基于谱分析的振动台试验地震波选取方法研究.pdf

第 39 卷 第 3 期2023 年 6 月北 京 建 筑 大 学 学 报Journal of Beijing University of Civil Engineering and ArchitectureVol.39No.3Jun.2023摇 摇 文章编号:2096-9872(2023)03-0045-09基于谱分析的振动台试验地震波选取方法研究张国伟1,2,摇 汪浩强1,2,摇 胡宝琳3,摇 李建赢4(1.北京建筑大学 工程结构与新材料北京市高等学校工程研究中心,北京摇 100044;2.北京建筑大学 大型多功能振动台阵实验室,北京摇 100044;3.上海大学 力学与工程科学学院,上海摇 200444;4.中国建筑科学研究院有限公司,北京摇 100013)摘摇 要:振动台试验是目前研究结构地震响应和破坏机理的重要方法之一。不同地震动下的结构响应往往存在较大差距,这对结构抗震性能的研究和评价产生较大影响。因此如何选取一定数量合适的地震波,成为试验的关键。由此提出一种基于地震动加速度反应谱与功率谱密度选波方法:将地震动反应谱在结构基本周期附近段T1-0郾 25驻T1,T1+0郾 25驻T1与设计反应谱进行对比分析,要求该周期段单条波允许误差不超过 25%,多条波的平均误差不超过 15%;对比计算模型结构一阶频率下的加速度功率谱密度值,按结构是否考虑最不利状态选取密度值合适的地震动。通过振动台试验对选波方法进行验证,试验结果表明:按此选波方法选取的地震波可以得到较理想的结构响应,说明此地震波选取方法具有一定的合理性,可用于振动台模型试验时地震波的选取。关键词:选波;反应谱;功率谱密度;结构响应中图分类号:TU352郾 1+1文献标志码:ADOI:10.19740/j.2096鄄9872.2023.03.06摇 摇 收稿日期:2023-02-19基金项目:国家科技重大专项(2018ZX06001001)。第一作者简介:张国伟(1979),男,博士,教授,研究方向:结构抗震、结构加固、装配式建筑及其力学性能方面。通信作者简介:胡宝琳(1980),男,博士,讲师,研究方向:结构抗震、水工结构及其力学性能方面。Research on Selection Method of Shaking Table Test Seismic WaveBased on Spectrum AnalysisZHANG Guowei1,2,WANG Haoqiang1,2,HU Baolin3,LI Jianying4(1.Beijing Higher Institution Engineering Research Center of Civil Engineering Structure and Renewable Material,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044;2.Multi鄄Functional Shaking Tables Laboratory,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044;3.School of Mechanics and Engineering Science,Shanghai University,Shanghai 200444;4.China Academy of Building Research,Beijing 100013)Abstract:Shaking table test is currently one of the important methods for studying the seismic responseand failure mechanism of structures.There is often a large gap in the structural response under differentground motions,which has a great impact on the study and evaluation of structural seismic performance.Therefore,how to select a certain number of appropriate seismic waves becomes the key to the test.Thus,a wave selection method based on ground acceleration response spectrum and power spectrumdensity is proposed:the response spectrum of ground motion near the basic period of the structure T1-0郾 25驻T1,T1+0郾 25驻T1 with the design response spectrum is compared and analysed.It is required that北 京 建 筑 大 学 学 报第 39 卷the allowable error of a single wave in this period does not exceed 25%,and the average error of multiplewaves does not exceed 15%;the acceleration power spectral density value at the first鄄order frequency ofthe model structure is compared and calculated,and the ground motion with appropriate density valueaccording to whether the structure considers the most unfavorable state is selected.The wave selectionmethod is verified by the shaking table test of the model.The test results show that the seismic waveselected according to this wave selection method can obtain a more ideal structural response,indicatingthat this seismic wave selection method is rational and can be used to select the seismic wave in thevibration platform model test.Keywords:wave selection;response spectrum;power spectral density;structural response摇 摇 模拟地震振动台试验是研究结构地震破坏模式、评价结构抗震性能的重要手段及方法。通过分析不同地震动下的结构响应,评价结构的抗震性能,提出合理的结构抗震建议及措施。不同地震动作用下的结构响应往往存在较大差距,周坚等1对核桶悬挂结构进行振动台试验,发现模型在不同地震波下响应差别明显,最大达到了 5郾 51倍。因此明确结构响应与地震动输入之间的关系,根据结构选择合适的地震动对振动台试验具有实用意义。目前国内外关于地震波选取方法的研究主要与地震反应谱理论相关,而与功率谱等方面的研究较少,在工程实践中常常只是依据当地的抗震规范进行选波,很多工程中更是直接采用了国内外的“典型地震记录冶进行试验,导致无法得到理想的结构反应2-3。欧洲规范要求在设计反应谱0郾 2T1,2T1周期段内所选择地震波的平均反应谱值不应小于目标反应谱值的 90%,且在所选择的周期段中的地震波的平均反应谱值不应小于场地设计地面加速度与场地系数的乘积4;美国规范则要求所选地震波的几个重要相关参数与当地最大地震的场地条件相符合,且在0郾 2T1,1郾 5T1周期段内与目标反应谱的相对误差不超过15%5;而我国 GB 500112010建筑抗震设计规范6给出的时程分析法选取地震波的准则要求,单条地震波在结构主要振型周期点上的平均地震影响系数曲线与设计反应谱对应值相比不大于 30%,多条地震波的平均地震影响系数曲线与设计反应谱对应值相比不大于 20%,使选取的地震波与设定地震环境及水平保持一致。为了达到更好的选波效果,冀昆等7结合了我国、欧洲以及美国规范,将单频段的范围扩大至 0郾 01 s,0郾 60 s,要求平均反应谱相对误差整体控制在 20%的水平,最大相对误差不超过 30%,这几乎涵盖了设计谱的全周期段。而 KATSANOS 和 LOMBARDI等8-9则是引入权重系数,降低了结果的离散性,以提高分析的可靠度。同时在国内,由于双频段选波法10-12满足抗规要求,且精度较高,也获得了广泛认可。但无论是各国基于抗规的选波方法还是国内的双频段选波方法均有一定的局限性:第一,基于美国规范、欧洲规范的单频段选波方法以及国内的双频段选波方法对地震波的精度要求过高,而现有的地震记录数量有限,无法满足每个结构的选波要求;第二,基于我国抗规的选波方法,仅要求了在统计意义上相符,而对控制周期段范围并没有做出具体的规定;第三,目前的选波方法主要基于反应谱理论,探究结构的受力情况,而未充分考虑结构的变形,导致经常会出现地震波符合反应谱拟合度,结构动力响应却达不到理想的情况,这对结构的抗震性能研究产生了影响。在进行动力时程分析时,应不仅考虑结构的受力,也需考虑结构的变形,其中力主要与加速度相关,而位移或变形则与能量密切相关。为了充分考虑结构的变形与受力,且可以选取到合适数量的地震波,本文提出一种选波方法:对频段进行了缩减,并在地震波反应谱符合拟合度要求的基础上,同时考虑了地震动加速度功率谱密度差异带来的对结构响应的影响(地震波在结构自振频率处的功率谱密度值越高,能量越高,结构动力响应越大),根据结构是否考虑最不利状态选取功率谱密度值合适的地震波13,并用振动台试验对该选波方法的合理性进行了验证。64摇 第 3 期张国伟,等:基于谱分析的振动台试验地震波选取方法研究1摇 振动台试验地震波选取方法1郾 1摇 振动台试验特点振动台试验是研究结构地震反应和破坏机理的方法。它将模型固定于振动台上,向振动台台面输入地震波进行地震模拟,从而能够直接观察到结构在地震作用下变形特征以及破坏现象,进而计算得到结构的地震响应14。在该类试验中,地震波的选取将直接影响到模型的地震响应。一方面如果所选地震波无法有效激励起模型响应,将对结构抗震性能评价产生影响。另一方面如果结构为一般结构,而选取的地震波使模型产生过大的地震反应,会对结构进行抗震设计造成资源浪费。1郾 2摇 振动台试验选波流程为使结构能够得到理想的动力响应,更好地研究及评价结构的抗震性能,本文提出一种结合地震动加速度功率谱密度与反应谱双重判断的选波方法。地震波的选择流程如下:第 1 步:根据结构所处场地类别和设防烈度确定设计反应谱。第 2 步:对选取的地震波进行反应谱分析,并与设计反应谱绘制于同一图中比较,将各地震动反应谱在基本周期附近的T1-0郾 25驻T1,T1+0郾 25驻T1段与设计反应谱进行拟合,要求该阶段单条波允许的相对误差在25%以内,多条波的平均误差在15%以内。第 3 步:使用 Matlab 软件计算得到各地震波的加速度功率谱密度图,对比在结构一阶自振频率下的各加速度功率谱密度,根据结构是否需要考虑最不利设计选取出数值合适的地震波。第 4