结构抗震设计时程分析法的分析研究

第4期（总第141期）2011年12月四川地震EARTHQ UAKE RESEARCH IN SICHUAN No.4Dec．2011

收稿日期：2011－08－30

基金项目：地震行业科研专项项目（201008006）资助

作者简介：李建亮（1979－），硕士，工程师，国家二级注册地震安评师，主要从事工程地震和地震安全性评价方面的工作．

结构抗震设计时程分析法的分析研究

李建亮1，赵晶2，李福海3，何玉林1，亢川川

1（1.四川省地震局工程地震研究院，2.中铁西南科学研究院有限公司，

3.西南交通大学土木工程学院，四川成都610000）

摘要：文章回顾了我国抗震设计规范的演变过程，将时程分析法与底部剪力法和振型分解反应谱法进行了对比，指出了时程分析法在抗震设计计算中的地位与作用，时程分析法是能够考虑地震动三要素、地震环境、结构的非线性和能量损耗及损伤的真正动力分析方法，是比底部剪力法和振型分解反应谱法更精确、更可靠、更合理的方法，不应仅仅作为补充计算的方法，而是也应作为结构抗震设计的基本方法，望在今后的抗震设计规范修订中予以斟酌、考虑。

关键词：抗震设计规范；结构抗震设计；时程分析法

中图分类号：TU352.1文献标识码：A 文章编号：1001－8115（2011）04－0025－04

谈及结构抗震肯定会马上想到抗震设计规范

，我国抗震设计规范大致经历了1959、1964、1974、1989、2001和2010规范六次大的演变过程，其规范设计谱见下图。

图1我国不同时期的规范设计谱

1959年我国第一部抗震设计规范《地震区建筑规范（草案）》问世（图1（a ）），采用绝对加速度谱作为计算地震作用的依据，规定按场地烈度进行设防，未考虑场地条件对设计谱的影响。1964年的《地震区建筑设计规范（草案）》（图1（b ））提出了按场地分类给出设计谱的思想，认为烈度决定αmax ，场

地条件决定谱形状

。《规范》中给出标准设计谱的平台高度为3，规定最小基准谱谱值不小于0.6，给出

了四类场地的设计谱特征周期。1974年颁布《工业与民用建筑抗震设计规范TJ11—74（试行）》（图1（c ）），是我国第一个正式批准的抗震规范。74规范将64规范的四类场地调整为三类，反应谱的特征周期也相应进行了调整。唐山地震后，对74规范进行局部修改和补充，颁发了《工业与民用建筑抗震设计规

范TJ11—78》

。89规范（见图1（d ））又将74规范的三类场地改为四类，场地的划分指标增加了覆盖层厚度和剪切波速，考虑到场地地震环境对反应谱的影响，规范中增加了按近震、远震进行设计的内容，反应谱的特征周期按场地类别和近远震给出，反应谱的高频段由原来的平台改为在0 0.1s 周期范围内的上升斜直线段，平台高度改为2.25，不再限制反应谱的最小值，而是给出了设计谱的最大适用周期3s 。2001规范（见图1（e ））将89规范的周期范围延至6s ，长周期位移控制段按斜直线段处理，不仅考虑近、远震，而且考虑了大震和小震，在场地条件的基础上，分三组设计地震选取特征周期，增加了阻尼比

对设计谱影响的内容

。《建筑抗震设计规范GB50011—2010》（图1（f ））是在总结了2008年汶川地震震害经验，调查总结了近年来国内外大地震经验教训的基础上修订的，根据《中国地震动参数区划图》调整了设计地震分组，规定了计算罕遇地震作用时，特征周期应增加0.05s ，调整了地震影响系数曲线的阻尼调整系数，基本上解决了不同阻尼比的设计谱在长周期段出现交叉且不收敛的情况。（见图2

）

图22010规范与2001规范设计谱长周期段的比较

1时程分析法的地位与作用

从2010规范的规定和条文说明中可知，底部剪力法和振型分解反应谱法仍是结构抗震设计的基本方法，时程分析法是作为补充计算的方法，利用时程分析法计算出来的结果还得与振型分解反应谱法的结果在统计意义上相符，否则就要调整输入地震动使之能达到这一要求。这就给人们造成一个错觉，认为时程分析方法是不精确的或是不可靠的，仅仅作为其它方法的补充。其实不是这样的，时程分析方法是比底部剪力法和振型分解反应谱法更可靠、更合理的方法。

所谓时程分析法，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、频谱和持时三个要素，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。

底部剪力法和振型分解反应谱法的理论依据都是反应谱理论，反应谱理论仅反映了地震动的振幅、频谱两个要素，而且在设计中把地震惯性力看作是静力，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，这两种方法简单方便，深为广大工程设计人员接受；而时程分析法比较复杂，能够熟练运用的工程设计人员不多。这可能就是底部剪力法和振型分解反应谱法仍是基本方法的原因吧。

虽然时程分析法比振型分解反应谱法和底部剪力法两者计算要复杂得多，但它能反映地震作用总过程，通过该法使结构设计更合理、更安全、更经济。时程分析法可用于线性分析，也可用于非线性分析。只要输入正确合理的地震波，时程分析的结果就既能反映结构最大可能遭受的地震作用，又能满足工程抗震设计安全和功能的要求。

·62·四川地震2011年第4期

2输入地震波的选取

从上文分析中可知，结构抗震设计运用时程分析法计算时，正确合理的输入地震波对计算结果是否合理、可靠是至关重要的。我国《建筑抗震设计规范GB50011—2010》规定：“采用时程分析方法时，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合成的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3。”这就是说用于结构抗震设计计算的输入地震波分为两种，一种是人工合成的地震波，一种是实际记录到的天然地震波。

2.1人工合成输入地震波

我国防震减灾法规定：“新建、扩建、改建建设工程，应当达到抗震设防要求。重大建设工程和可能发生严重次生灾害的建设工程，应当按照国务院有关规定进行地震安全性评价，并按照经审定的地震安全性评价报告所确定的抗震设防要求进行抗震设防。前款规定以外的建设工程，应当按照地震烈度区划图或者地震动参数区划图所确定的抗震设防要求进行抗震设防。”这表明现阶段我国的建设工程有需要进行工程场地地震安全性评价的重大建设工程，有直接按照地震烈度区划图或者地震动参数区划图进行抗震设防即可的一般建设工程。

（1）一般建设工程的人工合成波

一般建设工程在抗震设计阶段是如何选择地震动输入的呢？它是根据《规范》反应谱来确定地震动输入的，以《规范》反应谱为基准，采用一定的方法和手段来确定地震动。这种方法简单易行，但有一些粗糙，因为这种方法依据的《规范》反应谱是由烈度、场地类别、设计地震分组、结构自振周期、阻尼比来确定的，烈度是该工程场地所在地区的平均水平，是从地震区划图上得到的。区划图在全国范围内进行，只能提供一定地区，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，它只能反映有代表性的或平均的，不可能反映地震破坏作用在小范围内的变动，而一个具体的工程场地有时会与平均趋势有很大差别。同时烈度与加速度的对应关系也比较差，同一烈度地点实测到的地震加速度常常相差几倍甚至几十倍。这说明《规范》没有考虑场地条件的影响取了一个平均值，这也说明我国现行《抗震设计规范》只考虑不同场地条件下反应谱特征周期的调整，而不考虑不同场地条件下的地震动加速度峰值的调整是不妥的，所以对特定工程进行抗震设计时，考虑这种场地差异无疑是非常重要的。所以对于重大工程和重要建筑物进行专门的工程场地的地震安全性评价工作是很有必要的。

（2）重大建设工程的人工合成波

重大建设工程在抗震设计阶段用于抗震设计验算的设计地震动时程是首先对工程场地区域和近场地震环境进行研究，划分潜在震源区，确定地震活动性参数和地震动衰减关系，采用时、空不均一的地震危险性分析方法，给出工程场地的地震烈度值、基岩水平峰值加速度和基岩水平加速度反应谱，然后利用工程场地地震安全性评价软件确定基岩地震动输入，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，获得地面地震动，该地震动就是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，所获得的输入地震波也更为合理。

2.2实际记录的天然地震波

所谓直接记录到的地震波是把一些著名的强震记录作为输入波，如E1Centro，Taft，Olympia等记录。随着对地震波三要素（最大峰值、频谱特性和持续时间）的深入理解，越来越注意场地条件、传播途径、震源距离和震级等因素的影响，力求所选用的记录波三要素与当地估计的地震波三要素相吻合。但现在做的效果不是很好。天然地震波的选取主要有两种方法，一种是以场地条件的相似性来选取，一种是根据反应谱的两个频率段来选取。

（1）依据场地条件来选取

选用类似场地条件的实测地震记录，一般采用比例法进行强度和频率的调整，以适应实际场地的要

求。1）地震波加速度振幅的缩放。设某一地震记录，其峰值加速度a

tmax ，现需调整到峰值加速度a

max

的

地震动。令β=a

tmax /a

max

，则调整后得到的x（t）=βx

t

（t）。2）地震波卓越周期的调整。调整后的x（t）将具

有所要求的峰值加速度a

max ，其频谱特性和持续时间与x

t

（t）无任何改变，仅强度发生了β倍变化。在时

程分析时，对地震记录进行调幅。当然也要将对应的加速度反应谱以相同的比例进行调整。

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2011年12月李建亮，等：结构抗震设计时程分析法的分析研究

上述方法虽然简单，但比较粗略，只考虑了局部场地条件对地震动的影响，忽略了震源机制、震中距、震级等因素对地震动的影响。事实上，即使在同一地点，先后发生的不同地震所记录到的加速度时程曲线的形状、大小及对应的反应谱特征也不可能是相同的。

（2）依据反应谱的两个频率段来选取

这种方法主要是通过两个频段控制反应谱：一是对地震记录加速度反应谱值在［

0．1，T g ］平台段的均值进行控制，要求所选地震记录加速度谱在该段的均值与设计反应谱相差不超过10%；二是对结构

基本周期T 1附近［

T 1－△T 1，T 1+△T 2］段加速度反应谱均值进行控制，要求与设计反应谱在该段的均值相差不超过10%。此法的结果一般令人满意，但是它也有一定的局限性，就是需在大量的实际地震记录中寻找满足要求的地震记录，然而现在记录到的天然地震波数量有限。

地震波的输入是一个至关重要的问题。若输入不正确，即使计算模式再完美，计算方法再精确，也不可能得出正确的结果。尽管近年来在地震输入方面已进行了一定的研究，提出了一些有益的见解。但是，由于地震资料的积累是一个长期的过程，还有大量的工作需要完成，因此对地震输入的研究还任重而道远。

3结语

地震灾害给国家和人民生命财产安全造成了重大损失，在目前地震预报尚处于世界科学难题的前提下，工程抗震设防是减轻地震灾害损失和人员伤亡最直接有效的方法。时程分析法是能够考虑地震动三要素、地震环境、结构的非线性和能量损耗及损伤的真正的动力分析方法，是比底部剪力法和振型分解反应谱法更精确、更可靠、更合理的方法，不应仅作为补充计算方法，而是应该作为结构抗震设计的基本方法，希望在以后的抗震设计规范修订中予以斟酌考虑。

参考文献

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Analysis of Time －History analysis method on the seismic design

LI Jian-liang ，ZHAO Jing ，LI Fu-hai ，HE Yu-lin ，KANG Chuan-chuan

（1Earthquake Administration of Sichuan Province ，Sichuan Chengdu 610041；

2China Railway Southwest Research Institute ，Sichuan Chengdu 611731；

3School of Civil Engineering ，Southwest Jiaotong University ，Sichuan Chengdu 610031，China ）

Abstract ：The evolution process of seismic code is reviewed．The comparison among the time-history analysis ，the bottom shearing ，modal response spectrum methods are made in this paper．The status and role of these methods are discussed．We think that the time-history analysis is a better method of analysis and it is not only a complete calculating method but also a basic method．

Key words ：seismic code ；seismic design ；time sequence analysis method ·82·四川地震2011年第4期