地震动参数与结构破坏关系的研究

摘 要：本文以地震动参数对钢筋混凝土结构破坏的影响程度为研究对象，通过相关系数的方法评估对结构破坏影响程度最大的地震动参数。首先用所选地震记录计算一些地震动参数，然后对框架结构进行非线性分析得到结构的整体破坏指数。通过引入Pearson相关系数，找出合理的、可靠的估计结构破坏的参数。结果表明，谱速度强度、峰值速度和能量密度能够很好地体现地震动对这类结构的潜在破坏势，因此谱速度强度、峰值速度和能量密度可用来估计结构的破坏。

关键词：破坏指数 钢筋混凝土框架结构 地震动参数 谱速度强度 峰值速度 能量密度

中图分类号：TU31 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）06（c）-0197-02

从最初地震工程师将地震动峰值加速度作为抗震设防的标准，人们一直面临着这样一个问题，是否峰值加速度是唯一最能表征地震作用及作为结构破坏的合理评估参数，还有没有更好的参数作为标准来进行工程设计呢？考察建筑物震害与地震动参数间的关系是一种较为合理的解决这个问题的办法。本文仅以钢筋混凝土框架结构为研究对象，通过计算整体破坏指数的方式分析地震对结构的破坏，再从破坏指数与地震动参数的相关性，得出合理估计结构破坏的参数。

1 数据来源

台湾气象局2001年出版的资料中给出了集集主震的强地面运动记录，并对加速度记录的原始数据进行修正。为了观测并分析主震，从441个强震仪记录的663个数据文件中选取并处理了441个强震动数据记录（自由场地中布置了640个强震仪）。其中每组记录包括两个水平方向和一个垂直方向，记录时长并不相等，时间间隔也是不相等（包含0.004和0.005两个时间间隔）。集集地震中所得的强震记录数据由四个研究组织负责收集，具有较强的可靠性。如此可观的强震记录数据资料使我们对台湾集集地震产生了浓厚的兴趣。集集地震首次提供了较为丰富的近断层（断层距R≤20 km）强震记录。

台湾气象局公布的资料中将台站记录分为A quality、B quality、C qualIty、D quality四类。其中，A quality的记录是最好的，并且可以应用于任何研究；B quality的记录次之，不足是大部分记录没有绝对时间；C quality记录的是主要的地震动过程，但是没有足够的震前记录和震后记录；D quality记录存在一些问题，此类记录是出于完整性考虑才保留的，不能应用于大部分研究。本文仅取前三类记录的414条地震记录。

2 地震动参数计算

本文选择如下22个地震动参数进行研究，包括峰值地面加速度PGA，峰值地面速度PGV，峰值地面位移PGD，峰值地面速度与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强度Ia，特征强度Ic，能量密度SED，累积绝对速度CAV，谱加速度强度ASI，谱速度强度VSI，有效设计加速度EDA，A95参数（A95 parameter），持续最大加速度SMA、持续最大速度SMV、卓越周期Tp，平均周期Tm，括号持时（Bracketed duration），一致持时（Uniform duration），显著持时（Significant duration）。

每条记录由于其包含三个分量需要分别计算，中间还有说明部分，计算的时候需要的只是地震记录每个分量记录的始末行和时间间隔，所以需要在输入时找到始末行数，另外还要在说明部分读出每条记录的记录时间间隔，还需要从已知的地震记录中找到每个方向上的加速度峰值，以便在计算中对加速度进行峰值调幅。最后利用软件seismosignal对每条记录的三个分量进行计算，从输出结果中读取这22个地震动参数的数值，为下一步工作做准备，表1为B类场地垂直方向上的部分地震动参数表。

3 破坏指数的计算

本文采用计算机程序IDARC-2D对图1所示钢筋混凝土框架结构进行结构的动力反应分析，混凝土的本构关系采用Kent-Park（1971）提出的模型，考虑了多轴受力下混凝土下降段强度的增强，钢筋采用三折线本构模型。梁柱两端部的反应采用三参数Park滞回模型（1987）模拟，考虑了刚度衰减和强度衰减。

对于结构在地震动作用下的破坏程度，使用结构整体破坏指数（OSDI）来估计。结构整体的破坏指数采用将局部破坏指数加权取和的方法得到，先将单元破坏指数加权取和得到的层破坏指数，再将层破坏指数加权取和得到的结构整体破坏指数。局部破坏指数的计算采用修正的Park&Ang模型[1]，位移和滞回能都能表征结构在地震作用下进入塑性的破坏状态，Park&Ang模型正是一个包含位移和耗能的损伤指数，它很好地体现了基于位移和能量的双参数结构破坏准则。

OSDI的取值对应着结构在地震中的破坏程度，一般认为OSDI=0时，结构处于弹性，无损坏；01.0时，结构部分或整体倒塌。通过计算得到的N方向的部分站点结构整体破坏指数[2]，如表2。

4 地震动参数和结构破坏之间的关系

为了研究地震动参数与结构破坏之间的关系，引入Pearson相关系数，两个随机变量的相关系数用下式计算：

式中为变量的协方差；

，为变量的方差。

根据以上公式，计算各参数和整体破坏指数之间的相关性（取绝对值），具体结果见表3。

5 结论

如前所述破坏指数能够代表一定范围内建筑物的受损程度，它与地震动参数的相关性也能说明结构破坏和地震动参数间的关系。通过比较分析计算的22个地震动参数与破坏指数的相关性，我们可以得出以下结论：谱速度强度与破坏指数的相关系数最大，达到0.9，峰值加速度和能量密度与破坏指数的相关系数也较大，分别达到0.85和0.84，有较好的相关性。说明谱速度强度、峰值速度和能量密度能够很好地体现地震动对这类结构的潜在破坏势，因此谱速度强度、峰值速度和能量密度可用来估计结构的破坏。而其他的参数与破坏指数之间的相关系数都较小，均小于0.8，可认为与结构破坏没有密切关系。

参考文献

[1]任志林.震害预测中结构地震破坏指数的不确定性研究[D].中国地震局地球物理研究所硕士学位论文，2004.

[2]李爽，谢礼立，郝敏.地震动参数与结构整体破坏相关性研究[J].哈尔滨工业大学学报，2007，39（4）.