结构百问08

问：时程分析如何选取地震波？

时程分析，不管是弹性时程分析还是弹塑性时程分析，地震波的合理选取都是非常重要的一步。《建筑抗震设计规范》规定，采用时程分析法时，应按照建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录（天然波）和人工模拟的加速度时程曲线（人工波），其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。所谓“在统计意义上相符”指的是，多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。弹性时程分析时，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%。

正确选择输入的地震加速度时程曲线，要满足地震动三要素的要求，即频谱特性、有效峰值和持续时间均要符合规定。频谱特性依据所处的场地类别和设计地震分组确定；有效峰值按规范调整；有效持续时间不少于结构基本自振周期的5倍和15秒，时间间隔可取0.01s或0.02s。

场地特征周期值如下表所示。

总结起来选波步骤是：（1）确定地震波数量，3条或者7条；（2）根据场地特征周期值选波，可以多选几条备用；（3）根据加速度时程最大值对地震波峰值进行调整；（4）绘制地震波的加速度谱并与规范反应谱进行对比；（5）进行弹性时程分析；（6）提取基地剪力结果并与反应谱法结果进行对比；（7）对合格的地震波进行罕遇地震下峰值放大；（8）进行弹塑性动力时程分析。

关于天然波的来源，一般结构计算软件，如Midas和SAP2000，都提供了很多波供选用，不过国内的软件PKPM和YJK的地震波更好用，因为他们已经根据特征周期对地震波分好了组。另外美国PEER网站上有世界各地的大量地震波记录，可供免费下载使用。

下面是一个工程实例，某网壳结构，抗震设防烈度7度（0.15g），第1阶自振周期1.20s，场地类别Ⅲ类，设计地震分组第二组，特征周期值0.55s。从PKPM地震波库中，按照特征周期选取了3条天然波和2条人工波备用，根据多遇地震加速度时程最大值55cm/s^2对地震波峰值进行调整，下图是其中一条天然波的时程曲线。

利用Midas地震数据生成器SGS，生成地震波的加速度谱，并与规范加速度谱画在同一张图里，如下图所示。

观察第1阶自振周期处（1.2s）加速度值，选取与反应谱最接近的地震波数据。偏于保守考虑，在反应谱曲线的上下浮动时，选取在上面的波。根据上图曲线，选取天然波1、天然波3、人工波2进行弹性时程分析。如果计算出的基地剪力与反应谱法对比符合规范要求，即可调整地震波峰值到310cm/s^2，进行弹塑性时程分析。

有个问题是，因为只控制第1阶自振周期，所以在其他周期处地震波可能和反应谱相差较大。比如上图中的天然波1在短周期处就会比反应谱大很多，导致计算结果偏保守。

对于时程分析的结果，《抗规》规定，当选3条波时，时程结果取包络值；当选7条波时，时程结果取平均值。根据上述实例，为了减少波动性，建议选7条波进行计算取平均值。虽然这样会增加计算量，但是结果更可靠。

-2015年11月17日