究确定。 2 采用时程分析方法中应该加以明确 的2个问题 时程分析方法可分为3部分 : (1) 地震动的输 入 ,(2) 选择结构和构件的动力模型 ,(3) 实用的动力 分析方法。其中,第3部分,动力分析方法在理论上 有各种各样的方法可以采用,有通用程序可以应用, 在这里不作讨论。不论我们进行理论分析和应用程 序进行计算,都要确定地震动输入和结构或构件的 计算模型。如果这2个问题不加以明确,就不好应 用这种方法。 2. 1 地震动的输入 在 建筑抗震设计规范G B500112001中,对 地震动的输入的规定是按照场地类别和设计地震分 组选用不少于二组的实际强震记录和一组人工模拟 的加速度时程曲线其平均地震影响系数曲线与振型 分解反应谱法的地震影响系数曲线在统计意义上相 一致。 这条规定过于笼统,选择地震动的原则不具体。 对于同一个结构输入不同的地震动进行时程分析 时,可能造成计算结果相差数倍至数十倍,这就使工 程师更无所适从了3。目前在工程界确定地震动的 方法通常有2种。 2. 1. 1 以规范反应谱为原则确定地震动的输入 这种方法是从规范的反应谱为基准,采用一定 的方法和手段来确定地震动,达到与规范其它方法 在统计期望的意义上相协调。这种方法简单易行, 但有一些粗糙,因为这种方法的依据是规范反应谱, 规范反应谱是由烈度,震中距,场地类别来确定的。 烈度是指地震时一定地点的地面震动强弱程度的尺 度,是指该地点范围内的平均水平而言4。我们工 程上应用的烈度是从我国地震区划图上得到的,这 个区划图是在全国范围内进行的,只能考虑大尺度, 它只能提供一定地区(不小于几十km2 ) , 在一定时 期内,在一定场地条件下可能遭遇的最大地震烈 度6,它只能反映有代表性的或平均的地震和场地 条件,不可能反映地震破坏作用在小范围内的变动, 而且一个具体工程场地条件有时会与平均趋势有很 大差别。进行时程分析时,我们是用加速度时程,烈 度与加速度的对应关系比较差,同一烈度的地点实 测到的地震加速度常常相差几倍甚至几十倍,在同 一烈度下近震的加速度值很高,而远震的加速度值 很低,烈度是一个粗略简化量7。 我们再从规范反应谱的确定来作一下分析,还 可以看出反应谱也是一个相当离散的量,规范反应 谱仅是一个平均值,规范中的反应谱,=k ,式中 为地震影响系数, K为地震系数,表示地面最大加 速度a与重力加速度g的比值;为动力系数,表示 单质点弹性体系在水平地面运动作用的最大质点加 速度Sa与地面最大加速度a的比值。文献8曾对 同烈度下,地面最大加速度作过统计分析,发现离散 很大,其最大与最小的差可达百倍。文献9将255 个7度以上的强震记录,按近、 远震和场地类别划分 来统计,也可以看出在同一烈度下,同样的震中距的 情况下,不同场地类别条件的平均值还有相当的离 散。由于场地条件对a的影响比较复杂,最后规范 上就没有考虑场地的影响取一个平均值,那么K也 就是一个相当范围的一个离散量 ( K =a/ g)。文献 1011也对作了统计研究,也是一个离散量, 我们可以想象,=K,一定是一个非常大的离散 量,规范上仅是平均值。那么以此为标准选择出来 的实际地震动记录或人工合成地震动,是很难准确 反应出来在小范围内场地条件的变化的。根据实际 震害经验,人们早已认识到地震破坏作用在几百m 以至几十m以内也可能出现显著差异,这主要是由 场地条件不同引起的。所以对在特定工程场地进行 抗震设计时,考虑这种场地差异无疑是非常重要的。 2. 1. 2 基于地震动小区划方法 地震小区划的目的是估计城市或厂矿范围内可 能遭遇的地震破坏作用的分布,为工程结构抗震设 计提供依据,并为城市和厂矿制定土地利用规划进 行震害预测和制定减轻地震灾害计划提供基础资 料6。其中为结构抗震提供依据就是地震小区划的 重要目的之一。地震小区划专门针对城市和厂矿研 究了地震环境,利用地震危险性分析的方法,确定了 基岩地震动。在小区划的范围内,一般来说,基岩地 震动的变化是不会太大的,那么就可以利用这些基 岩地震动的资料,再加上建筑物所在场地上的工程 地质资料,利用土层反应计算,就可以获得地面运动 的地震动,该地震动就可以作为时程分析输入的地 震动。这种方法可比较充分地反应场地条件的变 化,针对性比较强,土层反应计算有通用程序,计算 也比较简单,工程地质勘探也不会增加很多内容,在 抗震设防区内的大、 中城市基本上都已经作过了小 32赵东升:时程分析方法的几点思考 区划,甚至有一些县级城镇都已经作了小区划,一般 来讲,需要进行时程分析的建筑大部分都坐落在大、 中城市,具备了采用这种方法的条件,在 建筑抗震 设计规范G B500112001中1. 0. 5条中也有规定, 对做过抗震设防规划的城市,可按批准的抗震设防 区划(设防烈度或设计地震参数)进行抗震设防。地 震小区划,在我们国家已经投入了大量的人力和物 力,取得了丰硕的成果,如果对这些宝贵的资料不充 分发挥其作用,那将是一个巨大的浪费。同时,将地 震小区划结果应用到结构抗震中,将是地震工作者 与结构工程师结合的一个典范。 2. 2 结构或构件的动力模型 进行时程分析的第2部分,就是选择合适的结 构或构件的动力模型,规范中也没有规定。而模型 的种类又很多,工程师只好凭自己的工程经验加以 选取,这样就可能使计算结果有很大的差异。如果 说当时制定 建筑抗震设计规范G B500112001 时,这方面研究还不成熟的话,那么又经过10多年 的研究,现在已经取得了不少研究成果,文献3对 计算模型作过一些总结。这些研究成果应当及时反 应到规范中。 3 建议 综上所述,本文建议: (1)规范中应将时程分析方法作为补充计算的 规定改为与其它方法同时计算,然后对计算结果加 以限制。 (2)应充分利用工程地震的研究成果,对于作过 地震动小区划的城市,将可采用小区划的成果,改为 应采用地震小区划的结果确定地震动输入。对于没 有做过小区划的城市可按反应谱为标准来确定时程 分析的地震动输入。 (3)充分吸收成熟的科研成果,对结构或构件的 动力模型加以规定,以便工程师具体应用。 参考文献 1 胡聿贤.地震工程学M.北京:地震出版社,19881 2 戴国莹.抗震规范中关于逐步积分法的规定J .地震 工程动态,1983 ,(3 ,4) :80811 3 王亚勇.关于设计反应谱、 时程法和能量方法的探讨 J .建筑结构学报,2000 ,(1) :21281 4 刘恢先.修订我国地震烈度表的一个建议方案A.中 国科学院工程力学研究所 1 地震工程研究报告集,第4 集C.北京:科学出版社,19811 5 王亚勇.建筑结构时程分析法输入地震波的研究J . 建筑结构学报,1991 ,(2) :51601 6 廖振鹏,地震小区划理论与实践M1 北京:地震出版 社,19891 7 胡聿贤.关于我国现行建筑抗震设计规范,G BJ1189 的几点讨论J .建筑结构学报,1993 ,(3) :291 8 陈达生.抗震设计反应谱A1 中国科学院工程力学研 究所 1 地震工程研究报告集,第3集C.北京:科学出 版社,19771 9 王广军.我国抗震设计反应谱的研究及其在规范中的 应用J .世界地震工程,1985 ,(1) :8141 10 陈达生.关于地面运动最大加速度及加速度反应谱的 若干资料A.中国科学院工程力学研究所,地震工程 研究报告集第二集C.北京:科学出版社,19651 11 薛素铎,赵均,高向宇 1 建筑抗震设计M1 北京:科 学出版社,20031 Some considerations for time history analysis ZHAO Dong2sheng ( The 4th Affiliated Hospital of China Medica