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用于超高层建筑动力时程分析的地震记录的最大有用周期

(2013-05-12 06:57:39)
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杂谈

中国目前众多高层和超高层建筑的抗震设计需做弹性动力时程补充分析和弹塑性动力时程分析。选取用于超高层建筑动力时程分析的地震记录过程中对地震动长周期成分的考虑成为一个重要课题。王亚勇在2013年2月《建筑结构学报》第34卷第2期《关于建筑抗震设计最小地震剪力系数的讨论》一文中专门用2.2节来论述现有强震记录中可能存在的长周期成分缺失,摘录如下:
2.2 现有强震加速度记录长周期成分的缺失
由于强震仪频率响应范围的限制,地震时无法记录到超过10s以上的地面运动成分,在超过5s以上的成分也存在失真,而且在对加速度记录进行零线修正、以及采用数字滤波将噪声滤去的同时,也将地面运动实际存在的长周期分量滤去了。基于这些记录所构建的设计反应谱,长周期成分严重缺失,致使长周期结构抗震设计时,计算的地震作用偏小。
我之前在Arup高技术与研究部的同事Damian Grant博士在他2008年第14界世界地震工程会议论文集发表的论文《SEED RECORD SELECTION FOR SPECTRAL MATCHING WITH RSPMATCH2005》中专门用了一节来论述地震记录中有用的频率成分,摘录如下:

2.5 Usable Frequency Content

The PEER NGA database provides the minimum usable frequency for 3518 of 3541 of its records in the meta-data flatfile, which provides useful filter for ground motion selection. This number is reduced by approximately half when only records with maximum usable period greater than or equal to seconds are considered, and is halved again for maximum usable period of seconds or greater. Many tall buildings have elastic periods in the 4–6 second period range, or greater, and allowing for concrete cracking and other nonlinearity, the requirement for records with usable periods as high as seconds can be appreciated. Considering that the PEER NGA records were prepared specifically for the purpose of deriving GMPEs for
long period spectral response ordinates, the records from other databases which do not provide this information could be expected to be at least as limited. The problem is not that there are not enough records available, but that if records are selected without considering the usable frequency range, there is good chance that they will
not be appropriate for long period applications.
可见所选用的地震记录中有可靠的长周期成分对高层和超高层建筑的弹性和弹塑性地震响应时程分析结果的可靠性有决定性意义。因此,我建议各位同行在做基本周期超过5秒的超高层建筑的弹性和弹塑性动力时程分析时,对所用地震记录的最大有用周期(maximum usable period)应作特别关注。这是我推荐大家自己去PEER NGA强震记录数据库去选取地震记录的主要原因。据我所知,该数据库是目前全世界唯一一个为几乎所有收集到的地震加速度记录提供此项重要参数的地震记录数据库。PEER NGA项目构建了0-10s范围内反应谱曲线的地震动衰减模型,对所依据的地震记录都考察确定了可靠的最大有用周期。
如果自己去PEER NGA强震记录数据库选的话,考虑结构屈服后周期延长,所选记录的最大有用周期应大于结构基本周期T1。如果花钱买地震记录的话,建议大家直接用王亚勇的这段文字作为依据来要求地震记录的卖方提供每条地震加速度记录的最大有用周期。如果卖方无法提供每条记录的最大有用周期的话,我建议你告诉卖方去PEER NGA 强震数据库去选取或者干脆自己去PEER NGA 数据库去选。
老式的地震加速度计是模拟(analogue)式,低频(长周期)部分信噪比低不可靠,在后续处理过程中低频(长周期)信号都被过滤掉。故较老的地震加速度记录的最大可用周期一般不超过4s左右。现代化的地震加速度计都是数字式,低频部分信噪比很高、可靠。故最近几十年记录到的强震记录都有很高的最大可用周期,十几秒甚至几十秒都已不足为奇。89年美国旧金山(Loma Prieta)地震,94年美国加州北岭(Northridge)地震,95年日本神户地震,99年台湾集集地震,和99年土耳其Izmit地震都记录到大量的高质量、有可靠长周期成分的强震记录。所以现代化数字式地震加速度计记录到的强震记录是不存在长周期成分缺失这一问题的。基于这样的强震记录构建的5-10s范围内的反应谱的可靠性与0-5s范围内的反应谱的可靠性一样。否则美国PEER NGA研究项目出台的0-10s反应谱地震动衰减模型就是瞎忙乎了,站不住。关键是要有目的性地去选取现代化数字式加速度计记录到的地震加速度记录并关注其最大有用周期,且强震记录数据库必须向用户提供最大有用周期这一关键性数据。现在美国PEER NGA强震数据库已经在数年前完成了此项工作并免费向全世界公众开放,且提供一个好用的搜索软件,其他人也就不必再忙乎做重覆性工作了,直接用PEER NGA强震数据库就好。

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