常用持时的特点介绍

常用持时的特点介绍

杨啸天

重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074

摘要：地震作为对人类影响最大的几种灾害之一，经过系统的研究后，地震动的影响程度可以用三个要素来表示.其中，地震动持时作为三要素之一的重要性以及对震害的影响正越来越被学界重视.其中持时又被分为基于加速度绝对值阈值的绝对持时和反应地震动过程强度火能量变化趁势的相对持时.本文简单的回顾了地震动持时的几种定义，并简要分析其特点

关 键 词：强震持时；地震动总持时；持时定义和特点；

1引言

近年来，世界各国发生了大量因地震而导致结构承载能力降低甚至失效的事件。结合大量工程实例发现和震害经验的不断累积，地震动持时的在地震动产生的响应中产生的影响正被越来越多的学者重视。

在地震动中，有些地震动峰值加速度和反应谱幅值非常大的地震动却因为持时很短对结构造成的破坏比预期的小，例如1970年由日本学者Kanai和Tajimi共同提出的Kanai-Tajimi地震动模型[1]。而Bommer和 Martinez-Pereira在1999年给出持时定义时指出，当两个加速度反应谱的振幅接近时，持时较大的那个一般会造成更大的破坏，而当两个记录的能量接近时，持时较短的那个可能会产生更多的破坏[2]。

虽然地震动持时作为地震三要素而逐渐被学者重视，但是学界对它在地震动中对结构产生的破坏中所起到的作用仍然有着不同的认识。持时的影响主要集中于震害的积累效应以及低周疲劳，但在弹性阶段则不那么重要。因此，在利用有限元软件进行结构的抗震设计时，仍然采用反应谱的振幅确定设计荷载和最大位移，持时在结构抗震设计中并没有被直接采用。

但在岩土工程中，1995年Trifunac通过实验室研究和地震现场的震害调查确认了持时对沙土液化和土体的永久位移有重要作用，目前已经将运动的周数运用到土体稳定性的判别中，振动台模拟实验的结果表明，地震动持时越长，地震动能量越大，场地液化现象越明显，土体中加速度反应也表现出不同的规律[3]。

随着理论研究和实验水平的不断进步，关于持时在地震动中所起的作用的研究不断进步和发展，本文会简单分析持时的不同定义，以及不同定义的特点。

2持时的定义与特点

随着理论研究和实验水平的不断进步，关于持时在地震动中所起的作用的重要性的研究不断被学者们所重视。

到目前为止，持时并没有统一的定义。而我们一般所讲的持时则被称为强震持时，由于地震动的微弱部分对结构影响较小，在工程上的研究意义不明显，而对工程有影响的强地面运动的持续时间，即强震持时更被学界所关注。由于持时的定义颇多，比如基于能量控制的相对持时、等效平稳持时、能量矩持时等等，所以对于研究者来说，根据需求来选择合适的持时是非常重要的。

但地震动总的持续时间，即地震动总持时由于其地震动有相当一部分是微弱的震动部分，对于工程的研究意义不明显，所以我们可以使用代表地震动强烈震动部分时长的强震持时作为选择工程软件输入地震动加速度时程的荷载步长等用途。

一般我们常用的持时有五种，第一次大于人为设置的加速度/速度/位移的最小值和最后一次大于最小值之间的时长的括号持时；所有超过设置的最小值的时间段时长总和的均一持时；根据Husid图和场地加速度进行积分并归一化得到的Arias强度累积到一定比例的时间间隔的显著持时；将括号持时、均一持时和显著持时应用在单自由度振荡器的反应来确定的结构反应持时；与显著持时类似使用Arias强度来衡量，但时程起始点由确定的绝对值确定的有效持时。具体说明如下：

（1）括号持时：人为设置一个加速度/速度/位移的最小值，随后计算第一次和最后一次大于这个值之间的时间间隔，可以使用地震动参数区划图、n倍选择的地震动中的峰值或是常用的0.025g/0.05g/0.1g等。

括号持时的特点是有着清晰的物理概念，且使用方式简单，得到的结果易懂，但是由于其设置的最小值是人为设置的，会直接影响到持时的长短，尤其是采用绝对值准则时，甚至可能出现持时为0的情况，这不符合实际。但采用相对值准则时，虽然持时会大于0，但是仍然会影响持时的大小。另外，当地震动峰值很大时，甚至会出现进入所选的括号持时前结构却已经发生破坏的情况。

（2）均一持时：基于括号持时的定义进行了条件上的限定，所选时程内的加速度/速度/位移全部超过所规定的最小值，其时程为超过最小值的时程部分的总和，一般比括号时程小。其特点与括号持时相同，只是更加强调强震动部分的特性。同时均一持时可能为不连续的时程总和，在理论研究或者工程实践使用时有可能会造成使用上的困难。

（3）显著持时：显著持时是基于地震动的能量积累过程定义，由场地加速度、速度或位移平分的积分表示[3]。同时利用Husid函数以及归一化的Arias强度A（t）有关，A（t）的表达式如下：

其中a（t）为地震动加速度时程，g为重力加速度，T为地震动加速度总时长。

而在实际使用中，通常取5%≤A（t）≤95%的时间段，称为90%持时，也被成为麦奎尔方法。同时还有5%≤A（t）≤75%和15%≤A（t）≤85%的70%持时被使用。有时显著持时也

被称作能量持时和重要持时。

其特点为表达了地震动的能量概念，突出了震动幅值的影响[2]。并且由于是地面运动加速度的平方的积分，所以不可能出现持时为0的情况，使得持时的选取比起前两者要更为精确。显著持时是目前被最多学者使用的持时定义。

（4）结构反应持时：由谢礼立和张晓志在1988年提出的一种持时定义，通过定义一个

绝对幅值水平来使得地震动时间和结构特性相联系[4],而绝对幅值水平则与体系的屈服荷载、体系的质量、体系的自振周期有关，而持时的选取则仍与括号持时的选取方式相同

其特点为对于不同的结构，即使是相同的地震动也会有不同的持时，将持时与结构特性和地震动的反应谱相联系起来。但目前应用的较少

（5）有效持时：有效持时是基于显著持时而进一步衍生的持时，它也是基于Arias强度来进行持时的选择的。但有效持时的选择的最小值不会变化，为固定值。而有效持时为Arias强度等于某个值时的时间点减去Arias强度达到某个值时的时间点

其特点为易受到地震动记录末尾较长的微弱部分的干扰，进而影响计算出来的Arias强度，从而造成持时选择的不精确。因此有效持时只适用于单自由度的弹塑性分析研究。

3讨论

在目前，学界们关于地震动幅值的研究更多，而关于持时则较少。主要是因为持时的定义在研究上的意义不够明确，不能像地震动幅值一样将地震动进行详细的描述和将地震动对结构的破坏能力进行明显的表达。因为强震持时在工程上研究较多的弹性阶段起到的作用较小，而持时的作用更多的集中在低周疲劳和震害的积累效应上。与其相关的非线性阶段在工程研究上更多的是被忽略或者被简化处理。关于如何需要更明确和清晰，且被学界认同的持时定义，持时在工程计算模型中所起的作用，场地条件、结构变化等条件对于持时的影响，持时的预测等问题还需要我们进行更进一步的研究。

参考文献(References)：

[1]金井清.工程地震学[M].常宝琦,张虎男,译.北京：地震出版社,1987.

[2] Bommer J J,Martinez-Pereira A.The effective duration of earthquake strong motion[J].Journal of Earthquake Engineering.Rome,1973:1304-1313[3]Ki-Bong Park,Han-Seung

[3]Trifunac M D.Empirical criteria for liquefaction in sands via standard penetration tests and seismic wave energy[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering,1995,14(4):419-426

[4]谢礼立,张晓志.地震动记录持时与工程持时[J].地震工程与工程振动,1988,8(1):31-38