关于设计反应谱、时程法和能量方法的探讨

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1、第21卷第1期建筑结构学报VOI.21,NO.12000年2月JOurnaIOfBuiIdingStructuresFeb.,2000文章编号：1000-6869(2000)01-0021-08关于设计反应谱、时程法和能量方法的探讨王亚勇(中国建筑科学研究院工程抗震研究所，北京100013)摘要：强震地面运动长周期分量对超高层建筑和大跨巨型结构具有重要影响，而现行的振型分解反应谱法所采用的设计反应谱具有明显的局限性，基于地震加速度的结构动力方程式亦无法正确地估计这种影响。本文探讨了采用速度反应谱和位移反应谱分析的可行性；对结构时程分析法的工程应用价值和可操作性提

2、出看法。讨论了能量方法的理论意义和实用价值，建立瞬时能量与结构最大地震位移反应的关系，从而为结构地震反应分析和破坏准则，提供具有工程实用意义的新途径。关键词:结构地震反应；最大位移；能量方法；瞬时能量中图分类号：TU318+.1文献标识码：A1前言地震反应谱理论创立以来历经几十年的历史，为地震工程和工程抗震奠定了理论基础，在工程实践中，尤其是对结构抗震计算具有十分重要的意义。历数世界各国的抗震设计规范，找不出一本是不用地震反应谱和采用振型分解反应谱方法进行工程抗震设计的。但是，随着强震地面运动观测手段的发展和地震记录的积累，证明强震地面运动中确实存在长周期成分。

3、而且随着现代文明进步和社会经济的飞速发展，建筑物日益向超高层、超大型方向发展，地震动长周期成分对其影响变得不容忽视，如何客观合理地估计这种影响，现行的设计反应谱和振型分解反应谱方法显得力不从心。各国规范虽竭力弥补不足，采用种种系数、公式、方法来“修正”和“限值”，也只能是一种过渡性的、暂时的或保守的措施，无法根本解决问题。为解决这一难题，很多学者认为可采用更加合理的物理量来描述地震动并把它应用到工程抗震计算中去，其中地震动能量是可选物理量之一，能量方法也在动力学教程中司空见惯。但是如何与结构地震反应和地震破坏挂钩，从而成为取代(或补充)反应谱的后来者，都是工程界

4、很感兴趣、也是迄今未能很好解决的问题。能量谱和能量方法提出之前，速度反应谱和位移反应谱已被某些专业设计规范采用，结构时程分析法也在工程中得到应用。对于建筑物使用功能和地震破坏，人们已经普遍认为，结构的变形或位移比结构物的受力更为重要。决定房屋倒与不倒更直接的是变形或位移而不是内力，而位移是与能量(势能)挂钩的，力则与加速度有关。很自然地人们要把能量与位移联系起来。基于位移的抗震设计是当今地震工程界的热门话题，如何去实现则有许多途径。研究表明，积累的能量不能反映结构的最大位移反应，也就是可能导致结构倒塌的最危险位移，因为位移是有正负的，而累积能量是没有正负的。某些

5、研究所提出的瞬时能量，似乎可以与结构最大位移反应联系起来，从而为能量方法找到又一条出路。不管是弹性的，还是弹塑性的结构地震反应，都可以用地震动瞬时能量来描述，这对一些问题，如：构件受力的滞回特性、阻尼特性的影响等等，也许可以从此解决得更好一作者简介：王亚勇(1943~)，男(汉族)，福建福州人，研究员，中国建筑科学研究院工程抗震研究所所长。21些。在采用结构控制技术时，这些问题的解决就显得更有价值了。2加速度设计反应谱用于抗震设计的局限性!"#强震地面运动长周期成分的存在地震学研究和强震观测证明，强震情况下，地面运动确实存在长周期分量，其周期可以长达IOS甚至I

6、OOS，地震震级从5级到8级，其谱值在IOS周期处最大相差不超过5O倍，在IOOS周期处，不超过25O倍。在震级M>5时，周期在3S以内，信噪比已经大到可以满足工程使用要求了。同时还证明，谱曲线至少存在二个拐角周期。如图I和表I所示[I1。研究表明，地震动长周期分量与震源规模、震源距有关，由此可以推出反应谱与震级、烈度的关系，从而建立起具有工程实用意义的设计谱，见公式(ID。PSV=f（IM，R，TD=f2(L，W，R，TD(ID=f3(I，R，TD式中，PSV为拟速度反应谱，M为震级，R为震源距，L为断层长度，W为断层宽度，I为烈度，T是反应谱周期。!"!现有

7、强震加速度记录中长周期成分的缺失由于强震仪频率响应范围的限制无法记录到超过IOS以上的地面运动成分，在超过5S以上的成分中也存在失真，而且在对加速度记录进行误差修正时将数字化过程所产生的噪声滤出的同时也将地面运动长周期分量滤去了。因图I此多数加速度记录中缺失长周期成份。表I不同震级下强震地面运动富里叶振幅谱值(in/SD震级M45678噪声IO.42.O7.52O.O4O.OO.I~O.4周期/SIO—O.23.O8.O9.OO.4~I.5IOO—O.O2O.855.O7.O—注：噪声指在强震加速度记录数据处理过程中引入的长周期误差!"$关于加速度反应谱长周期段

8、的二次衰减反应谱理论证明