[发明专利]一种结构抗震分析的区间反应谱法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于实测地震波记录得到的区间反应谱曲线以及相应的结构抗震分析方法，尤其适用于对工程结构的地震反应进行有效评估。

背景技术

地震是严重危害人类的一大自然灾害，全世界每年要发生成千上万次的地震，这其中有破坏性的强地震也有几十次。近年来，全球发生了许多次大地震，包括中国汶川大地震、玉树地震、海地地震以及东日本大地震等，给人类造成了非常惨重的生命财产损失。因此，研究地震对结构的作用包括理论分析、数值计算和抗震试验等具有重要的现实意义。

结构抗震分析理论的发展大致分为静力、反应谱和动力阶段，目前发展比较成熟的反应谱分析法是目前世界各国计算地震作用普遍应用的方法，它是动力分析的一种近似方法，能给出具有阻尼相同但固有频率不同的单自由度系统对特定地震激励的最大反应（加速度、速度和位移）。反应谱法一般分为三步：第一步是获得地震反应谱；第二步是将结构振动微分方程进行振型分解，将物理位移用广义坐标表示，而广义坐标的最大值由第一步中所得的反应谱求得；第三步求反应量的最大值，可通过适当的方法将各振型反应最大值进行线性叠加，得出这项反应的最大值。

反应谱分析法优点是考虑了地震的烈度及结构自身的动力特性，且地震动的能量主要集中在20Hz以下的频率，激发的建筑结构反应的振动频率较低，应用反应谱法，只取少数几个低阶振型就可以求得较为满意的结果，计算量少。再者，反应谱法将时变动力问题转化为拟静力问题易于为工程师所接受。

然而，通过当前反应谱法计算得到的结构响应是一个定值，这在一定程度上方便了设计人员进行抗震分析，但是实际上地震动输入是随机的，对于不同的地震波输入，结构的实际地震响应不可能是一个固定的值，若是地震等级一定，它的值很可能在一定范围内波动。这种矛盾的产生，说明现有的反应谱分析法是有缺陷的。因此，通过分析不同地震波的时程曲线，得到地震波的反应谱曲线，进而得到地震波的反应谱区间，并利用这个反应谱区间去计算结构的响应区间，以此来改进现有规范中的反应谱法是非常有益的。

发明内容

本发明的目的是创建一种基于区间反应谱的抗震分析方法，其中的区间反应谱曲线由现有大量实测地震波得到。该技术将地震反应谱曲线分为由最大值上限和最小值下限的区间组成，由于地震动的不确定性，该技术能够得到工程结构在某级地震作用下的响应值所处的区间，而不是某一特定的响应值，因而能够更准确地预测出结构的地震响应。

本发明采用的技术方案是：一种结构抗震分析的区间反应谱法，包括以下步骤：

第一步：收集大量地震波时程曲线；

收集大量国内外地震仪器记录的地震波时程曲线，形成实测地震波时程曲线库，并对实测地震记录进行峰值的归一化处理；

第二步：对实测地震波进行功率谱分析，获得实测地震反应谱模型；

对收集到的地震波时程曲线，基于matlab（矩阵实验室）大型数据处理软件，采用PSD（功率谱密度）估计方法，编写功率谱密度计算程序进行计算，获得实测地震波的功率谱密度，再将加速度功率谱密度-频率的曲线转换为加速度功率谱密度-周期的反应谱曲线，以x轴为周期，y轴为加速度功率谱密度，绘制曲线，即为实测地震波的反应谱模型；

第三步：选取一个包含所有实测反应谱曲线的区间，该区间的上下限能够体现出所有实测反应谱曲线的最大值和最小值；

选择一个反应谱区间，在这个反应谱区间是由                                               和两条曲线所组成的，且其值满足下式要求，即：

注：T：地震波周期；：区间反应谱曲线的最大值；：区间反应谱曲线的最小值；：实测反应谱曲线的最大值； ：实测反应谱曲线的最小值

第四步：利用地震区间反应谱得到结构的地震响应区间；

分别选取地震动最大反应谱和最小反应谱，通过频域分析方法得到结构的最大地震响应和最小地震响应，从而得到结构的地震响应区间。

作为优选，上述方法的第一步所述收集大量国内外地震仪器记录的地震波时程曲线，并非仅仅收集已有的实测地震波时程曲线，而且可以随时计入最新的地震波记录，以完善和更新实测地震波时程曲线库。

作为优选，上述方法的第三步所述的实测反应谱曲线的区间并非固定，该区间将随着实测地震波时程曲线库的完善而不断更新。