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选几组地震记录?简单缩放还是加以改造?

(2013-06-13 05:29:11)

继续强震记录的选取和处理系列。本次讨论所需强震记录的组数及处理方法 是简单缩放还是加以改造?此议题是美国地震工程界近几年的研究重点之一。201011月结束的PEER TBI研究项目 - 高层建筑性能化抗震设计(http://peer.berkeley.edu/tbi/),201111月结束的ATC-82专题研究项目 - Improved Procedures for Selecting and Scaling Earthquake Ground Motions for Performing Time-History AnalysesNIST GCR 11-917-15 report https://www.atcouncil.org/Projects/nehrp-jv.html),及几个月前20129月结束的ATC 58研究项目 - 下一代新建筑和已有建筑的性能化抗震设计方法 (Development of Next Generation Performance-Based Seismic Design Procedures for New and Existing buildingshttps://www.atcouncil.org/Projects/atc-58-project.html) , 都对此议题展开过重点研究。有兴趣的朋友可从以上链接下载此三个著名研究项目报告的PDF。我之前在Arup伦敦总部高技术与研究部(AT+R)的同事与朋友Damian GrantATC-82专题项目技术委员会成员之一。我朋友,纽约州立大学Buffalo校区土木与结构工程系主任及MCEER研究中心Director Andrew Whittaker教授是ATC-82专题研究项目的Project Director.

要回答本文标题所提出的问题,必须首先从做结构动力时程分析的目的入手。NIST GCR 11-917-15 报告首先讨论的就是此议题。总结起来,做结构动力时程分析的目的大致有两个:

1)  用于结构的抗震设计,求解所关心的结构地震响应参数的平均值(mean responseaverage
response

2)  计算结构的倒塌易损性曲线(Collapse Fragility Curve)

如果做动力时程分析的目的是1)用于结构的抗震设计,以上最新研究报告的建议是选取7组地震记录。如果目的是2)计算结构的倒塌易损性曲线,ATC 58研究项目最终报告的建议是选取11组或更多组强震记录。

中国建筑抗震设计规范建议7组地震记录中须有两组人工波。现在在国外已不提倡用人工波。现在国际通行的做法是选取天然波后或者加以简单缩放,或缩放后再对其进行改造。

强震记录选好后,是只做简单缩放处理还是缩放后对地震动加速度时程加以改造?答案同样取决于做结构动力时程分析的目的。如果是1)用于结构抗震设计,关注的是层间位移角、构件弹塑性变形和构件内力响应的平均值,则最好的做法是对所选取的地震加速度时程加以改造,使之与目标反应谱相符。如果是2)计算结构的倒塌易损性曲线,关注的是倒塌概率分布引起结构倒塌的地震动烈度参数的中位数(与结构50%倒塌概率所对应的地震动烈度参数,即所选地震记录中的50%会引起结构倒塌的地震动烈度参数)及离散性,则只做简单缩放而不加以改造。

美国著名工程地震学家Norman Abrohamson 几年前做过一个这方面的专题演讲Recommendations for Selection and Scaling of Ground Motion Records to Satisfy Code Requirements Including Spectrum
Compatible Scaling 。我把该演讲的PPT图片挂在这
http://www.xiaonianduan.com/资料下载_Downloads.php,供有兴趣的朋友下载研读。根据他们的研究结果,与只做简单缩放处理相比,经过改造与目标反应谱相符的地震动记录降低动力时程分析结果的离散性,标准差减半。对计算结构地震响应参数的平均值而言,用一个经过改造与目标反应谱相符的地震记录得到的结果相当于用四个只经过简单缩放处理的地震记录的计算结果(One spectrum compatible = about 4 scaled records for determining the mean values)。他在PPT图片中举了对一个真实地震加速度记录进行缩放后再加以改造与目标反应谱相符的例子。改造前后的两条地震加速度时程曲线区别不显著,但是改造后的地震记录的加速度反应谱与目标反应谱两条曲线几乎重叠。

我会在下一个长微博介绍对地震动加速度记录进行改造的方法并推荐一个目前最为领先的软件工具给大家,作为本系列的收官。



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