非一致地震波动输入下大型钢...结构-地基体系地震响应规律_彭浩.pdf

第 卷第期 年月地震工程学报 ，收稿日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）；江西省教育厅科学技术研究资助项目（）；江西省自然科学基金资助项目（）第一作者简介：彭浩（），男，硕士研究生，主要从事建筑结构抗震研究。：。通信作者：高智能（），男，博士，讲师，硕士生导师，主要从事工程结构抗震研究。：。彭浩，高智能，胡世丽，等 非一致地震波动输入下大型钢筋混凝土框架结构地基体系地震响应规律 地震工程学报，（）：，（）：非一致地震波动输入下大型钢筋混凝土框架结构地基体系地震响应规律彭浩，高智能，胡世丽，谷音，（江西理工大学 土木与测绘工程学院，江西 赣州 ；江西理工大学 江西省环境岩土与工程灾害控制重点实验室，江西 赣州 ；福州大学 土木工程学院，福建 福州 ；福州大学 福建省土木工程多灾害防治重点实验室，福建 福州 ）摘要：为探索非一致地震波动输入对大型钢筋混凝土框架结构地震响应的影响，基于 软件平台建立二维钢筋混凝土框架结构地基动力相互作用有限元模型。将 地震波按波波形分别以、和 角入射该有限元模型进行计算，对比分析框架柱内力和楼层层间位移的地震响应。研究发现非一致地震波输入方法对于大型钢筋混凝土框架结构建筑动力响应影响明显，随着地震波入射角的增大，钢筋混凝土框架结构底层柱的轴力幅值减小，剪力幅值增大，而弯矩幅值变化较小，楼层层间位移幅值也随之增大。研究结果对于大型钢筋混凝土框架结构抗震设计具有参考意义。关键词：结构地基相互作用；大型钢筋混凝土结构；非一致地震波动输入；内力幅值；层间位移中图分类号：；文献标志码：文章编号：（）：，（.，；.，；.，；.，）：（），：；引言合理有效的地震输入方法是工程结构地震响应结果准确的关键因素之一。基于波动理论的非一致地震输入方法，因考虑了地震波传播过程中的行波效应，相比于一致输入更加符合实际情形。近些年来，许多学者针对地铁地下结构、隧道、桥梁、大坝、综合管廊 等大型或长线型结构开展了非一致地震响应研究，对于钢筋混凝土框架结构抗震设计，却大多采用地震波一致输入的方式，未考虑地震动空间效应的影响。实际上，当钢筋混凝土框架结构纵向长度足够大时，非一致地震波动输入可能会对其动力响应产生一定程度的影响。另一方面，地震动的空间效应包括行波效应、相干效应、衰减效应和局部场地效应，已往震害调查发现，对于不同地质条件的同一地区，房屋破坏情况也可能存在差异 。因此，对于大型钢筋混凝土框架结构的地震响应分析有必要考虑地震动空间效应，尤其是非一致性的影响。本文从地震波的行波效应入手考虑地震动空间效应，采用 软件建立二维钢筋混凝土框架结构地基动力相互作用整体体系有限元模型，选取 波，并按照 波波形进行非一致地震波动输入，从框架结构柱子内力和楼层层间位移两方面与一致输入情形进行对比分析。研究结果对于大型钢筋混凝土框架结构抗震设计具有参考意义。有限元模型建立依据 城市轨道交通结构抗震设计规范（）中对地下结构近场区域的取值方法，在无限域场地中截取尺寸为 （长）（宽）的二维有限域作为计算区域，并划分成 的单元网格，如图所示。根据 工程场地地震安全性评价（），土体质量密度取 ，剪切模量取 ，弹性模量取 ，等效剪切波速取 ，泊松比取，并在开源软件平台 中完成上述场地土参数的设置。钢筋混凝土结构纵向一榀框架如图所示，上部结构为层钢筋混凝土框架（第层层高为，第、层层高为，房屋结构总高度为），纵向跨度为，共跨。考虑到基础埋深的影响，建模时底层柱高取。具体步骤为：首先，根据 建筑结构荷载规范（）和 混凝土结构设计规范图钢筋混凝土框架结构地基系统整体有限元模型 地震工程学报 年（）进行相关荷载计算，确定梁截面尺寸为 （长）（宽），柱截面尺寸为 （长）（宽），楼板厚度为 ，梁柱混凝土保护层厚度按照二（）类环境取 ，混凝土等级为 ，梁柱纵筋、箍筋分别为 、；然 后，在 软 件中，选择混凝土材料 ，选择钢筋材料 ，确定钢筋截面为纤维截面类型，建立上部钢筋混凝土结构纵向一榀框架模型（图）；最后，将上部结构与场地土连接，建立大型钢筋混凝土框架图钢筋混凝土结构纵向一榀框架 结构地基整体模型。人工边界与地震输入采用黏弹性人工边界 截取计算区域，将地震输入问题转化为波源问题。在 软件中设置黏弹性人工边界，方法如下：首先，在与计算区域场地土边界节点相同坐标处设置固定节点，定义黏性材料与弹性材料；接着，将黏性材料和弹性材料并联，并设置零长度单元；最后，通过零长度单元将固定节点与场地土边界节点连接，完成场地土黏弹性人工边界的建立。从太平洋地震工程研究中心（）数据库中选取 年 地 震 波（观测站点原始记录竖向分量），位移峰值为 ，加速度峰值为 ，时间步长为 ，记录时长为 ，其位移时程和加速度时程分别如图和图所示。为了研究大型钢筋混凝土结构地基整体模型在非一致地震作用下的响应规律，图 波位移时程 图 波加速度时程 首先选取、和 四种角度按照波波形输入；然后利用 程序将 波转化为截取区域人工边界节点上的等效荷载，；最后在 软件中将等效荷载施加到黏弹性人工边界节点上，开展动力时程分析。非一致输入与一致输入计算结果对比框架结构底层柱受力分析从震害调查中得知，钢筋混凝土框架结构底层柱震害严重，且其底部内力最大，故本文重点分析底层柱底部的受力情况。将图所示的钢筋混凝土框架结构底层最左侧柱、中间柱和最右侧柱依次编号为柱、柱和柱，并将 软件计算结果绘制于图中。图、图和图分别绘出了钢筋混凝土框架结构在、和 波（波波形）入射下，柱、柱和柱底部内力的幅值变化规律，其中 入射为一致输入，、和 入射为非一致输入。第 卷 第期彭浩，等：非一致地震波动输入下大型钢筋混凝土框架结构地基体系地震响应规律图柱底轴力幅值 图柱底剪力幅值 图柱底弯矩幅值 由图可知，随着地震波入射角的增大，柱、柱和柱底部的轴力幅值近似呈线性减小，柱、柱底部的轴力幅值相近，且明显大于柱。当地震波以 竖直入射（即一致输入）时，柱、柱和柱底部 受 到 的 轴 力 幅 值 最 大，分 别 为 、和 ；当地震波以 入射时，柱、柱和柱底部的轴力幅值最小，分别为 、和 。由图可知，随着地震波入射角的增大，柱、柱和柱底部的剪力幅值均增大，从 到 增加较慢，从 到 增加变快，且同一入射角度下各柱所受剪力幅值相差不大；当地震波一致输入时，柱、柱 和柱 底部的剪力幅值最小，分别为 、和 ；当地震波以 入射时，柱、柱、柱 底部的剪力幅值最大，分别为 、和 。由图可知，柱底部的弯矩幅值随着入射角的增大而增大；当入射角为 时，柱底部弯矩幅值下降显著；柱底部弯矩幅值在入射角为 时达到峰值；当地震波以 入射时，柱、柱、柱底部的弯矩幅值分别为 、；当地震波以 入射时，柱、柱底部的弯矩幅值最大，分别为 、；当地震波以 入射时，柱底部的弯矩幅值最大，为 。综上所述，随着地震波入射角的增大，柱子底部的轴力幅值减小，剪力幅值增大；弯矩幅值也随着入射角度的改变而变化。为了定量分析非一致地震波输入对结构构件内力幅值的影响，定义内力幅值比为非一致输入与一致输入下框架结构构件内力幅值之比：（）式中：表示地震波以角度入射时柱底的内力幅值；表示地震波以度入射时柱底的内力幅值。表列出了当 波按波形式以不同角度入射时，钢筋混凝土框架柱底部的内力幅值之比。从表中可以看出，对轴力幅值而言，斜入射下柱、柱和柱底部所受的轴力幅值均小于垂直入射时（幅值比均小于），且随着入射角增大轴力幅值比逐渐减小。当 波以 入射时，柱底部的轴力幅值仅为垂直入射时的，柱底部的轴力幅值为垂直入射时的，柱底部的轴力幅值为垂直入射时的。在地震波斜入射情况下底层柱底部的轴力幅值比变化明显，说明地震波入射角对框架结构底层柱轴力幅值的影响显著。对于底部剪力幅值而言，柱、柱和柱在各入射角度下的比值均大于，说明斜入射下底层柱底部的剪力幅值均大于垂直入射时，且随着入射角的增大剪力幅值比增大。当 入射时，柱、柱和柱 底部 的 剪 力 幅 值分别高 出 垂 直 入 射 时 相应 数值、；在各入射角度下，柱底地震工程学报 年表 波斜入射下钢筋混凝土框架结构柱底部内力幅值之比 内力幅值比柱轴力剪力弯矩柱轴力剪力弯矩柱轴力剪力弯矩.部的剪力幅值比相对于柱、柱较小，由此可见，斜入射对柱、柱的影响程度高于柱。对于弯矩幅值而言，当 波以不同角度入射时，柱、柱底部的弯矩幅值比介于；以 和 入射时，柱的弯矩幅值比小于。这表明，随着入射角的增大，边柱底部的弯矩幅值大于垂直入射时，而中间柱底部的弯矩幅值比垂直入射时小。综上所述，地震波斜入射对底层柱底部弯矩幅值的影响小于对轴力幅值和剪力幅值的影响；从定量分析来看，随着地震波入射角的增大，柱底轴力幅值减小，剪力幅值增大，弯矩幅值亦呈现改变，这是由于地震波以 波波形斜入射增加了水平方向的地震作用。楼层层间位移分析图、图和图 分别绘出了 波按波波形以、和 入射时，钢筋混凝土框架结构一层、二层和三层的层间位移时程。从图中可知，随着入射角度增大，同一时刻下各层层间位移逐渐增大；当地震波一致输入时，各楼层层间位移均接近于；当地震波以 、角度入射时，各层层间位移时程曲线形状相近，仅波动幅度存在差异。在非一致地震输入下，随着建筑层数的增加楼层层间位移变小；一层层间位移幅值出现在 附近，二层位移幅值出现在附近，三层位移幅值出现在 附近，这说明层间位移幅值亦呈现波动的特图一层层间位移时程 图二层层间位移时程 图 三层层间位移时程 点，但对于同一层而言，层间位移幅值出现的时间相近，不受入射角度的影响。为了定量分析非一致地震波动输入对框架结构建筑层间位移的影响，定义层间位移幅值比为非一致输入与一致输入两种情况下楼层层间位移幅值之比：（）式中：表示地震波以角度斜入射时楼层层间位移幅值；表示地震波一致输入时楼层层间位移幅值。表和表分别列出了框架结构各楼层层间位第 卷 第期彭浩，等：非一致地震波动输入下大型钢筋混凝土框架结构地基体系地震响应规律移幅值及位移幅值比。由表可知，随着地震波入射角度的增大，各楼层层间位移幅值均增大，但随着层数的增加，层间位移幅值逐渐减小；非一致地震波输入下各楼层层间位移幅值均大于一致地震波输入时。由表可知，当地震波以 入射时，一层、二层和三层层间位移幅值比取得最大值，分别为、和。表 波入射下框架结构层间位移幅值 入射角度（）一层 二层 三层 表 波斜入射下框架结构层间位移幅值比 位移幅值比一层二层三层.结语本研究基于 软件平台建立了二维钢筋混凝土框架结构地基整体动力相互作用模型，将地震波以波波形入射，入射角度依次选取（对应一致输入）、和 ，重点分析框架结构底层柱内力和楼层层间位移地震响应规律，研究结果小结如下：（）非一致地震输入对框架结构底层柱底部弯矩幅值的影响小于对轴力幅值和剪力幅值的影响。非一致地震输入下底层柱底部轴力幅值均小于一致输入下相应值，且随着入射角的增大而减小；底层柱底部在非一致地震输入下的剪力幅值比均大于，且随着入射角的增大而增大；非一致地震输入情况下，随着入射角的增大，边柱底部弯矩幅值大于一致输入时，而中间柱底部弯矩幅值比一致输入时小。（）当地震波以波波形非一致输入时，随着入射角度的增大，各楼层层间位移幅值均增大；当地震波一致输入时，各层层间位移接近于；当地震波以 、角度入射时，各层间位移时程曲线形状相近，仅波动幅度存在差异。非一致地震波输入下层间位移幅值大于一致输入时，当地震波以 入射时一层、二层和三层层间位移幅值比取得最大值，分别为、和。参考文献（）廖振鹏 工程波动理论导引 北京：科学出版社，：，廖振鹏 工程波动理论导论版 北京：科学出版社，：，杜修力 工程波动理论与方法 北京：科学出版社，：，高智能，卓卫东，谷音 考虑非一致地震输入的地铁车站动力时程分析 地震工程与工程振动，（）：，（）：，：王国波，巴峰，孙富学，等 非一致激励下长大盾构隧道结构地震响应分析岩土工程学报，（）：，（）：谷音，蔡亮基于分离式近场地基模型的土曲线梁桥非一致地震反应分析方法研究地震工程与工程振动，（）：，（）：李艳，季伟强，陈浩，等大跨铁路悬索桥一致激励与非一致激励地震响应对比分析研究 中国铁路，（）：，（）：岑威钧，袁丽娜，王帅非一致地震动输入下高面板坝地震反应特性水利水运工程学报，（）：，（）：任青，邹家珅，王恒栋，等 非一致地震激励下方形单仓管廊动力响应分析工业建筑，（）：，（）：王艳非一致地震动场数值方法研究及在结构动力分析中的应用北京：清华大学，地震工程学报 年 ：，王亚勇汶川地震建筑震害启示：抗震概念设计建筑结构学报，（）：，（）：清华大学土木工程结构专家组，西南交通大学土木工程结构专家组，北京交通大学土木工程结构专家组，等 汶川地震建筑震害分析建筑结构学报，（）：，（）：李宏男，肖诗云，霍林生汶川地震震害调查与启示建筑结构学报，（）：，（）：中华人民共和国住房和城乡建设部 城市轨道交通结构抗震设计规范：北京：中国标准出版社，：，国家质量监督检验检疫总局，中国国家标准化管理委员会工程场地地震安全性评价：北京：中国标准出版社，：，中华人民共和国住房和城乡建设部 建筑结构荷载规范：北京：中国建筑工业出版社，：，中华人民共和国住房和城乡建设部 混凝土结构设计规范：（版）北京：中国建筑工业出版社，：（）：，东南大学，天津大学，同济大学混凝土结构（上册）：混凝土结构设计原理版 北京：中国建筑工业出版社，（）：，（）：刘晶波，谷音，杜义欣 一致粘弹性人工边界及粘弹性边界单元岩土工程学报，（）：，（）：，（）：刘晶波，吕彦东 结构地基动力相互作用问题分析的一种直接方法 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