抗震设计规范中设计谱长周期部分的取值建议

　　引言
　　
　　《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）应用国内外大量强震观测记录数据统计并结合工程经验和考虑经济技术条件，构建了设计反应谱、即地震影响系数曲线。抗震设计规范中设计反应谱由上升斜直线段、最大值段和下降段三部分组成，特征周期和下降段的形状控制着设计反应谱长周期部分的谱幅值。

　　设计反应谱曲线的适用范围为结构特征周期6s以内的结构，对超过6s结构的地震影响系数取值没有规定。王亚勇认为强震加速度记录中长周期成分的缺失，而高层和大跨建筑对地面地震加速度的反应迟钝、滞后，导致现行的加速度设计反应谱进行抗震验算已经“力不从心”,而基于加速度的时程分析又有较大的局限性.吕西林指出长周期地震波对超高层结构位移响应的影响要明显大于对加速度响应的影响.耿淑伟，陶夏新等通过对美国西部和台湾集集强震记录分析，发现与短周期段许多反应谱幅值大于标准化反应谱的最大值的情况相反，长周期段谱型都相当保守.于海英，周雍年研究了台湾SMART-1台阵记录的长周期反应谱特性，实际强地震动的长周期谱值较小，为了保证长周期结构有一定的强度安全，规定的长周期设计谱值要比实际强震记录的长周期谱值大得多.随着超高层建筑、特大跨度桥梁等各种长周期结构数量的迅速增加，长周期结构的抗震设计已经成为迫切需要解决的问题.

　　本研究采用汶川地震、日本311地震和ATC-63（AppliedTechnologyCouncil）推荐的强震记录，探讨了反应谱长周期部分的变化规律和衰减特性，提出了中国抗震设计规范中设计谱长周期部分的取值建议。

　　1 强震记录的分析
　　
　　1.1 2008.05.12汶川地震
　　按场地类别和断层距将所选汶川地震主震四川省台站的记录分类见表1,按断层距分类统计得到平均反应谱见图1.可看出，长周期部分的谱值均明显小于规范值，长周期成分不丰富。规范谱6~10s部分是通过规范的直线下降段延伸得到的。【表1.图1】

　　1.2 2011.03.11日本地震
　　从图2（a）和（b）可以看出，长周期成分不敏感。图2（c）中速度谱大于3s之后，曲线基本持平。图2（d）中位移谱在2s后，曲线一直趋于上升，接近线性分布。说明位移是长周期部分的主要控制因素。【图2】

　　1.3 ATC-63推荐的23条记录
　　从图3可知，ATC推荐的23条记录除了个别之外，大部分的长周期成分也是不敏感的。【图3】

　　2 长周期地震作用影响系数的三种方案
　　
　　2.1 三种周期6~10s的建议方案
　　以下分析中水平地震影响系数最大值amax取9度多遇地震时的数值0.32.
　　（1）方案1:“规范谱_延伸”,直线下降段从6s延伸到10s（见图4）.按照规范谱下降段的斜率从6s延伸到10s,必然会出现不同阻尼比谱曲线“交叉的现象”,即大阻尼谱曲线“反超”小阻尼。随着特征周期的增大，交叉点不断后移。需通过数学方法进行参数调整消除“反超”现象。

　　（2）方案2:“规范谱_拉平”,从6s开始水平延伸到10s（见图5）.【图4.图5】

　　（3）方案3:“规范谱_第一下降段延伸”,第一下降段，即曲线下降段从5Tg延伸到10s（见图6）.【图6】

　　2.2 建议方案曲线与最小剪重比的对比
　　比较了将方案1“规范谱_延伸”、方案2“规范谱_拉平”、方案3“规范谱_第一下降段延伸”、或按现行我国公路桥梁抗震设计规范中采用一次的衰减曲线四种方法下的地震作用系数的差异及其与规范最小剪重比限值的对比（见图7）,发现最后两种方法的计算结果均低于第一种和第二种方法。比较了6,7,8,9度设防、Ⅱ类场地下的弹性反应谱曲线，发现除7.5度外对6s以上的情况均是剪重比控制，而且计算地震响应低于剪重比要求。【图7】

　　3 结论
　　
　　（1）对汶川地震等强震加速度记录分析，其加速度反应谱影响系数（动力放大系数）对长周期均不敏感。对长周期结构，可按速度谱或位移谱调整地震波的加速度。

　　（2）无论采用直线段延长还是6s后水平延伸的模式，相关参数计算结果除7.5度外均是剪重比控制，长周期结构如何达到最小剪重比需要进一步研究（如：调整地震作用或层剪力，不提高结构刚度）
　　
　　（3）将现行规范直线段延伸后，出现不同阻尼比曲线“交叉”问题，大阻尼比下影响系数大于小阻尼比的情况是不合理。

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