一种结构地震反应分析中地震波的选取及调整方法技术

本发明专利技术公开一种结构地震反应分析中地震波的选取及调整方法，包括以下步骤：步骤一，结合地震动反应谱谱型特点和自定义的结构动力放大系数，选取梁桥结构自振周期Tn对比区间；步骤二，选取地震动反应谱高频段对比区间；步骤三，分别计算出天然波反应谱曲线和目标谱曲线在两个对比区间所对应的面积比KN和KT；步骤四，选取合格的天然地震波（0.8≤KT/KN≤1.2）；设定调整系数，使天然地震波在两个区段的反应谱面积接近目标谱面积；以桥墩的反应作为研究对象，对桥梁进行动力弹塑性分析。该方法通过双参数选波原则，大大减小了地震波选取工作的难度，能确保桥梁地震动时程分析结果的可靠性，是一种实用的地震波选择及调整方法。

【技术实现步骤摘要】
一种结构地震反应分析中地震波的选取及调整方法
本专利技术属于桥梁结构抗震设计领域，尤其涉及一种结构地震反应分析中地震波的选取及调整方法，其技术可用于桥梁抗震设计时程分析中天然地震波的选择及调整。
技术介绍
桥梁是“生命线工程”的关键部分，在地震发生后的紧急救援和抗震救灾、灾后恢复重建中具有极其重要的地位。强烈的地震可能导致桥梁受到严重损伤和倒塌，造成交通中断，使抗震救灾工作受阻，以致造成生命和财产的更大损失，使震害程度扩大。我国新颁布的《公路桥梁抗震设计细则》(JTG/TB02-01-2008)将桥梁分为A、B、C、D四个类别，并且规定对于A、B、C三类桥梁均需要进行E1和E2地震作用下的抗震设计，其推荐的计算方法为多振型反应谱法(规则桥梁)和非线性时程分析方法(非规则桥梁)。这三类桥梁涵盖了我国二级及以上公路的所有桥梁和三、四级公路上的大桥，囊括了近乎所有的桥梁。时程分析方法已经成为桥梁结构地震响应分析最为常用的方法。影响时程分析结果的因素有很多，诸如地震动输入、材料特性、结构的阻尼、边界条件的模拟等等，这些因素均存在一定的变异特性，但是地震动输入对桥梁非线性时程分析结果的影响最大。我国由于强地面运动观测数据比较缺乏，而场地地震安全性专项评估仅仅针对一些比较重要的工程项目才进行，因此，多数设计人员在进行时程分析时往往采用个别典型的强震记录，如天津波、ElCentro波等。虽然时程分析是一种比较准确的地震反应分析方法，但其准确性是针对某一固定的地震波而言的。地震波受到震源、场地特性、传播介质等多种因素的影响，具有很大的不确定性。不同的地震波差异很大，即使是在同一台站观测的不同时间段的地震波也可能极不相似。采用不同的地震波所得到的时程分析结果往往差异巨大，如何选择合适的地震动输入成为提高时程分析准确性的基础。人工地震动模拟已经有近20年的发展，效果都不是很理想，而且到目前为止地震记录都很缺乏，人工地震动模拟已经成为地震工程设计中不可或缺的部分，也是区域地震评价中必须的组成部分。除此之外，如果要求天然地震波在各周期与目标谱均具有较高的一致性，选波工作的困难将更大甚至不可能完成。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，在抗震设计规范基本原则的基础上，结合地震波的特性和结构动力原理，提供了出一种实用的，且能降低时程分析方法分析结果离散性的梁桥结构在地震反应分析中地震波选择方法和调整方法。为了实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种结构地震反应分析中地震波的选取及调整方法，其特征在于，依次包括以下步骤：步骤一，结合地震动反应谱谱型特点和自定义的结构动力放大系数，选取梁桥结构自振周期Tn对比区间；具体为：首先根据有阻尼体系的简谐荷载反应计算原理，将梁桥结构稳态反应的振幅u0与梁桥结构的等效静位移ust之比定义为梁桥结构的动力放大系数Rd，即：式中，ω/ωn为频率比，即外荷载激振频率与梁桥结构自振频率之比，ζ为梁桥结构的阻尼比；根据式(1)画出Rd-ω/ωn曲线图，由Rd-ω/ωn曲线的覆盖范围，ω/ωn关注区间确定为梁桥结构自振周期Tn的0.7-1.3倍之间，并将这个区间段定义为低频段第一对比区间；(从公式(1)中可以看出动力放大系数Rd仅与结构的阻尼比和频率比相关，当ω/ωn趋近于1时，体系发生共振，是输入荷载最应该受到关注的频段区间。)步骤二，选取地震动反应谱高频段对比区间；即：根据我国桥梁抗震细则中设计反应谱的峰值区间定义及设计反应谱的关系曲线，将0.1s至特征周期Tg这个区间定义为地震动反应谱高频段第二对比区间；步骤三，对地震动反应谱曲线进行量测，把反应谱曲线与周期坐标所围的面积作为表征反应谱的参数：计算出天然地震波反应谱曲线在步骤一、步骤二定义的两个对比区间的面积，并将天然地震波反应谱曲线在0.1s-Tg之间所包围的面积定义为SN1和在0.7Tn-1.3Tn之间所包围的面积定义为SN2，两个对比区间的面积比为KN＝SN1/SN2；计算出设计反应谱曲线(即目标谱曲线)在步骤一、步骤二定义的两个对比区间的面积ST1和ST2，面积比为KT＝ST1/ST2；步骤四，选取合格的天然地震波，其判定准则为设计反应谱和天然地震波反应谱高频段所包围的面积与低频段所包围的面积的比值差异在±20％之间，即：0.8≤KT/KN≤1.2(2)设定调整系数K1，即：对所选取的合格的天然地震波反应谱各控制点谱值进行调整，使天然地震波反应谱曲线在两个对比区间的面积分别尽量接近设计反应谱曲线在两个对比区间的面积，即使K1趋于1；然后计算梁桥结构在地震动作用下的结构响应，即以桥墩的反应作为研究对象，开始对桥梁进行动力弹塑性分析，分析桥墩墩底弯矩、墩底剪力和墩顶位移。分析结束后，可以采用墩底弯矩、剪力和墩顶位移的变异系数σ/μ作为判定地震波调整方法的优、劣；即：变异系数σ/μ越大，计算结果越离散，变异系数σ/μ越小，计算结果越一致。作为本专利技术的进一步说明，以上所述的地震动反应谱谱型特点为：在简谐荷载作用下，体系振动由瞬态反应uc和稳态反应up两部分组成，瞬态反应项会在阻尼的作用下很快衰减，系统振动很快将仅有稳态部分，如公式(4)：u(t)＝up＝u0sin(ωt-φ)(4)其中：系数作为本专利技术的进一步说明，以上所述的结构的阻尼比ζ采用钢筋混凝土梁桥结构常用阻尼比为0.05，将其代入公式(1)中计算并绘制相应的Rd-ω/ωn曲线。作为本专利技术的进一步说明，以上所述的Rd-ω/ωn曲线的覆盖范围是根据公式(1)绘制出动力放大系数Rd与频率比ω/ωn的曲线关系，将动力放大系数Rd控制在2.0附近，以此为原则，ω/ωn关注区间确定为梁桥结构自振周期Tn的-30％到20％之间，或拓展增至ω/ωn＝0.7-1.3之间，将这个区间定义为低频段第一对比区间，即梁桥结构自振周期Tn对比区间。按照桥梁的抗震设计原理，能力保护设计原则和延性设计已经深入人心，对于普通桥梁来说，常通过桥梁墩柱的延性变形来获得桥梁对大震的抵御能力。也就是说，桥梁结构在大震作用下，墩柱构件容易遭到不同程度的损伤，如截面开裂、主筋屈服等，导致桥墩刚度退化，桥梁结构自振周期延长，亦即结构自振频率ωn变小，频率比ω/ωn变大。由此可将关注区间适当拓展，增至ω/ωn＝0.7-1.3之间，将这个区间定义为低频段第一对比区间。作为本专利技术的进一步说明，以上所述的我国桥梁抗震细则中设计反应谱的峰值区间是从0.1s至特征周期Tg，特征周期Tg的大小与桥梁所在的场地相关，场地的剪切波速越大，其特征周期越小，反之亦然；所述得的设计反应谱的关系曲线为梁桥结构不同周期与绝对加速度最大反应量的关系曲线。地震动反应谱包括天然地震波反应谱和设计反应谱(目标谱)。地震反应谱earthquakeresponsespectrum，就是单自由度弹性系统对于某个实际地震加速度的最大反应(可以是加速度、速度和位移)和体系的自振特征(自振周期或频率和阻尼比)之间的函数关系。由于地震的作用，建筑物产生位移、速度和加速度。人们把不同周期下建筑物反应值的大小画成曲线，这些曲线称为反应谱。也就是说反应谱是在给定的地震加速度作用期间内，单质点体系的最大位移反应、速度反应和加速度反应随质点自振周期变化的曲线。用作计算在地震本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种结构地震反应分析中地震波的选取及调整方法，其特征在于，依次包括以下步骤：步骤一，结合地震动反应谱谱型特点和自定义的结构动力放大系数，选取梁桥结构自振周期Tn对比区间；具体为：首先根据有阻尼体系的简谐荷载反应计算原理，将梁桥结构稳态反应的振幅u0与梁桥结构的等效静位移ust之比定义为梁桥结构的动力放大系数Rd，即：(1)式中，ω/ωn为频率比，即外荷载激振频率与梁桥结构自振频率之比，ζ为梁桥结构的阻尼比；根据式（1）画出Rd‑ω/ωn曲线图，由Rd‑ω/ωn曲线的覆盖范围，ω/ωn关注区间确定为梁桥结构自振周期Tn的0.7‑1.3倍之间，并将这个区间段定义为低频段第一对比区间；步骤二，选取地震动反应谱高频段对比区间；即：根据我国桥梁抗震细则中设计反应谱的峰值区间定义及设计反应谱的关系曲线，将0.1s至特征周期Tg这个区间定义为地震动反应谱高频段第二对比区间；步骤三，对地震动反应谱曲线进行量测，把反应谱曲线与周期坐标所围的面积作为表征反应谱的参数：计算出天然地震波反应谱曲线在步骤一、步骤二定义的两个对比区间的面积，并将天然地震波反应谱曲线在0.1s‑Tg之间所包围的面积定义为SN1和在0.7Tn‑1.3Tn之间所包围的面积定义为SN2，两个对比区间的面积比为KN=SN1/ SN2；计算出设计反应谱曲线在步骤一、步骤二定义的两个对比区间的面积ST1和ST2，面积比为KT=ST1/ ST2；步骤四，选取合格的天然地震波，其判定准则为设计反应谱和天然地震波反应谱高频段所包围的面积与低频段所包围的面积的比值差异在±20%之间，即：0.8≤KT/KN≤1.2                                      (2)设定调整系数K1，即：(3)对所选取的合格的天然地震波反应谱各控制点谱值进行调整，使天然地震波反应谱曲线在两个对比区间的面积分别尽量接近设计反应谱曲线在两个对比区间的面积，即使K1趋于1；然后以桥墩的反应作为研究对象，开始对桥梁进行动力弹塑性分析，分析桥墩墩底弯矩、墩底剪力和墩顶位移。...

【技术特征摘要】
1.一种结构地震反应分析中地震波的选取及调整方法，其特征在于，依次包括以下步骤：步骤一，结合地震动反应谱谱型特点和自定义的结构动力放大系数，选取梁桥结构自振周期Tn对比区间；具体为：首先根据有阻尼体系的简谐荷载反应计算原理，将梁桥结构稳态反应的振幅u0与梁桥结构的等效静位移ust之比定义为梁桥结构的动力放大系数Rd，即：(1)式中，ω/ωn为频率比，即外荷载激振频率与梁桥结构自振频率之比，ζ为梁桥结构的阻尼比；根据式（1）画出Rd-ω/ωn曲线图，由Rd-ω/ωn曲线的覆盖范围，ω/ωn关注区间确定为梁桥结构自振周期Tn的0.7-1.3倍之间，并将这个区间段定义为低频段第一对比区间；步骤二，选取地震动反应谱高频段对比区间；即：根据我国桥梁抗震细则中设计反应谱的峰值区间定义及设计反应谱的关系曲线，将0.1s至特征周期Tg这个区间定义为地震动反应谱高频段第二对比区间；步骤三，对地震动反应谱曲线进行量测，把反应谱曲线与周期坐标所围的面积作为表征反应谱的参数：计算出天然地震波反应谱曲线在步骤一、步骤二定义的两个对比区间的面积，并将天然地震波反应谱曲线在0.1s-Tg之间所包围的面积定义为SN1和在0.7Tn-1.3Tn之间所包围的面积定义为SN2，两个对比区间的面积比为KN=SN1/SN2；计算出设计反应谱曲线在步骤一、步骤二定义的两个对比区间的面积ST1和ST2，面积比为KT=ST1/ST2；步骤四，选取合格的天然地震波，其判定准则为设计反应谱和天然地震波反应谱高频段所包围的面积与低频段所包围的面积的比值差异在±20%之间，即：0.8≤KT/KN≤1.2(2)设定调整系数K1，即：(3)对所选取的合格的天然地...

【专利技术属性】
技术研发人员：张云，周晓蓉，谭平，马玥，
申请(专利权)人：广西交通科学研究院，
类型：发明
国别省市：广西;45