CN107589445A - 一种基于设定反应谱的多段天然地震动合成方法 - Google Patents
一种基于设定反应谱的多段天然地震动合成方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及土木建筑工程技术领域，具体涉及一种基于设定反应谱的多段天然地震动合成方法,通过在收集大量天然的原始地震动记录，并通过特定的方法筛选出其中的符合条件的地震波片段，并合成一条最接近目标设计反应谱的合成反应谱，该合成方法遵循地震动反应谱与场地目标设计反应谱近似一致的原则，且合成的地震动能保持天然地震动记录所具有的频域非平稳特性，适用于相同设防烈度和场地条件的所有结构形式的抗震分析。
Description
技术领域
本发明涉及土木建筑工程技术领域，具体涉及一种基于设定反应谱的多段天然地震动合成方法。
背景技术
时程分析方法是目前最为精准的抗震分析方法，其分析结果的准确性在很大程度上取决于输入地震动的选取，合理选择用来进行时程分析的地震动至关重要。若在拟建场地上有实际的地震动记录可供选用，是最理想的情况，但通常情况下拟建场地上并未得到所需地震动记录。尽管世界范围内现有记录到的实际地震动数量已大大增加，一些典型的强震记录可以作为输入地震动，但我国地震动记录相对其它发达国家比较缺乏，且地震动记录所处场地条件与拟建工程场地条件有很大差异，使得已有地震动记录仍不能满足抗震分析的要求，因此，在工程实际计算中，需使用人工模拟地震动进行抗震分析补充。目前人工地震动是利用计算机数值模拟合成地震动，常用模拟方法只考虑与抗震规范设计反应谱符合较好(幅频特性)，而忽视了天然地震动所具有的频域非平稳特性，所模拟的地震动与实际的天然地震动记录差异较大。
各国建筑抗震规范对地震动的选取，需考虑地震动环境特性，中国抗震规范还需考虑与结构基底剪力响应统计规律的一致性，涉及设防烈度、场地特征和结构周期等因素。选择一条既符合设定反应谱特征和场地环境特征，又具有天然地震动频域非平稳特征的地震动，是一个世界难题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于设定反应谱的多段天然地震动合成方法，该合成方法遵循地震动反应谱与场地目标设计反应谱近似一致的原则，且合成的地震动能保持天然地震动记录所具有的频域非平稳特性，适用于相同设防烈度和场地条件的所有结构形式的抗震分析。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于设定反应谱的多段天然地震动合成方法，包括如下步骤，
S1.收集大量天然的原始地震动记录；
S2.确定所有原始地震动记录中的最大加速度值，将所有原始地震动记录按照最大加速度值调幅统一，确定每条原始地震动记录调幅后的加速度反应谱，记为地震动记录加速度反应谱；
S3.依据建筑抗震设计规范，确定目标设计加速度反应谱；
S4.将目标设计加速度反应谱和地震动记录加速度反应谱按照全周期分为多个连续区间，并在每个周期区间内，求地震动记录加速度反应谱与目标设计加速度反应谱的差值均方根，并找出各周期区间上差值均方根最小的一条地震动记录，记为最小地震动记录；
S5.采用逐次逼近的方法，确定最小地震动记录的最短主控段，使得在规定周期区间内，最小地震动记录的最短主控段与原始地震动记录加速度反应谱的差值均方根最小；
S6.计算规定周期区间内，每条最小地震动记录的最短主控段与设定加速度反应谱平均相对差值
Tm和Tn分别为规定周期区间起始点和终止点，Sapart(Ti)为最小地震动记录的最短主控段在周期点Ti的谱值，Saset(Ti)为设定加速度反应谱在周期点Ti的谱值，设定精度值，δ应小于等于设定精度值，若δ不满足，若δ不满足设定精度要求，则计算最小地震动记录的次最短主控段与设定加速度反应谱平均相对差值，依次类推，直到选出满足精度的最小地震动记录加速度反应谱时程；
S7.将步骤S6中选出的满足精度的最小地震动记录加速度反应谱时程，按照反应谱周期区间顺序依次连接，组合成一条基于目标设定反应谱的多段天然地震动。
进一步地，所述规定周期可以是反应谱的全周期区间，也可以是反应谱的分段周期区间。
进一步地，所述步骤S6中设定加速度反应谱可以是全周期区间的目标设计加速度反应谱或原始地震动加速度反应谱，也可以是分段周期区间的目标设计加速度反应谱或原始地震动加速度反应谱。
进一步地，所述步骤S4的具体步骤如下：
S41.将目标设计加速度反应谱和地震动记录加速度反应谱按照全周期分为多个连续区间：以场地特征周期为分界点，划分为平台段[0.1s，Tg)和多个非平台段[Tg，TA)、[TA，TB)、[TB，TC)、[TC，TD)、[TD，TE)、……，其中TA、TB、TC、TD、TE为周期点；
S42.在各规定周期区间分别求目标设计加速度反应谱和地震动记录加速度反应谱的差值均方根
Ti∈[Tm，Tn]，Tm、Tn为规定周期区间起始点和终止点，即Tm和Tn的取值为Tg、TA、TB、TC、TD、TE……，i为正整数，其中Sarecord(Ti)为地震动记录加速度反应谱在周期点Ti的谱值，Satarget(Ti)为目标设计加速度反应谱在周期点Ti的谱值，并找出各规定周期区间上差值均方根最小的一条地震动记录，记为最小地震动记录。
进一步地，所述步骤S5的具体步骤如下：
S51.确定每条最小地震动记录加速度的峰值点；
S52.确定峰值点左右两侧的逼近步长ΔT左、ΔT右；
S53.对每条最小地震动记录作如下处理，从地震动记录的两端每次分别缩短ΔT左和ΔT右，计算每次缩短后的最小地震动记录加速度反应谱时程与原始地震动记录加速度反应谱的差值均方根，并将依次排列所得差值均方根，当其中的一个差值均方根的值与前一个差值均方根相比明显增大时，确定该差值均方根所对应的最小地震动记录加速度反应谱时程，为每条最小地震动记录的初选主控段；
S53.从每条最小地震动记录，截取[主控段-(ΔT左+ΔT右)]至[主控段+(ΔT左+ΔT右)]时程，从地震动记录的两端每次分别缩m％ΔT左和m％ΔT右，其中m为正整数，取值范围为1-100，计算每次缩短后的最小地震动记录加速度反应谱时程与原始地震动记录加速度反应谱的差值均方根，选取最小的差值均方根所对应的缩短后的最小地震动记录加速度反应谱时程，为每条最小地震动记录的最短主控段，最短主控段两端分别加ΔT左和ΔT右的时程为次最短主控段，依次类推。
本发明的基于设定反应谱的多段天然地震动合成方法，遵循地震动反应谱与场地目标设计反应谱近似一致的原则，且合成的地震动能保持天然地震动记录所具有的频域非平稳特性，适用于相同设防烈度和场地条件的所有结构形式的抗震分析。
附图说明
图1为某目标设计加速度反应谱和地震动记录加速度反应谱；
图2为某目标设计反应谱按周期的分区间；
图3为某合成多段天然地震动的加速度时程曲线；
图4为某合成多段天然地震动加速度反应谱与目标设计加速度反应谱的对比。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
主控段是指在规定周期区间内，截取满足精度的最小地震动记录的最短主控段，其地震动加速度反应谱与目标设定加速度反应谱的差值均方根最小。规定周期区间可以是反应谱的全周期区间，也可以是反应谱的分段周期区间。设定反应谱可以是全周期区间的目标设计加速度反应谱或天然地震动加速度反应谱，也可以是分段周期区间的目标设计加速度反应谱或天然地震动加速度反应谱。在本实施例中，规定周期区间为反应谱的分段周期区间，设定反应谱分段周期区间的目标设计加速度反应谱。
本发明基于最小地震动记录的最短主控段，采用规定周期区间选取的地震动加速度反应谱时程与设定加速度反应谱相符合的原则，将满足精度的各主控段的地震动记录时程依次相连，建立了基于设定反应谱的多段天然地震动合成方法。该方法合成的地震动既含有天然地震记录所具有的频域非平稳特性，又符合现行建筑抗震设计规范的规定，可用于相同设防烈度和场地特征的所有结构形式的抗震分析。该基于设定反应谱的多段天然地震动合成方法的步骤具体如下：
一种基于设定反应谱的多段天然地震动合成方法，其特征在于，包括如下步骤，
S1.收集大量天然的原始地震动记录。
S2.确定所有原始地震动记录中的最大加速度值，将所有原始地震动记录按照最大加速度值调幅统一，确定每条原始地震动记录调幅后的加速度反应谱，记为地震动记录加速度反应谱；
S3.依据建筑抗震设计规范，确定目标设计加速度反应谱。如图1所示为某目标设计加速度反应谱和地震动记录加速度反应谱，其中颜色深而粗的曲线为某目标设计加速度反应谱。
S4.将目标设计加速度反应谱和地震动记录加速度反应谱按照全周期分为多个连续区间，并在每个周期区间内，求地震动记录加速度反应谱与目标设计加速度反应谱的差值均方根，并找出各周期区间上差值均方根最小的一条地震动记录，记为最小地震动记录。其中在建筑抗震设计规范中规定，全周期是指1-6s时段。
所述步骤S4的具体步骤如下：
S41.将目标设计加速度反应谱和地震动记录加速度反应谱按照全周期分为多个连续区间：以场地特征周期为分界点，划分为平台段[0.1s，Tg)和多个非平台段[Tg，TA)、[TA，TB)、[TB，TC)、[TC，TD)、[TD，TE)、……，其中TA、TB、TC、TD、TE为周期点；如图2所示。
S42.在各规定周期区间分别求目标设计加速度反应谱和地震动记录加速度反应谱的差值均方根
Ti∈[Tm，Tn]，Tm、Tn为规定周期区间起始点和终止点，即Tm和Tn的取值为Tg、TA、TB、TC、TD、TE……，i为正整数，其中Sarecord(Ti)为地震动记录加速度反应谱在周期点Ti的谱值，Satarget(Ti)为目标设计加速度反应谱在周期点Ti的谱值，并找出各规定周期区间上差值均方根最小的一条地震动记录，记为最小地震动记录。
S5.采用逐次逼近的方法，确定最小地震动记录的最短主控段，使得在规定周期区间内，最小地震动记录的最短主控段与原始地震动记录加速度反应谱的差值均方根最小；
即在规定周期区间内，截取最小地震动记录的最短主控段与原始地震动加速度反应谱的差值均方根
最小，Ti∈[0，6s]，其中Sapart(Ti)为截取最小地震动记录的最短主控段在周期点Ti的谱值，Sarecord(Ti)原始地震动加速度反应谱在周期点Ti的谱值。
所述步骤S5的具体步骤如下：
S51.确定每条最小地震动记录加速度的峰值点。
S52.确定峰值点左右两侧的逼近步长ΔT左、ΔT右，ΔT左和ΔT右可依据经验选取，例如可以取峰值点两侧的地震动记录的十分之一设为ΔT左和ΔT右。
S53.对每条最小地震动记录作如下处理，从地震动记录的两端每次分别缩短ΔT左和ΔT右，计算每次缩短后的最小地震动记录加速度反应谱时程与原始地震动记录加速度反应谱的差值均方根，并将依次排列所得差值均方根，当其中的一个差值均方根的值与前一个差值均方根相比明显增大或减小时，例如增大或减小20％时，确定该差值均方根所对应的最小地震动记录加速度反应谱时程，为每条最小地震动记录的初选主控段；
S53.从每条最小地震动记录，截取[主控段-(ΔT左+ΔT右)]至[主控段+(ΔT左+ΔT右)]时程，从地震动记录的两端每次分别缩m％ΔT左和m％ΔT右，其中m为正整数，取值范围为1-100，计算每次缩短后的最小地震动记录加速度反应谱时程与原始地震动记录加速度反应谱的差值均方根，选取最小的差值均方根所对应的缩短后的最小地震动记录加速度反应谱时程，为每条最小地震动记录的最短主控段，最短主控段两端分别加ΔT左和ΔT右的时程为次最短主控段，依次类推。
S6.计算规定周期区间内，每条最小地震动记录的最短主控段与最小地震动记录平均相对差值
Ti∈[Tm，Tn]，Tm和Tn分别为规定周期区间起始点和终止点，Sapart(Ti)为最小地震动记录的最短主控段在周期点Ti的谱值，Saset(Ti)为最小地震动记录加速度反应谱在周期点Ti的谱值，设定精度值(此处δ控制在一定的百分比以内，如15-20％)，δ需小于等于设定精度要求，若δ不满足设定精度要求，则计算最小地震动记录的次最短主控段与最小地震动记录加速度反应谱平均相对差值，依次类推，直到选出满足精度的最小地震动记录加速度反应谱时程；
S7.将步骤S6中选出的满足精度的最小地震动记录加速度反应谱时程，按照反应谱周期区间顺序依次连接，组合成一条基于目标设定反应谱的多段天然地震动。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于设定反应谱的多段天然地震动合成方法，其特征在于，包括如下步骤，
S1.收集大量天然的原始地震动记录；
S2.确定所有原始地震动记录中的最大加速度值，将所有原始地震动记录按照最大加速度值调幅统一，确定每条原始地震动记录调幅后的加速度反应谱，记为地震动记录加速度反应谱；
S3.依据建筑抗震设计规范，确定目标设计加速度反应谱；
S4.将目标设计加速度反应谱和地震动记录加速度反应谱按照全周期分为多个连续区间，并在每个周期区间内，求地震动记录加速度反应谱与目标设计加速度反应谱的差值均方根，并找出各周期区间上差值均方根最小的一条地震动记录，记为最小地震动记录；
S5.采用逐次逼近的方法，确定最小地震动记录的最短主控段，使得在规定周期区间内，最小地震动记录的最短主控段与原始地震动记录加速度反应谱的差值均方根最小；
S6.计算规定周期区间内，每条最小地震动记录的最短主控段与设定加速度反应谱平均相对差值
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Ti∈[Tm,Tn]，Tm和Tn分别为规定周期区间起始点和终止点，Sapart(Ti)为最小地震动记录的最短主控段在周期点Ti的谱值，Saset(Ti)为设定加速度反应谱在周期点Ti的谱值，设定精度值,δ应小于等于设定精度值，若δ不满足，则计算最小地震动记录的次最短主控段与设定加速度反应谱平均相对差值，依次类推，直到选出满足精度的最小地震动记录加速度反应谱时程；
S7.将步骤S6中选出的满足精度的最小地震动记录加速度反应谱时程，按照反应谱周期区间顺序依次连接，组合成一条基于目标设定反应谱的多段天然地震动。
2.根据权利要求1所述的基于设定反应谱的多段天然地震动合成方法，其特征在于，所述规定周期可以是反应谱的全周期区间，也可以是反应谱的分段周期区间。
3.根据权利要求2所述的基于设定反应谱的多段天然地震动合成方法，其特征在于，所述步骤S6中设定加速度反应谱可以是全周期区间的目标设计加速度反应谱或原始地震动加速度反应谱，也可以是分段周期区间的目标设计加速度反应谱或原始地震动加速度反应谱。
4.根据权利要求2所述的基于设定反应谱的多段天然地震动合成方法，其特征在于，所述步骤S4的具体步骤如下：
S41.将目标设计加速度反应谱和地震动记录加速度反应谱按照全周期分为多个连续区间：以场地特征周期为分界点，划分为平台段[0.1s,Tg)和多个非平台段[Tg,TA)、[TA,TB)、[TB,TC)、[TC,TD)、[TD,TE)、……，其中TA、TB、TC、TD、TE为周期点；
S42.在各规定周期区间分别求目标设计加速度反应谱和地震动记录加速度反应谱的差值均方根
<mrow>
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Ti∈[Tm,Tn]，Tm、Tn为规定周期区间起始点和终止点，即Tm和Tn的取值为Tg、TA、TB、TC、TD、TE……，i为正整数，其中Sarecord(Ti)为地震动记录加速度反应谱在周期点Ti的谱值，Satarget(Ti)为目标设计加速度反应谱在周期点Ti的谱值，并找出各规定周期区间上差值均方根最小的一条地震动记录，记为最小地震动记录。
5.根据权利要求2所述的基于设定反应谱的多段天然地震动合成方法，其特征在于，所述步骤S5的具体步骤如下：
S51.确定每条最小地震动记录加速度的峰值点；
S52.确定峰值点左右两侧的逼近步长ΔT左、ΔT右；
S53.对每条最小地震动记录作如下处理，从地震动记录的两端每次分别缩短ΔT左和ΔT右，计算每次缩短后的最小地震动记录加速度反应谱时程与原始地震动记录加速度反应谱的差值均方根，并将依次排列所得差值均方根，当其中的一个差值均方根的值与前一个差值均方根相比明显增大或减小时，确定该差值均方根所对应的最小地震动记录加速度反应谱时程，为每条最小地震动记录的初选主控段；
S53.从每条最小地震动记录，截取[主控段-(ΔT左+ΔT右)]至[主控段+(ΔT左+ΔT右)]时程，从地震动记录的两端每次分别缩m％ΔT左和m％ΔT右，其中m为正整数，取值范围为1-100，计算每次缩短后的最小地震动记录加速度反应谱时程与原始地震动记录加速度反应谱的差值均方根，选取最小的差值均方根所对应的缩短后的最小地震动记录加速度反应谱时程，为每条最小地震动记录的最短主控段，最短主控段两端分别加ΔT左和ΔT右的时程为次最短主控段，依次类推。
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