时程分析选波实用攻略

1

为什么要选波？

地震波的三要素：幅值（Magnitude）、频谱（Spectrum）和持时（Duration）。我们进行结构地震力计算的常用方法：基底剪力法和振型分解反应谱法（CQC）仅仅考虑了地震作用的幅值和频谱两个因素影响，而忽略了持时对地震作用的影响。

《抗规》5.1.2-3规定：特别不规则的建筑、甲类建筑和表5.1.2-1所列高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。

又上表可知，不仅仅是超限结构，对于一些不规则结构或较高结构也需要进行时程分析。

2

选波条件

地震波和反应谱是特殊和一般的关系。由于采用不同地震波计算得到的结果可能相差很大，在进行时程分析时所采用的地震波需要满足一定的条件。

《抗规》5.1.2-3规定：

当取三组加速度时程曲线输入时，计算结果宜取时程法的包络值和振型分解反应谱法的较大值；当取七组及七组以上的时程曲线时，计算结果可取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值。

采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，其加速度时程的最大值可按表5.1.2-2采用。弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65％，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80％。

《抗规》5.1.2-3条文说明：

所谓“在统计意义上相符”指的是，多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20％。计算结果在结构主方向的平均底部剪力一般不会小于振型分解反应谱法计算结果的80％，每条地震波输入的计算结果不会小于65%。从工程角度考虑，这样可以保证时程分析结果满足最低安全要求。但计算结果也不能太大，每条地震波输入计算不大于135%，平均不大于120%。

输入的地震加速度时程曲线的有效持续时间，一般从首次达到该时程曲线最大峰值的10%那一点算起，到最后一点达到最大峰值的10%为止；不论是实际的强震记录还是人工模拟波形，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。

简而言之，时程分析要搞清楚以下两个问题：

需要选多少条波？

一般三组或七组，对于楼层剪力和层间位移角，三组时取包络，七组时取平均。

  

每条波要满足什么条件？

• 地震波影响反应谱与规范谱在结构主要周期点上不大于20%；（保证动力特性相符）

• 地震波时程计算得到的结构基底剪力不小于CQC法的65%，一般不大于135%，多条波平均值不小于80%，一般也不大于120%；（保证地震波强度）

• 地震波有效持时为结构基本周期的5~10倍。（保证有效作用时间）

3

选波方法

在以前选波较为困难，需要工程师收集一定数量的地震波并通过不断的筛选得到合适的地震波，在选波困难时可以向地震局或设计单位购买地震波。

随着结构软件的发展，现在选波则容易了很多，目前一些常用结构软件都提供了丰富的地震波库和自动选波功能，例如PKPM软件和SAUSAGE软件提供的自动选波工具。

图 1 SAUSAGE自动选波工具

在使用过程中建议采用以下流程进行选波，流程并不复杂，但是在使用过程中需要注意几个问题：

图 2 选波流程

[1] 选波开始前要先进行静力和模态分析，并保证计算结果正常，以便软件根据计算结果进行选波。若模态分析结果异常需要先对模型进行改正，保证结果正常后再进行自动选波。

[2] “动力弹性时程分析”这一步十分重要，建议不要省略。因为自动选波软件在计算基底剪力时为了提高计算效率会采用简化算法，例如：SAUSAGE自动选波工具在计算地震波基底剪力时采用的是基于地震波反应谱的CQC法，用来筛选的基底剪力值与实际时程方法计算得到的基底剪力可能存在差异，因此需要我们采用常规时程分析方法（振型叠加法或中心差分算法）进行验证，确保地震波合理。

[3] 当筛选出来的地震波不满足选波要求，或者数量不足时，需要修改选波条件或者增大选波范围：一般可以采用以下方法：

★ 候选地震波根据场地类别从对应特征周期里面选择，例如Ⅱ类场地第一组工程，选择0.35s特征周期的地震波作为候选波；若选波困难可增加临近特征周期的地震波作为备选，例如0.35s的波选不到的话可到0.3s或0.4s的波库中试试运气；

★ 根据规范要求，基底剪力一定要满足。在选波困难时可适当放松地震波反应谱和规范谱的差异的要求，放松时也尽量满足结构第一周期点差异不太大。

[4] 若采用以上方法仍选不到合适的地震波，则需要用户自己导入地震波，可以从PEER网站（http://peer.berkeley.edu/）下载地震波，如果是长周期结构可以采用一些典型的长周期地震波计算。SAUSAGE软件用户自定义地震波操作十分方便，对各软件地震波库或PEER网站格式地震波均适用。

其他需要注意的问题：

①    地震波分为三向波，包含主方向、次方向和竖向；

② 大震时程分析采用大震反应谱选波，特征周期相比小震增加0.05s；

③ 若对地震波截断，需保证地震波动力特性变化不大。

4

总结

正确使用SAUSAGE自动选波工具和地震波库可为90%的结构提供一个便捷的选波途径，方便用户进行时程分析。但地震波本身十分复杂，以上仅从规范要求的角度进行分析，涉及到地震工程学等内容，本文并未涉及。