第1章　绪　论

1.1　选题背景及研究意义

强震动记录是强震地震学、工程地震学等领域的重要研究资料，也是结构抗震设计中必不可少的基础数据，其应用领域十分广泛。随着强震动观测技术的发展，大量强震动观测数据的获得和积累推动了抗震设计理论的发展。同时，结构抗震设计思想的发展也对强震动记录选取的研究及应用提出了更加严格的要求[20,24]，推动了研究人员对强震动记录工程特性的进一步研究。强震动记录选取中的不确定性是导致结构时程分析结果呈现过大离散性的主要原因，对结构地震响应离散性具有显著影响。与工程场地相似且代表场地未来一段时期内可能遭受的强震动记录是评估结构抗震性能的主要依据。目前，在许多国家的抗震设计规范中，都将结构时程分析方法列为静力设计方法的必要补充，但对于高层建筑、大跨结构等特殊结构形式及重要建设工程，要求强制使用结构时程分析方法。我国抗震设计规范及相关标准对于强震动记录选取的规定过于笼统，对强震动记录的选取缺乏具体的、具有可操作性的条文及说明。因此，结构设计者在面对大量强震动记录数据时，缺乏明确的选取依据。目前，在实际工程结构抗震设计工作中，研究人员和结构设计者在绝大多数结构时程分析中都使用几条典型的地震记录，将其时程按地震动加速度峰值（Peak Ground Acceleration，PGA）放缩至目标值后作为结构时程分析的输入。对于自振周期较大的结构，该方法得到的结构反应结果的离散性较大，难以达到抗震设计规范中关于结构反应结果的要求。

1.1.1　选题背景

强震动观测（Strong Motion Observation，SMO）是使用强震仪来观测在地震发生过程中地面运动的过程，是推动地震工程发展的重要方法及手段。强震动观测的目的在于获得和积累强震动记录数据，并从中整理具有工程意义的地震参数。强震动记录时程是按照时间进程表示在地震发生时地面运动或结构振动的一个过程，它是强震动观测的主要结果。强震动记录数据为确定科学合理的抗震设防目标提供基础数据，同时也使结构抗震设计更为科学合理。

强震动观测的产生可以追溯到20世纪初期，在日本关东大地震之后，地震工程学家末广恭二提出了记录地震加速度时程的设想。在此之后，美国首先研制了第一台强震加速度仪并于第二年安装并投入使用[16]。1933年在美国南加州地区的长滩地震中获得了世界上第一条地震地面运动加速度时程记录，此后在世界范围内，强震动观测工作逐渐发展[9,16,36,47]。目前，美国、日本及中国台湾等国家和地区的强震动台网建设得较早、发展得较快，台网数量也较多，世界范围内强震动仪的总量已达2万余台[36]。

我国最早进行强震动观测的单位是中国科学院土木建筑研究所（现称中国地震局工程力学研究所），20世纪60年代初在刘恢先教授的率领下，中国科学院土木建筑研究所开始进行强震动观测的相关研究，并于1962年在新丰江水库主坝上设置了国内第一个实验强震观测台站。我国强震动台网数量与美国、日本等国家相比还具有较大差距，强震动记录数量还不能满足科研与工程需求。“十五”期间中国地震局加大了对国家数字强震动观测台网建设的投入，先后增加了近2000台强震观测仪，整个台网由1154个固定强震动台网、310个地震动强度（烈度）速报台站和5个速报中心、10个强震动专用台阵、强震动流动观测台网、国家强震动台网中心及区域强震动台网中心组成[74,112,128]。我国幅员辽阔，发生地震的可能性较大，但可供工程抗震设计使用的高质量强震动记录仍然很少[42]，我国科研及设计者主要使用国外强震动记录。随着国内强震动台网的建设及平稳运行，我国地震地面运动记录紧缺的状态正逐步得到改善。2008汶川大地震中[43,76]，19个省、市、自治区共455个固定台站及流动观测台获得大量的强震动记录，弥补了我国强震动近场加速度记录的空白。另外，在芦山地震[41,42]、鲁甸地震、景谷地震中获得了一批近场地震记录，为我国开展强震动地震学的深入研究提供了基础观测资料。

目前，很多国家的强震动记录数据库已经公布，并建立了专门的网站便于用户下载。常见的数据库有：美国的COSMOS（Consortium of Organizations for Strong Motion Observations System）数据库、PEER（Pacific Earthquake Engineering Research）数据库、SMDB（Southern California Earthquake Center Strong Motion Database）数据库；日本的K-NET与KiK-NET数据库及欧洲的ESD（Europe Strong-motion Database）等[44,77]。我国一直在努力建设及完善国内的强震动数据库，目前研究人员可通过向国家强震动台网中心提出申请来获得国内的强震动记录数据。大量高质量的强震动记录为结构抗震设计提供基础数据，为结构时程分析方法提供了强震动记录数据保障，促进了动态抗震设计理论的发展。

近年来，为满足建筑功能及审美要求，结构形式正逐步朝着型体复杂、多样的方向发展。各国抗震设计规范的结构时程分析要求统计表见表1.1.1。研究表明，在结构时程分析中，结构反应结果的离散性较大。其中，地震动输入引起的地面运动是不可预知的[109]，并对结构反应结果的变异性具有显著影响[120]。

表1.1.1　各国抗震设计规范的结构时程分析要求统计表［14］

续表

强震动记录选取的依据是设定地震或设定地震动参数。根据建设工程的重要性，我国将全部建设项目划分为重要建设工程和一般建设工程两大类[8]，确定两类工程在设计基准期内可能遭受地震作用的方法和途径不同。《中华人民共和国防震减灾法》规定：“对于重要建设工程，按照地震安全性评价的方法和途径确定抗震设防要求，而对于一般建设工程，根据地震动区划图确定抗震设防要求。”结构是影响抗震设防目标的重要因素。对于一般建设工程，《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010，以下简称抗震设计规范）第5.1.2[69]条规定，符合表 1.1.1所示情况的建筑结构应采用结构时程分析方法，并按工程场地类型和设计地震分组选取实际地震强震动记录和人工合成加速度记录时程，其中，实际地震强震动记录的数量不应小于总数的2/3，多组记录时程的平均地震影响系数曲线（反应谱）应与振型分解反应谱方法中采用的地震影响系数曲线（规范标准目标反应谱）在统计意义上相符，其加速度时程的最大值可按抗震设计规范中的表5.1.2-2采用。同时规范规定在弹性时程分析时，每条记录时程曲线分析计算的结构底部剪力不应小于静力振型分解反应谱法计算结果的65%，多条记录时程分析计算所得的平均结构底部剪力值不应小于静态分析方法计算结果的80%。

在实际工程结构抗震设计中，现行结构设计软件中的地震数据数量极其有限，导致大多数结构时程分析反复使用几条典型地震记录，见表1.1.2。使用地震动加速度峰值（Peak Ground Acceleration，PGA）即记录加速度时程的最大值与目标PGA的比值，对记录进行放缩，将其作为结构输入时程。使用PGA放缩记录的方法选取的强震动记录难以达到抗震设计规范中的相关规定。另外，根据抗震设计规范的规定，地震影响系数曲线即规范标准谱由工程场地的抗震设防烈度、建筑场地类别和设计地震分组确定，而与设定地震参数信息（如震级M、距离R、场地等效剪切波速VS30等）没有关系。强震动记录的地震参数与抗震设防参数没有直接的对应关系，因此结构设计者在面对大量强震动记录数据时往往无从下手，限制了结构时程分析方法在结构抗震设计中的广泛应用。

表1.1.2　4种场址类别常用的地震波主要数据表

对于重要建设工程，需要对其进行地震安全性评价，即针对具体建设工程的场地，确定设定地震和设定地震动参数及场地设计反应谱。根据《工程场地地震安全性评价》（GB17741—2005）相关条款，地震波加速度时程的来源主要是通过安评报告获得的人工模拟的加速度时程曲线，实际强震动记录的加速度时程可作为人工模拟加速度记录的补充。目前，在我国的地震安全性评价中普遍使用人造加速度记录。人造加速度记录的反应谱具有预期的持时和包络方程，其包含的能量过高。地震动的各种特性（幅值、频谱、能量特性、持时及相位等）是多种复杂因素共同作用的结果，而人工合成记录不可避免地掺入了人为因素[35,58]，可见实际强震动记录时程具有人造地震波不可替代的优势。

1.1.2　研究意义

近年来地震频发、灾害不断，如2010年海地大地震的遇难人数达20万，同年，智利地震伤亡700余人，而9月新西兰南岛里氏7.1级地震竟为零死亡。可见震害的大小与结构的抗震设防要求及抗震措施是密切相关的。合理的设防目标、抗震设计及结构抗震性能评价是实现抗震减灾的基础。强震动记录的选取是影响结构地震反应的最重要的因素之一。随着强震动台网的建设，强震动数据日渐增多，这些强震动数据为制定地震动区划图和结构抗震设计规范提供基础资料，为减轻震害提供依据。

强震动记录的选取是结构时程分析的重要环节，是开展结构时程分析面临的首要问题。结构时程分析主要应用于结构抗震设计和抗震性能评价，两者的分析目标是不同的。对于结构抗震设计而言，通过匹配设计目标谱，降低结构反应离散性，进而获得结构时程分析反应均值。因此，对于一般建设工程，强震动记录选取的基本原则是采用匹配规范标准谱的方法选取相似地震环境下的强震动记录。但是，规范标准谱由抗震设计参数（包括抗震设计烈度、地震设计分组等）确定而地震环境由地震参数（包括地震震级、断层距等）确定，两者缺乏对应关系。结构设计者无法选取与建筑场地具有相似地震环境的强震动记录，所以需要针对抗震设计规范中关于强震动记录选取的相关条款，提出强震动记录选取的基本原则和方法，为进一步完善相关规定提供参考。

在结构抗震性能评估中，时程分析的目的是估计结构及构件的失效概率，即需要预测结构反应的均值和方差。因此，匹配规范标准谱均值的方法不考虑强震动记录固有的变异性，影响结构地震响应的分布易产生偏差。抗震性能设计将成为抗震设计的主要发展方向，获得结构地震响应参数的分布将成为结构时程分析的主要目的。因此，在确定强震动记录的选取方法时，应首先考虑结构时程分析的目的，结合国内地震安全性评价工作，提出强震动记录选取的基本方法及原则。

由于地震动具有随机性和不确定性及其在结构地震响应方面存在复杂性，因此研究者们在如何选取及放缩强震动记录的问题上还未能达成共识。如何选取能代表某工程场址未来可能遭受的地震动的真实历史记录，即满足预期的设定地震动，同时又保持结构反应合理的离散性，对结构抗震设防设计具有重要意义。强震动记录选取的研究为结构时程分析提供科学合理的强震动记录选取方法，进而明确地震及地震动的不确定性和复杂性给结构反应带来的离散性，便于了解结构反应的分布。强震动记录的选取方法将大量强震动记录数据和地震工程研究成果应用到结构抗震中，对结构抗震设计理论分析方法的发展起到了巨大的推动作用。