地震动选择及输入顺序在振动台试验中的应用研究

第28卷第6期2012年12月结构工程师Structural EngineersVol．28，No．6Dec．2012收稿日期：2012－08－07基金项目：国家自然科学基金资助项目（51078274）；中日重大合作项目（51022140006）；北京市科技计划重大项目（D09050600370000）*联系作者，Email ：yingzhou@tongji．edu．cn地震动选择及输入顺序在振动台试验中的应用研究周颖*张翠强（同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092）摘要振动台试验中，经过相似理论设计的缩尺模型，经历一系列特定顺序地震波的输入，激励起模型结构的动力非线性行为，来研究和评价结构的抗震性能。

因此对于表现出非线性行为的模型结构来说，振动台试验是个不可逆过程。

因此如何选择地震波，以及如何确定地震波的输入顺序，对振动台试验成功与否，显得尤为重要。

重点介绍振动台试验的选波方法以及地震波的输入顺序，并将该方法应用到再生混凝土框架模型振动台试验，通过试验结果验证了该方法的正确性。

试验结果表明，通过该方法选波，能准确合理地评价结构的抗震行为。

关键词输入顺序，选波，振动台试验，非线性行为Study on the Method of Ground Motion Selection andInput Sequence in the Shaking Table TestZHOU Ying *ZHANG Cuiqiang（State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering ，Shanghai 200092，China ）Abstract In shaking table tests ，the scaled-down model designed through the theory of similarity is excitedby the selected earthquake waves in a specified sequence to the nonlinear stage in order to study and evaluate the structural seismic performances．Due to the nonlinear history of the model ，shaking table test is an irre-versible process．Then how to select the input and determine the input sequence is very important to the suc-cess of the shaking table test．This paper puts forward the method of wave selection and determination of the input sequence．The shaking table test of a recycled reinforced concrete frame is used to verify the method．The experimental results show that the seismic performance of the structure could be accurately evaluated by the selected waves．Keywordsinput sequence ，wave selection ，shaking table test ，nonlinear behavior1引言利用大型振动台进行结构地震模拟试验是研究工程结构抗震能力和破坏机理的重要手段，通过相似理论设计缩尺模型，选择地震波，按照设定的顺序进行输入，激励模型的动力非线性行为，进而研究评估结构的抗震性能。

对于历经动力非线性行为的模型来说，振动台试验是一个不可逆过程。

振动台试验时如果地震波选择不当，有可能将无法激励起结构的动力响应，或者激励起结构过大的响应，从而无法对结构的抗震性能做出合理而准确的评价。

即便是地震波经过精心筛选，如果输入顺序不当，模型结构动力响应大的波的输入先于模型动力响应小的波，有可能造成后面波的输入不起作用，因此也无法准确评价结构的抗震性能。

因此选择振动台试验的模型输入地震波以及设定地震波的输入顺序，对确保振动台试验的成功起着至关重要的作用［1］。

2实际工程意义上的选波原则地震反应谱理论创立以来历经几十年的历史，为地震工程和工程抗震奠定了理论基础，在工程抗震中，尤其是对结构抗震计算具有十分重要的意义。

但是反应谱也有明显的缺点，即它无法表示地震动的持续时间，而持续时间对结构的破坏具有十分重要的作用［2，3］。

因此根据分析目的的不同，各国的抗震规范、指南和相关文献中用于结构弹塑性时程分析的地震动记录选取大致可分为三类。

第一类是基于台站和地震信息的选取方法，其主要分为以ATC-63为代表的面向研究的选取方法和以ASCE7为代表的面向设计的选取方法。

ATC-63中的选取方法是以结构易损性曲线为基础，以广泛适用性为出发点，提出一套基于台站和地震信息的地震动选取方法，其目的是为评价不同建筑结构的抗震性能提供一套统一的标准（地震动记录集合）［4］；ASCE7中选取方法是以基于概率的地震危险性分析，确定结构某一特定周期（比如第一周期）的谱加速度的超越概率（超越概率定了之后，与此超越概率相应的谱加速度值即可确定），根据已知的超越概率基于概率的地震危险性分析的反演，确定当地的对结构产生影响的统计变量均值（M震级，R震源距离），然后根据相关性分析确定结构其他周期的谱加速度值均值和方差，形成所谓的目标反应谱，然后根据此目标反应谱进行选波，如果地震波的反应谱能和目标反应谱吻合很好，此波将被选中，作为结构分析地震动输入，以上选波只是以结构某一特定周期为目标的反应谱进行选波，对于高柔结构，结构上部层间位移角对高阶振型比较敏感，因此对高柔结构来说，目标反应谱将会是多个，然后根据目标反应谱选定多组地震波对结构进行分析［5-7］。

第二类是基于设计反应谱的选取方法。

该方法是以设计反应谱为基础，由此来控制所选地震动记录的频谱特性与规范设计反应谱尽可能接近。

其中，有代表性的方法为杨溥，李英民［8］提出的双频段控制方法。

该方法在地震动记录数据库中直接挑选那些经调幅后其加速度反应谱在短周期段和结构一阶自振周期附近与设计反应谱相差较小的地震动记录，而不考虑场地条件、震级、震中距等一系列客观参数的限制。

邓军，唐家祥［9］提出的将反应谱分为6个周期区间，即［0 1s］，［1 2s］，［2 3s］，［3 4s］，［4 5s］，［5 6s］，分别在每个区间段上进行控制，这样可以获得每个区间段上拟合最好的记录，结构基本周期落在哪个区间，就采用哪个区间的波。

这样既满足了统计意义上相符，又控制了离散型。

第三类是最不利地震动选波方法。

其基本思路是在工程设计中，特别在非常重要的工程抗震设计中，有必要采用相对苛刻的地震动记录进行结构地震安全性的验算，即选用可能对结构造成最严重破坏的地震动记录。

谢礼立，翟长海等［10］在比较地震动潜在破坏势的基础上，提出了最不利地震动的概念，并结合我国现行抗震规范关于地震动强度等级和场地类别的划分，给出了确定最不利地震动的方法和对应于不同场地类别和结构类型的最不利地震动记录，以便工程设计时使用。

3振动台试验选波原则3．1振动台试验特点振动台试验是这样一种抗震试验方法：首先根据相似理论设计并制作缩尺模型且选择地震动输入，然后通过振动台再现该地震动，从而能够直接观测模型的地震反应，进而能够根据相似理论得到原型结构的地震响应。

在该类试验中，结构模型往往表现出非线性行为，即逐步累积损伤且表现出“路径相关”特性。

因而，既不可能选择很多地震波，也需要对地震波的输入次序进行仔细设计。

简言之，如何选择小样本输入并合理安排试验顺序，是振动台试验的关键问题。

3．2振动台试验选波原则针对工程以及研究目的的不同，振动试验选波应当遵循以下原则：对于特别重要的建筑，应当采用最不利地震动选波原则；针对一般工程，应该采用模型结构基频段拟合模型反应谱原则。

从理论上来讲，振动台试验选波应分阶段进行。

对于历经非线性的模型来说，对不同阶段的输入波有不同的灵敏度。

模型产生非线性行为以后，动力特性在发生改变，设计反应谱也在发生改变，因此按照多遇地震反应谱为例选择的一组波，·16··抗震与抗风·结构工程师第28卷第6期是不适合进行全阶段输入的。

以多遇地震和罕遇地震阶段为例，要分别拟合多遇设计反应谱和罕遇设计反应谱原则进行选波，对结构在不同阶段做不同的输入，才能对结构的行为作出合理而准确的评价。

然而这在实际振动台试验中是做不到的，因为试验之前，结构损伤后的动力特性不能准确预测，因此无法事先选出整个阶段波以备输入，只能是边做试验边选波，而选波本身也是需要时间的，有时候甚至无法选出合适的自然波。

因此振动台试验一般的做法是，首先选定3 4条地震波，然后在整个试验阶段（多遇地震，基本地震，罕遇地震），不再重新选波和调换输入顺序。

本文只针对第一阶段（多遇地震阶段）进行选波与排序分析。

3．3振动台试验输入波顺序确定无论是在振动台多遇地震阶段还是罕遇地震阶段，首先通过计算结构的自振周期，通过结构的自振周期处反应谱的综合值确定地震波的输入顺序。

作者认为第一周期起控制作用的结构（第一周期振型参与质量系数大于50%），用第一周期处反应谱进行比对即可。

针对特别重要的工程（如核电站反应堆的保护壳等），可以采用最不利地震动方法进行选波。

翟长海等［11］已经按最不利地震动原则对常用的地震动进行分类，并归纳成表格，可供设计人员直接选用。

对于一般的工程可以采用拟合设计反应谱法。

第一步：根据研究对象所在场地类型和设防烈度确定多遇地震反应谱，并将反应谱转换为加速度表示，一般采用cm/s2。

第二步：将所选地震波进行反应谱分析，然后与设计反应谱放在一起进行，在结构基本周期处进行比对，确定所选波是否合适，一般来说，振动台试验是取几条波的包络值进行抗震性能评价，所以应该控制反应谱最大值在结构基本周期处不应超过设计反应谱20%，多条波反应谱均值应能接近设计反应谱。

第三步：将地震波的反应谱和规范设计反应谱画在同一张图形中，进行比对进行选波。

第四步：根据结构基频对应点的模型波的反应谱的数值大小，确定输入顺序。

至此，选波和确定输入顺序完成。

4振动台试验选波实例4．1选波与排序以8层再生混凝土框架模型振动台试验为例进行选波并确定输入地震动的先后顺序。