地震動持時對工程結構地震反應影響研究進展

公茂盛,左占宣,趙一男,賈 佳

(中國地震局工程力學研究所 地震工程與工程振動重點實驗室; 地震災害防治應急管理部重點實驗室,黑龍江 哈爾濱 150080)

0 引言

如何有效防御與減輕地震災害是一個世界性難題,世界各國一直致力于發展地震工程新理論、新技術與新方法,以期避免和最大限度減輕地震災害。因為地震中工程結構的損傷破壞是造成人員傷亡和經濟損失的最直接和最主要原因,所以對工程結構進行科學抗震設防,提高工程結構抗震能力,被國際公認為是最有效的防震減災手段[1-2]。但無論采取哪種技術方法提高工程結構抗震能力,都必須首先弄清楚結構所遭受地震作用的破壞特性與規律。地震造成的強烈地面運動,即地震動,是工程結構直接遭受的地震作用,也是導致工程結構地震破壞的最直接外部原因,因此探明地震動的工程特性及其對結構地震反應與損傷的影響機理與規律,并在抗震設計和結構分析中全面考慮,是提高和改善工程結構抗震能力、減輕地震災害的最關鍵問題。地震動工程特性由三個要素衡量與決定,即:幅值大小、頻譜成分和持時長短,這三個要素共同決定了地震動對工程結構的破壞作用,其中有關地震動頻譜和幅值對結構地震反應的影響一直是地震工程領域熱門研究課題,國內外已經開展了廣泛研究,相關成果也在各國抗震設計與評估中有明確體現和應用。實際上,不同地震產生的地震動持時長短差異甚大,短者僅僅數秒,長者可達數百秒,如2008年我國汶川地震中地震動總持時長達180 s,2011年東日本大地震中地震動總持時長達300 s。這兩次地震也是造成巨大地震災害的典型震例,其震害嚴重除了與震級大、地震動幅值高有關外,與地震中地面強震動持續時間長也有很大關系,即較長持時的地震動可能會導致更為嚴重的工程結構損傷破壞進而引起嚴重的地震災害。

研究者和工程人員早已注意到這個問題,針對地震動持時特性及其對工程結構的影響開展了大量研究。但關于地震動持時對結構地震反應的影響,目前不同研究者分析結果與結論不一致,有些學者以加速度或位移變形為指標分析持時對結構地震反應的影響,發現地震動持時對結構影響較小,而有些學者分析地震動持時對結構滯回耗能和累積損傷指數等參數影響,卻表明較長持時的地震動會明顯加重結構損傷程度[3-7]。作者初步研究發現:即使地震動的幅值及頻譜相差很小,長持時地震動對結構造成的累積損傷更為嚴重,對結構位移延性需求是短持時地震動的1.3～2.5倍,結構滯回耗能及損傷指數則會增加30%以上,結構抗震設計、地震反應分析與安全性評估中不可忽略地震動持時的影響[8-9]。但令人遺憾的是:作為描述地震動特性三大要素之一的持時,至今未被各國抗震設計規范和結構抗震設計明確考慮和應用,或考慮相對簡單與籠統,僅在結構地震時程反應分析中做出了簡單規定[10-11]。特別是應用于截面強度設計和用以確定地震荷載的抗震設計譜,無論是通過小震下彈性反應譜還是通過反應譜折減方式得到設計譜[12-16],采用的參數均為無法反映累積效應的參數指標,所以國內外通過設計譜的抗震設計方法無法反映地震動持時影響,而只能采用結構地震反應時程分析進行核驗的方式進行彌補[4-5]。

近些年隨著性態與韌性抗震設計理論的提出與發展,對決定結構抗震能力的地震動作用提出了更高目標需求,即結構設計中除了考慮地震動幅值與頻譜外,還應充分考慮持時的影響。因此,如何充分考慮地震動持時對結構地震反應與地震破壞的影響,探明與揭示其影響機理與規律,并納入結構抗震設計與地震反應分析,實現與現有基于強度設計理論的抗震設計方法有機結合,是目前地震工程領域亟需解決的一項重要課題。本文主要回顧和評述了地震動持時對工程結構地震反應影響的研究結果與進展,并對未來關于地震動持時對結構地震反應影響研究進行了展望,希望可以為相關研究者及工程技術人員提供參考。

1 地震動持時定義與發展

為了合理衡量和描述地震動的持續時間(簡稱“持時”)特性,尤其是合理評判地震動持時對結構地震反應的影響,自上世紀60年代開始,國內外學者對地震動的持時特性及其衡量指標做過大量研究,迄今已發展了30余種地震動持時的定義,這些持時定義歸納起來大致可以分為4類[9]:1)括號持時(bracketed duration,DB)。2)一致持時(uniform durationDU)。3)顯著持時(significant duration,DS)。4)有效持時(effective duration,DE)。具體各類持時定義及計算方法如圖1所示,其中括號持時定義為:地震動加速度記錄幅值絕對值在第一次和最后一次達到或超過事先設定閾值之間的時間間隔,計算方法如圖1(a)所示;一致持時定義為:加速度記錄幅值絕對值達到或超過事先設定閾值的所有時間間隔的總和,計算方法如圖1(b)所示;顯著持時定義為:給定Arias強度(IA)閾值(百分比)區間所對應的加速度記錄時間間隔,計算方法如圖1(c)和圖1(e)所示;有效持時定義為給定Arias強度(IA)閾值區間所對應的加速度記錄時間間隔,如圖1(d)和圖1(f)所示。

圖1 地震動持時定義示意圖Fig. 1 Definition of strong ground motion duration

由圖1可知:不同地震動持時定義采取的計算方法、參數及閾值不同,各有針對性和優缺點,哪一種定義更為合理或具有明顯優勢,至今仍無定論[17-18]。需要指出的是:在研究地震動持時對結構地震反應影響時,選取的持時指標應能夠準確反映地震動的強震動階段特性,并且與結構地震反應參數有較好的相關性。上述4種持時定義中:因為顯著持時包含了整個地震動記錄的幅值特性,也能夠反映地震動的強震動段特性,并且由于采用了相對累積能量作為閾值,持時長短不會隨地震動調幅而發生變化,也不會出現因地震動幅值過小持時為0或地震動幅值過大尚未進入持時段結構已經發生破壞的情況[19],所以被絕大多數學者作為地震動持時指標研究其對結構地震反應的影響[20-21]。

早期的地震動持時定義一般直接采用地震動本身的參數如幅值定義,隨著研究人員認識到持時對結構地震反應有重要影響,在早期地震動持時指標定義基礎上,不少學者嘗試提出新的持時定義,如謝禮立等[22]早在上世紀80年代就提出了工程持時的概念,其定義與地震參數和結構參數均有關聯,既能描述地震動持時特征,又可評價對結構的影響;尹保江等[23]在對比了地震動各類持時特點后,建議采用能量參數表征地震動持時,并建議了能量百分比取值閾值;BOOMER等[10]在對地震動參數分析后認為,Arias強度是定義地震動持時的較好指標,實際大部分學者也都是基于該指標定義持時;TAFLAMPAS等[24]提出了基于地震動絕對速度的持時定義,并研究了其對中長周期結構地震反應的影響;李新樂等[25]分析了近斷層地震動持時特征及影響因素,表明地震動持時受震級影響較大;而劉毅[26]分析了地震動持時與地震動強度參數相關性,認為其相關性強弱取決于所選取的地震動強度參數。

近些年來,研究者開始根據地震動作用下結構的地震反應參數定義地震動的持時,劉哲鋒等[27]利用單自由度(SDOF)體系結構,討論了地震動持時與結構退化損傷之間的關系,指出輸入能量是定義持時的較好指標;WANG等[28]將多個持時指標相結合,綜合提出了一個地震動持時定義,并分析了所提持時對混凝土重力壩的影響,表明長持時地震動激勵下大壩的動力反應會顯著增大;MASHAYEKHI等[29]采用結構發生非線性反應的總時間定義持時,并對4種混凝土結構進行分析,得出所定義的持時指標與結構地震反應相關性比其它持時指標高15%～20%。這些研究表明地震動持時對結構地震反應的影響與不同的持時定義相關,如果評價地震動持時對結構地震反應的影響規律,一般采用結構地震反應參數定義地震動持時較為合理。為了減少結構地震反應時程分析時間,LI等[30]和HE等[31]通過截斷的方式對地震動進行截取處理,給出了一個新的持時定義,算例表明:以截取處理后地震動為輸入,可以大大減少結構地震時程反應分析計算時間,并且可以保證計算結果具有較高可靠性,這對需要開展大量地震反應時程分析來講,無疑具有較大意義。

除了研究地震動持時的定義與特性外,有些研究者開始建立地震動持時的預測方程,以期對地震動持時進行預測。如徐培彬等[32]基于我國強震動數據,采用隨機效應回歸方法,建立了中國大陸地震動顯著持時預測方程;孫曉丹等[33]采用美國NGA強震動數據,對地震動顯著持時優缺點進行了評價,建立了地震動顯著持時預測公式。這些研究多是從地震動角度出發,討論地震動持時特性或影響因素,從中無法得出哪一種持時定義或標定方法更為合理。由于本文主要討論地震動持時對結構地震反應影響進展,關于地震動持時本身特性等內容不再展開詳細討論。

2 持時對工程結構及場地地震反應影響

在開展文獻調研中發現:研究地震動持時對結構的影響,絕大部分研究集中在分析對建筑結構的影響,而關于地震動持時對大壩、橋梁和輸電塔等構筑物地震反應影響的研究相對較少,特別是對場地地震反應影響方面的研究更少。因此,本文將建筑結構單獨作為一類重點討論地震動持時的影響進展,而將其他類型工程結構進行了合并討論,而關于持時對場地地震反應的影響,則進行了簡單討論與分析。

2.1 對建筑結構地震反應影響

考慮到地震動持時對建筑結構地震反應有重要影響,為了改善結構抗震設計及性態評估,研究者針對不同類型房屋建筑結構,開展了大量地震動持時效應及相關研究。早期徐植信等[34]采用53條地震動,對考慮剛度退化及P-Δ效應的SDOF體系結構進行了抗倒塌分析,結果表明結構倒塌與地震動持時有較大關系,但分析中沒有考慮地震動頻譜與持時的耦合影響;宋雅桐等[35]以人工合成地震動為輸入,分析了地震動持時對多層結構地震反應的影響,結果表明:地震動持時對結構彈性變形沒有影響,當結構發生高度非線性反應時,持時對結構塑性變形有較大影響,長持時地震動下結構變形會增加20%左右;杜修力等[36]分析了地震動持時對鋼筋混凝土(RC)結構累積損傷的影響,表明地震動的持時增大會明顯加重結構破壞程度;劉鳴等[37]分析了地震動持時對結構地震反應的影響,也表明持時對結構非線性反應影響較大,長持時地震動作用下薄弱層累積損傷更為明顯;EIBL等[38]研究了持時對存在退化效應的砌體結構地震反應影響,發現持時對結構最大位移有較大影響;但同期RAHNAMA等[39]分析了持時對雙線性SDOF體系結構的影響,結果卻顯示地震動持時與結構最大位移反應相關性很小。由此可見地震動持時對結構地震反應的影響與選取的結構類型及本構關系模型有很大關系,這也是研究人員需要注意的一個方面。

LINDT等[40]以結構極限強度為指標,分析了地震動持時對結構可靠度的影響,表明地震動持時對結構可靠度影響顯著;CHAI等[41-42]在研究考慮持時效應的非彈性反應譜時,指出長持時地震動作用下,結構所經歷的非線性循環次數增多,導致結構累積損傷增大;盛明強等[43]研究了持時對SDOF體系滯回耗能的影響,表明結構滯回耗能隨持時增加而增大;HANCOCK等[44]分析了持時對某8層RC框剪結構地震反應的影響,表明持時對結構最大層間位移角等峰值反應沒有影響,但長持時地震動作用下結構滯回耗能與疲勞損傷程度會顯著增大;周靖等[45]利用位移反應譜,研究了地震動持時對阻尼折減系數的影響,表明隨著地震動持時增大,結構阻尼折減系數會減小。

RAGHUNANDAN等[46]采用增量動力分析(IDA)方法,研究了持時對RC框架結構抗倒塌能力的影響,指出結構在長持時地震動作用下的倒塌風險顯著高于短持時地震動,并建議在結構抗震設計及地震風險評估中,除了考慮地震動強度和頻譜特性外,持時也要有所考慮和體現;BARBOSA等[47]針對9層鋼框架結構,評估了地震動持時對結構的影響,指出持時對結構最大層間位移角的影響幾乎可以忽略,而對殘余變形、滯回耗能及非線性循環次數具有顯著影響;后來BARBOSA等[48]分別對3、9和20層鋼結構進行了抗震性能及損傷評估,并根據分析結果指出:因為目前結構評估方法沒有考慮地震動持時的影響,無論是基于性態的還是基于傳統規范的結構評估方法均應該修訂和改善;HOU等[49]對理想彈塑性SDOF結構的延性需求和滯回耗能進行了研究,結果表明長持時地震動作用下結構滯回耗能顯著增大,位移延性需求則沒有明顯變化,后一結論與有些研究者的結果不一致。

近幾年隨著性態抗震設計理論的發展以及韌性抗震設計理論的提出,研究者越來越重視地震動持時效應,開始重點考慮和分析地震動持時對結構抗震能力的影響,又成為一個最熱門的研究課題。韓建平等[50]以規范譜為目標譜,合成了30條持時不等的地震動,分析了持時對RC框架結構抗倒塌能力的影響,表明長持時地震動作用下,結構倒塌概率明顯升高;CHANDRAMOHAN等[20]采用長短持時地震動匹配方法,研究持時對結構抗倒塌能力的影響,對5層鋼框架結構和混凝土橋墩進行了分析,結果表明:長持時地震動作用下鋼框架結構的抗倒塌能力會降低29%,而對橋墩而言則會降低17%;HAN等[51]采用相同方法對3層RC框架結構進行分析,也得到了相似結論;孫小云[52]研究了持時對RC框架結構的影響,表明長持時的地震動會明顯增加結構的易損性、可修復狀態超越概率及倒塌概率。

MOLAZADEH等[53]通過與規范譜匹配,得到了20條長持時和27條短持時地震動,以此為輸入分析了地震動持時及退化捏縮效應對SDOF結構滯回耗能的影響,結果表明:結構屈服強度較大、退化效應較低時,較長持時地震動作用下結構的滯回耗能顯著增大;BRAVO-HARO等[54]以77對長和短持時地震動為輸入,對50個鋼結構進行了地震反應分析,結果表明:長持時地震動作用下,鋼結構抗地震倒塌能力最大會降低40%;近來BRAVO-HARO等[55]分析了持時對具有P-Δ效應的SDOF結構抗倒塌能力影響,結果顯示:如果不考慮地震動持時的影響,結構抗地震倒塌能力可能會被高估50%;SAMANTA等[56]針對15層RC框架結構,以長和短持時地震動為輸入,分析了持時對結構的影響,結果表明:當地震作用水平較低時,結構最大層間位移角會隨持時增長而增大,當地震作用水平較高和結構發生損傷時,持時對最大層間位移角不會產生影響,但會使結構加速度反應峰值降低;PAN等[57]以我國汶川地震中7條長持時地震動和蘆山地震中7條短持時地震動為輸入,對3棟低層木結構房屋進行了抗倒塌能力分析,結果表明:長持時地震動下木結構房屋抗倒塌能力會降低26%～71%;后來PAN等[58]又針對6層木結構,分析了結構地震易損性,表明長持時地震動下結構抗倒塌能力下降了18%,而損傷指數則提高了36%;但PAN等[59]后續對4棟低層木結構分析發現,結構損傷指數與地震動持時的相關性依賴于地震動強弱及結構本身抗震能力。

HARATI等[60]以結構滯回耗能和非線性循環次數為指標,評估地震動持時對結構地震反應的影響,在對3個RC框架結構分析后指出:結構最大層間位移對持時極不敏感,但累積損傷及滯回耗能受持時影響很大;同時HARATI等[61]針對4個RC結構,分析了持時對結構位移需求及抗倒塌能力的影響,發現結構位移需求和持時相關性較小,但相關性會隨著地震動水平增加而提高,長持時地震動下結構抗倒塌能力會降低20%;FAIRHURST等[62]采用IDA方法,分析了地震動持時對RC剪力墻結構的影響,也表明持時對結構的影響與地震動作用水平相關,當地震動作用水平提高時,持時對結構地震反應影響增大;DE JESUS VEGA等[63]在分析地震動持時對RC結構延性需求時發現:持時對結構地震反應的影響很難量化,亦無規律,主要依賴于結構動力特性、強度和剛度退化特性,長持時地震動對較剛的結構影響更大,同時指出:結構建模方法及本構模型的選取起到關鍵性作用,不同建模方法及不同材料本構模型帶來的差別可達2倍以上;徐熙等[64]分析了地震持時對非結構構件加速度響應及結構樓層反應譜的影響,結果表明:持時對長周期結構的樓層反應譜影響較大;崔玥等[65]采用IDA易損性分析方法,評估RC框架結構抗倒塌能力,結果表明:當地震動幅值和頻譜接近時,采用短持時地震動會明顯高估結構抗倒塌能力,與他人研究結果略有不同,其得到的結論是持時不僅對結構累積損傷有影響,而且對結構最大層間位移角等峰值變形也會產生不可忽略的影響。

韓建平等[66]以長和短持時兩組地震動為輸入,分析了RC框架結構的地震易損性,結果表明:持時對結構地震易損性的影響不容忽視,地震動持時越長,對結構抗震性能不利影響越明顯,長持時地震動會使結構失效概率增加50%以上;LIAPOPOULOU等[67]以101對長和短持時地震動為輸入,對SDOF體系抗倒塌能力進行分析,得出長持時地震動下結構抗倒塌能力會下降60%,持時對結構影響程度依賴于結構周期、P-D反應水平及結構滯回特性;MASHAYEKHI等[11]提出了一種在IDA方法中考慮地震動持時的方法,主要針對地震動不同強度,通過譜匹配產生持時不同的地震動作為輸入,替代傳統IDA只調整峰值加速度做法,分析結果顯示:無論是否考慮結構退化效應,地震動持時對結構地震反應的影響都不可忽略;MANESH等[68]采用剛度和強度退化模型,分析了地震動持時對相鄰鋼結構碰撞的影響,指出在相鄰鋼結構設計中,應采用時程反應分析確定兩個結構之間安全距離,而且必須要考慮地震動持時的影響;劉洋[69]針對不同層數的RC框架結構,以人工合成的頻譜相同而持時不同的地震動為輸入,對結構開展了地震反應分析,研究了地震動持時與結構不同地震反應參數之間的相關性,表明地震動持時與結構最大反應加速度、最大層間位移角等參數相關性較小,相關系數在0.2以下,而與結構Park-Ang損傷指數中等相關,相關系數在0.4～0.7之間,但與結構滯回耗能相關性最大,相關系數在0.70～0.88之間。

上述研究表明:地震動持時對建筑結構地震反應有重要影響,但其影響程度取決于結構類型、本構關系以及選取的結構地震反應參數,對與時間累積無關的地震反應參數,如峰值加速度和最大位移等影響較小,而對與時間累積相關的結構地震反應參數,如滯回耗能和累積損傷指數等影響較大,因此在研究地震動持時對結構地震反應影響時,必須考慮和選擇可以表征結構地震性態且與時間累積相關的地震反應參數(如結構滯回耗能和考慮累積效應的損傷指數等)進行分析[3,5],否則可能得不到地震動持時對結構地震反應及損傷破壞的定量影響。

2.2 對其他類型工程結構地震反應影響

除了研究地震動持時對建筑工程結構地震反應影響外,也有一些研究針對不同類型工程結構展開,討論地震動持時對不同類型結構的影響。張社榮等[70]對水庫大壩地震損傷進行了評估,表明長持時地震動會使大壩產生較大的累積損傷破壞;而WANG等[28]也發現較長持時地震動激勵下混凝土重力壩的動力反應會顯著增大;王星亮[71]研究了地震動持時對大壩地震變形的影響,表明隨著持時的增加,壩體變形逐漸增大并使大壩受損加劇,特別指出:地震動強度越大,持時對大壩動力響應的影響越不可忽略。

郎需軍等[72]和蓋霞等[73]分別研究了地震動持時對輸電塔-線體系地震反應的影響,均表明在塔-線體系動力響應分析中地震動的持時效應不容忽視;田興業[74]分析了地震動持時對單層球面網殼結構的影響,結果表明:持時增加會明顯降低結構的失效荷載,降低幅度可達36%,并建議在結構極限狀態分析及失效荷載評估中應考慮地震動持時影響;花逸揚[75]研究了地震動持時對混凝土橋墩抗震性能的影響,指出在長持時地震動作用下,應充分考慮疲勞效應造成的損傷,才能保證抗震分析結果的準確性;HASSAN等[76]分析了地震動持時對橋梁地震反應的影響,結果顯示:從橋板加速度、橋墩基底剪力和支座殘余變形等參數來看:長持時地震動會對橋梁會造成更大破壞,特別是對橋梁支座影響更為顯著。由此可見,在大壩、橋梁和輸電塔等構筑物進行抗震設計時,也應該考慮地震動持時的影響,以保證在長持時地震動作用下的地震安全。

2.3 對場地地震反應的影響

除了研究地震動持時對工程結構地震反應影響外,有少數研究圍繞工程場地及巖土構筑物等方面展開。黃雨等[77]采用持時不同的地震動,對河流堤防的液化性狀進行了分析與評估,結果表明持時較長的地震動會使堤防產生更大的液化變形;侯春林等[78]分析了地震動持時對核島結構場地非線性地震反應的影響,指出在非基巖核電廠抗震設防中,十分有必要考慮地震動持時對場地非線性地震反應的影響;WANG等[79]分析了地震動持時對滑坡的影響,結果顯示長持時地震動作用下邊坡失效概率會提高20%～50%,邊坡穩定性評估中必須考慮地震動持時的影響。這些是研究地震動持時對工程場地等影響的典型代表,表明持時對工程結構所在場地有不同程度影響,且會影響到上部工程結構。

通過上述分析可知:地震動持時對工程場地及各類建筑物、構筑物等工程結構的地震反應及損傷狀態均有不同程度影響,無論哪類工程結構都應考慮地震動的持時效應。特別是具有剛度、強度退化特性的RC框架、框剪等結構以及具有捏縮效應本構關系的砌體、磚混等結構,其地震反應對地震動持時更為敏感,累積損傷與地震動持時相關性超過80%[29,80]。日本學者SHOJI等[81]也曾明確指出:地震動持時對結構的影響與幅值、頻譜對結構的影響具有同等重要性,不可以忽略,地震工程工作者應給予地震動持時充分重視,結構抗震設計也應充分考慮與體現地震動持時效應。

3 規范對地震動持時考慮

正如上述分析,地震動持時對各類工程結構的地震反應都有重要影響,在結構抗震設計中應予以考慮,但目前基于強度的抗震設計方法,無論是直接通過小震下彈性反應譜還是通過反應譜折減方式得到設計譜[12-16],采用參數均為無法反映持時累積效應的加速度和位移等指標,所以國內外通過設計譜方法進行抗震設計無法反映地震動持時影響,只能通過地震反應時程分析驗算進行彌補[3-7],為此,不同設計規范除了對結構時程反應分析輸入地震動數量要求之外,對輸入地震動持時也給出了不同要求。如《歐洲抗震設計規范》(EN1998—1)[13]對地震反應分析輸入地震動頻譜特性等規定較為詳細,但在持時方面,只規定當無法獲取符合工程場地特征的實際輸入地震動記錄時,需采用人工合成地震動,人工地震動反應譜除了要與5%阻尼比的彈性設計譜匹配外,其穩定震動段的時間長度應不小于10 s。美國系列抗震設計標準及規范對結構地震反應時程分析輸入地震動類型、峰值、頻譜特性及地震動數量等給出了詳細規定,但對于輸入地震動持時則無特別明確的規定[82-84]。

我國規范也規定了類似的輸入地震動持時要求,如我國《建筑抗震設計規范》(GB 50011—2010)[12]規定,除了正確選擇輸入地震加速度時程外,還要求地震動頻譜特性、有效峰值和持續時間均要符合規定,對于持時則采用括號持時,從首次達到輸入地震動最大峰值10%那一點算起,到最后一點達到最大峰值10%為止,且有效持續時間一般為結構基本周期的5～10倍,即結構頂點的位移可按基本周期往復5～10次。《空間網格結構技術規程》(JGJ 7—2010)[87]也規定,采用時程分析法時,應考慮地震動強度、地震動譜特征和地震動持續時間等地震動三要素,合理選擇與調整地震動,特別提到所取地震動持續時間不同,計算出的地震響應亦不同,尤其當結構進入非線性階段后,由于持續時間的差異,使得能量損耗積累不同,從而影響了地震響應的計算結果;對于持時則指出可以采用絕對持時(括號持時)、相對持時和等效持時等,使用最方便的是絕對持時,按絕對持時計算時,輸入的地震動持續時間內應包含地震動最強部分,并要求選擇足夠長的持續時間,一般建議取不少于結構基本周期的10倍,且不小于10 s。《高層建筑混凝土結構技術規程》(JGJ 3—2010)[88]和《高層民用建筑鋼結構技術規程》(JGJ 99—2015)[89]也均給出了類似要求,但規定地震動的持續時間為不宜小于建筑結構基本自振周期的5倍和15s。

從這些規范中對于輸入地震動持時的規定說明:無論是結構彈性反應時程分析,還是彈塑性反應時程分析,除了關注幅值與頻譜特性外,還要重點關注地震動的持時影響。但從這些規定又不難看出:不同規范針對輸入地震動持時的規定有較大差別,究其原因,除了考慮地震動隨機性較大外,人們對于地震動持時對結構地震反應影響機理及定量影響程度的認識在一定程度上還不是太明確。

4 存在主要問題

綜合分析國內外已經開展的大量研究可以發現:研究者普遍認為地震動持時對工程結構地震反應及地震性態具有重要影響,在結構抗震設計與分析中必須考慮地震動的持時效應,這在地震工程領域已經達成了共識。但從研究結果與結論來看,基本可以分為兩類:一是持時對結構地震反應影響較小甚至可以忽略,得到這類結論的研究一般采用結構加速度或位移變形作為評價指標;二是持時對結構地震反應影響較大,得到這類結論的研究普遍采用滯回耗能、損傷指數等與時間累積相關的參數作為評價指標。兩類看似相反的研究結果與結論實際并不矛盾,只是與研究者選取的結構地震反應參數與評價指標有重要關系[3]。

實際這也是地震動持時難以應用于結構抗震設計與評估等工作的主要原因,目前結構抗震設計與結構地震性態評估,一般基于加速度和位移等參數,而這類參數往往受持時影響較小[6-7]。特別是由不同周期SDOF體系最大加速度反應得到的加速度反應譜不能反映持時的影響,使得基于加速度譜統計得到的抗震設計譜無法包含和反映地震動的持時效應。在評估結構地震性態時,一般以結構最大層間位移等參數為評價指標,也很難反映持時的影響,而結構損傷水平與滯回耗能等累積參數相關性更大。因此,目前關于地震動持時的研究成果要么無法全面考慮和反映地震動持時的影響(以加速度和位移等參數為代表),要么很難與現行基于強度、以設計譜為代表的結構抗震設計方法相兼容(以滯回耗能和累積損傷指標為代表)。為此,某些抗震設計規范通過彈性或彈塑性時程反應分析對結構進行驗算,并對輸入地震動的持時給出要求,算是在一定程度上彌補了這一缺陷,但如果采用加速度和位移等峰值參數,可能仍不能完全反映輸入地震動持時的影響[4-5]。

值得一提的是:即使采用結構滯回耗能和損傷指數等考慮累積效應的反應指標評價持時的影響,尤其是對結構地震反應的定量影響,不同研究者結論也不統一,這也反映了目前人們對于地震動持時效應及破壞機理的認識仍不明確。研究結果在很大程度上取決于結構類型、材料本構、建模方法以及結構發生非線性反應的強烈程度,特別是當選取不同的結構恢復力模型時,甚至會出現截然相反的分析結果[63-67]。可見研究地震動持時對結構地震反應與破壞的影響機理,必須要考慮不同類型結構及其本構特性,選擇合適的材料本構關系及滯回模型,特別要考慮材料強度及剛度退化效應,這也是地震動持時效應不能應用于目前主流基于強度的結構抗震設計與分析的主要原因。

正是因為這些原因,也就導致多數研究未能將地震動持時對結構設計參數的影響定量化,除了通過地震反應時程分析時對輸入地震動的持時給出要求外,其他未能給出具有可操作性考慮持時影響的抗震設計及分析方法。需要特別指出的是:因為很難確定地震動持時對加速度譜的定量影響,所以很少有研究能夠給出考慮持時效應、較為實用的抗震設計譜。盡管有學者曾試圖解決這一問題,嘗試建立考慮持時效應的抗震設計譜,但由于統計結果的離散性及可靠性問題[85],或給出的是考慮累積效應的非彈性反應譜[41-42],甚至提出的僅僅是一些抗震設計概念[86],導致研究結果在目前基于強度以設計譜為代表的抗震設計方法中很難得以應用,僅在結構地震時程反應分析中可以考慮。因此,在目前對地震動幅值與頻譜研究與應用較為成熟的基礎上,充分探明地震動持時對結構地震反應與損傷影響機理和規律,提出考慮地震動持時影響的結構抗震設計與分析方法,是結構抗震設計理論與地震反應分析技術發展的必然趨勢之一。

5 結論與展望

本文針對有關地震動持時特性及其對結構地震反應影響的國內外研究進展及現狀進行了詳細的評述,得到主要結論如下:

1)國內外關于地震動持時特性及其對結構地震反應的影響開展了大量研究,取得了重要進展,但綜合這些研究不難得出:目前關于地震動持時對結構的影響機理與規律仍不十分明確,研究者關于持時對結構地震反應影響的認識尚未一致,除結構地震反應時程分析或通過時程反應分析進行其他分析外,缺少合理的方法以恰當地反映與考慮地震動持時效應。這些問題直接限制和阻礙了地震動持時效應在以加速度參數為代表的結構抗震設計與評估中的應用,遠遠不能滿足當前基于性態和韌性等先進抗震設計方法以及結構韌性評估等對地震作用的迫切需求,成為地震工程領域亟需解決的重要問題。

2)如何使得地震動持時效應在結構抗震設計、分析及評估等工作中得以應用,需重點考慮和解決好以下三個關鍵問題:①消除地震動幅值及頻譜與持時耦合作用,針對不同類型結構,選取恰當結構本構模型與可以表征結構地震性態且可表征持時影響的地震反應指標,明確地震動持時對結構地震反應與損傷影響機理與特征。②定量化地震動持時對不同類型結構及不同累積損傷參數的影響,將其映射與遷移到對加速度或位移反應影響,發展地震動持時在基于強度的結構抗震設計與分析中實用方法。③針對目前結構地震反應時程分析對持時的需求,進一步明確結構反應分析及評估對輸入地震動的持時要求。

總之,通過研究地震動持時對結構不同反應參數影響機理與規律,建立地震動持時對結構反應定量影響模型,得到地震動持時對結構反應的定量影響,才可以建立考慮持時影響的結構抗震設計及分析方法,滿足當前基于性態和韌性等先進抗震設計方法對地震輸入迫切需求。這對于促進結構抗震設計理論與方法發展,減輕工程結構地震破壞與地震災害,具有重要的科學理論意義與工程實用價值。