地震動(dòng)參數(shù)與結(jié)構(gòu)破壞關(guān)系的研究

摘 要：本文以地震動(dòng)參數(shù)對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)破壞的影響程度為研究對象，通過相關(guān)系數(shù)的方法評估對結(jié)構(gòu)破壞影響程度最大的地震動(dòng)參數(shù)。首先用所選地震記錄計(jì)算一些地震動(dòng)參數(shù)，然后對框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性分析得到結(jié)構(gòu)的整體破壞指數(shù)。通過引入Pearson相關(guān)系數(shù)，找出合理的、可靠的估計(jì)結(jié)構(gòu)破壞的參數(shù)。結(jié)果表明，譜速度強(qiáng)度、峰值速度和能量密度能夠很好地體現(xiàn)地震動(dòng)對這類結(jié)構(gòu)的潛在破壞勢，因此譜速度強(qiáng)度、峰值速度和能量密度可用來估計(jì)結(jié)構(gòu)的破壞。

關(guān)鍵詞：破壞指數(shù) 鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu) 地震動(dòng)參數(shù) 譜速度強(qiáng)度 峰值速度 能量密度

中圖分類號：TU31 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（c）-0197-02

從最初地震工程師將地震動(dòng)峰值加速度作為抗震設(shè)防的標(biāo)準(zhǔn)，人們一直面臨著這樣一個(gè)問題，是否峰值加速度是唯一最能表征地震作用及作為結(jié)構(gòu)破壞的合理評估參數(shù)，還有沒有更好的參數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行工程設(shè)計(jì)呢？考察建筑物震害與地震動(dòng)參數(shù)間的關(guān)系是一種較為合理的解決這個(gè)問題的辦法。本文僅以鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為研究對象，通過計(jì)算整體破壞指數(shù)的方式分析地震對結(jié)構(gòu)的破壞，再從破壞指數(shù)與地震動(dòng)參數(shù)的相關(guān)性，得出合理估計(jì)結(jié)構(gòu)破壞的參數(shù)。

1 數(shù)據(jù)來源

臺(tái)灣氣象局2001年出版的資料中給出了集集主震的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)記錄，并對加速度記錄的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。為了觀測并分析主震，從441個(gè)強(qiáng)震儀記錄的663個(gè)數(shù)據(jù)文件中選取并處理了441個(gè)強(qiáng)震動(dòng)數(shù)據(jù)記錄（自由場地中布置了640個(gè)強(qiáng)震儀）。其中每組記錄包括兩個(gè)水平方向和一個(gè)垂直方向，記錄時(shí)長并不相等，時(shí)間間隔也是不相等（包含0.004和0.005兩個(gè)時(shí)間間隔）。集集地震中所得的強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)由四個(gè)研究組織負(fù)責(zé)收集，具有較強(qiáng)的可靠性。如此可觀的強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)資料使我們對臺(tái)灣集集地震產(chǎn)生了濃厚的興趣。集集地震首次提供了較為豐富的近斷層（斷層距R≤20 km）強(qiáng)震記錄。

臺(tái)灣氣象局公布的資料中將臺(tái)站記錄分為A quality、B quality、C qualIty、D quality四類。其中，A quality的記錄是最好的，并且可以應(yīng)用于任何研究；B quality的記錄次之，不足是大部分記錄沒有絕對時(shí)間；C quality記錄的是主要的地震動(dòng)過程，但是沒有足夠的震前記錄和震后記錄；D quality記錄存在一些問題，此類記錄是出于完整性考慮才保留的，不能應(yīng)用于大部分研究。本文僅取前三類記錄的414條地震記錄。

2 地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算

本文選擇如下22個(gè)地震動(dòng)參數(shù)進(jìn)行研究，包括峰值地面加速度PGA，峰值地面速度PGV，峰值地面位移PGD，峰值地面速度與峰值地面加速度的比Vmax/Vmax，均方根加速度ARMS，均方根速度VRMS，均方根位移DRMS，Arias強(qiáng)度Ia，特征強(qiáng)度Ic，能量密度SED，累積絕對速度CAV，譜加速度強(qiáng)度ASI，譜速度強(qiáng)度VSI，有效設(shè)計(jì)加速度EDA，A95參數(shù)（A95 parameter），持續(xù)最大加速度SMA、持續(xù)最大速度SMV、卓越周期Tp，平均周期Tm，括號持時(shí)（Bracketed duration），一致持時(shí)（Uniform duration），顯著持時(shí)（Significant duration）。

每條記錄由于其包含三個(gè)分量需要分別計(jì)算，中間還有說明部分，計(jì)算的時(shí)候需要的只是地震記錄每個(gè)分量記錄的始末行和時(shí)間間隔，所以需要在輸入時(shí)找到始末行數(shù)，另外還要在說明部分讀出每條記錄的記錄時(shí)間間隔，還需要從已知的地震記錄中找到每個(gè)方向上的加速度峰值，以便在計(jì)算中對加速度進(jìn)行峰值調(diào)幅。最后利用軟件seismosignal對每條記錄的三個(gè)分量進(jìn)行計(jì)算，從輸出結(jié)果中讀取這22個(gè)地震動(dòng)參數(shù)的數(shù)值，為下一步工作做準(zhǔn)備，表1為B類場地垂直方向上的部分地震動(dòng)參數(shù)表。

3 破壞指數(shù)的計(jì)算

本文采用計(jì)算機(jī)程序IDARC-2D對圖1所示鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)分析，混凝土的本構(gòu)關(guān)系采用Kent-Park（1971）提出的模型，考慮了多軸受力下混凝土下降段強(qiáng)度的增強(qiáng)，鋼筋采用三折線本構(gòu)模型。梁柱兩端部的反應(yīng)采用三參數(shù)Park滯回模型（1987）模擬，考慮了剛度衰減和強(qiáng)度衰減。

對于結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下的破壞程度，使用結(jié)構(gòu)整體破壞指數(shù)（OSDI）來估計(jì)。結(jié)構(gòu)整體的破壞指數(shù)采用將局部破壞指數(shù)加權(quán)取和的方法得到，先將單元破壞指數(shù)加權(quán)取和得到的層破壞指數(shù)，再將層破壞指數(shù)加權(quán)取和得到的結(jié)構(gòu)整體破壞指數(shù)。局部破壞指數(shù)的計(jì)算采用修正的Park&Ang模型[1]，位移和滯回能都能表征結(jié)構(gòu)在地震作用下進(jìn)入塑性的破壞狀態(tài)，Park&Ang模型正是一個(gè)包含位移和耗能的損傷指數(shù)，它很好地體現(xiàn)了基于位移和能量的雙參數(shù)結(jié)構(gòu)破壞準(zhǔn)則。

OSDI的取值對應(yīng)著結(jié)構(gòu)在地震中的破壞程度，一般認(rèn)為OSDI=0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于彈性，無損壞；01.0時(shí)，結(jié)構(gòu)部分或整體倒塌。通過計(jì)算得到的N方向的部分站點(diǎn)結(jié)構(gòu)整體破壞指數(shù)[2]，如表2。

4 地震動(dòng)參數(shù)和結(jié)構(gòu)破壞之間的關(guān)系

為了研究地震動(dòng)參數(shù)與結(jié)構(gòu)破壞之間的關(guān)系，引入Pearson相關(guān)系數(shù)，兩個(gè)隨機(jī)變量的相關(guān)系數(shù)用下式計(jì)算：

式中為變量的協(xié)方差；

，為變量的方差。

根據(jù)以上公式，計(jì)算各參數(shù)和整體破壞指數(shù)之間的相關(guān)性（取絕對值），具體結(jié)果見表3。

5 結(jié)論

如前所述破壞指數(shù)能夠代表一定范圍內(nèi)建筑物的受損程度，它與地震動(dòng)參數(shù)的相關(guān)性也能說明結(jié)構(gòu)破壞和地震動(dòng)參數(shù)間的關(guān)系。通過比較分析計(jì)算的22個(gè)地震動(dòng)參數(shù)與破壞指數(shù)的相關(guān)性，我們可以得出以下結(jié)論：譜速度強(qiáng)度與破壞指數(shù)的相關(guān)系數(shù)最大，達(dá)到0.9，峰值加速度和能量密度與破壞指數(shù)的相關(guān)系數(shù)也較大，分別達(dá)到0.85和0.84，有較好的相關(guān)性。說明譜速度強(qiáng)度、峰值速度和能量密度能夠很好地體現(xiàn)地震動(dòng)對這類結(jié)構(gòu)的潛在破壞勢，因此譜速度強(qiáng)度、峰值速度和能量密度可用來估計(jì)結(jié)構(gòu)的破壞。而其他的參數(shù)與破壞指數(shù)之間的相關(guān)系數(shù)都較小，均小于0.8，可認(rèn)為與結(jié)構(gòu)破壞沒有密切關(guān)系。

參考文獻(xiàn)

[1]任志林.震害預(yù)測中結(jié)構(gòu)地震破壞指數(shù)的不確定性研究[D].中國地震局地球物理研究所碩士學(xué)位論文，2004.

[2]李爽，謝禮立，郝敏.地震動(dòng)參數(shù)與結(jié)構(gòu)整體破壞相關(guān)性研究[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，39（4）.