鋼筋混凝土框架結構在近斷層脈沖型地震動作用下的動力響應

葉 昆， 任 毅， 趙仕棟， 黃 言

(華中科技大學 土木工程與力學學院，湖北 武漢 430074)

近斷層(near-fault)地震動，也稱為近場(near-field)地震動或近源(near-source)地震動，它是指當震源距較小時，震源輻射地震波中的近場和中場不能忽略的區域的地震動。最近幾次近斷層大地震，即美國北嶺地震(1994)、日本神戶地震(1995)、我國臺灣集集地震(1999)、土耳其Kocaeli地震(1999)和四川汶川地震(2008)等對工程結構造成的嚴重破壞和前所未有的經濟損失引起了地震工程界的密切關注[1，2]。這些地震均發生在近斷層附近，均伴隨有較大的速度和位移脈沖，這種脈沖效應會使結構在一開始就承受高能量沖擊作用，顯著改變結構的動力響應[3]，進而引起較大的內力和變形。由于近斷層地震動和遠場地震動有顯著的不同，結構在這兩類地震動作用下的反應會有很大的差異，目前近斷層地震動作用下結構的研究還有待深入[4]。

本文基于現行的抗震設計規范[5]分別設計三層、六層和九層鋼筋混凝土平面框架結構，研究所設計的鋼筋混凝土框架結構在近場脈沖型地震動和遠場非脈沖型地震動下的反應特征，從結構的頂點位移、層間位移角和層間剪力三個方面，對兩類地震動作用下結構的反應特性進行了對比，通過分析找到合理的抗震設計方法。

1 基于規范設計的鋼筋混凝土框架結構

基于目前現行的結構設計規范，分別設計了三層、六層和九層的平面鋼筋混凝土框架結構，編號分別為FR1、FR2和FR3，其基本周期分別為0.34 s、0.61 s和 0.79 s。

圖1 三層框架立面圖及基本尺寸

圖2 六層框架立面圖及基本尺寸

圖3 九層框架立面圖及基本尺寸

2 地震動的選取

表1 近斷層脈沖型地震動

對于未來發生的地震，目前我們還無法預測，因此考察結構在單一地震動作用下的結果，并不具有普遍性，很多研究人員也發現，不同地震動給出的計算結果相差很大(即使調整到同一峰值)，這主要是地震動波形和頻譜之間的差異造成的，因此由單獨的一條地震動給出的結論經常讓人難以信服。對于這種情況，采用將多條地震動的結果進行匯總、平均的方法，可以緩解以上問題，并獲得較好的結果。本文進行時程分析時選擇了近場地震動記錄27條，遠場地震動記錄27條[6]。

表2 一般地震動

3 結果及分析

對三層、六層和九層框架結構各選用27條近場脈沖型地震波(FD)和27條普通地震波(NFD)進行分析計算，得出結構在各不同地震作用下的動態響應。

3.1 結構頂點位移

將不同加速度峰值的地震動對三層、六層和九層框架結構產生的結構頂點位移分別繪制于圖中，然后對各位移點進行擬合，由于頂點位移符合對數規律，縱坐標采用對數坐標。見圖4至圖6。

圖4 三層框架結構在近斷層脈沖型和一般地震動作用下的頂點最大位移

圖5 六層框架結構在近斷層脈沖型和一般地震動作用下的頂點最大位移

圖6 九層框架結構在近斷層脈沖型和一般地震動作用下的頂點最大位移

通過上圖可知:(1)結構頂點位移隨地震動加速度峰值的增加而增加或基本維持不變(9層)，脈沖型地震動的增幅更加明顯，這從擬合曲線的斜率大小可以看出;(2)當加速度較小時，非脈沖地震動引起的結構頂點位移比脈沖型地震動引起的要大。但是隨著加速度的增加，脈沖型地震動則會引起更大的頂點位移，且二者之間的差值將越來越大。而非脈沖型和脈沖型產生相同頂點位移的峰值加速度對不同框架是不等的，層數越高的框架結構受到脈沖型地震動的動態影響越大;(3)從以上三圖可以看出，不論是脈沖型還是非脈沖型地震動，九層框架的頂點位移都比六層的要大，六層框架的頂點位移都比三層的要大，即層數越高，頂層偏移越大。

3.2 結構層間位移角及其沿層高的分布

我們知道，考察結構的破壞時除了要保證結構的頂點位移不超過限值要求外，還需保證層間相對位移不超過限值。結構在地震動作用下，可能在頂點位移達到破壞限值之前，由于層間相對位移過大導致結構的破壞。又因為每層的層高并不一定相同，故將層間相對位移轉換為層間相對位移角來考慮。現將三、六、九層框架結構受到近斷層(FD)地震動和27條普通(NFD)地震動時各層的相對位移角繪于圖中。每張圖中有27條細實線表示27條FD地震動或27條NFD地震動作用下的各層層間位移角;粗實線表示該27條地震動產生各層層間位移角的平均值;粗虛線表示平均值的正負一倍標準差所對應的層間位移角;粗點劃線則表示《建筑抗震設計規范》中層間位移角的限值2%。

圖7～圖12比較可知，三層框架結構在FD和NFD地震動作用下的層間位移角很接近，即表明二者對結構的位移影響相當。FD地震動作用時的各層位移角的標準差分別為0.584、0.567、0.530;而NFD時標準差分別為0.610、0.617、0.593。結合上述數據和圖可知，在±δ范圍內(即保證率為84.1%)NFD地震動作用下層間位移角更離散。且不論FD還是NFD地震動作用下的層間位移角均小于限值2%，這表明《建筑抗震設計規范》中雖然沒有考慮近斷層地震動的影響，但以《建筑抗震設計規范》為依據進行三層框架結構的設計是能夠滿足近斷層地震作用的要求的。

圖7 三層框架近斷層脈沖型地震動下的最大層間位移角的樓層分布

圖8 三層框架一般震動下的最大層間位移角的樓層分布

圖9 六層框架近斷層脈沖型地震動下的最大層間位移角的樓層分布

這可以說明脈沖型地震動主要是影響中、低層從而導致整棟建筑的破壞。結合上述數據和圖易知，在±δ范圍內(即保證率為84.1%)FD地震動作用下中低層位移角的值更離散，而NFD地震動作用下層間位移角最離散處比FD地震下的層數要高。且FD地震動作用下的結構在較高層的層間位移角均小于限值2%，而中下部則已超過限值，尤其以中部最為危險。NFD地震動作用下的層間位移角在規范規定的限值范圍內。這表明《建筑抗震設計規范》中因過低的估計了近斷層地震動的影響，而導致以此為依據進行六、九層框架結構的設計在近斷層地震動作用下是不一定滿足要求的。這也說明現有的《建筑抗震設計規范》是存在缺陷的，有脈沖地震的影響在多層和高層結構與無脈沖地震是不同的，建議規范修改為:對于自振周期大于0.5s的結構，增大或不考慮地震折減系數。

圖10 六層框架一般震動下的最大層間位移角的樓層分布

圖11 九層框架近斷層脈沖型地震動下的最大層間位移角的樓層分布

圖12 九層框架一般震動下的最大層間位移角的樓層分布

3.3 結構層間剪力及其沿層高的分布

圖13 三層框架在近斷層脈沖型地震動作用下層間剪力的樓層分布

圖14 三層框架在一般地震動作用下層間剪力的樓層分布

圖15 六層框架在近斷層脈沖型地震動作用下層間剪力的樓層分布

從上圖可知，在較低層近場地震動產生的剪力值要大，隨著層數的增加遠場地震動產生的剪力會更大。這說明近場地震對多層結構影響主要是作用在結構的下層。其實三層結構也有相同的規律，只是二者之間的差額很小很接近。經過對不同峰值加速度的地震波的剪力值進行比較得知，加速度峰值越大，近場對較低層影響比遠場越大，對較高層影響要小。這表明《建筑抗震設計規范》沒有計地震的近場影響對結構的內力值的考慮是不利的，主要表現在下層。

圖16 六層框架在一般地震動作用下層間剪力的樓層分布

圖17 九層框架在近斷層脈沖型地震動作用下層間剪力的樓層分布

圖18 九層框架在一般地震動作用下層間剪力的樓層分布

4 結論

抗震規范中是以遠場地震動影響作為房屋建筑設計的考慮依據，沒有充分的考慮近場地震動的危害性，因此可能導致建筑抗震的不足。根據以上分析可知，近場地震動對混凝土框架結構影響比遠場地震動的影響要大，尤其是多、高層框架結構。在框架頂點位移上，近場地震動的明顯要大。相應地，層間位移角也要大，對于較多層框架結構近場地震動產生的層間位移角可能超過相應規范的限值。對于這點的建議:對于自振周期大于0.5s的結構，增大或不考慮地震折減系數。在層間剪力上，框架結構的較低層近場地震動產生的剪力值也較遠場的大，這也可能導致依據相應規范設計的結構剪力承載力不足。對于該點的建議:可以對地震折減系數進行相應地調整，適當增大。

[1]易偉建，張 冰.近場地震作用下框架結構的損傷機理[J].自然災害學報，2007，(2):112-117.

[2]易偉建，馬會杰.近場地震下已建鋼筋混凝土框架結構抗震性能分析[J].自然災害學報，2010，(6):112-118.

[3]葉 昆，李 黎.LRB基礎隔震結構在近斷層脈沖型地震作用下的動力響應研究[J].工程抗震與加固改造，2009，(2):32-38.

[4]李 爽，謝禮立.近場問題的研究現狀與發展方向[J]. 地震學報，2007，(1):102-111.

[5]GB 50011-2010，建筑抗震設計規范[S].

[6]Sehhati R，Rodriguez-Marek A，ElGawady M，et al.Effects of near-fault ground motions and equivalent pulses on multi-story structures[J].Engineering Structures，2011，33(3):767-779.