【摘 要】
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时程分析已经逐步成为结构抗震分析与设计中不可或缺的重要方法,对于超高层以及大跨度等特殊建筑,许多规范更是强制要求进行弹塑性时程分析。对于隔震建筑来说,因隔震器件在强震中会产生塑性反应,时程分析则更是必不可少的抗震性能分析方法。时程分析结果的可靠性与地震波的输入存在密切关系,因此如何选择合适的地震波来预测工程结构今后可能会发生的地震反应,是需要认真面对的问题。目前获得广泛认可的选波方法为谱匹配法,通
【基金项目】
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国家自然科学基金(51778206); 河北省自然科学基金(E2020202038);
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时程分析已经逐步成为结构抗震分析与设计中不可或缺的重要方法,对于超高层以及大跨度等特殊建筑,许多规范更是强制要求进行弹塑性时程分析。对于隔震建筑来说,因隔震器件在强震中会产生塑性反应,时程分析则更是必不可少的抗震性能分析方法。时程分析结果的可靠性与地震波的输入存在密切关系,因此如何选择合适的地震波来预测工程结构今后可能会发生的地震反应,是需要认真面对的问题。目前获得广泛认可的选波方法为谱匹配法,通常要求输入地震波的反应谱与代表设计地震的目标谱相匹配,即满足“匹配一致性”要求。针对钢筋混凝土高层建筑和隔震建筑抗震时程分析输入地震波选择问题,本文将目标谱选为《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010(2016版))的设计谱和第五代区划图反应谱(以下简称“抗规谱”和“区划图谱”),选用考虑高阶振型影响的加权调幅选波法,同时与国内其他学者的选波方法以及利用PEER数据库的选取方法进行对比研究,又将天然强震记录与人工拟合地震波下结构反应进行比较,旨在为钢筋混凝土高层建筑和隔震建筑的时程分析寻求合理的输入地震波选择方法。本文主要包含以下内容:(1)介绍了在全周期范围内可以考虑高阶振型影响的加权调幅法,该方法基于加权形式的最小二乘法计算匹配误差SSE与调幅系数SF,引入的权重系数是由归一化振型质量参与系数确定。根据本文工程实例,介绍了冀昆、任叶飞和韩小雷等人各自推荐的时程分析输入强震记录,以及基于Seismo Match的人工拟合地震波方法。最后对美国太平洋地震中心的PEER数据库选波流程进行了阐述。(2)以高层钢筋混凝土建筑抗震时程分析为例,验证了加权调幅选波法的准确性和可用性,也同时对比冀昆、任叶飞和韩小雷等人的选波方法,以及幅频调整的人工波方法(即基于Seismo Match方法)。结果表明:加权调幅法、冀昆方法和基于Seismo Match的人工波方法所得结构反应均值较为接近,且各工况下加权调幅法的变异系数均在0.2以内。(3)以抗规反应谱和区划图反应谱为目标谱,对比采用加权调幅法与未考虑权重系数的等权调幅法计算所得高层钢筋混凝土建筑抗震时程分析结果。当采用区划图反应谱为目标谱时,等权调幅法在估计结构反应均值方面与加权调幅法比较一致;当采用抗规反应谱为目标谱时,采用加权调幅法估计的结构反应均值要比等权调幅法更高。加权调幅法在降低结构反应离散性方面具有较大优势,可以提高预估结构反应的可信性。(4)利用NGA-WEST2数据库采用加权方式与等权方式,针对3栋钢筋混凝土建筑,各选取了21条地震波进行弹塑性时程分析。加权方式与等权方式所得结构反应均值较为接近。原因在于NGA-WEST2数据库在计算反应谱与目标谱匹配误差(即最小均方误差)时采用了对数坐标,这会放大长周期段反应谱值的影响。证实了算术坐标和对数坐标不同会影响选波结果,而加权方式仅适用于算术坐标。基于NGAWEST2数据库(大样本)所选21条地震波的结构反应均值,与基于40条地震波小型数据库采用加权调幅方法所选7条地震波的时程结果比较相近,表明本文以40条强震记录为备选波的小型数据库开展研究工作,结论不受备选波数量影响,是可信的。(5)由于选波方法在隔震建筑抗震分析中的研究尚少,将以上选波方法应用于2栋隔震建筑时程反应分析中。研究表明,不同选波方法对隔震层支座的最大反应估计结果相差不大,而上部结构的最大层间位移角沿楼层分布尽管趋势总体一致,但就薄弱层位置和最大值而言仍有较大的差距。同样,加权调幅法可用于隔震建筑时程分析的输入地震波选择中。
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