地震動參數與結構破壞關系的研究

摘 要：本文以地震動參數對鋼筋混凝土結構破壞的影響程度為研究對象，通過相關系數的方法評估對結構破壞影響程度最大的地震動參數。首先用所選地震記錄計算一些地震動參數，然后對框架結構進行非線性分析得到結構的整體破壞指數。通過引入Pearson相關系數，找出合理的、可靠的估計結構破壞的參數。結果表明，譜速度強度、峰值速度和能量密度能夠很好地體現地震動對這類結構的潛在破壞勢，因此譜速度強度、峰值速度和能量密度可用來估計結構的破壞。

關鍵詞：破壞指數 鋼筋混凝土框架結構 地震動參數 譜速度強度 峰值速度 能量密度

中圖分類號：TU31 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（c）-0197-02

從最初地震工程師將地震動峰值加速度作為抗震設防的標準，人們一直面臨著這樣一個問題，是否峰值加速度是唯一最能表征地震作用及作為結構破壞的合理評估參數，還有沒有更好的參數作為標準來進行工程設計呢？考察建筑物震害與地震動參數間的關系是一種較為合理的解決這個問題的辦法。本文僅以鋼筋混凝土框架結構為研究對象，通過計算整體破壞指數的方式分析地震對結構的破壞，再從破壞指數與地震動參數的相關性，得出合理估計結構破壞的參數。

1 數據來源

臺灣氣象局2001年出版的資料中給出了集集主震的強地面運動記錄，并對加速度記錄的原始數據進行修正。為了觀測并分析主震，從441個強震儀記錄的663個數據文件中選取并處理了441個強震動數據記錄（自由場地中布置了640個強震儀）。其中每組記錄包括兩個水平方向和一個垂直方向，記錄時長并不相等，時間間隔也是不相等（包含0.004和0.005兩個時間間隔）。集集地震中所得的強震記錄數據由四個研究組織負責收集，具有較強的可靠性。如此可觀的強震記錄數據資料使我們對臺灣集集地震產生了濃厚的興趣。集集地震首次提供了較為豐富的近斷層（斷層距R≤20 km）強震記錄。

臺灣氣象局公布的資料中將臺站記錄分為A quality、B quality、C qualIty、D quality四類。其中，A quality的記錄是最好的，并且可以應用于任何研究；B quality的記錄次之，不足是大部分記錄沒有絕對時間；C quality記錄的是主要的地震動過程，但是沒有足夠的震前記錄和震后記錄；D quality記錄存在一些問題，此類記錄是出于完整性考慮才保留的，不能應用于大部分研究。本文僅取前三類記錄的414條地震記錄。

2 地震動參數計算

本文選擇如下22個地震動參數進行研究，包括峰值地面加速度PGA，峰值地面速度PGV，峰值地面位移PGD，峰值地面速度與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強度Ia，特征強度Ic，能量密度SED，累積絕對速度CAV，譜加速度強度ASI，譜速度強度VSI，有效設計加速度EDA，A95參數（A95 parameter），持續最大加速度SMA、持續最大速度SMV、卓越周期Tp，平均周期Tm，括號持時（Bracketed duration），一致持時（Uniform duration），顯著持時（Significant duration）。

每條記錄由于其包含三個分量需要分別計算，中間還有說明部分，計算的時候需要的只是地震記錄每個分量記錄的始末行和時間間隔，所以需要在輸入時找到始末行數，另外還要在說明部分讀出每條記錄的記錄時間間隔，還需要從已知的地震記錄中找到每個方向上的加速度峰值，以便在計算中對加速度進行峰值調幅。最后利用軟件seismosignal對每條記錄的三個分量進行計算，從輸出結果中讀取這22個地震動參數的數值，為下一步工作做準備，表1為B類場地垂直方向上的部分地震動參數表。

3 破壞指數的計算

本文采用計算機程序IDARC-2D對圖1所示鋼筋混凝土框架結構進行結構的動力反應分析，混凝土的本構關系采用Kent-Park（1971）提出的模型，考慮了多軸受力下混凝土下降段強度的增強，鋼筋采用三折線本構模型。梁柱兩端部的反應采用三參數Park滯回模型（1987）模擬，考慮了剛度衰減和強度衰減。

對于結構在地震動作用下的破壞程度，使用結構整體破壞指數（OSDI）來估計。結構整體的破壞指數采用將局部破壞指數加權取和的方法得到，先將單元破壞指數加權取和得到的層破壞指數，再將層破壞指數加權取和得到的結構整體破壞指數。局部破壞指數的計算采用修正的Park&Ang模型[1]，位移和滯回能都能表征結構在地震作用下進入塑性的破壞狀態，Park&Ang模型正是一個包含位移和耗能的損傷指數，它很好地體現了基于位移和能量的雙參數結構破壞準則。

OSDI的取值對應著結構在地震中的破壞程度，一般認為OSDI=0時，結構處于彈性，無損壞；01.0時，結構部分或整體倒塌。通過計算得到的N方向的部分站點結構整體破壞指數[2]，如表2。

4 地震動參數和結構破壞之間的關系

為了研究地震動參數與結構破壞之間的關系，引入Pearson相關系數，兩個隨機變量的相關系數用下式計算：

式中為變量的協方差；

，為變量的方差。

根據以上公式，計算各參數和整體破壞指數之間的相關性（取絕對值），具體結果見表3。

5 結論

如前所述破壞指數能夠代表一定范圍內建筑物的受損程度，它與地震動參數的相關性也能說明結構破壞和地震動參數間的關系。通過比較分析計算的22個地震動參數與破壞指數的相關性，我們可以得出以下結論：譜速度強度與破壞指數的相關系數最大，達到0.9，峰值加速度和能量密度與破壞指數的相關系數也較大，分別達到0.85和0.84，有較好的相關性。說明譜速度強度、峰值速度和能量密度能夠很好地體現地震動對這類結構的潛在破壞勢，因此譜速度強度、峰值速度和能量密度可用來估計結構的破壞。而其他的參數與破壞指數之間的相關系數都較小，均小于0.8，可認為與結構破壞沒有密切關系。

參考文獻

[1]任志林.震害預測中結構地震破壞指數的不確定性研究[D].中國地震局地球物理研究所碩士學位論文，2004.

[2]李爽，謝禮立，郝敏.地震動參數與結構整體破壞相關性研究[J].哈爾濱工業大學學報，2007，39（4）.