增量動(dòng)力分析中的向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)研究綜述

葛 平 蘭

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

?

增量動(dòng)力分析中的向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)研究綜述

葛 平 蘭

(同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

介紹了增量動(dòng)力分析的基本原理，闡述了地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)在增量動(dòng)力分析中的重要性，總結(jié)了向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的研究現(xiàn)狀，指出了向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的研究前景。

增量動(dòng)力分析，地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)，向量型

0 引言

增量動(dòng)力分析是靜力推覆分析的動(dòng)力拓展，可用于評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)在不同危險(xiǎn)性水平地震動(dòng)作用下的響應(yīng)和性能。Bertero[1]早在1977年就提出了增量動(dòng)力分析的概念，但由于計(jì)算機(jī)能力的限制，該方法在當(dāng)時(shí)并未得到眾多學(xué)者的廣泛關(guān)注。隨后，在2002年，Cornell和Vamvatasikos[2]等學(xué)者對(duì)該方法展開(kāi)了系統(tǒng)的研究，極大地促進(jìn)了該方法的推廣和應(yīng)用。目前，增量動(dòng)力分析法已被美國(guó)FEMA350[3]采用，作為評(píng)估結(jié)構(gòu)整體抗倒塌能力的一種技術(shù)手段。

在增量動(dòng)力分析中，需要通過(guò)地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)對(duì)地震波進(jìn)行比例調(diào)幅，分析的結(jié)果也需要通過(guò)合理的震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)和恰當(dāng)?shù)墓こ绦枨髤?shù)進(jìn)行表示。因此地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的選擇對(duì)增量動(dòng)力分析結(jié)果的理解和應(yīng)用至關(guān)重要。

1 增量動(dòng)力分析法

增量動(dòng)力分析法是在單條地震動(dòng)彈塑性時(shí)程分析的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)用于全面評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)在不同危險(xiǎn)性水平地震動(dòng)作用下的響應(yīng)和性能的一種方法。該方法的基本原理是對(duì)結(jié)構(gòu)施加一條或者多條地震動(dòng)，對(duì)每條地震動(dòng)按一定規(guī)律遞增式地調(diào)整其強(qiáng)度幅值并輸入，計(jì)算結(jié)構(gòu)在這組調(diào)幅地震動(dòng)作用下的非線性動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)，選取合理反映地震記錄強(qiáng)度的地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)和恰當(dāng)描述結(jié)構(gòu)損傷的工程需求參數(shù)，在坐標(biāo)軸上進(jìn)行描點(diǎn)連線，得到一條或多條由地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)和工程需求參數(shù)表示的關(guān)系曲線，即IDA曲線(見(jiàn)圖1)和IDA曲線簇。通過(guò)對(duì)這些曲線進(jìn)行綜合處理，可以確定結(jié)構(gòu)反應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特性。

2 地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)

地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)是表征地震動(dòng)強(qiáng)度的指標(biāo)。在增量動(dòng)力分析中，通過(guò)對(duì)地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行比例調(diào)整得到不同強(qiáng)度的地震動(dòng)；分析的結(jié)果也需要通過(guò)合理的震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)和恰當(dāng)?shù)墓こ绦枨髤?shù)進(jìn)行表示，選用不同的地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)得到的IDA曲線離散型會(huì)有差異；在基于性能的地震工程的概率框架中，地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)也是聯(lián)系地震動(dòng)危險(xiǎn)性分析和結(jié)構(gòu)反應(yīng)的中間變量。因此地震動(dòng)強(qiáng)度的研究十分重要。

地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)按照維數(shù)可分為標(biāo)量型和向量型。目前標(biāo)量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)已經(jīng)得到了系統(tǒng)的研究，而向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的研究卻并不充分，且多為在原有標(biāo)量型參數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行組合。但是向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)可以通過(guò)兩個(gè)參數(shù)反映地震動(dòng)強(qiáng)度的不同方面，具有更好的有效性，在增量動(dòng)力分析中具有很大的研究前景和研究空間。

3 向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)研究進(jìn)展

最早提出向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的學(xué)者是Baker,他在2005年[4]提出了參數(shù)并通過(guò)對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行增量動(dòng)力分析研究了該參數(shù)的有效性。結(jié)果表明相對(duì)于常用的震級(jí)和震中距，ε對(duì)地震作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的分析結(jié)果具有更大的影響。隨后在2006年，Baker[5]又研究了基于ε選取地震波，以Sa(T1)為地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的有效性，并驗(yàn)證了該方法的優(yōu)勢(shì)。

另外，基于反應(yīng)譜譜型，Baker等[6]在2008年提出了向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)，其中RT1，T2=Sa(T2)/Sa(T1)，T2為結(jié)構(gòu)的第二基本周期。研究發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于標(biāo)量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)Sa(T1),該向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)具有更好的充分性，不僅可以充分反映普通地震動(dòng)的強(qiáng)度，也可以很好地描述脈沖型地震動(dòng)的強(qiáng)度。2008年，Rajeev[7]也基于反應(yīng)譜的譜型提出了向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)。與上述Baker等[8]所提向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)不同的是，該向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的第二參數(shù)并未對(duì)Sa(T2)進(jìn)行歸一化處理，并且T2也不是直接取結(jié)構(gòu)的第二周期，而是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)第二基本周期，T2=1.2T1,T2=1.5T1,T2=2T1周期處的反應(yīng)譜譜值進(jìn)行分析比較，確定最優(yōu)值。

2009年，Vega等[8]針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的抗沖擊力性能評(píng)估提出了兩個(gè)向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)，，Sa(Ts)為結(jié)構(gòu)第一基本自振周期處的偽加速度譜譜值，可以反映結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)頻率范圍內(nèi)的能量，PGA和PGV分別為地面運(yùn)動(dòng)峰值加速度和峰值速度，可以反映高頻范圍的能量。研究表明兩個(gè)參數(shù)都具有很好的充分性和比例魯棒性，且在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗沖擊能力時(shí)，向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)具有更好的有效性。

此外，Bojórquez等[9]在2011年提出了向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)并通過(guò)對(duì)框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行增量動(dòng)力分析研究了該參數(shù)相對(duì)于標(biāo)量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的有效性。結(jié)果表明相較于標(biāo)量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)Sa(T1)，該參數(shù)具有更好的有效性，在進(jìn)行增量動(dòng)力分析時(shí)可以通過(guò)更少的地震動(dòng)記錄得到離散型更小的結(jié)果。

2012年，Bojórquez等[10]又針對(duì)既有向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)展開(kāi)了全面的研究，他根據(jù)組成向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)第二參數(shù)的特性，將向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)分為三類。并證明當(dāng)?shù)诙?shù)為反映反應(yīng)譜特性的參數(shù)時(shí)，向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的有效性最好，并建議在以后的研究中選取地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)時(shí)盡量考慮反應(yīng)譜譜型。同樣的，在對(duì)向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行概括研究時(shí)， Jalayer等[11]也驗(yàn)證了對(duì)所研究的特定結(jié)構(gòu)，反映譜型的地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)充分性最好。

2014年，Li等[12]在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行易損性分析的過(guò)程中依據(jù)地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)與安全系數(shù)有很大的相關(guān)性和兩個(gè)地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)之間有很小相關(guān)性兩個(gè)原則選了兩個(gè)標(biāo)量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)構(gòu)造成向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)，并證明了其有效性。其中，Sa(T1)和Sa(T2)分別為結(jié)構(gòu)第一基本周期和第二基本周期對(duì)應(yīng)的加速度反應(yīng)譜譜值。

由上述可以看出，盡管向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的研究已經(jīng)得到了廣泛的關(guān)注，但卻并不系統(tǒng)，且多為Sa(T1)與PGA，PGV，M及部分考慮非線性影響的參數(shù)的組合，其中缺少對(duì)考慮高階振型影響的向量型參數(shù)的研究，也沒(méi)有將向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的研究擴(kuò)展到雙向地震動(dòng)輸入中。向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)還有很大的研究前景和研究空間，應(yīng)得到更多學(xué)者的關(guān)注。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)地震工程領(lǐng)域的增量動(dòng)力分析法及地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)，特別是向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)作了概要的梳理，指出向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)的研究在工程抗震領(lǐng)域的重要性和前景性，應(yīng)得到更多后來(lái)學(xué)者的研究和探討。希望本文能給致力于向量型地震動(dòng)強(qiáng)度參數(shù)問(wèn)題研究的學(xué)者一定參考。

[1] Bertero V.V.Strength and deformation capacities of buildings under extreme environments[J].Structural engineering & structural mechanics,1977,53(1):29-79.

[2] Vamvatsikos D.,Cornell C.A.Incremental dynamic analysis[J].Earthquake Engineering & Structural Dynamics,2002,31(3):491-514.

[3] FEMA.Recommended seismic design criteria for new steel moment-frame buildings[R].Report No.FEMA-350,SAC Joint Venture.Washington DC:Federal Emergency Management Agency,2000.

[4] Baker J.W.,Cornell C.A.A vector-valued ground motion intensity measure consisting of spectral acceleration and epsilon[J].Earthquake Engineering & Structural Dynamics,2005,34 (10):1193-1217.

[5] Baker J.W.,Cornell C.A.Spectral shape, epsilon and record selection [J].Earthquake Engineering & Structural Dynamics,2006,39(9):1077-1095.

[6] Baker J.W.,Cornell C.A.Vector-valued intensity measures for pulse-like near-fault ground motions[A].Engineering structures,demands[C].Proc.of 14th European Conference on Earthquake Engineering，2008.

[7] Rajeev P.Increased accuracy of vector-IM-based seismic risk assessment[J].Journal of Earthquake Engineering,2008,12 (S1):111-124.

[8] Vega J.,Rey I.D.,Alarcon E. Pounding force assessment in performance-based design of bridges[J].Earthquake Engineering & Structural Dynamics,2009,38 (13):1525-1544.

[9] Bojórquez E.,Iervolino I.Spectral shape proxies and nonlinear structural response[J].Soil Dynamics & Earthquake Engineering,2011,31(7):996-1008.

[10] Bojórquez E., Iervolino I., Reyes-Salazar A.,et al.Comparing vector-valued intensity measures for fragility analysis of steel frames in the case of narrow-band ground motions[J].Engineering Structures,2012(45):472-480.

[11] Jalayer F.,Beck J.L.,Zareian F.Analyzing the sufficiency of alternative scalar and vector intensity measures of ground shaking based on information theory[J].Journal of Engineering Mechanics,2011,138(3):307-316.

[12] Li Z.,Yang L.,Ning L.Vector-intensity measure based seismic vulnerability analysis of bridge structures [J].Earthquake Engineering & Engineering Vibration,2014,13(4):695-705.

[13] Yakhchalian M.,Nicknam A.,Amiri G.G.Optimal vector-valued intensity measure for seismic collapse assessment of structures [J].Earthquake Engineering & Engineering Vibration,2015,1(1):37-54.

A review of research on vector-valued intensity measures for incremental dynamics analysis

Ge Pinglan

(State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineer, Tongji University, Shanghai 200092, China)

The paper introduces the basic principle of incremental dynamic analysis, expounds the significance of intensity measures in incremental dynamic analysis, summarizes the research progress of vector-valued intensity measures and points out that investigation on vector-valued intensity measures is important and promising in the field of aseismic engineering.

incremental dynamic analysis, intensity measure, vector-valued

1009-6825(2016)34-0045-02

2016-09-26

葛平蘭(1991- )，女，在讀碩士

TU311.4

A