呂大剛,王 叢,伊廣麗,喬卓琦
(1 哈爾濱工業(yè)大學(xué)結(jié)構(gòu)工程災(zāi)變與控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150090;2 哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程智能防災(zāi)減災(zāi)工業(yè)與信息化部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150090;3 哈爾濱工業(yè)大學(xué)地震災(zāi)害防治應(yīng)急管理部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 哈爾濱 150090)
地震動(dòng)參數(shù)的確定以及地震動(dòng)記錄的選取和調(diào)整(包括調(diào)幅和譜匹配,本文只討論調(diào)幅),不僅是抗震設(shè)防及傳統(tǒng)抗震設(shè)計(jì)和時(shí)程分析的基礎(chǔ),也是結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)的核心問(wèn)題之一[1-2]。第二代基于性能的地震工程(PBEE)理論框架包括地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)(簡(jiǎn)稱地震動(dòng)參數(shù))、工程需求參數(shù)、損傷參數(shù)和決策變量四個(gè)模塊[3-5]。連接模塊1“地震危險(xiǎn)性”和模塊2“地震需求分析”的,就是地震動(dòng)的選取和調(diào)整(ground motion selection and modification, GMSM)[2]。也就是說(shuō),以地震危險(xiǎn)性分析生成的反應(yīng)譜為目標(biāo)譜,通過(guò)對(duì)地震動(dòng)記錄(實(shí)際的、人工的或合成的)的選取和調(diào)整,結(jié)合各種參數(shù)化的結(jié)構(gòu)非線性動(dòng)力時(shí)程分析技術(shù),得到工程需求參數(shù)EDP(engineering demand parameters)的概率地震需求分析結(jié)果,從而為后續(xù)的模塊3(損傷分析)和模塊4(損失評(píng)估)提供輸入條件。由此可見(jiàn),地震動(dòng)參數(shù)的確定以及地震動(dòng)記錄的選取和調(diào)整是性能化抗震設(shè)計(jì)方法及基于性能地震工程理論的重要組成部分。
當(dāng)前,我國(guó)的地震動(dòng)參數(shù)選取存在嚴(yán)重的不協(xié)調(diào)之處:《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)(簡(jiǎn)稱區(qū)劃圖)主要采用地震動(dòng)峰值加速度PGA(peak ground acceleration),而《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)(簡(jiǎn)稱抗規(guī))主要采用有效峰值加速度EPA(effective peak acceleration),許多學(xué)者已指出這一問(wèn)題[6-9]。而國(guó)際上普遍采用結(jié)構(gòu)基本自振周期T1處的譜加速度Sa(T1)作為地震動(dòng)參數(shù)[10-19],在編制《建筑結(jié)構(gòu)抗震性能化設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(T/CECA 20024—2022)(簡(jiǎn)稱《性能化標(biāo)準(zhǔn)》)時(shí),應(yīng)當(dāng)考慮這一發(fā)展趨勢(shì)。
在以規(guī)范設(shè)計(jì)譜作為目標(biāo)譜選取地震動(dòng)記錄時(shí),各國(guó)抗震規(guī)范中規(guī)定的主要選取思路基本一致,主要包括初選與優(yōu)選兩個(gè)階段,但細(xì)節(jié)要求并不一致,國(guó)外抗震規(guī)范對(duì)調(diào)幅方式、目標(biāo)周期段、頻譜匹配、三維地震動(dòng)輸入條款等方面更為明確。例如:歐洲規(guī)范Eurocode 8[15]規(guī)定調(diào)幅方式采用線性調(diào)幅,目標(biāo)周期段為[0.2T1, 2T1],且所選記錄的均值譜在整個(gè)周期段內(nèi)不低于規(guī)范設(shè)計(jì)譜對(duì)應(yīng)值的90%,三維地震動(dòng)輸入時(shí)不允許單分量記錄同時(shí)作為雙向輸入。美國(guó)規(guī)范ASCE/SEI 7-10[13]規(guī)定調(diào)幅方式為線性調(diào)幅,目標(biāo)周期段為[0.2T1, 2T1],且所選記錄的均值譜在匹配周期段內(nèi)不低于目標(biāo)譜,結(jié)構(gòu)地震動(dòng)的雙向輸入為同一記錄的兩個(gè)正交水平分量;ASCE/SEI 7-16[14]對(duì)選取條款作了進(jìn)一步修訂,規(guī)定除線性調(diào)幅外,還可以修改頻譜以進(jìn)行匹配,目標(biāo)周期范圍最小值為90%質(zhì)量參與系數(shù)振型周期或0.2T1中的較小值,最大值原則上取2T1。新西蘭抗震規(guī)范NZS 1170.5[19]規(guī)定調(diào)幅方式采用兩步調(diào)幅法,并規(guī)定了調(diào)幅系數(shù)的取值范圍,目標(biāo)匹配周期段為[0.4T1, 1.3T1],同樣不允許單分量記錄同時(shí)作為空間結(jié)構(gòu)的雙向輸入。
與國(guó)外規(guī)范相比,我國(guó)抗規(guī)在地震動(dòng)記錄選取和調(diào)幅方面的規(guī)定比較籠統(tǒng),頻譜特性方面要求所選記錄的平均譜與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜在“統(tǒng)計(jì)意義上相符”,即所選記錄的平均反應(yīng)譜與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜相比在結(jié)構(gòu)主要振型周期點(diǎn)處的誤差不大于20%;調(diào)幅方式未作要求,僅規(guī)定所選記錄幅值應(yīng)滿足規(guī)定的目標(biāo)EPA值。此外,彈性時(shí)程分析時(shí)單條記錄所得的底部剪力不低于振型分解反應(yīng)譜結(jié)果的65%,多條記錄所得底部剪力平均值不低于靜態(tài)分析法結(jié)果的80%。該條文僅提供了一般性的規(guī)定,可操作性較差,為此許多學(xué)者開(kāi)展了研究工作。例如,楊溥等[20]提出依據(jù)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜平臺(tái)段和基本周期段進(jìn)行選波的“雙頻段選波法”;鄧軍等[21]則提出將設(shè)計(jì)譜劃分為六個(gè)頻段來(lái)選取實(shí)際地震動(dòng)記錄;肖明葵等[22]考慮了地震動(dòng)持時(shí)這一重要影響因素,提出了在抗規(guī)要求基礎(chǔ)上以地震動(dòng)彈性總輸入能反應(yīng)作為補(bǔ)充指標(biāo)的記錄選取方案;冀昆等[23]利用相對(duì)誤差函數(shù)來(lái)構(gòu)造權(quán)重函數(shù),提出了全周期段優(yōu)化權(quán)重匹配的記錄選取方案。
隨著工程地震學(xué)的快速發(fā)展及工程建設(shè)的實(shí)際需要,場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)(簡(jiǎn)稱地震安評(píng))技術(shù)已經(jīng)得到普及,采用場(chǎng)地相關(guān)的概率地震危險(xiǎn)性分析結(jié)果構(gòu)建目標(biāo)反應(yīng)譜,不僅可以進(jìn)行重要或重大工程的抗震設(shè)計(jì)工作,也可以用于普通建筑,因此也需要對(duì)以場(chǎng)地相關(guān)譜為目標(biāo)譜、考慮實(shí)際場(chǎng)地危險(xiǎn)性的地震動(dòng)記錄選取工作展開(kāi)深入研究。美國(guó)規(guī)范ASCE/SEI 7-10[13]和ASCE/SEI 7-16[14]、高層建筑計(jì)劃(tall building initiative,TBI)的高層建筑抗震性能設(shè)計(jì)指南[16-17]均已采納場(chǎng)地相關(guān)譜作為目標(biāo)譜挑選實(shí)際地震動(dòng)記錄。
為了修正我國(guó)在地震動(dòng)參數(shù)方面的不協(xié)調(diào)之處,反映抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)譜及地震動(dòng)記錄選取和調(diào)幅的最新發(fā)展趨勢(shì),筆者開(kāi)展了有針對(duì)性的研究[24-30],相關(guān)成果主要反映在《性能化標(biāo)準(zhǔn)》第4章的“地震作用”中。
美國(guó)規(guī)范ATC 3-06最早給出了EPA的定義[31]:
(1)
上述定義實(shí)質(zhì)上是0.1~0.5s區(qū)間歸一化的平均譜加速度,也有學(xué)者建議取βmax對(duì)應(yīng)周期的譜加速度直接作為EPA的定義[6-8],即EPA2:
(2)
式中:Sa(T′)為T(mén)′處的譜加速度;T′為βmax對(duì)應(yīng)的周期點(diǎn),通常取T′=0.2s。
筆者從美國(guó)太平洋地震工程研究中心(PEER)的地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)NGA-West 2中下載了38 043條水平向地震動(dòng)記錄[28],對(duì)地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜放大系數(shù)最大值βmax對(duì)應(yīng)的周期T′進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,頻率分布如圖1(a)所示,T′位于0.15s附近區(qū)間即0.05~0.15s和0.15~0.25s區(qū)間的數(shù)量最多,分別為12 420條和11 248條。在周期0.22s附近區(qū)間即0.1~0.3s處的數(shù)量最多,為20 200條。因此,本文取T′=0.2s。分別計(jì)算兩種定義下的EPA,利用離散率(變異系數(shù))表示結(jié)果的離散程度,EPA1的均值為0.026 8,標(biāo)準(zhǔn)差為0.074 5,離散率為2.776;EPA2的均值為0.026 8,標(biāo)準(zhǔn)差為0.071 7,離散率為2.882。顯然,采用式(2)計(jì)算的EPA離散程度大于式(1)。
為進(jìn)一步探討場(chǎng)地類別對(duì)EPA取值的影響,將38 043條地震動(dòng)記錄按等效剪切波速VS30對(duì)應(yīng)不同場(chǎng)地類別分類為四組:VS30在550m/s以上的場(chǎng)地對(duì)應(yīng)于抗規(guī)的Ⅰ類場(chǎng)地;VS30在265~550m/s的場(chǎng)地對(duì)應(yīng)于Ⅱ類場(chǎng)地;VS30在165~265m/s的場(chǎng)地對(duì)應(yīng)于Ⅲ類場(chǎng)地;VS30在165m/s以下的場(chǎng)地對(duì)應(yīng)于Ⅳ類場(chǎng)地。四組記錄分別有10 948、23 162、3 686、242條,分組后再重復(fù)進(jìn)行上述計(jì)算過(guò)程,發(fā)現(xiàn)無(wú)論地震動(dòng)記錄來(lái)自哪類場(chǎng)地,EPA2的離散性均大于EPA1,因此,本文采用式(1)計(jì)算EPA。
基于38 043條實(shí)際地震動(dòng)加速度記錄的反應(yīng)譜,對(duì)βmax進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,結(jié)果如圖1(b)所示。結(jié)果表明:水平向地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜的平均放大系數(shù)最大值為2.78,與我國(guó)第五代區(qū)劃圖及美國(guó)規(guī)范ATC 3-06的建議值2.5更接近,因此本文取βmax=2.5。
根據(jù)按場(chǎng)地分組方式計(jì)算所得的38 043條地震動(dòng)記錄的EPA與PGA數(shù)據(jù),進(jìn)行PGA與EPA的回歸分析,得到如下回歸關(guān)系:
PGA(Ⅰ類場(chǎng)地)=1.169 5EPA+0.000 7
(3)
PGA(Ⅱ類場(chǎng)地)=1.078 2EPA+0.001 2
(4)
PGA(Ⅲ類場(chǎng)地)=1.083 6EPA+0.000 2
(5)
PGA(Ⅳ類場(chǎng)地)=1.167 1EPA-0.002 0
(6)
PGA(不分場(chǎng)地)=1.007 5EPA+0.001 1
(7)
時(shí)程分析用地震加速度時(shí)程的目標(biāo)EPA值見(jiàn)表1??挂?guī)目標(biāo)EPA值等于設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線平臺(tái)段的地震影響系數(shù)最大值αmax除以放大系數(shù)2.25,再乘以重力加速度g,即:
EPA=αmaxg/2.25
(8)
表1 時(shí)程分析用地震加速度時(shí)程的目標(biāo)EPA值/(cm/s2)
由于本文放大系數(shù)βmax取2.5,故在表1基礎(chǔ)上,將每個(gè)目標(biāo)EPA值乘以2.25再除以2.5,得到修正后的目標(biāo)EPA值,見(jiàn)表2。
表2 時(shí)程分析用地震加速度時(shí)程的修正目標(biāo)EPA值/(cm/s2)
抗規(guī)中所給地震動(dòng)參數(shù)是針對(duì)Ⅱ類場(chǎng)地制定的,基于表2給出的修正目標(biāo)EPA值,代入Ⅱ類場(chǎng)地下PGA與EPA的統(tǒng)計(jì)關(guān)系(式(4)),得到對(duì)應(yīng)的時(shí)程分析用地震加速度時(shí)程的目標(biāo)PGA值,見(jiàn)表3。
表3 時(shí)程分析用地震加速度時(shí)程的目標(biāo)PGA值/(cm/s2)
對(duì)于其他三類場(chǎng)地,文獻(xiàn)[28]在第五代區(qū)劃圖宣貫教材[32]中給出的場(chǎng)地調(diào)整系數(shù)基礎(chǔ)上,得到了各類場(chǎng)地不同地震影響下的目標(biāo)PGA取值。
目前,EPA的定義尚未統(tǒng)一,美國(guó)的地震動(dòng)區(qū)劃圖和抗震設(shè)計(jì)推薦條文[10]自2006年之后已經(jīng)棄用EPA參數(shù),改用譜加速Sa(T1);另外,國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界對(duì)于區(qū)劃圖和抗規(guī)中的EPA定義也存在諸多分歧。從式(1)、(2)可以看出,采用EPA對(duì)地震動(dòng)記錄進(jìn)行調(diào)幅,相當(dāng)于對(duì)譜加速度先采用βmax進(jìn)行了一次調(diào)幅,然后再根據(jù)目標(biāo)EPA進(jìn)行二次線性縮放,從而造成地震動(dòng)調(diào)幅操作上的混亂。另外,既然EPA本質(zhì)上是標(biāo)準(zhǔn)化的譜加速度,且主要在譜加速度曲線的平臺(tái)段,不如直接采用譜加速度Sa(T1)更為方便,且適用范圍更廣,這也是目前世界各國(guó)所普遍采用的地震動(dòng)參數(shù)?;诖丝紤],《性能化標(biāo)準(zhǔn)》直接采用譜加速Sa(T1)作為地震動(dòng)參數(shù),而PGA則相當(dāng)于自振周期T1=0時(shí)的譜加速度。
對(duì)比表1和表3可以看出,時(shí)程分析所用地震加速度時(shí)程的目標(biāo)EPA和PGA值相差不大,為簡(jiǎn)便起見(jiàn),《性能化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定將表1的EPA目標(biāo)值直接作為PGA的目標(biāo)值,對(duì)地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線進(jìn)行線性調(diào)幅。
筆者在文獻(xiàn)[28-29]中對(duì)基于抗規(guī)設(shè)計(jì)譜的地震動(dòng)記錄選取(簡(jiǎn)稱選波)方法進(jìn)行了詳細(xì)的研究,具體的選波流程如下:
(1)確定目標(biāo)譜。根據(jù)抗震分析的目的(小震作用下線彈性時(shí)程分析、大震作用下非線性時(shí)程分析)、建筑場(chǎng)地抗震設(shè)防條件(抗震設(shè)防烈度、場(chǎng)地類別、設(shè)計(jì)地震分組)以及建筑結(jié)構(gòu)的自振周期、阻尼比等信息,采用抗規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)譜及對(duì)應(yīng)的水平地震影響系數(shù)最大值αmax,確定地震動(dòng)記錄選取的目標(biāo)譜。
(2)初選地震動(dòng)記錄。地震動(dòng)輸入要求與建筑場(chǎng)地一致的地震場(chǎng)景,通常用包含震級(jí)、距離、場(chǎng)地條件等信息的設(shè)定地震來(lái)表明。但實(shí)際應(yīng)用時(shí),不是每個(gè)場(chǎng)地都具有完整的歷史地震數(shù)據(jù)和地質(zhì)構(gòu)造資料,因此需要找到一個(gè)簡(jiǎn)單的、便于使用的初步確定設(shè)定地震范圍的方法。文獻(xiàn)[28]采用Hong等[33]基于映射法改進(jìn)的中國(guó)分區(qū)烈度預(yù)測(cè)方程,對(duì)震級(jí)、距離和場(chǎng)地參數(shù)等初選條件進(jìn)行了研究。各設(shè)防地震下震級(jí)M的初選范圍見(jiàn)表4,設(shè)計(jì)地震分組在多遇和罕遇地震下的平均初選距離R的范圍見(jiàn)表5、6,場(chǎng)地類別采用地表以下30m的平均剪切波速VS30劃分,見(jiàn)表7。
表4 各設(shè)防地震下震級(jí)M的初選范圍/里氏級(jí)
表5 設(shè)計(jì)地震分組在多遇地震下對(duì)應(yīng)的平均初選距離R的范圍/km
表6 設(shè)計(jì)地震分組在罕遇地震下對(duì)應(yīng)的平均初選距離R的范圍/km
表7 場(chǎng)地類別劃分
根據(jù)上述基本地震信息,即可從國(guó)內(nèi)外公開(kāi)的地震動(dòng)數(shù)據(jù)庫(kù)中初選符合場(chǎng)地條件的地震動(dòng)記錄,作為備選地震動(dòng)記錄數(shù)據(jù)庫(kù)。
(3)對(duì)初選地震動(dòng)記錄進(jìn)行調(diào)幅。由于初選得到的地震動(dòng)記錄很難保證與目標(biāo)譜的譜形匹配,需要經(jīng)過(guò)幅值調(diào)整,在不改變頻譜成分的前提下,使所選記錄的譜形滿足與抗規(guī)設(shè)計(jì)譜的匹配要求??梢愿鶕?jù)結(jié)構(gòu)自振周期的特點(diǎn),選取地震動(dòng)參數(shù)PGA或Sa(T1)對(duì)地震動(dòng)記錄進(jìn)行單點(diǎn)調(diào)幅或區(qū)間多點(diǎn)調(diào)幅,即根據(jù)目標(biāo)PGA或Sa(T1)值,在某個(gè)錨固點(diǎn)(PGA或Sa(T1))或一定區(qū)間范圍,對(duì)備選地震動(dòng)記錄數(shù)據(jù)庫(kù)中所有地震動(dòng)記錄的幅值進(jìn)行線性縮放,使其均等于目標(biāo)值。
(4)確定目標(biāo)譜匹配周期范圍。譜形匹配是將選取的地震動(dòng)記錄通過(guò)一定的調(diào)幅方法調(diào)幅之后與目標(biāo)譜進(jìn)行比較,選出與目標(biāo)譜匹配良好的地震動(dòng)記錄,需要確定地震動(dòng)記錄的匹配周期范圍。筆者在文獻(xiàn)[28]中研究了全周期段匹配、結(jié)構(gòu)基本周期附近局部周期段匹配以及加速度反應(yīng)譜平臺(tái)段和基本周期T1附近周期段的雙頻段匹配等三種方式。
(5)根據(jù)目標(biāo)譜譜形匹配準(zhǔn)則優(yōu)選地震動(dòng)記錄。通常根據(jù)地震動(dòng)記錄反應(yīng)譜和目標(biāo)譜在匹配范圍內(nèi)的誤差平方和SSE(sum of squared errors)作為匹配準(zhǔn)則,優(yōu)選地震動(dòng)記錄。根據(jù)所需記錄的數(shù)目,選取SSE最小的前m條地震動(dòng)記錄用于時(shí)程分析。SSE衡量實(shí)際地震動(dòng)記錄與目標(biāo)譜之間的匹配程度,計(jì)算公式如下:
(9)
式中:SaTarget(Ti)與SaRecord(Ti)分別為匹配周期范圍內(nèi)目標(biāo)譜和實(shí)際地震動(dòng)記錄在離散的周期點(diǎn)Ti處的加速度譜值;SF為調(diào)幅系數(shù);Ti為離散的周期點(diǎn);n為匹配周期范圍內(nèi)的周期點(diǎn)數(shù)量。
為避免最終選取的地震動(dòng)記錄過(guò)多地來(lái)自同一次地震事件,通常要求來(lái)自同一地震事件的地震動(dòng)記錄最多選取2條。此外,根據(jù)抗規(guī)關(guān)于選取地震動(dòng)記錄頻譜特性方面的規(guī)定,需驗(yàn)算所選地震動(dòng)記錄的平均反應(yīng)譜在主要振型周期處與目標(biāo)譜的相對(duì)誤差不超過(guò)20%。
對(duì)于地震動(dòng)記錄的調(diào)幅方法,按照不同調(diào)幅周期范圍可分為單點(diǎn)調(diào)幅和區(qū)間多點(diǎn)調(diào)幅[24]。對(duì)于單點(diǎn)調(diào)幅,常用的地震動(dòng)強(qiáng)度指標(biāo)為PGA和Sa(T1),其錨固點(diǎn)分別為目標(biāo)譜的縱坐標(biāo)PGA和基本周期T1處的譜加速度值,對(duì)應(yīng)的調(diào)幅系數(shù)SFPGA和SFSa分別為:
(10)
(11)
式中PGATarget與PGARecord分別為目標(biāo)峰值加速度(可直接采用表1的目標(biāo)EPA值)和實(shí)際地震動(dòng)記錄的峰值加速度。
對(duì)于區(qū)間多點(diǎn)調(diào)幅,需要先確定地震動(dòng)記錄與目標(biāo)譜的匹配周期范圍,在該區(qū)間內(nèi),采用不同的調(diào)幅方法計(jì)算調(diào)幅系數(shù)。對(duì)于全周期和雙頻段匹配,采用上述兩種單點(diǎn)調(diào)幅方式;當(dāng)匹配周期范圍為[0.2T1,2T1]時(shí),采用以下四種區(qū)間多點(diǎn)調(diào)幅方式[34]:
(1)平均譜比(average spectral ratio, ASR)法。取匹配周期范圍內(nèi)目標(biāo)譜值與實(shí)際地震動(dòng)記錄譜值之比的平均值作為調(diào)幅系數(shù),按下式計(jì)算調(diào)幅系數(shù)SFASR:
(12)
(2)等譜強(qiáng)度(equivalent spectral intensity, ESI)法。使實(shí)際地震動(dòng)記錄在匹配周期范圍內(nèi)所有離散周期處加速度譜值相加之和與相應(yīng)目標(biāo)譜的譜值之和相等,按下式計(jì)算調(diào)幅系數(shù)SFESI:
(13)
(3)最小均方誤差(mean square of errors, MSE)法。使地震動(dòng)記錄和目標(biāo)譜之間的匹配準(zhǔn)則SSE最小:
(14)
按下式計(jì)算調(diào)幅系數(shù)SFMSE:
(15)
(4)最優(yōu)調(diào)幅系數(shù)(optimal scaling factor, OPT)法。采用對(duì)數(shù)誤差平方和SSE作為地震動(dòng)記錄和目標(biāo)譜之間的匹配準(zhǔn)則:
(16)
按下式計(jì)算調(diào)幅系數(shù)SFOPT:
(17)
關(guān)于調(diào)幅系數(shù)的取值范圍,考慮到調(diào)幅系數(shù)過(guò)大可能會(huì)影響反應(yīng)譜的特性,為保證所選記錄本身更接近目標(biāo)譜,筆者建議:當(dāng)?shù)卣饎?dòng)參數(shù)分別為PGA和Sa(T1)時(shí),調(diào)幅系數(shù)上限分別為10和5。
通常采用單自由度體系評(píng)價(jià)地震動(dòng)記錄選取和調(diào)幅的效果。本文選用彈塑性隨動(dòng)強(qiáng)化(EPH)單自由度體系模型,假定阻尼比為5%。參考謝禮立等[35]的劃分方式,將結(jié)構(gòu)按自振周期分為三個(gè)頻段:短周期頻段(0~0.5s)、中周期頻段(0.5~1.5s)和長(zhǎng)周期頻段(1.5~5.5s),建立三個(gè)基本周期分別為0.2、1.0、2.4s的單自由度體系,分別代表其自振周期處于短、中、長(zhǎng)周期頻段的結(jié)構(gòu)。
以單自由度體系最大頂點(diǎn)位移δmax作為響應(yīng)參數(shù),假定結(jié)構(gòu)的彈塑性反應(yīng)服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布,采用幾何平均值估計(jì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)的算術(shù)平均值,采用對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差表征結(jié)果的離散性,計(jì)算公式如下:
(18)
(19)
為了對(duì)不同的地震動(dòng)記錄選取方案進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià),首先將單自由度體系在目標(biāo)地震動(dòng)強(qiáng)度下的響應(yīng)作為基準(zhǔn)值,即進(jìn)行結(jié)構(gòu)“真值”響應(yīng)的預(yù)測(cè)。將不同選波方案選出的地震動(dòng)記錄分別輸入給單自由度體系計(jì)算結(jié)構(gòu)地震響應(yīng),并與基準(zhǔn)值進(jìn)行比較,在結(jié)構(gòu)響應(yīng)均值與“真值”響應(yīng)預(yù)測(cè)值不超過(guò)10%的基礎(chǔ)上,通過(guò)比較結(jié)構(gòu)響應(yīng)的離散性來(lái)評(píng)價(jià)選波效果,離散性越小說(shuō)明選波方案越穩(wěn)定合理。采用文獻(xiàn)[2]提出的比較點(diǎn)(point of comparison, POC)法,通過(guò)大量參數(shù)分析,選用預(yù)測(cè)模型估計(jì)結(jié)構(gòu)在特定地震動(dòng)強(qiáng)度下的“真值”響應(yīng):
E(δmax)=b0+b1lnSa(T1)+b2lnSa(2T1)+
b3ln[Sa(T1)]2+b4ln[Sa(2T1)]2
(20)
式中:E(δmax)為最大頂點(diǎn)位移δmax的數(shù)學(xué)期望,即均值;bk(k=0、1、2、3、4)為回歸系數(shù)。
作為案例分析,假定建筑場(chǎng)地為Ⅱ類,抗震設(shè)防烈度為8度(0.2g),為保證足夠的地震動(dòng)數(shù)目,適度放寬震級(jí)、震中距條件,最終確定震級(jí)、距離及場(chǎng)地條件這三個(gè)參數(shù)的初選范圍如下:震級(jí)M為6~8;震中距R為10~60km;場(chǎng)地條件為260m/s≤VS30≤510m/s。
以NGA-West 2數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ),以震級(jí)、距離、場(chǎng)地類型為選擇條件,選取了623組(1 246條)水平向地震動(dòng)記錄作為調(diào)幅和匹配的初選數(shù)據(jù)庫(kù)。根據(jù)初選條件,共選取了來(lái)自9個(gè)地震事件的118組地震動(dòng)記錄作為樣本(選取記錄的詳細(xì)信息見(jiàn)文獻(xiàn)[29]附錄A),輸入給結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析,并記錄每次分析的響應(yīng)參數(shù)δmax以及每次輸入的地震動(dòng)參數(shù)指標(biāo),即單自由度體系在自振周期T1及兩倍自振周期2T1處的譜值Sa(T1)和Sa(2T1)。將選取的118條地震動(dòng)記錄分別按1、2、4、8的比例系數(shù)縮放后,分別輸入給基本周期為短周期0.2s、中等周期1s和長(zhǎng)周期2.4s的單自由度體系進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析,并按式(20)進(jìn)行結(jié)構(gòu)響應(yīng)的“真值”預(yù)測(cè)。分別按全周期匹配、[0.2T1, 2T1]周期段匹配及雙頻段匹配,采用不同的調(diào)幅方式選取地震動(dòng)記錄,將計(jì)算的實(shí)際結(jié)構(gòu)響應(yīng)與結(jié)構(gòu)“真值”響應(yīng)預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差在10%以內(nèi)的選波和調(diào)幅方案進(jìn)行對(duì)比,如表8所示。
表8 不同匹配范圍及調(diào)幅方式選取地震動(dòng)記錄計(jì)算的結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果對(duì)比
以罕遇地震下抗規(guī)設(shè)計(jì)譜為目標(biāo)譜、匹配范圍采用0~6s全周期段匹配為例,分別對(duì)短、中、長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)在PGA和Sa(T1)兩種調(diào)幅方法下選取14條地震動(dòng)記錄,結(jié)果如圖2所示。
根據(jù)準(zhǔn)確性與離散性兩方面評(píng)價(jià)選波方案,即保證結(jié)構(gòu)響應(yīng)與基準(zhǔn)值相差不超過(guò)10%的基礎(chǔ)上,選取離散性最小的調(diào)幅匹配方式作為最優(yōu)選波方法。根據(jù)表8可知,針對(duì)不同結(jié)構(gòu)周期推薦采用不同的地震動(dòng)記錄選取方式,以使結(jié)構(gòu)時(shí)程分析得到較為準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)響應(yīng)的條件下離散性更小,即:1)當(dāng)結(jié)構(gòu)為短周期時(shí),推薦采用全周期匹配PGA調(diào)幅方式選取地震動(dòng)記錄;2)當(dāng)結(jié)構(gòu)為中周期時(shí),推薦采用雙頻段匹配調(diào)幅的方式選取地震動(dòng)記錄;3)當(dāng)結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)周期時(shí),推薦采用[0.2T1, 2T1]周期段匹配最優(yōu)調(diào)幅系數(shù)調(diào)幅方式選取地震動(dòng)記錄。
根據(jù)上述分析,《性能化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定,對(duì)于小于等于1s的短周期結(jié)構(gòu),采用PGA對(duì)地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線進(jìn)行線性調(diào)幅;對(duì)于中長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu),采用結(jié)構(gòu)基本自振周期T1對(duì)應(yīng)的加速度反應(yīng)譜值Sa(T1)=α(T1)g作為目標(biāo)值,在目標(biāo)周期段內(nèi)采用地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線與設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的誤差平方和SSE最小原則,對(duì)地震動(dòng)加速度時(shí)程曲線進(jìn)行線性調(diào)幅,目標(biāo)周期段選用[0.2T1, 2T1]。
此外,《性能化標(biāo)準(zhǔn)》還采納了廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑工程混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計(jì)規(guī)程》(DBJ/T 15-151—2019)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)地震動(dòng)記錄集的建議。該規(guī)程在附錄C中給出了適用于四類場(chǎng)地、不同場(chǎng)地特征周期和不同結(jié)構(gòu)周期段的地震動(dòng)記錄集(每組20條)。上述標(biāo)準(zhǔn)在地震動(dòng)記錄的調(diào)整方面,均采用地震動(dòng)記錄的峰值(PGA或EPA)進(jìn)行調(diào)幅。當(dāng)不考慮結(jié)構(gòu)基本周期時(shí),可從附錄A中選用與場(chǎng)地地質(zhì)條件相似的遠(yuǎn)場(chǎng)或近場(chǎng)地震動(dòng)時(shí)程;當(dāng)考慮結(jié)構(gòu)基本周期時(shí),可從附錄B中選用與結(jié)構(gòu)基本周期接近、與場(chǎng)地地質(zhì)條件相似的地震動(dòng)時(shí)程。
除以抗規(guī)中的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜作為匹配目標(biāo)譜外,國(guó)內(nèi)外抗震設(shè)計(jì)規(guī)范以及眾多學(xué)者提出了以一致危險(xiǎn)譜(uniform hazard spectrum, UHS)、條件均值譜(conditional mean spectrum, CMS)、條件譜(conditional spectrum, CS)、一致風(fēng)險(xiǎn)譜(uniform risk spectrum, URS)等具有一定概率意義、能反映更多影響因素的場(chǎng)地相關(guān)譜作為目標(biāo)譜。相比抗規(guī)僅以場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組來(lái)考慮結(jié)構(gòu)所在場(chǎng)地的地震環(huán)境,場(chǎng)地相關(guān)譜以實(shí)際場(chǎng)址的地震安評(píng)結(jié)果為基礎(chǔ)來(lái)構(gòu)建,作為目標(biāo)譜選取的地震動(dòng)記錄更為符合目標(biāo)場(chǎng)址的地震危險(xiǎn)性特征。
一致危險(xiǎn)譜(UHS)[1-2]是通過(guò)對(duì)多個(gè)周期的地震動(dòng)參數(shù)(Sa(T1)等)進(jìn)行概率地震危險(xiǎn)性分析,并將具有一致超越概率的譜值連成曲線而獲得。UHS的構(gòu)建比較簡(jiǎn)單,因此作為目標(biāo)反應(yīng)譜在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的實(shí)踐中已經(jīng)使用了20多年,但是其缺點(diǎn)也很明顯:一是比較保守,尤其是對(duì)于地震動(dòng)的極罕遇風(fēng)險(xiǎn)水平,因?yàn)橐粭l地震動(dòng)記錄的高幅值譜值不可能都發(fā)生在所有的周期上;二是其反映的是場(chǎng)地內(nèi)所有地震的綜合信息,不能具體體現(xiàn)某個(gè)單獨(dú)地震的信息,并且挑選的地震動(dòng)往往只是在某一特定周期處與一致危險(xiǎn)譜匹配,在其它周期處未必能夠匹配。
為了克服UHS的缺點(diǎn),Baker提出了條件均值譜(CMS)的概念和構(gòu)建方法[36]。CMS將用戶指定周期的譜加速度全曲線作為條件,然后計(jì)算所有其他周期上的譜加速度平均預(yù)測(cè)值,最后連成曲線而得。CMS不僅可以保證按照其匹配調(diào)整的地震動(dòng)記錄保留原有的特性,而且可以考慮反應(yīng)譜的譜形影響。此外,通過(guò)選擇不同的周期作為條件,CMS還可以考慮結(jié)構(gòu)的高階振型周期以及結(jié)構(gòu)進(jìn)入強(qiáng)非線性階段后有效周期延長(zhǎng)的影響。正是由于CMS具有UHS所不具備的一些優(yōu)點(diǎn),因此CMS一經(jīng)提出,立即受到學(xué)術(shù)界和工程界的廣泛重視[2,11-14],已被2015版和2020版NEHRP抗震設(shè)計(jì)導(dǎo)則(規(guī)范FEMA P-1050-1、FEMA P-2082-1)采納[11-12]。規(guī)范FEMA P-1050-1提出了兩種選擇目標(biāo)反應(yīng)譜的方法:第一種方法只用一條譜,如一致風(fēng)險(xiǎn)的抗震設(shè)計(jì)用風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)向地震動(dòng)參數(shù)(MCER)目標(biāo)譜;第二種方法可以使用多條目標(biāo)譜,并將CMS作為首選的目標(biāo)譜。CMS主要用來(lái)預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的平均反應(yīng),因?yàn)樗鼪](méi)有考慮譜需求的變異性,為了在挑選地震動(dòng)時(shí)進(jìn)一步匹配譜的變異性從而預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)反應(yīng)的概率分布,2011年,Jayaram等[37]在CMS的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步提出了考慮變異性的條件譜(CS)。Lin等[38-39]和NIST報(bào)告[18]對(duì)目標(biāo)條件譜的構(gòu)建做了進(jìn)一步精細(xì)化的研究和處理。
風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)向目標(biāo)譜是進(jìn)行一致風(fēng)險(xiǎn)抗震設(shè)計(jì)的基礎(chǔ),其建立有兩條途徑:風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)法和風(fēng)險(xiǎn)積分法[13-14]。風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)法是在現(xiàn)有的一致危險(xiǎn)性地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖基礎(chǔ)上,乘上考慮不同地區(qū)地震環(huán)境差異(通過(guò)50年1%的倒塌概率調(diào)整以實(shí)現(xiàn)一致風(fēng)險(xiǎn))的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù),得到風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)向概率地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖,再與確定性地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖一起綜合比較,從而得到抗震設(shè)計(jì)用風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)向地震動(dòng)參數(shù)(MCER)區(qū)劃圖。這是一種間接獲取風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)向地震動(dòng)參數(shù)的方法,適合于全國(guó)范圍內(nèi)的抗震設(shè)計(jì)。有了地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖提供的MCER值,即可結(jié)合場(chǎng)地條件直接將抗規(guī)提供的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜作為風(fēng)險(xiǎn)導(dǎo)向目標(biāo)反應(yīng)譜。這也是2015版NEHRP抗震設(shè)計(jì)導(dǎo)則(規(guī)范FEMA P-1050-1)[11]提出的確定目標(biāo)反應(yīng)譜的第一種方法,稱為“MCER目標(biāo)譜”。由于這種反應(yīng)譜是基于一致風(fēng)險(xiǎn)方法所建立的,因此也稱為“一致風(fēng)險(xiǎn)譜(URS)”。
2006年,美國(guó)太平洋地震工程研究中心(PEER)牽頭啟動(dòng)了“高層建筑計(jì)劃(TBI)”,旨在研究高層建筑抗震性能設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。2010年10月,TBI發(fā)布了高層建筑抗震性能設(shè)計(jì)指南1.0版[16],將關(guān)于地震動(dòng)選取的研究成果總結(jié)為第5章“地震輸入”。該指南首次將Baker提出的條件均值譜(CMS)作為地震動(dòng)選取和調(diào)整的一種目標(biāo)譜。由于高層建筑通常要考慮高階振型的影響,因此該指南建議對(duì)于多個(gè)周期,可以采用多個(gè)CMS挑選不同的地震動(dòng)記錄集。2017年5月,TBI將高層建筑抗震性能設(shè)計(jì)指南更新為2.03版[17],將關(guān)于地震動(dòng)的最新研究成果重新總結(jié)為第3章“地震動(dòng)表征”,并進(jìn)一步將Baker等提出的條件譜(CS)作為地震動(dòng)選取和調(diào)幅的一種目標(biāo)譜。
筆者在文獻(xiàn)[29]中,以西安地區(qū)為目標(biāo)場(chǎng)地,選用URS[26]、UHS[24]和CMS[24]作為場(chǎng)地相關(guān)譜。當(dāng)結(jié)構(gòu)基本周期為0.2、1.0、2.4s時(shí),大震作用下西安地區(qū)三種不同的場(chǎng)地相關(guān)譜如圖3所示。由圖3可以看出,三種結(jié)構(gòu)基本周期下,同一地區(qū)的一致危險(xiǎn)譜相較一致風(fēng)險(xiǎn)譜和條件均值譜在整個(gè)周期的譜值都較大,由于一致危險(xiǎn)譜是場(chǎng)地中所有可能設(shè)定地震的包絡(luò)值,因而最為保守;而對(duì)于同一結(jié)構(gòu)周期,一致風(fēng)險(xiǎn)譜的譜值在短周期段比條件均值譜的譜值稍大,在中長(zhǎng)周期段內(nèi)兩目標(biāo)譜基本一致或條件均值譜的譜值稍大。
以[0.2T1, 2T1]周期段匹配為例,共選取PGA、Sa(T1)兩種單點(diǎn)調(diào)幅方式及四種多點(diǎn)調(diào)幅方式對(duì)三個(gè)單自由度體系進(jìn)行地震動(dòng)記錄選取,T1=1.0s的結(jié)果如圖4所示。
將三種周期結(jié)構(gòu)在不同調(diào)幅方式下挑選的地震動(dòng)記錄分別輸入給單自由度體系,經(jīng)時(shí)程分析后得到最大頂點(diǎn)位移的幾何平均值、與目標(biāo)結(jié)構(gòu)響應(yīng)預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差和對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差,見(jiàn)表9。
表9 基于場(chǎng)地相關(guān)譜挑選地震動(dòng)的時(shí)程分析最大頂點(diǎn)位移結(jié)果
由時(shí)程分析結(jié)果可知,當(dāng)結(jié)構(gòu)為0.2s短周期時(shí),采用Sa(T1)調(diào)幅選取地震動(dòng)記錄計(jì)算的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與基準(zhǔn)值相對(duì)誤差僅為1.84%,其余五種調(diào)幅方式中僅有最小平方誤差調(diào)幅一種計(jì)算的結(jié)構(gòu)響應(yīng)相對(duì)誤差在10%以內(nèi),采用PGA調(diào)幅得到的相對(duì)誤差略大于10%,但其對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差最??;當(dāng)結(jié)構(gòu)處于1.0s中周期時(shí),除采用PGA調(diào)幅選取記錄計(jì)算的結(jié)構(gòu)響應(yīng)均值與基準(zhǔn)值超過(guò)了10%外,采用Sa(T1)單點(diǎn)調(diào)幅或四種區(qū)間多點(diǎn)調(diào)幅選取記錄計(jì)算的結(jié)構(gòu)響應(yīng)均值與結(jié)構(gòu)“真值”響應(yīng)的預(yù)測(cè)值相對(duì)誤差都在10%以內(nèi);當(dāng)結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)周期2.4s時(shí),采用PGA與最小平方誤差調(diào)幅選取記錄計(jì)算的結(jié)構(gòu)響應(yīng)均值與基準(zhǔn)值的誤差超過(guò)了10%。
綜合對(duì)不同地震動(dòng)記錄選取方案的對(duì)比分析,依據(jù)結(jié)構(gòu)響應(yīng)與基準(zhǔn)值相對(duì)誤差在10%以內(nèi)離散性最小的原則,建議當(dāng)以一致風(fēng)險(xiǎn)譜作為目標(biāo)譜且當(dāng)結(jié)構(gòu)為短周期時(shí),采用PGA調(diào)幅全周期匹配的方式選取地震動(dòng)記錄;當(dāng)結(jié)構(gòu)為中周期時(shí),采用Sa(T1)調(diào)幅[0.2T1, 2T1]周期段匹配的方式選取地震動(dòng)記錄;當(dāng)結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)周期時(shí),采用等譜強(qiáng)度調(diào)幅[0.2T1, 2T1]周期段匹配的方式選取地震動(dòng)記錄。
為了反映地震安評(píng)的最新成果,參考美國(guó)規(guī)范ASCE/SEI 7-10[13]、ASCE/SEI 7-16[14]和TBI性能化設(shè)計(jì)導(dǎo)則[16-17],《性能化標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定對(duì)已進(jìn)行地震安評(píng)的建筑場(chǎng)地,設(shè)計(jì)地震動(dòng)加速度時(shí)程可按場(chǎng)地地震安評(píng)的結(jié)果確定。當(dāng)采用地震安評(píng)的結(jié)果確定地震動(dòng)參數(shù)時(shí),規(guī)定可采用地震安評(píng)得到的一致危險(xiǎn)譜(UHS)或條件均值譜(CMS)作為設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。
本文以《性能化標(biāo)準(zhǔn)》的編制為背景,參考國(guó)內(nèi)外抗震設(shè)計(jì)規(guī)范或指南的最新發(fā)展趨勢(shì),針對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的確定以及地震動(dòng)記錄的選取和調(diào)幅問(wèn)題,開(kāi)展了專題研究,得到如下結(jié)論:
(1)我國(guó)現(xiàn)行抗規(guī)的EPA和PGA值相差不大,建議取消EPA,直接用基本周期譜加速度Sa(T1)替代EPA參數(shù),PGA相當(dāng)于基本周期T1=0時(shí)的譜加速度。通過(guò)這種方式,不僅可以消除EPA和PGA之間的不協(xié)調(diào)之處,而且也能取得PGA和Sa(T1)的協(xié)調(diào)和統(tǒng)一,并符合國(guó)際的最新發(fā)展趨勢(shì)。
(2)將抗規(guī)設(shè)計(jì)譜作為目標(biāo)譜選波時(shí),宜根據(jù)震級(jí)、距離和場(chǎng)地參數(shù)等條件初選地震動(dòng)記錄作為備用數(shù)據(jù)庫(kù),再根據(jù)地震動(dòng)記錄反應(yīng)譜和目標(biāo)譜在匹配范圍內(nèi)的誤差平方和SSE作為譜形匹配準(zhǔn)則優(yōu)選地震動(dòng)記錄。
(3)若建筑場(chǎng)地有地震安評(píng)結(jié)果,可以采用一致危險(xiǎn)譜(UHS)、條件均值譜(CMS)、條件譜(CS)、一致風(fēng)險(xiǎn)譜(URS)等場(chǎng)地相關(guān)譜作為目標(biāo)譜,優(yōu)選地震動(dòng)記錄。
(4)對(duì)于地震動(dòng)記錄的線性調(diào)幅,建議對(duì)短周期結(jié)構(gòu),采用PGA進(jìn)行調(diào)幅;對(duì)于中長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu),采用Sa(T1)進(jìn)行調(diào)幅,目標(biāo)周期段建議選用[0.2T1, 2T1]。當(dāng)?shù)卣饎?dòng)參數(shù)分別為PGA和Sa(T1)時(shí),建議調(diào)幅系數(shù)上限分別為10和5。