近断层地震动对钢筋混凝土框架结构地震反应的影响.pdf

2 0 1 1 年 第 4期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 011 No 4 Ap r i l 近断层地震动对钢筋混凝土框架结构 地震反应的影响 张长浩 ， 王 虎 ， 王 薇 ， 黄 拓 。 ( 1 长安大学理学院 ， 西安 7 1 0 0 6 4 ； 2 青岛理工大学土木工程学院， 2 6 6 0 3 3 ； 3 长安大学建筑工程学院， 西安 7 1 0 0 6 1 ) 摘要 ： 研 究 了近断层脉冲地震动 的工程特性 。 按 照 建筑抗震设计规 范 ( G B 5 0 0 1 1 2 0 1 0 ) 进行抗震设计 ， 选择 具有前方向性效应 、 滑冲效应和远 场地三类地震动作 为输入 ， 采 用 S a p 2 0 0 0对一座 四层钢筋混凝 土框 架进行非 线性 时程分析。 分析结果表 明： 对于顶点位移、 层 间位 移角和基底剪力等结构动力响应参数 ， 当结构的地震反应进入 弹塑 性 阶段 后 ， 与远 场地震动 下的反应相 比， 在具有前 方向性效应和 滑冲效应地震动作 用下 ， 结构的反应有较 大幅度的 增 大 对 结 构 中下 部 的破 坏作 用 的 影 响 比较 显 著 。 关 键 词 ： 近 断层 地 震 动 ； 前 方 向性 效 应 ； 滑 冲 效 应 ； 钢 筋 混 凝 土 框 架 结 构 ； 非 线 性 时 程 分 析 Ab s t r a c t ：T h e e n g i n e e ri n g c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e n e a r f a u l t g r o u n d mo t i o n a r e s t u d i e d T h e f o u r fl o o r r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me i s d e s i g n e d u n d e r( ( C o d e f o r s e i s mi c d e s i g n o f b u i l d i n g G B 5 0 0 l 1 - 2 0 1 0 T h e S A P 2 0 0 0 s o ft w a r e i s a p p l i e d t o mo d e l i t ，a n d t h e n o n l i n e a r t i me h i s t o r y a n a l y s i s o f s t r u c t u r e i s i mp l e me n t e d Gr o u n d mo t i o n s wi t h f o r wa r d d i r e c t i v i t y ， f l i n g - s t e p a n d f a r - fi e l d a r e s e l e c t e d a s s e i s mi c i n p u t s T h e r e s u l t s s h o w t h a t i n t e r ms o f s o me s t r u c t u r a l d y n a mi c r e s p o n s e p a r a me t e r s ，s u c h a s t h e v e r t e x d i s p l a c e me n t ，t h e d i s p l a c e me n t c o r n e r b e t w e e n t h e l a y e r s a n d t h e b a s e s h e a e t c ， c o mp a r e d wi t h f a r - fi e l d g r o u n d mo t i o n ， u n d e r t h e f u n c t i o n o f g r o u n d mo r o n wi t h f o rw a r d d i r e c t i v i t y a n d fl i n g s t e p ，t h e s t r u c t u r a l r e s p o n s e s t o t h e g r o u n d mo t i o n w i t h n e a t- f a u l t a r e i n c r e a s e d c o n s i d e r a b l e ma g n i t u d e s w h e n t h e s e i s mi c r e s p o n s e s o f s t r u c t u r e s s t e p i n t o t h e e l a s t i c - p l a s t i c s t a g e ，a n d t h e i n fl u e n c e o n d a ma g i n g t h e mi d l o we r s t r u c t u r e i s o b v i o u s l y g r e a t e r Ke y wo r d s ：Ne a r - f a u l t g r o u n d mo t i o n ；F o rw a r d d i r e c t i v i t y ；F l i n g- s t e p ；S t r u c t u r e o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e f r a me ； No n l i n e a r t i me hi s t o r y a na l y s i s 中 图 分 类 号 ： TU5 2 8 文 献标 识 码 ： A 文 章 编 号 ： 1 0 0 0 46 3 7( 20 1 1) 0 4 6 5 0 4 0前 言 近断层 ( n e a r f a u h ) 地震动 ， 也称为近场 ( n e a r f i 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 。近年 来 ， 关 于近 断 层 脉 冲 对 结 构 影 响 的研 究 主要 是 建 立 实 际 工 程 结 构 的模 型 输入实际 的地震记 录或数值模 拟地震 动 ， 采用 试验或数值分析 的方法来考察 近场脉冲对结构地 震 反应 的影 响 。在 这 些研 究 中 ， 采 用 的建 筑结 构模 型有钢筋混凝土框架模 型 和钢框架 模型等。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 I 汶川地震 ( 2 0 o 8 ) 等 对 工 程 结构 的 严 重 破 坏 引 起 了地 震 工 程 界 的 密 切 关注 。实际上 ， 断层前方 向性效应和滑 冲效应都可 致使断层地震动具有明显的速度和位移脉冲。从而 在振幅 、 频谱 和持时三方面与远场地震动有明显 的 差 别 。 随 着 时 间 的 积 累和 科学 的发 展 ， 我 国 的抗 震 规 范 从 7 8规 范对 近 场 地 震 完 全 没 有 设 防 ， 8 9规 范规 定 在 时程 分 析 中选 择 地 震波 时应 考 虑 近 震 、远 震 ， 到 0 1 规 范 ， 再 到 2 0 1 0规 范对 于 近 场 地 的 “ 撕 裂 作 用” ， 1 0规范修改 了发震断层 的避让距离的规定( 表 l 所示 ) ， 场地 内存在发震断裂时 ， 应对 断裂的工程 影响 进行 评价 。 表 1 发震断裂 的最小避让距 离 m 本文首先将 3 0条近断层地震动记录根据 向前 方向性效应 、滑冲效应与远场地震动等分为 3组 。 然 后 对 一 座 4层 钢 筋 混 凝 土 框 架 结 构 进 行 非 线 性 一 6 5 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 第 4期 混 凝 土与水 泥制 品 总第 1 8 0期 时程分析。讨论和分析近断层地震动对钢筋混凝土 框架结构地震反应的影响 研究结果可为建筑结构 抗震性能设计与加 固提供参考 。 1 近震脉 冲的选 取 与输入 地 震 动 的 P G V P G A ( 峰值 地 面 速度 峰值 地 面 加速度 ) 可以反映地震动的频谱特征 。本文从美国 太平洋地震工程研究 中心的强震观测数据库( h t t p ： p e e r b e r k e l e y e d u ) 中选择 了具有滑冲效应 脉冲的地 震动记录共 l 0条 ， 为与之 匹配 再各选择 l 0条前 方 向性脉冲和远场地震动记录作为研究对象 ( 表 2 摘录 了部分近断层脉冲记录 ) 。所选 的 P G V P G A 0 2 ； 断层距 在 2 0 k m 以内 ( 远震 8 5 k in) 。 2 含 有 向前 方 向性效 应 和滑 冲效 应 脉 冲地 震 动作 用下钢筋混凝土框架的地震反应分析 本文 的钢筋混凝土框架结构按 G B 5 0 0 1 1 - 2 0 1 0 建筑抗震设计规范 设计 ， 为 4层 3跨现浇钢筋混 凝 土平面框 架 ，底层层 高 6 6 m ，其它层层高均为 4 2 m， 板为空心预制板 ， 纵向受力钢筋采用 级钢 ， 箍筋采用 I级钢 。 柱混凝土等级为 C 3 0 梁混凝土等 级为 C 2 0 。设 防烈度为 8度， 按照 类场地 ， 抗震分 组 为第一组 ， 采用 P K P M进行结构配筋 ， 梁柱面及 纵 向受力钢筋面积见表 3 。 表 2 三组近断层脉冲记 录 迎 堪 楼 曼 5 6 6一 加速峰值 P G A g 图 1 结 构顶点位移 j 鹫 嘣 浍 厘 l 13 加速峰值 P G A g 图 2 结构层间位移角最大值 Z 襁 踏 醐 加速峰值 P G Mg 图 3 结构基底剪力最大值 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 张长浩 ， 王 虎 ， 王 薇 ， 等 近断层地震动对钢筋混凝土框架结果地震反应的影响 结合图 1 图 3可以看 出 ，当地震动峰值相 同 时 ， 前方效应和滑冲效应近场脉 冲地震动作 用的平 均 曲线 均位 于远 场 地震 曲线 的 上方 ， 说 明前 两 种 地 震动因其结构的反应大于远场地震动引起的反应 ： 并且经过数值模拟计算 ， 得到此结构在相 同峰值的 前方效应 和滑 冲效应 近场脉冲地震动相 比远场地 震动作用下结构 的顶点最大位移 、 层 间位移角最大 值、 基底剪力最大值可增加 1 倍左右 。 为了考察 结构不 同部位 的变形 情况和薄 弱环 节 ， 图4、 图 5 ( a ) 和( b ) 分别是层间位移最大值 、 层剪 力在加速度峰值 0 1 g和 0 3 g时沿层高的分布 并进 行 了对 比：前 方 向效 应 和滑 冲效应 近 场脉 冲 地震 动 引起 的层 间最 大 位 移 角 、 层 问最 大 剪 力在 结 构 中下 4 3 lI2 O 层间位移角 图 4 ( a ) 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 0 0 层剪力 k N 图 5 ( a ) 部 的反应都远大于由远场地震动引起 的反应 ， 差值 分别可达 1 倍和 2倍左右 。而且加速度峰值为 0 3 g 时的差值 比加速度峰值为 0 1 g时的差值要大。当加 速度峰值为 0 3 g时 ， 三类地震动作用下第 4层 的层 间 位 移角 和 层 间剪 力 几 乎相 等 ， 而 滑 冲效 应 地震 动 作用下第 4层 的层 间位 移角和层间剪力甚至小 于 远场地震动的作用下第 4层 的反应 。在结构上部 ， 这三类地震动引起 的反应差别不大。出现这种现象 的原 因是在加速度峰值为 0 1 g时 。 在三类地震动作 用下结构基本都处 于弹性状 态 ：在加速度峰值为 0 3 g时 ，结构中下部在 向前方向性效应和滑冲效应 地震 动作 用 下 已进入 塑 性 状 态 ， 上 部 仍处 于弹 性 状 态 ， 而在 远 场 地震 动 作 用 下结 构 上 下 几乎 都 处 于 弹 4 3 喽 踏2 O 4 3 z 0 0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0 5 0 0 6 0 0 7 o 0 层剪力， k N 图 5 ( b) 一 6 7 0 角 一 4 层 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 1 8 0期 性状 态 。 表 4给出了结构三种反应 比值 ( 即将计算得 到 的 向前 方 向效 应 与 滑 冲 效应 近震 脉 冲地 震 动 作 用 下结构反应 的数值分别除以远场地震动下结构 的 反应数值 ) ，可以看出前方 向效应和滑冲效应近场 脉冲地震动相对于远场地震 动而 言对结构 的反应 有很强的放大作用 。峰值为 0 2 g到 0 4 g时， 相同地 震动峰值作用下 ， 对层间位移角和顶点位移的放大 要大于对基底剪力( 加速度) 的放大 ， 这说明前方 向 效应和滑冲效应 近震脉 冲地震动对结构位移反应 的影响更显著 ； 对基底剪力的影响在 弹性段时更明 显 。 主要表现为地震动峰值为 0 1 g时基底剪力 的放 大 系数 比较大 。 3结 论 ( 1 ) 所选的 P G V P G A 0 2的脉冲型地震动对钢 筋混 凝 土框架 结构具 有显 著影 响 。对 于近 场脉 冲型 地震动 ， P G V P G A是影 响结构反应 的一个重要 参 数 。 ( 2 ) 在相同的地震动峰值作用下 ， 前方向效应和 滑冲效应 近场脉 冲地震作用引起的结构反应都 比 远场 地震 动引起 的反 应显著 。 ( 3 ) 随着地震动峰值 的增加 ， 顶点位移 、 层间位 移角的这种差距越来越大 ；与远场地震动相 比， 前 两类地震动对结构位移反应的影响更显著 结构层 表 4 结 构 反 应 比值 间位移角和基底剪力的放大作用 主要集 中在结构 的 中下部 。 ( 4 ) 我 国的抗 震规 范 应 该考 虑 前 方 向效应 和滑 冲效应近场脉冲地震动这种特殊的作用形式。提高 近断层建筑的抗震能力 ， 减轻近断层地域的地震灾 害， 对重要 的近断层建筑物的薄弱部位进行适 当的 加 固 参考文献 ： 1 】 B e r t e r o V E s t a b l i s h me n t o f d e s i g n e a a h q u a k e s e v a l u a t i o n o f p r e s e n t me t h o d s 【 C 】 S t L o u i s ： U n i v e r s i t y o f Mi s s o u r i - R o l l a ， P r o c e e d i n g s I n t e r n a t i o n a l S y mp o s i u m o n Ea rth q u a k e S t r u c t u r e Eng i n e e r i n g ，1 9 7 6，1 ： 5 51 5 8 0 【 2 】 B e rt e r o V ，M a h i n S ，H e r r e r a R A s e i s mi c d e s i g n i mp l i c a - t i o n s o f s a n F e rna n d o e a h q u a k e r e c o r d s J E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g a n d S t r u c t u r a l D y n a m i c s ， 1 9 7 8 ， 6 ( 1 ) ： 3 1 3 4 3 】G h o b a r a h A R e s p o n s e o f s t r u c t u r e s t o n e a r f a u l t g r o u n d m o t i o n s C 】 V a n c o u v e r ，C a n a d a ：1 3 WC E E ， 2 0 0 4 ，P a p e r N o 1 0 3 1 【 4 】 A y a n A ，B o d u r o g l u H S t r e n g t h e n i n g o f e x i s t i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e b u i l d i n g s a n d n e a r f a u l t e f f e c t s E 1 V a n c o u v e r ， C a n a d a ： 1 3 W C EE ， 2 0 0 4 ， P a p e r No 1 4 5 7 5 5 G B 5 0 0 1 1 - 2 0 1 0建 筑抗震设计规范【 S 一 6 8一 【 6 刘启 方 ， 袁一 凡 ， 金星 ， 等 近 断层地震 动 的基 本特征 J 地 震 工 程 与 工程 震 动 ， 2 0 0 6， 2 6 ( 1 ) ： 1 一 l 0 7 】 赵凤新 ， 韦韬 ， 张郁 山 近断层 速度脉 冲对钢筋混凝 土框 架结构 地震反应 的影响 J 】 工程力学 ， 2 o 0 8 ， 2 5 ( 1 0 ) ： 1 8 0 1 9 3 【 8 韦韬近 断层 速度脉冲对钢筋混凝 土框架结构影 响的研 究 ： 中国地震局地球 物理研究 所硕士学 位论文】 北京 ： 中国 地震局地球物理研究所 ， 2 0 o 5 ， 1 1 l 3 9 1 罗伟 近断层 地震作用下钢筋混凝土多层框架结构 的响应 分 析 ： 北京交通大学硕士学位论文 北京 ：北京交 通大学 ， 20 08 1 45 f 1 O 江义 ， 杨迪雄 ， 李刚 近断层地震动 向前方 向性效应 和滑 冲效应对高层钢框架结构的地震反应的影响 J 】 建筑结构学 报 2 0 1 0 ， 31 ( 9 ) ： 0 1 4 0 2 1 l 1 1 马会杰近场地震下钢筋混凝土框架抗震性能分析 ： 【 湖 南大学硕士学位论文1 长沙 ： 湖南大学 ， 2 0 0 9 ， 1 4 8 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 2 1 8 作者简介 ： 张长浩 ( 1 9 8 5 一 ) ， 男 ， 硕 士。 通讯地址 ： 陕西省西安市南二环路中段 联 系 电话 ： 1 5 8 9 1 3 9 5 0 1 7 E ma i l ： z c h 0 8 2 5s i n ac o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m