陳國平，溫留漢·黑沙，王 帥

（廣州大學(xué)減震控制與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室培育基地， 廣東 廣州 510405）

多種表征強震動記錄特性的參數(shù)對比分析

陳國平，溫留漢·黑沙，王 帥

（廣州大學(xué)減震控制與結(jié)構(gòu)安全國家重點實驗室培育基地， 廣東 廣州 510405）

為研究強震動記錄的破壞特性，對多條國內(nèi)外常用的強震動記錄的特性參數(shù)進行了對比分析。結(jié)果表明，強震動記錄特性參數(shù)之間的相關(guān)性很小；PGA（PGV）和EPA（EPV）大小關(guān)系受震級和震中距影響較大；VSI較ASI能夠更準確的評價強震動記錄的破壞特性；與其它參數(shù)相比，強震動記錄破壞強度參數(shù) （PD）同時考慮了地震加速度、時間和頻譜三要素，考慮的因素相對全面。

強震動記錄；特性參數(shù)；破壞特性；破壞強度參數(shù)

引言

在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，強震動記錄的選取對于驗證結(jié)構(gòu)設(shè)計的合理性具有重要的意義。若要選取合理的強震動記錄應(yīng)用于抗震設(shè)計中，必須對強震動記錄特性有深刻的認識。

地震動峰值加速度，是最早提出來的最直觀的地震動幅值定義，并得到了廣泛的應(yīng)用。地震動峰值加速度有其自身的局限性，如：地震動加速度最大值主要反映了地震動高頻成分的振幅很難全面反映震源的特性。例如，1985年墨西哥地震，記錄地震動峰值加速度僅0.17 g，比1986年的圣薩爾瓦多城地震的記錄地震動峰值加速度0.6 g要小許多，但造成了更加嚴重的震害[1]。

由于地震峰值加速度不能有效的評價強震動記錄的破壞特性，各國學(xué)者提出了不同的評價強震動記錄破壞特性的參數(shù)。這些參數(shù)所代表的意義不同，且采用各個參數(shù)評價強震動記錄特性的準確性不同，為了解各個參數(shù)的意義和優(yōu)缺點，本文對常用的強震動記錄特性參數(shù)進行了分析比較，為抗震驗算時強震動記錄的選取提供參考。

1 強震動記錄特性參數(shù)的定義及意義

1.1 阿里亞斯強度 （AI）

1969年Arias提出用地震動過程中單質(zhì)點彈性體系所消耗的單位質(zhì)點的能量：

作為地震動總強度的概念，常被稱為Arias Intensity（阿里亞斯強度）。其中a（t）為地震波加速度時程，tD為地震動持時。

Arias Intensity表示地震動能量隨時間的積累。從式 （1）可以知道，Arias Intensity與加速度幅值和持時直接相關(guān)。由于峰值理論不能反映強震動記錄的持時特性，地震動的Arias Intensity分析方法，即地震動能量分析方法，結(jié)合了峰值和持時特性，在加速度峰值理論的基礎(chǔ)上，從強震動記錄的能量的角度來揭示強震動記錄的破壞特性，提升了現(xiàn)有的地震動損傷評價方法。

1.2 有效峰值加速度 （EPA）和有效峰值速度 （EPV）

地震動峰值加速度值常由一些脈沖型的高頻尖峰所決定，大量的研究表明：加速過程中某些尖銳的峰值并不是對應(yīng)反應(yīng)譜能量最大頻段的幅值，因此峰值加速度不能全面反映地震動對結(jié)構(gòu)的破壞作用，有時甚至不是主要的影響因素。

針對上述問題，70年代末美國應(yīng)用技術(shù)委員會報告ATC-3后的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范中，將阻尼比為5%的加速度反應(yīng)譜在周期0.1～0.5 s之間平均為一常值Sa，速度反應(yīng)譜在1 s周期附近平均為一常值Sv，則有效峰值加速度與有效峰值速度的定義分別為 （常數(shù)2.5是一個經(jīng)驗系數(shù)）[1]：

地震動有效峰值加速度 （速度）是指與地震動加速度 （速度）反應(yīng)譜最大值對應(yīng)的水平加速度 （速度），主要與反應(yīng)譜相關(guān)，避免了個別高頻尖峰的影響。

1.3 譜強度SI（ASI和 VSI）

加速度峰值理論和Arias Intensity，只是對強震動記錄本身特性方面進行分析，并沒有與結(jié)構(gòu)相聯(lián)系，沒有反映結(jié)構(gòu)的特性。為了解決這個問題，比奧特 （Biot，M）、貝尼奧夫（Benioff，H）等人在40年代初提出從地震動記錄計算反應(yīng)譜的概念，反應(yīng)譜理論明確而又簡單地反映出地震動特性和結(jié)構(gòu)反應(yīng)特性雙重含義。在反應(yīng)譜理論的基礎(chǔ)上，豪斯諾（Housner）提出了譜強度概念，結(jié)合結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性來評價強震動記錄的破壞特性。

Housner（1952年）定義相對速度譜強度和加速度反應(yīng)譜強度分別為[4]

式中，Sv，Sa分別是阻尼比為ξ時的單質(zhì)點體系的相對速度反應(yīng)譜和加速度反應(yīng)譜；T為結(jié)構(gòu)自振周期。式 （4）和 （5）中，ASI和VSI值的計算范圍是已設(shè)定的，它們只反映了反應(yīng)譜的局部強度，沒有涉及宏觀現(xiàn)象。因為Sv反映了單自由彈性體系的能量需求，故VSI是從能量角度去評價強震動記錄損傷強度的參數(shù)。

1.4 地震破壞強度參數(shù) （PD）[6]

為了更加全面有效的評價強震動記錄的破壞特性，需要綜合考慮強震動記錄各個因素的影響。Saragoni提出了一個評價強震動記錄頻譜的特性的參數(shù)，即零交點強度 （V0）。零交點強度定義為強震動記錄加速度時程曲線與橫軸的交點數(shù)除以此加速度時程的總持時。為了更加全面有效的評價強震動記錄的破壞特性，Araya和Saragoni提出地震破壞強度參數(shù)PD：

由上式可知，地震破壞強度參數(shù) （PD）與Arias Intensity和零交點強度 （V0）直接相關(guān)，而Arias Intensity（AI）直接與加速度幅值和強震動記錄持時相聯(lián)系，同時零交點強度 （V0）反映了強震動記錄的頻譜特性，由此可知地震破壞強度參數(shù) （PD）同時涉及了地震動的三個基本要素 （加速度幅值、持續(xù)時間和頻譜）的參數(shù)。

2 強震動記錄資料的選取

本文選取了國內(nèi)外結(jié)構(gòu)工程時程分析中較常用的9條強震動記錄，包括6條自然波和3條人工波 （人工波選自工程分析軟件ETABS的強震動記錄）。強震動記錄的基本信息如表1所示,對應(yīng)的反應(yīng)譜曲線如圖1所示。

從圖1可以看出，假如某地遭遇反應(yīng)譜類似于BJ、GZ、LZ、QA、TF的強震動記錄影響時，對于自振周期小于0.4 s的結(jié)構(gòu)，按照建筑抗震設(shè)計規(guī)范 （GB50011-2010）標準反應(yīng)譜 （圖1中紅虛線）進行抗震設(shè)計是安全的；但是，若遭遇反應(yīng)譜類似于SH的地震影響時，周期在1.3～2.3 s之間的結(jié)構(gòu)的最大響應(yīng)值明顯大于標準反應(yīng)譜值，結(jié)構(gòu)是偏于危險的。因此，抗震設(shè)計中應(yīng)該考慮地震環(huán)境的影響，采用多指標研究地震動的特性。

圖1 加速度反應(yīng)譜Fig.1 Acceleration response spectrum

圖2 速度反應(yīng)譜Fig.2 Velocity response spectrum

表1 強震動記錄基本信息Table 1 The basic information of strong motions

3 強震動記錄特性參數(shù)分析

首先，通過對表1所示的強震動記錄進行計算，得到強震動記錄各項參數(shù) （見表2），然后依次分析強震動記錄的各特征參數(shù)。

表2 強震動記錄參數(shù)計算數(shù)據(jù)（阻尼比取值為0.05）Table 2 Parameters of strong motions(damp factor is 0.05)

3.1 強震動記錄峰值加速度

如圖3和圖4示， QA和NH波加速度最大值分別是132.39 cm/s2和145.80 cm/s2，但除了最大加速度附近時段對應(yīng)的加速度值較大外，其它時段對應(yīng)的加速度值都很小。

QA和NH波的加速度反應(yīng)譜 （如圖5所示）， 最大加速度響應(yīng)值所對應(yīng)的周期分別在0.1 s和1 s附近，由反應(yīng)譜曲線可知QA波對短周期的結(jié)構(gòu)損傷較大而對中長周期結(jié)構(gòu)影響較小，而NH波對中長周期的結(jié)構(gòu)損傷較大，雖然QA和NH波加速度峰值大小相近，但兩者對不同周期結(jié)構(gòu)的損傷程度具有很大差別較大。

圖3 QA加速度時程曲線Fig.3 Curve of QA acceleration versus time data

圖4 NH加速度時程曲線Fig.4 Curve of NH acceleration versus time data

強震加速度時程及反應(yīng)譜曲線對比分析結(jié)果表明,峰值大小不能反應(yīng)地震動的頻譜特性，僅用加速度峰值來評價強震動記錄的破壞特性過于片面，因此地震動峰值加速度只能作為評價強震動記錄破壞特性一個參考指標，不能全面反映地震動的破壞特性。

3.2 Arias Intensity

如表2所示，強震動記錄QA和BJ的持時大小相差較小，QA波的PGA（132.39 cm/s2）值大于BJ（55.49 cm/s2）波的PGA值，QA波的AI值卻比BJ（55.49 cm/s2）波的AI值小，由此可見，強震動記錄的PGA值較大，它所攜能量未必大。

表2中KB波的地震加速度峰值和持時都比SH的要大，AI值卻比SH的要小得多，說明加速度峰值大和持時長的強震動記錄的Arias強度值不一定就會大，即強震動記錄所攜的能量不一定大，因此，只用地震動的加速度和持時來量化強震動記錄的能量大小是不可靠的。

AI是評估強震動記錄能量的一個參數(shù)，只涉及了加速度幅值和持時兩個要素，但沒有考慮強震動記錄的頻譜因素，強震動記錄的頻譜特性對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)影響較大，AI參數(shù)也不能全面反映地震動的破壞特性。

3.3 譜強度 SI（ASI和VSI）

由圖1可見，KB波的Sa的峰值遠大于SH的Sa值，表2中數(shù)據(jù)顯示，KB波的ASI值卻小于SH波的ASI值，主要原因是ASI計算公式的積分區(qū)間0.1～0.5 s，在這一區(qū)間，SH波的Sa平均值大于KB波，因此，SH的ASI值較大；ASI計算式的積分區(qū)間的范圍影響加速度譜強度值的大小，當(dāng)波峰段周期范圍不在加速度譜強度計算周期范圍內(nèi)時，計算出的強度值較小，用于評價高頻成分的地震動的破壞特性不夠準確。

由圖2可見，SH波、KB波、NH波、TF波和LZ波的VSI值的大小依次為SH波＞KB波＞NH波＞TF波＞LZ波，與表2中的VSI數(shù)值吻合較好，說明VSI較ASI能夠更準確的評價強震動記錄的破壞特性。

圖5 QA和NH波的加速度反應(yīng)譜Fig.5 Acceleration response spectrum of QA wave and NH wave

圖6所示為以ASI歸一化數(shù)值為橫軸，VSI值為豎軸的對比曲線圖，曲線的波動性強，ASI與VSI之間的相關(guān)性較小。VSI是從能量角度去評價強震動記錄損傷強度的一個參數(shù)，由于VSI不僅與Sv有關(guān)，并且與結(jié)構(gòu)周期密切相關(guān)，且不能采用ASI來直接評價，在抗震設(shè)計中進行強震動記錄損傷評估時，應(yīng)考慮相對速度譜強度(VSI)的影響。

3.4 地震破壞強度參數(shù) （PD）

從表2中看到，GZ的AI值 （0.16 m/s）比NH的AI值 （0.30 m/s）小，但PD值卻比它大得多，原因是PD值與零交點強度 （V0）的平方成反比關(guān)系。由于零交點強度V0的大小與頻譜成分豐富程度成反比關(guān)系[6]，則PD值與頻譜成分是否豐富成正比關(guān)系，而從GZ和NH的傅立葉振幅圖 （圖7和圖8）可以看出，顯然GZ的頻譜成分要豐富得多，故其PD值比NH的PD值大。

圖6 ASI-VSI對比曲線圖Fig.6 Comparison of ASI and VSI

圖7 GZ波傅立葉振幅圖Fig.7 Fourier amplitude spectrum of GZ wave

圖8 NH波傅立葉振幅圖Fig.8 Fourier amplitude spectrum of NH wave

由上述可知，強震動記錄的AI較大且V0較小時，PD值較大。由于PD值與零交點強度（V0）的平方成反比關(guān)系，PD值受頻譜因素的影響會更大；因此，強震動記錄的頻譜成份豐富程度對地震損傷的評價結(jié)果影響很大，地震動分析研究中占有很重要的地位。

通常情況下，PGA和持時較大且頻譜豐富的強震動對結(jié)構(gòu)會有較大的破壞，具有較大PD值。地震破壞強度參數(shù) （PD）同時涉及了強震動記錄的三個基本要素，相比于本文其它參數(shù)，能夠更加直觀和準確的反映了強震動記錄的綜合破壞特性。

3.5 有效峰值加速度 （EPA）和有效峰值速度 （EPV）

為了分析有效峰值加速度 （EPA）和有效峰值速度 （EPV）參數(shù)的特性，在原有2條震級為6.9的自然波的基礎(chǔ)上增加了10條震級同為6.9的強震動記錄，如下表3所示。

由圖9和圖10可以看出，從曲線整體趨勢來看，在地震震級相近時，隨著震中距的增大，由于峰值和有效峰值受場地條件的影響，曲線會出現(xiàn)一些波動，但無論PGA（EPA）還是PGV（EPV）的數(shù)值整體都呈衰減趨勢。

如圖9所示，在震級相同的情況下通常有PGA＞EPA，近場強震動記錄TAK波 （R=0.3 km）的PGA＜EPA，地震動峰值加速度受震源機制和震中矩的影響較大。在震源附近，強震動記錄含有較多脈沖型高頻尖峰成分直接影響PGA的大小，而強震動記錄有效峰值只與反應(yīng)譜相關(guān)。在抗震設(shè)計中，建筑物靠近震源時，由于不能忽略地震動脈沖型高頻尖峰成分對結(jié)構(gòu)響應(yīng)造成的影響，宜采用PGA值進行計算分析。

表3 強震動記錄有效峰值（阻尼比取值為0.05）Table 3 The effective peak value of strong ground motion(damp factor is 0.05)

地震動有效速度峰值、地震動速度峰值與震中距的關(guān)系曲線如圖10所示，隨著震中距的增大，EPV值逐漸由小于PGV值轉(zhuǎn)變?yōu)榇笥赑GV值。如圖2所示，中長周期的速度反應(yīng)譜值較大時， EPV值也較大。在強震動記錄傳播過程中，隨著震中距的增加，高頻成分逐漸衰減，中低頻成分所占比例增大，EPV值逐漸大于PGV值。對于PGV相同的強震動記錄，中低頻成分較多的強震動記錄的EPV值會比較大。在抗震設(shè)計選強震動記錄時，對于以中低頻成分為主的強震動記錄，以EPV作為計算依據(jù)，結(jié)構(gòu)是偏于保守的。

圖9 相同震級下的PGA和EPA對比曲線Fig.9 Comparison of PGA and EPA with the same magnitude

圖10 相同震級下的PGV和EPV對比曲線Fig.10 Comparison of PGV and EPV with the same magnitude

4 結(jié)論

本文選取了9條常用強震動記錄，將各個地震參數(shù)的按各自最大值進行歸一化，且9個強震動記錄按震破壞強度參數(shù)PD的大小排列，強震動記錄特性參數(shù)歸一化曲線如圖11所示。參數(shù)PD的以外的其他特性參數(shù)，與PD參數(shù)的總體趨勢是一致的，但對應(yīng)曲線的波動性較強，各自相關(guān)性較差。

通過所選強震動記錄的各個地震特性參數(shù)的分析，得到以下結(jié)論：

（1）強震動記錄特性參數(shù)之間的相關(guān)性很小。在抗震設(shè)計中選取強震動記錄時，須從幅值、能量、頻譜和破壞強度等多方面對強震動記錄特性進行分析。

（2）地震動有效峰值加速度 （速度）與反應(yīng)譜相關(guān)，與地震加速度峰值相比，可以有效避免尖峰成分的影響；PGA（PGV）和EPA（EPV）大小受震級和震中距影響較大。在工程應(yīng)用中，近場強震動記錄宜選用參數(shù)PGA（PGV），而中遠場強震動記錄可采用參數(shù)EPA（EPV）。

（3）ASI只反映了加速度反應(yīng)譜的局部強度 （局部面積），并沒有涉及宏觀現(xiàn)象，ASI值較大時，結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)最大值未必會較大，應(yīng)與加速度反應(yīng)譜曲線結(jié)合來判斷強震動記錄加速度反應(yīng)譜強度的大小。在抗震設(shè)計中，由于地震動輸入總能量是一個重要的考慮因素，VSI是從能量角度去評價地震損傷的一個重要參數(shù)，較ASI能夠更準確的評價強震動記錄的破壞特性，應(yīng)重視參數(shù)VSI在評價強震動記錄破壞特性中的作用。

（4）AI只涉及了強震動記錄振幅和持時特性，沒有考慮頻譜特性，不是評價強震動記錄特性可靠的參數(shù)。AI值不能準確地評價強震動記錄能量的大小，還須結(jié)合強震動記錄的頻譜特性進行分析。地震壞強度參數(shù) （PD）在一定程度上反映了地震動三要素：加速度幅值、持續(xù)時間和頻譜成分，和其他地震動特征參數(shù)相比，能更好的評估強震動的綜合破壞特性。

圖11 強震動記錄特性參數(shù)歸一化曲線圖Fig.11 Curves of normalized parameters of strong ground motions

［1］胡聿賢.地震工程學(xué) ［M］.北京：地震出版社，2006.

［2］李杰，李國強.地震工程學(xué)導(dǎo)論 ［M］.北京：地震出版社，1992.

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Comparisons of Various Characteristic Parameters of Strong Motions

CHEN Guoping,WEN Liuhan·heisha,WANG Shuai

(Earthquake Engineering&Research Center,Guangzhou University,Guangzhou 510405,China)

To study the damage characteristics of strong motion records,this paper employed a number of strong motion events around the world,calculated and analyzed their characteristic parameters of the seismic wave.The results show that the correlation between these parameters is very small;The relationship of PGA(PGV) and EPA(EPV) is seriously effected by the magnitude and epicenter distance;VSI is a better parameter than ASI on evaluation of damage characteristics of strong motion records;Comparing with other parameters,destructiveness potential factor (PD)has considered the effect of the maximum ground acceleration,duration,and frequency spectrum.The influence of various parameters should be taken into account to assess the damage characteristics of strong motion records accurately.

Strong motion record； Characteristic parameter； Damage characteristics； Destructiveness potential factor

P315.914

A

1001-8662（2011）02-0045-09

2010-12-27

陳國平，男，1986年生，碩士研究生.主要從事地震動特性評價與結(jié)構(gòu)設(shè)計.E-mail:ap0407103@163.com，

溫留漢·黑沙，男，1963年生，博士、研究員.主要從事防災(zāi)減災(zāi)工程及防護工程.E-mail:WLH-GD@gzhu.edu.cn。