地震设计反应谱、时程分析法和地震动选取与调整

1 前言

“设计反应谱”是为了方便工程师设计提出来的，现阶段我国规范使用的一种抗震设计方法。该方法是对结构抗震一个比较笼统的描述，具体而言，“设计反应谱”是针对某种场地上的地震特性经过多方面中和考虑后的一个偏安全的结果[1]。而对于某些特殊建筑，为更加准确的描述其抗震能力，规范要求采用地震动信号进行“时程分析”，因为“弹塑性的时程分析方法”是建筑结构地震响应和抗震心梗评估最为准确的数值分析方法[1]。而不同的地震动输入，其弹塑性时程分析结果可能相差数十倍。故存在地震动选取的问题。【注意理解三者的内在逻辑】

2 地震动选取方法

地震动选取的基本步骤，地震动初选（一般指基于台站与地震信息的地震动选取，国内现行规范没这个步骤），确定目标谱，地震动调整（见第三部分）。

2.1 曲哲等[1]总结了三类方法（下面仅简单整理，具体看原文）：

（1）基于台站与地震信息的选取方法。台站信息主要是场地条件和震源距等；地震信息主要是震级和震源机制等。

该方法的特点：

一方面排除了不必要的或人为引入的离散性，如过小的地震或极少发生的震源机制下获得的地震动记录、仪器的有效记录频段与仪器安放位置的影响等;

另一方面又希望保留地震动记录本身合理的离散性，包括地震动的频谱与持时特性的差异，以使所建立的地震动选择集可以为评价不同建筑结构的抗震性能提供统一的标准。

该方法往往需要较多的地震记录

（2）基于设计反应谱的选取方法。即是选择地震动的反应谱与设计反应谱尽可能的接近，国内比较推崇文献[2]提出的方法。

主要特点和适用性

基于设计反应谱的地震动记录选取方法与工程结构的动力特性相关，即对不同基本周期的结构，所选地震动记录可能不同。

该方法将与地震动特性有关的一切问题抛给设计反应谱，而设计反应谱实际上只是针对某种场地上的地震动特性经过多方面综合考虑后的一个偏于安全的结果。

这种确定性的表达形式不利于反映地震动合理的离散性。

这种方法主要适用于地震动记录选取数量较少时的工程结构弹塑性时程分析校核（重点是校核，该方法适用于校核）。

BTW 个人总觉得，这么做很BUG，逻辑很难自洽。虽然选择的地震动是用于时程分析，但有种用种用自己验证自己的感觉。

（3）基于最不利地震动的选取。谢礼立，翟长海[3-4]提出，具体看文献。

PS 上面的内容被无数人“借鉴”，但鲜有引用。虽然溯源找到文献[1]，但我已经不确定最早是不是这个文献给出来的了。感叹一下我们的学术规范！如果大段“借鉴”别人的文字，还是要把文献给出来嘛！

2.2 冀昆[5]论述了地震动选取的新发展

研究内容从面向抗震规范目标谱的记录匹配，逐步过渡到考虑地震危险一致性和参数完备性的条件谱与广义条件参数匹配上。

（1）一致危险谱（Uniform Hazard Spectrum）- 这翻译...

抗震设计规范中提供的设计反应谱本质上也是一致危险谱[6]。

（2）条件均值谱 (Conditional Mean Spectrum) [7]

P.S. 地震局工力所温瑞智老师课题组，在地震动选取方面做了很多工作。

3 地震动调整

借鉴文献[8]的框架，说明如下：

（1）线性幅值调整。PGA的缩放方法；有效峰值加速度（EPA）放缩；基于MIV放缩；最小二乘法放缩，核心理解(2-1)。

（2）调整傅里叶频谱法。核心理解（2-16）

（3）叠加小波函数法，Hancock et al,. 2016 [9]。

附：中、美、欧抗震规范，理解不同规范设计反应谱和地震动选取方法。

建筑抗震设计规范(GB 50011-2010)

Minimum design loads and associated criteria for buildings and other structures:ASCE 7-16[S].America:Structural Engineering Institute,2016

Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance

参考文献

[1] 曲哲，叶列平，潘鹏. 2011. 建筑结构弹塑性时程分析中地震动记录选取方法的比较研究，土木工程学报.

[2] 杨溥，李英民，赖明. 2000. 结构时程分析法输入地震波的选择控制指标, 土木工程学报.

[3] 谢礼立，翟长海． 2003. 最不利设计地震动研究．地震学报.

[4] 翟长海，谢礼立． 2005. 抗震结构最不利设计地震动研究．土木工程学报.

[5] 冀昆. 2018. 我国不同抗震设防需求下的强震记录选取研究[D]. 地震局工力所

[6].朱瑞广，于晓辉，吕大刚. 2015. 基于地震动模拟的一致危险谱和条件均值谱生成及应用，工程力学

[7] Jack W. Baker, 2011. Conditional Mean Spectrum: Tool for Ground-Motion Selection. Journal of Structural Engineering.

[8] 宣继赛. 2018. 典型抗震设计规范中强震动记录选取的选取方法及应用[D]. 地震局工力所.

[9] Hancock, Jonathan, Watson-Lamprey, Jennie, brahamson, Norman A. et al. 2006. An improved method of matching response spectra of recorded earthquake ground motion using wavelets, Journal of Earthquake Engineering