钢筋混凝土框架结构在近断层脉冲型地震动作用下的动力响应.pdf

第 2 8卷第 3期 2 0 1 1年 9月 土木工程与管理学报 J o u r n a l o f C i v i l En g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t Vo 1 28 No 3 S e p 2 01 1 钢筋混凝土框 架结构在 近断层脉 冲型 地震动作用下 的动 力响应 叶 昆， 任毅， 赵仕栋， 黄 言 ( 华 中科技大学土木工程 与力学学 院 ， 湖北武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘要： 基于现行的抗震设计规范设计了三层 、 六层和九层的钢筋混凝土平面框架结构。并对这些钢筋混凝土 框架结构在近场脉冲型地震动和一般地震动作用下的动力响应进行了研究， 研究发现： 对于近断层地震的脉冲 效应现行的抗震设计规范考虑不充分， 结构的层问位移角并不能满足 1 5 0的限制条件。因此建议不考虑地震 调整系数， 以此来保证结构在近断层地震作用下的安全。 关键词 ： 钢筋混凝土框架； 近断层脉冲型地震； 一般地震 ； 动力响应； 层间位移角 中图分 类号 ： T U 3 5 2 1 文献标识码 ： A 文章编 号 ： 2 0 9 5 - 0 9 8 5 ( 2 0 1 1 ) 0 3 - 0 3 8 5 -0 6 近 断 层 ( n e a r f a u l t ) 地 震 动 ， 也 称 为 近 场 ( n e a r fi e l d ) 地震 动或近源 ( n e a r s o u r c e ) 地震 动， 它是指当震源距较小 时， 震源辐射地震波 中的近 场和中场不能忽略的区域的地震动。最近几次近 断层大地震 ， 即美 国北岭地震 ( 1 9 9 4 ) 、 日本神户 地震( 1 9 9 5 ) 、 我国台湾集集地震 ( 1 9 9 9 ) 、 土耳其 K o c a e l i 地震( 1 9 9 9 ) 和 四川汶川地震 ( 2 0 0 8 ) 等对 工程结构造成的严重破坏和前所未有的经济损失 引起了地震工程界的密切关注 。这些地震均 发生在近断层附近 ， 均伴随有较大的速度和位移 脉冲 ， 这种脉冲效应会使结构在一 开始就承受高 能量冲击作 用 ， 显著 改变结构 的动力响应 J ， 进 而引起较大的内力和变形。由于近断层地震动和 远场地震动有显著的不同， 结构在这两类地震 动 作用下的反应会有很 大的差异 ， 目前近断层地震 动作用下结构的研究还有待深入 4 J 。 本文基于现行 的抗震设计 规范 分别设计 三层 、 六层和九层钢筋混凝土平面框架结构 ， 研究 所设计的钢筋混凝土框架结构在近场脉冲型地震 动和远场非脉冲型地震动下的反应特征 ， 从结构 的顶点位移 、 层间位移角和层间剪力三个方面 ， 对 两类地震动作用下结构的反应特性进行 了对 比， 通过分析找到合理的抗震设计方法。 1 基于规范设计的钢筋混凝土框架 结构 基于 目前现行 的结构设计 规范 ， 分别设计 了 三层 、 六层和九层 的平面钢筋混凝土框架结构 ， 编 号分别为 F R 1 、 F R 2和 F R 3 ， 其基 本周期 分别为 0 3 4 S 、 0 6 1 S 和 0 7 9 S 。 0 寸 图 1 三层 框架立面图及基本尺寸 0 0 0 0 0 0 t 图2 六层框架立面图及基本尺寸 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 6 - 2 7 作者简介 ：叶昆( 1 9 7 7 一 ) ， 男 ， 江西赣州人 ， 副教授 ， 博士 ， 研究方 向为工程结构抗震和减隔震 ( E m a i l ： k u n y e m a i l h u s t e d u c n ) 基金项 目：国家 自然科学基金 ( 5 1 0 0 8 1 3 4) 3 8 6 土木工程与管理学报 2 0 1 1 年 0 0 图 3 九层框架立面图及基本尺寸 2 地震 动的选取 表 1 近断层脉冲型地震动 对于未来发生的地震 ， 目前我们还无法预测 ， 因此考察结构在单一地震动作用下的结果， 并不 具有普遍性 ， 很多研究人员也发现， 不同地震动给 出的计算结果相差很大( 即使调整到同一峰值 ) ， 这主要是地震动波形和频谱之 间的差异造成的 ， 因此 由单独的一条地震动给出的结论经常让人难 以信服。对于这种情况 ， 采用将多条地震动的结 果进行汇总、 平均的方法 ， 可 以缓解 以上问题 ， 并 获得较好的结果 。本文进行时程分析时选择了近 场地震动记录 2 7条 ， 远场地震动记录 2 7条 。 表 2 一般地震动 3结果及 分析 对三层 、 六层和九层框架结构各选用 2 7条近 场脉冲型地震波 ( F D) 和 2 7条普通地震波( N F D) 进行分析计算 ， 得出结构在各不同地震作用下的 动态响应。 第 3期 叶昆等：钢筋混凝土框架结构在近断层脉冲型地震动作用下的动力响应 。 3 8 7 3 1 结构顶点位移 将不同加速度峰值 的地震动对三层 、 六层 和 九层框架结构产生的结构顶点位移分别绘制于图 中， 然后对各位移点进行拟合 ， 由于顶点位移符合 对数规律 ， 纵坐标采用对数坐标。见图4至图 6 。 图 4 三层框架结构在近 断层脉 冲型和 一 般地震 动作用下 的顶点最 大位 移 图5 六层框架结构在近断层脉冲型和 一 般地震动作 用下 的顶 点最 大位 移 图6 九层框架结构在近断层脉冲型和 一 般地震动作用下的顶点最大位移 通过上图可知 ： ( 1 ) 结构顶点位移 随地震 动 加速度 峰 值 的增 加 而增 加或 基 本维 持 不变 ( 9 层) ， 脉冲型地震动的增幅更加明显 ， 这从拟合 曲 线的斜率大小可以看出； ( 2 ) 当加速度较小时 ， 非 脉冲地震动引起的结构顶点位移比脉冲型地震动 引起的要大。但是随着加速度 的增加 ， 脉 冲型地 震动则会引起更大的顶点位移 ， 且二者之间的差 值将越来越大 。而非脉冲型和脉冲型产生相同顶 点位移的峰值加速度对 不同框架是不等的， 层数 越高的框架结构受到脉冲型地震动的动态影响越 大； ( 3 ) 从以上三 图可以看 出， 不论是脉 冲型还是 非脉冲型地震动 ， 九层 框架的顶点位移都 比六层 的要大 ， 六层框架的顶点位移都比三层的要大 ， 即 层数越高 ， 顶层偏移越大。 3 2 结构层 间位移角及其沿层高的分布 我们知道 ， 考察结构 的破坏时除了要保证结 构的顶点位移不超过限值要求外 ， 还需保证层间 相对位移不超过限值 。结构在地震动作用下 ， 可 能在顶点位移达到破坏限值之前 ， 由于层 问相对 位移过大导致结构 的破坏。又因为每层的层高并 不一定相 同， 故将层 间相对位移转换为层 间相对 位移角来考虑 。现将三、 六 、 九层框架结构受到近 断层 ( F D) 地震动和 2 7条普通( N F D) 地震动时各 层的相对位移角绘 于图中。每张 图中有 2 7条细 实线表示 2 7条 F D地震动或 2 7条 N F D地震动作 用下的各层层问位移角 ； 粗实线表示该 2 7条地震 动产生各层层问位移 角的平均值 ； 粗虚线表示平 均值的正负一倍标准差所对应的层间位移角 ； 粗 点划线则表示 建筑抗震设计规 范中层 间位移 角的限值 2 。 图 7图 l 2比较可知 ， 三层框架结构在 F D 和 N F D地震动作用下的层间位移角很接近， 即表 明二者对结构的位移影响相 当。F D地震动作用 时的各层 位移角 的标准差 分别为 0 5 8 4 、 0 5 6 7 、 0 5 3 0 ； 而 N F D时标准差分别为 0 6 1 0、 0 6 1 7 、 0 5 9 3 。结合上述数据和图可知， 在 -I- 6范围内( 即 保证率为 8 4 1 ) N F D地震动作用下层问位移角 更离散。且不论 F D还是 N F D地震动作用下的层 间位移角均小于限值 2 ， 这表 明 建筑抗震设计 规范 中虽 然没有考虑近断层地震 动的影响 ， 但 以 建筑抗震设计规范 为依据进行三层框 架结 构的设计是能够满足近断层地震作用的要求 的。 这可以说明脉 冲型地震动主要是影 响中、 低 层从而导致整栋建筑 的破坏。结合上述数据和图 易知 ， 在 8范 围内( 即保证率 为 8 4 1 ) F D地 震动作用下中低层位移角的值更离散， 而 N F D地 震动作用下层 问位移角最离散处 比 F D地震下的 3 8 8 土木工程与管理学报 2 0 1 1 仨 图7 三层框架近断层脉冲型地震动下的 最大层问位移角的楼层分布 图 8 三层框架一般震动下的最大层间 位移 角的楼层 分布 图 9 六层框架近 断层 脉冲型地震动 F 的 最大层 间位移 角的楼层 分布 层数要高。且 F D地震动作用下的结构在较高层 的层间位移角均小 于限值 2 ， 而 中下部则 已超 过限值 ， 尤其以中部最为危险。N F D地震动作用 下的层间位移角在规范规定的限值范围内。这表 明 建筑抗震设计规范中因过低的估计 了近断 层地震动的影响， 而导致以此为依据进行六 、 九层 框架结构的设计在近断层地震动作用下是不一定 图 1 0 六层框架一般震动下的最大层 间 位移角的楼层分布 图 1 1 九层框架近断层脉 冲型地震动下的 最大层间位移角的楼层分布 图 l 2 九层框架一般震动 F 的最太层间 位移角的楼层分布 、 满足要求的。这也说 明现有的 建筑抗震设计规 范 是存在缺陷的 ， 有脉 冲地震 的影 响在多层和 高层结构与无脉冲地震是不同的， 建议规范修改 为 ： 对于自振周期大于 0 5 s的结构， 增大或不考 虑地震折减系数。 第 3期 叶 昆等 ： 钢筋混凝土框架结构在近断层脉冲型地震动作用下的动力响应 。3 8 9 3 3 结构层间剪力及其沿层高的分布 三层层框架F D一 层间剪力( k N ) 图 1 3 三层框架在近断层脉冲型地震动作用下 层间剪力的楼层分布 最大层间剪力( k N ) 图 1 4 三层框 架在一般地震动作用下 层问剪力 的楼层分 布 最大层间剪力( k N) 图 l 5 六层框架在近断层脉冲型地震动作用下 层间剪力的楼层分布 0 从上图可知 ， 在较低层近场地震动产 生的剪 力值要大， 随着层数的增加远场地震动产生的剪 力会更大。这说明近场地震对多层结构影响主要 是作用在结构的下层 。其实三层结构也有相同的 规律 ， 只是二者之间的差额很小很接 近。经过对 6 5 层 数 3 2 一 平均值 0 5 O 1 0 01 5 02 0 0 2 5 0 3 003 5 04 0 045 0 5 0 0 5 5 06 0 06 5 0 7 00 最大层 问剪力( k N) 图 1 6 六层框架在一般地震动作用下 层间剪力的楼层分布 最大层间剪力( k N) 图 l 7 九层框架在近断层脉冲型地震动作用下 层问剪力的楼层分布 最大层间剪 力( k N1 图 1 8 九层框架在一般地震动作用下 层间剪力的楼层分布 不同峰值 加速度 的地 震波 的剪力 值进行 比较得 知 ， 加速度峰值越大 ， 近场对较低层影响比远场越 大 ， 对较高层影 响要小。这 表明 建筑抗震设计 规范 没有计地震的近场影响对结构 的内力值的 考虑是不利的 ， 主要表现在下层。 3 9 0 土木工程与管理学报 2 0 1 1 年 4 结论 抗震规范中是以远场地震动影响作为房屋建 筑设计的考虑依据 ， 没有充分 的考虑近场地震动 的危害性 ， 因此可能导致建筑抗震 的不足。根据 以上分析可知 ， 近场地震动对混凝 土框架结构影 响比远场地震动的影响要大， 尤其是多、 高层框架 结构。在框架顶点位移上 ， 近场地震 动的明显要 大 。相应地 ， 层间位移角也要大 ， 对于较多层框架 结构近场地震动产生的层间位移角可能超过相应 规范的限值 。对于这点 的建议 ： 对 于 自振周期大 于 0 5 s的结构 ，增大或不考 虑地震折减 系数 。 在层间剪力上 ，框架结构的较低层近场地震动产 生 的剪力值也较远场的大 ，这也可能导致依据相 应规范设计的结构剪力承载力不足。对于该点的 建议 ：可以对地震折减系数进行相应地调整 ，适 当增大。 参考文献 1 易伟建 ， 张冰近场地震作用下框架结构的损伤 机理 J 自然灾害学报， 2 0 0 7 ， ( 2 ) ：1 1 2 1 1 7 2 易伟建 ， 马会杰 近场地震下已建钢筋混凝土框架 结构抗震性能分析 J 自然灾害学报 ， 2 0 1 0 ， ( 6 ) ： 11 2 1 l 8 3 叶昆， 李黎L R B基础隔震结构在近断层脉冲 型地震作用下的动力响应研究 J 工程抗震与加 固改造 ， 2 0 0 9 ， ( 2 ) ： 3 2 - 3 8 4 李爽， 谢礼立近场问题的研究现状与发展方向 J 地震学报， 2 0 0 7 ， ( 1 ) ：1 0 2 1 1 1 5 G B 5 0 0 1 1 - 2 0 1 0 ， 建筑抗震设计规范 S 【 6 S e h h a t i R，R o d r i g u e z Ma r e k A，E I G a w a d y M， e t a 1 E f f e c t s o f n e a r f a u l t g r o u n d mo t i o n s a n d e q u i v a l e n t p u l s e s O n m u l t i s t o r y s t r u c t u r e s J E n g i n e e r i n g S t ruc t u r e s ，2 01 1 ，3 3( 3) ：7 6 7 - 7 7 9 S e i s mi c Re s p o n s e o f RC F r a me d S t r u c t u r e s S u b j e c t e d t o Ne a r f a ul t Pu l s e 1 i k e Gr o un d M o t i o n s Y E Ku n，R EN Y i ，Z H AO S h i d o n g，HU A NG Y a n ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g a n d Me c h a n i c s ， H u a z h o n g U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：B a s e d o n t h e e x i s t i n g d e s i g n c o d e ，t h r e e - s t o r y，s i x s t o r y a n d n i n e s t o r y r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me d s t r u c t u r e s a r e d e s i g n e d S e i s mi c r e s p o n s e o f t h e s e r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a m e d s t r u c t u r e s s u b j e c t e d t o n e a r - f a u l t p u l s e 1 i k e g r o u n d mo t i o n s a n d o r d i n a ry g r o u n d mo t i o n s i s i n v e s t i g a t e d I t i s s h o w n t h r o u g h n u me r i c a l r e s u l t h a t c o n s i d e r a t i o n o n t h e e f f e c t o f n e a r f a u l t p u l s e l i k e g r o u n d mo t i o n s o n t h e s t ruc t u r e s i s n o t a d e q u a t e a n d t h e s t o ry d r i f t wi l l b e g r e a t e r t h a n t h e l i mi t o f 2 Th e r e f o r ei t i s s u g g e s t e d t ha t s e i s mi c mo d i f i c a t i o n c o e f fi c i e n t s h o u l d n o t be l e s s t h a n t h e e x i s t i n g v a l ue i n o r d e r t o a s s u r e t he s a f e t y o f s t ru c t u r e s i n t he n e a r f a u l t r e g i o n Ke y wo r d s ：RC fra me d s t ruc t u r e ；n e a r f a u l t p u l s e l i k e gro u n d mo t i o n s ；o r d i n a ry gro u n d mo t i o n s ；d y n a mi c r e s p o ns e；s t o ry d r i f t