地震动持时对工程结构地震反应影响研究进展

公茂盛,左占宣,赵一男,贾 佳

(中国地震局工程力学研究所 地震工程与工程振动重点实验室; 地震灾害防治应急管理部重点实验室,黑龙江 哈尔滨 150080)

0 引言

如何有效防御与减轻地震灾害是一个世界性难题,世界各国一直致力于发展地震工程新理论、新技术与新方法,以期避免和最大限度减轻地震灾害。因为地震中工程结构的损伤破坏是造成人员伤亡和经济损失的最直接和最主要原因,所以对工程结构进行科学抗震设防,提高工程结构抗震能力,被国际公认为是最有效的防震减灾手段[1-2]。但无论采取哪种技术方法提高工程结构抗震能力,都必须首先弄清楚结构所遭受地震作用的破坏特性与规律。地震造成的强烈地面运动,即地震动,是工程结构直接遭受的地震作用,也是导致工程结构地震破坏的最直接外部原因,因此探明地震动的工程特性及其对结构地震反应与损伤的影响机理与规律,并在抗震设计和结构分析中全面考虑,是提高和改善工程结构抗震能力、减轻地震灾害的最关键问题。地震动工程特性由三个要素衡量与决定,即:幅值大小、频谱成分和持时长短,这三个要素共同决定了地震动对工程结构的破坏作用,其中有关地震动频谱和幅值对结构地震反应的影响一直是地震工程领域热门研究课题,国内外已经开展了广泛研究,相关成果也在各国抗震设计与评估中有明确体现和应用。实际上,不同地震产生的地震动持时长短差异甚大,短者仅仅数秒,长者可达数百秒,如2008年我国汶川地震中地震动总持时长达180 s,2011年东日本大地震中地震动总持时长达300 s。这两次地震也是造成巨大地震灾害的典型震例,其震害严重除了与震级大、地震动幅值高有关外,与地震中地面强震动持续时间长也有很大关系,即较长持时的地震动可能会导致更为严重的工程结构损伤破坏进而引起严重的地震灾害。

研究者和工程人员早已注意到这个问题,针对地震动持时特性及其对工程结构的影响开展了大量研究。但关于地震动持时对结构地震反应的影响,目前不同研究者分析结果与结论不一致,有些学者以加速度或位移变形为指标分析持时对结构地震反应的影响,发现地震动持时对结构影响较小,而有些学者分析地震动持时对结构滞回耗能和累积损伤指数等参数影响,却表明较长持时的地震动会明显加重结构损伤程度[3-7]。作者初步研究发现:即使地震动的幅值及频谱相差很小,长持时地震动对结构造成的累积损伤更为严重,对结构位移延性需求是短持时地震动的1.3～2.5倍,结构滞回耗能及损伤指数则会增加30%以上,结构抗震设计、地震反应分析与安全性评估中不可忽略地震动持时的影响[8-9]。但令人遗憾的是:作为描述地震动特性三大要素之一的持时,至今未被各国抗震设计规范和结构抗震设计明确考虑和应用,或考虑相对简单与笼统,仅在结构地震时程反应分析中做出了简单规定[10-11]。特别是应用于截面强度设计和用以确定地震荷载的抗震设计谱,无论是通过小震下弹性反应谱还是通过反应谱折减方式得到设计谱[12-16],采用的参数均为无法反映累积效应的参数指标,所以国内外通过设计谱的抗震设计方法无法反映地震动持时影响,而只能采用结构地震反应时程分析进行核验的方式进行弥补[4-5]。

近些年随着性态与韧性抗震设计理论的提出与发展,对决定结构抗震能力的地震动作用提出了更高目标需求,即结构设计中除了考虑地震动幅值与频谱外,还应充分考虑持时的影响。因此,如何充分考虑地震动持时对结构地震反应与地震破坏的影响,探明与揭示其影响机理与规律,并纳入结构抗震设计与地震反应分析,实现与现有基于强度设计理论的抗震设计方法有机结合,是目前地震工程领域亟需解决的一项重要课题。本文主要回顾和评述了地震动持时对工程结构地震反应影响的研究结果与进展,并对未来关于地震动持时对结构地震反应影响研究进行了展望,希望可以为相关研究者及工程技术人员提供参考。

1 地震动持时定义与发展

为了合理衡量和描述地震动的持续时间(简称“持时”)特性,尤其是合理评判地震动持时对结构地震反应的影响,自上世纪60年代开始,国内外学者对地震动的持时特性及其衡量指标做过大量研究,迄今已发展了30余种地震动持时的定义,这些持时定义归纳起来大致可以分为4类[9]:1)括号持时(bracketed duration,DB)。2)一致持时(uniform durationDU)。3)显著持时(significant duration,DS)。4)有效持时(effective duration,DE)。具体各类持时定义及计算方法如图1所示,其中括号持时定义为:地震动加速度记录幅值绝对值在第一次和最后一次达到或超过事先设定阈值之间的时间间隔,计算方法如图1(a)所示;一致持时定义为:加速度记录幅值绝对值达到或超过事先设定阈值的所有时间间隔的总和,计算方法如图1(b)所示;显著持时定义为:给定Arias强度(IA)阈值(百分比)区间所对应的加速度记录时间间隔,计算方法如图1(c)和图1(e)所示;有效持时定义为给定Arias强度(IA)阈值区间所对应的加速度记录时间间隔,如图1(d)和图1(f)所示。

图1 地震动持时定义示意图Fig. 1 Definition of strong ground motion duration

由图1可知:不同地震动持时定义采取的计算方法、参数及阈值不同,各有针对性和优缺点,哪一种定义更为合理或具有明显优势,至今仍无定论[17-18]。需要指出的是:在研究地震动持时对结构地震反应影响时,选取的持时指标应能够准确反映地震动的强震动阶段特性,并且与结构地震反应参数有较好的相关性。上述4种持时定义中:因为显著持时包含了整个地震动记录的幅值特性,也能够反映地震动的强震动段特性,并且由于采用了相对累积能量作为阈值,持时长短不会随地震动调幅而发生变化,也不会出现因地震动幅值过小持时为0或地震动幅值过大尚未进入持时段结构已经发生破坏的情况[19],所以被绝大多数学者作为地震动持时指标研究其对结构地震反应的影响[20-21]。

早期的地震动持时定义一般直接采用地震动本身的参数如幅值定义,随着研究人员认识到持时对结构地震反应有重要影响,在早期地震动持时指标定义基础上,不少学者尝试提出新的持时定义,如谢礼立等[22]早在上世纪80年代就提出了工程持时的概念,其定义与地震参数和结构参数均有关联,既能描述地震动持时特征,又可评价对结构的影响;尹保江等[23]在对比了地震动各类持时特点后,建议采用能量参数表征地震动持时,并建议了能量百分比取值阈值;BOOMER等[10]在对地震动参数分析后认为,Arias强度是定义地震动持时的较好指标,实际大部分学者也都是基于该指标定义持时;TAFLAMPAS等[24]提出了基于地震动绝对速度的持时定义,并研究了其对中长周期结构地震反应的影响;李新乐等[25]分析了近断层地震动持时特征及影响因素,表明地震动持时受震级影响较大;而刘毅[26]分析了地震动持时与地震动强度参数相关性,认为其相关性强弱取决于所选取的地震动强度参数。

近些年来,研究者开始根据地震动作用下结构的地震反应参数定义地震动的持时,刘哲锋等[27]利用单自由度(SDOF)体系结构,讨论了地震动持时与结构退化损伤之间的关系,指出输入能量是定义持时的较好指标;WANG等[28]将多个持时指标相结合,综合提出了一个地震动持时定义,并分析了所提持时对混凝土重力坝的影响,表明长持时地震动激励下大坝的动力反应会显著增大;MASHAYEKHI等[29]采用结构发生非线性反应的总时间定义持时,并对4种混凝土结构进行分析,得出所定义的持时指标与结构地震反应相关性比其它持时指标高15%～20%。这些研究表明地震动持时对结构地震反应的影响与不同的持时定义相关,如果评价地震动持时对结构地震反应的影响规律,一般采用结构地震反应参数定义地震动持时较为合理。为了减少结构地震反应时程分析时间,LI等[30]和HE等[31]通过截断的方式对地震动进行截取处理,给出了一个新的持时定义,算例表明:以截取处理后地震动为输入,可以大大减少结构地震时程反应分析计算时间,并且可以保证计算结果具有较高可靠性,这对需要开展大量地震反应时程分析来讲,无疑具有较大意义。

除了研究地震动持时的定义与特性外,有些研究者开始建立地震动持时的预测方程,以期对地震动持时进行预测。如徐培彬等[32]基于我国强震动数据,采用随机效应回归方法,建立了中国大陆地震动显著持时预测方程;孙晓丹等[33]采用美国NGA强震动数据,对地震动显著持时优缺点进行了评价,建立了地震动显著持时预测公式。这些研究多是从地震动角度出发,讨论地震动持时特性或影响因素,从中无法得出哪一种持时定义或标定方法更为合理。由于本文主要讨论地震动持时对结构地震反应影响进展,关于地震动持时本身特性等内容不再展开详细讨论。

2 持时对工程结构及场地地震反应影响

在开展文献调研中发现:研究地震动持时对结构的影响,绝大部分研究集中在分析对建筑结构的影响,而关于地震动持时对大坝、桥梁和输电塔等构筑物地震反应影响的研究相对较少,特别是对场地地震反应影响方面的研究更少。因此,本文将建筑结构单独作为一类重点讨论地震动持时的影响进展,而将其他类型工程结构进行了合并讨论,而关于持时对场地地震反应的影响,则进行了简单讨论与分析。

2.1 对建筑结构地震反应影响

考虑到地震动持时对建筑结构地震反应有重要影响,为了改善结构抗震设计及性态评估,研究者针对不同类型房屋建筑结构,开展了大量地震动持时效应及相关研究。早期徐植信等[34]采用53条地震动,对考虑刚度退化及P-Δ效应的SDOF体系结构进行了抗倒塌分析,结果表明结构倒塌与地震动持时有较大关系,但分析中没有考虑地震动频谱与持时的耦合影响;宋雅桐等[35]以人工合成地震动为输入,分析了地震动持时对多层结构地震反应的影响,结果表明:地震动持时对结构弹性变形没有影响,当结构发生高度非线性反应时,持时对结构塑性变形有较大影响,长持时地震动下结构变形会增加20%左右;杜修力等[36]分析了地震动持时对钢筋混凝土(RC)结构累积损伤的影响,表明地震动的持时增大会明显加重结构破坏程度;刘鸣等[37]分析了地震动持时对结构地震反应的影响,也表明持时对结构非线性反应影响较大,长持时地震动作用下薄弱层累积损伤更为明显;EIBL等[38]研究了持时对存在退化效应的砌体结构地震反应影响,发现持时对结构最大位移有较大影响;但同期RAHNAMA等[39]分析了持时对双线性SDOF体系结构的影响,结果却显示地震动持时与结构最大位移反应相关性很小。由此可见地震动持时对结构地震反应的影响与选取的结构类型及本构关系模型有很大关系,这也是研究人员需要注意的一个方面。

LINDT等[40]以结构极限强度为指标,分析了地震动持时对结构可靠度的影响,表明地震动持时对结构可靠度影响显著;CHAI等[41-42]在研究考虑持时效应的非弹性反应谱时,指出长持时地震动作用下,结构所经历的非线性循环次数增多,导致结构累积损伤增大;盛明强等[43]研究了持时对SDOF体系滞回耗能的影响,表明结构滞回耗能随持时增加而增大;HANCOCK等[44]分析了持时对某8层RC框剪结构地震反应的影响,表明持时对结构最大层间位移角等峰值反应没有影响,但长持时地震动作用下结构滞回耗能与疲劳损伤程度会显著增大;周靖等[45]利用位移反应谱,研究了地震动持时对阻尼折减系数的影响,表明随着地震动持时增大,结构阻尼折减系数会减小。

RAGHUNANDAN等[46]采用增量动力分析(IDA)方法,研究了持时对RC框架结构抗倒塌能力的影响,指出结构在长持时地震动作用下的倒塌风险显著高于短持时地震动,并建议在结构抗震设计及地震风险评估中,除了考虑地震动强度和频谱特性外,持时也要有所考虑和体现;BARBOSA等[47]针对9层钢框架结构,评估了地震动持时对结构的影响,指出持时对结构最大层间位移角的影响几乎可以忽略,而对残余变形、滞回耗能及非线性循环次数具有显著影响;后来BARBOSA等[48]分别对3、9和20层钢结构进行了抗震性能及损伤评估,并根据分析结果指出:因为目前结构评估方法没有考虑地震动持时的影响,无论是基于性态的还是基于传统规范的结构评估方法均应该修订和改善;HOU等[49]对理想弹塑性SDOF结构的延性需求和滞回耗能进行了研究,结果表明长持时地震动作用下结构滞回耗能显著增大,位移延性需求则没有明显变化,后一结论与有些研究者的结果不一致。

近几年随着性态抗震设计理论的发展以及韧性抗震设计理论的提出,研究者越来越重视地震动持时效应,开始重点考虑和分析地震动持时对结构抗震能力的影响,又成为一个最热门的研究课题。韩建平等[50]以规范谱为目标谱,合成了30条持时不等的地震动,分析了持时对RC框架结构抗倒塌能力的影响,表明长持时地震动作用下,结构倒塌概率明显升高;CHANDRAMOHAN等[20]采用长短持时地震动匹配方法,研究持时对结构抗倒塌能力的影响,对5层钢框架结构和混凝土桥墩进行了分析,结果表明:长持时地震动作用下钢框架结构的抗倒塌能力会降低29%,而对桥墩而言则会降低17%;HAN等[51]采用相同方法对3层RC框架结构进行分析,也得到了相似结论;孙小云[52]研究了持时对RC框架结构的影响,表明长持时的地震动会明显增加结构的易损性、可修复状态超越概率及倒塌概率。

MOLAZADEH等[53]通过与规范谱匹配,得到了20条长持时和27条短持时地震动,以此为输入分析了地震动持时及退化捏缩效应对SDOF结构滞回耗能的影响,结果表明:结构屈服强度较大、退化效应较低时,较长持时地震动作用下结构的滞回耗能显著增大;BRAVO-HARO等[54]以77对长和短持时地震动为输入,对50个钢结构进行了地震反应分析,结果表明:长持时地震动作用下,钢结构抗地震倒塌能力最大会降低40%;近来BRAVO-HARO等[55]分析了持时对具有P-Δ效应的SDOF结构抗倒塌能力影响,结果显示:如果不考虑地震动持时的影响,结构抗地震倒塌能力可能会被高估50%;SAMANTA等[56]针对15层RC框架结构,以长和短持时地震动为输入,分析了持时对结构的影响,结果表明:当地震作用水平较低时,结构最大层间位移角会随持时增长而增大,当地震作用水平较高和结构发生损伤时,持时对最大层间位移角不会产生影响,但会使结构加速度反应峰值降低;PAN等[57]以我国汶川地震中7条长持时地震动和芦山地震中7条短持时地震动为输入,对3栋低层木结构房屋进行了抗倒塌能力分析,结果表明:长持时地震动下木结构房屋抗倒塌能力会降低26%～71%;后来PAN等[58]又针对6层木结构,分析了结构地震易损性,表明长持时地震动下结构抗倒塌能力下降了18%,而损伤指数则提高了36%;但PAN等[59]后续对4栋低层木结构分析发现,结构损伤指数与地震动持时的相关性依赖于地震动强弱及结构本身抗震能力。

HARATI等[60]以结构滞回耗能和非线性循环次数为指标,评估地震动持时对结构地震反应的影响,在对3个RC框架结构分析后指出:结构最大层间位移对持时极不敏感,但累积损伤及滞回耗能受持时影响很大;同时HARATI等[61]针对4个RC结构,分析了持时对结构位移需求及抗倒塌能力的影响,发现结构位移需求和持时相关性较小,但相关性会随着地震动水平增加而提高,长持时地震动下结构抗倒塌能力会降低20%;FAIRHURST等[62]采用IDA方法,分析了地震动持时对RC剪力墙结构的影响,也表明持时对结构的影响与地震动作用水平相关,当地震动作用水平提高时,持时对结构地震反应影响增大;DE JESUS VEGA等[63]在分析地震动持时对RC结构延性需求时发现:持时对结构地震反应的影响很难量化,亦无规律,主要依赖于结构动力特性、强度和刚度退化特性,长持时地震动对较刚的结构影响更大,同时指出:结构建模方法及本构模型的选取起到关键性作用,不同建模方法及不同材料本构模型带来的差别可达2倍以上;徐熙等[64]分析了地震持时对非结构构件加速度响应及结构楼层反应谱的影响,结果表明:持时对长周期结构的楼层反应谱影响较大;崔玥等[65]采用IDA易损性分析方法,评估RC框架结构抗倒塌能力,结果表明:当地震动幅值和频谱接近时,采用短持时地震动会明显高估结构抗倒塌能力,与他人研究结果略有不同,其得到的结论是持时不仅对结构累积损伤有影响,而且对结构最大层间位移角等峰值变形也会产生不可忽略的影响。

韩建平等[66]以长和短持时两组地震动为输入,分析了RC框架结构的地震易损性,结果表明:持时对结构地震易损性的影响不容忽视,地震动持时越长,对结构抗震性能不利影响越明显,长持时地震动会使结构失效概率增加50%以上;LIAPOPOULOU等[67]以101对长和短持时地震动为输入,对SDOF体系抗倒塌能力进行分析,得出长持时地震动下结构抗倒塌能力会下降60%,持时对结构影响程度依赖于结构周期、P-D反应水平及结构滞回特性;MASHAYEKHI等[11]提出了一种在IDA方法中考虑地震动持时的方法,主要针对地震动不同强度,通过谱匹配产生持时不同的地震动作为输入,替代传统IDA只调整峰值加速度做法,分析结果显示:无论是否考虑结构退化效应,地震动持时对结构地震反应的影响都不可忽略;MANESH等[68]采用刚度和强度退化模型,分析了地震动持时对相邻钢结构碰撞的影响,指出在相邻钢结构设计中,应采用时程反应分析确定两个结构之间安全距离,而且必须要考虑地震动持时的影响;刘洋[69]针对不同层数的RC框架结构,以人工合成的频谱相同而持时不同的地震动为输入,对结构开展了地震反应分析,研究了地震动持时与结构不同地震反应参数之间的相关性,表明地震动持时与结构最大反应加速度、最大层间位移角等参数相关性较小,相关系数在0.2以下,而与结构Park-Ang损伤指数中等相关,相关系数在0.4～0.7之间,但与结构滞回耗能相关性最大,相关系数在0.70～0.88之间。

上述研究表明:地震动持时对建筑结构地震反应有重要影响,但其影响程度取决于结构类型、本构关系以及选取的结构地震反应参数,对与时间累积无关的地震反应参数,如峰值加速度和最大位移等影响较小,而对与时间累积相关的结构地震反应参数,如滞回耗能和累积损伤指数等影响较大,因此在研究地震动持时对结构地震反应影响时,必须考虑和选择可以表征结构地震性态且与时间累积相关的地震反应参数(如结构滞回耗能和考虑累积效应的损伤指数等)进行分析[3,5],否则可能得不到地震动持时对结构地震反应及损伤破坏的定量影响。

2.2 对其他类型工程结构地震反应影响

除了研究地震动持时对建筑工程结构地震反应影响外,也有一些研究针对不同类型工程结构展开,讨论地震动持时对不同类型结构的影响。张社荣等[70]对水库大坝地震损伤进行了评估,表明长持时地震动会使大坝产生较大的累积损伤破坏;而WANG等[28]也发现较长持时地震动激励下混凝土重力坝的动力反应会显著增大;王星亮[71]研究了地震动持时对大坝地震变形的影响,表明随着持时的增加,坝体变形逐渐增大并使大坝受损加剧,特别指出:地震动强度越大,持时对大坝动力响应的影响越不可忽略。

郎需军等[72]和盖霞等[73]分别研究了地震动持时对输电塔-线体系地震反应的影响,均表明在塔-线体系动力响应分析中地震动的持时效应不容忽视;田兴业[74]分析了地震动持时对单层球面网壳结构的影响,结果表明:持时增加会明显降低结构的失效荷载,降低幅度可达36%,并建议在结构极限状态分析及失效荷载评估中应考虑地震动持时影响;花逸扬[75]研究了地震动持时对混凝土桥墩抗震性能的影响,指出在长持时地震动作用下,应充分考虑疲劳效应造成的损伤,才能保证抗震分析结果的准确性;HASSAN等[76]分析了地震动持时对桥梁地震反应的影响,结果显示:从桥板加速度、桥墩基底剪力和支座残余变形等参数来看:长持时地震动会对桥梁会造成更大破坏,特别是对桥梁支座影响更为显著。由此可见,在大坝、桥梁和输电塔等构筑物进行抗震设计时,也应该考虑地震动持时的影响,以保证在长持时地震动作用下的地震安全。

2.3 对场地地震反应的影响

除了研究地震动持时对工程结构地震反应影响外,有少数研究围绕工程场地及岩土构筑物等方面展开。黄雨等[77]采用持时不同的地震动,对河流堤防的液化性状进行了分析与评估,结果表明持时较长的地震动会使堤防产生更大的液化变形;侯春林等[78]分析了地震动持时对核岛结构场地非线性地震反应的影响,指出在非基岩核电厂抗震设防中,十分有必要考虑地震动持时对场地非线性地震反应的影响;WANG等[79]分析了地震动持时对滑坡的影响,结果显示长持时地震动作用下边坡失效概率会提高20%～50%,边坡稳定性评估中必须考虑地震动持时的影响。这些是研究地震动持时对工程场地等影响的典型代表,表明持时对工程结构所在场地有不同程度影响,且会影响到上部工程结构。

通过上述分析可知:地震动持时对工程场地及各类建筑物、构筑物等工程结构的地震反应及损伤状态均有不同程度影响,无论哪类工程结构都应考虑地震动的持时效应。特别是具有刚度、强度退化特性的RC框架、框剪等结构以及具有捏缩效应本构关系的砌体、砖混等结构,其地震反应对地震动持时更为敏感,累积损伤与地震动持时相关性超过80%[29,80]。日本学者SHOJI等[81]也曾明确指出:地震动持时对结构的影响与幅值、频谱对结构的影响具有同等重要性,不可以忽略,地震工程工作者应给予地震动持时充分重视,结构抗震设计也应充分考虑与体现地震动持时效应。

3 规范对地震动持时考虑

正如上述分析,地震动持时对各类工程结构的地震反应都有重要影响,在结构抗震设计中应予以考虑,但目前基于强度的抗震设计方法,无论是直接通过小震下弹性反应谱还是通过反应谱折减方式得到设计谱[12-16],采用参数均为无法反映持时累积效应的加速度和位移等指标,所以国内外通过设计谱方法进行抗震设计无法反映地震动持时影响,只能通过地震反应时程分析验算进行弥补[3-7],为此,不同设计规范除了对结构时程反应分析输入地震动数量要求之外,对输入地震动持时也给出了不同要求。如《欧洲抗震设计规范》(EN1998—1)[13]对地震反应分析输入地震动频谱特性等规定较为详细,但在持时方面,只规定当无法获取符合工程场地特征的实际输入地震动记录时,需采用人工合成地震动,人工地震动反应谱除了要与5%阻尼比的弹性设计谱匹配外,其稳定震动段的时间长度应不小于10 s。美国系列抗震设计标准及规范对结构地震反应时程分析输入地震动类型、峰值、频谱特性及地震动数量等给出了详细规定,但对于输入地震动持时则无特别明确的规定[82-84]。

我国规范也规定了类似的输入地震动持时要求,如我国《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)[12]规定,除了正确选择输入地震加速度时程外,还要求地震动频谱特性、有效峰值和持续时间均要符合规定,对于持时则采用括号持时,从首次达到输入地震动最大峰值10%那一点算起,到最后一点达到最大峰值10%为止,且有效持续时间一般为结构基本周期的5～10倍,即结构顶点的位移可按基本周期往复5～10次。《空间网格结构技术规程》(JGJ 7—2010)[87]也规定,采用时程分析法时,应考虑地震动强度、地震动谱特征和地震动持续时间等地震动三要素,合理选择与调整地震动,特别提到所取地震动持续时间不同,计算出的地震响应亦不同,尤其当结构进入非线性阶段后,由于持续时间的差异,使得能量损耗积累不同,从而影响了地震响应的计算结果;对于持时则指出可以采用绝对持时(括号持时)、相对持时和等效持时等,使用最方便的是绝对持时,按绝对持时计算时,输入的地震动持续时间内应包含地震动最强部分,并要求选择足够长的持续时间,一般建议取不少于结构基本周期的10倍,且不小于10 s。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[88]和《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99—2015)[89]也均给出了类似要求,但规定地震动的持续时间为不宜小于建筑结构基本自振周期的5倍和15s。

从这些规范中对于输入地震动持时的规定说明:无论是结构弹性反应时程分析,还是弹塑性反应时程分析,除了关注幅值与频谱特性外,还要重点关注地震动的持时影响。但从这些规定又不难看出:不同规范针对输入地震动持时的规定有较大差别,究其原因,除了考虑地震动随机性较大外,人们对于地震动持时对结构地震反应影响机理及定量影响程度的认识在一定程度上还不是太明确。

4 存在主要问题

综合分析国内外已经开展的大量研究可以发现:研究者普遍认为地震动持时对工程结构地震反应及地震性态具有重要影响,在结构抗震设计与分析中必须考虑地震动的持时效应,这在地震工程领域已经达成了共识。但从研究结果与结论来看,基本可以分为两类:一是持时对结构地震反应影响较小甚至可以忽略,得到这类结论的研究一般采用结构加速度或位移变形作为评价指标;二是持时对结构地震反应影响较大,得到这类结论的研究普遍采用滞回耗能、损伤指数等与时间累积相关的参数作为评价指标。两类看似相反的研究结果与结论实际并不矛盾,只是与研究者选取的结构地震反应参数与评价指标有重要关系[3]。

实际这也是地震动持时难以应用于结构抗震设计与评估等工作的主要原因,目前结构抗震设计与结构地震性态评估,一般基于加速度和位移等参数,而这类参数往往受持时影响较小[6-7]。特别是由不同周期SDOF体系最大加速度反应得到的加速度反应谱不能反映持时的影响,使得基于加速度谱统计得到的抗震设计谱无法包含和反映地震动的持时效应。在评估结构地震性态时,一般以结构最大层间位移等参数为评价指标,也很难反映持时的影响,而结构损伤水平与滞回耗能等累积参数相关性更大。因此,目前关于地震动持时的研究成果要么无法全面考虑和反映地震动持时的影响(以加速度和位移等参数为代表),要么很难与现行基于强度、以设计谱为代表的结构抗震设计方法相兼容(以滞回耗能和累积损伤指标为代表)。为此,某些抗震设计规范通过弹性或弹塑性时程反应分析对结构进行验算,并对输入地震动的持时给出要求,算是在一定程度上弥补了这一缺陷,但如果采用加速度和位移等峰值参数,可能仍不能完全反映输入地震动持时的影响[4-5]。

值得一提的是:即使采用结构滞回耗能和损伤指数等考虑累积效应的反应指标评价持时的影响,尤其是对结构地震反应的定量影响,不同研究者结论也不统一,这也反映了目前人们对于地震动持时效应及破坏机理的认识仍不明确。研究结果在很大程度上取决于结构类型、材料本构、建模方法以及结构发生非线性反应的强烈程度,特别是当选取不同的结构恢复力模型时,甚至会出现截然相反的分析结果[63-67]。可见研究地震动持时对结构地震反应与破坏的影响机理,必须要考虑不同类型结构及其本构特性,选择合适的材料本构关系及滞回模型,特别要考虑材料强度及刚度退化效应,这也是地震动持时效应不能应用于目前主流基于强度的结构抗震设计与分析的主要原因。

正是因为这些原因,也就导致多数研究未能将地震动持时对结构设计参数的影响定量化,除了通过地震反应时程分析时对输入地震动的持时给出要求外,其他未能给出具有可操作性考虑持时影响的抗震设计及分析方法。需要特别指出的是:因为很难确定地震动持时对加速度谱的定量影响,所以很少有研究能够给出考虑持时效应、较为实用的抗震设计谱。尽管有学者曾试图解决这一问题,尝试建立考虑持时效应的抗震设计谱,但由于统计结果的离散性及可靠性问题[85],或给出的是考虑累积效应的非弹性反应谱[41-42],甚至提出的仅仅是一些抗震设计概念[86],导致研究结果在目前基于强度以设计谱为代表的抗震设计方法中很难得以应用,仅在结构地震时程反应分析中可以考虑。因此,在目前对地震动幅值与频谱研究与应用较为成熟的基础上,充分探明地震动持时对结构地震反应与损伤影响机理和规律,提出考虑地震动持时影响的结构抗震设计与分析方法,是结构抗震设计理论与地震反应分析技术发展的必然趋势之一。

5 结论与展望

本文针对有关地震动持时特性及其对结构地震反应影响的国内外研究进展及现状进行了详细的评述,得到主要结论如下:

1)国内外关于地震动持时特性及其对结构地震反应的影响开展了大量研究,取得了重要进展,但综合这些研究不难得出:目前关于地震动持时对结构的影响机理与规律仍不十分明确,研究者关于持时对结构地震反应影响的认识尚未一致,除结构地震反应时程分析或通过时程反应分析进行其他分析外,缺少合理的方法以恰当地反映与考虑地震动持时效应。这些问题直接限制和阻碍了地震动持时效应在以加速度参数为代表的结构抗震设计与评估中的应用,远远不能满足当前基于性态和韧性等先进抗震设计方法以及结构韧性评估等对地震作用的迫切需求,成为地震工程领域亟需解决的重要问题。

2)如何使得地震动持时效应在结构抗震设计、分析及评估等工作中得以应用,需重点考虑和解决好以下三个关键问题:①消除地震动幅值及频谱与持时耦合作用,针对不同类型结构,选取恰当结构本构模型与可以表征结构地震性态且可表征持时影响的地震反应指标,明确地震动持时对结构地震反应与损伤影响机理与特征。②定量化地震动持时对不同类型结构及不同累积损伤参数的影响,将其映射与迁移到对加速度或位移反应影响,发展地震动持时在基于强度的结构抗震设计与分析中实用方法。③针对目前结构地震反应时程分析对持时的需求,进一步明确结构反应分析及评估对输入地震动的持时要求。

总之,通过研究地震动持时对结构不同反应参数影响机理与规律,建立地震动持时对结构反应定量影响模型,得到地震动持时对结构反应的定量影响,才可以建立考虑持时影响的结构抗震设计及分析方法,满足当前基于性态和韧性等先进抗震设计方法对地震输入迫切需求。这对于促进结构抗震设计理论与方法发展,减轻工程结构地震破坏与地震灾害,具有重要的科学理论意义与工程实用价值。