地震動(dòng)的速度脈沖對(duì)結(jié)構(gòu)反應(yīng)及結(jié)構(gòu)減隔震性能影響研究

賀秋梅

（中國(guó)地震局地球物理研究所，北京100081）

（作者電子信箱，賀秋梅：heqiumei06＠126.com）

近斷層地震動(dòng)非常復(fù)雜，受地殼介質(zhì)和地表局部場(chǎng)地影響的同時(shí)，更受地震斷層破裂尺度、斷層面位錯(cuò)的發(fā)展過(guò)程、破裂速度、滑動(dòng)方向等因素的影響。近斷層地震動(dòng)常具有震動(dòng)集中性、速度脈沖、永久位移以及破裂的方向性和上/下盤效應(yīng)等特征。其中，地震動(dòng)速度脈沖隨帶著很高能量，結(jié)構(gòu)在近斷層脈沖型地震動(dòng)激勵(lì)下的反應(yīng)力、位移和延性都會(huì)較一般地震記錄激勵(lì)下的大。本文的研究目的是揭示近斷層速度脈沖的工程影響特性，為近斷層區(qū)域工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防提供有參考價(jià)值的建議。為了排除地震動(dòng)譜特征的不同對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析結(jié)果所造成的影響，本文提出了一種控制地震動(dòng)峰值速度和位移的人工合成地震動(dòng)的方法，將實(shí)際的速度脈沖型地震動(dòng)與相對(duì)應(yīng)的有相同反應(yīng)譜且控制峰值速度但無(wú)速度脈沖的人工合成地震動(dòng)作為輸入，對(duì)工程結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析，以突顯速度脈沖這一因素對(duì)工程結(jié)構(gòu)的影響。在進(jìn)行工程結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析計(jì)算時(shí)，考慮了速度脈沖形成機(jī)制的不同，分別選取了典型的具有向前方向性效應(yīng)和具有滑沖效應(yīng)的速度脈沖型強(qiáng)震動(dòng)記錄時(shí)程作為輸入地震動(dòng)，同時(shí)建立了鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)隔震建筑和大跨斜拉橋結(jié)構(gòu)3種代表性結(jié)構(gòu)模型。計(jì)算分析了地震動(dòng)的速度脈沖對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)和減震效果的影響，及兩種不同產(chǎn)生機(jī)理的地震動(dòng)速度脈沖對(duì)框架結(jié)構(gòu)建筑及基礎(chǔ)隔震建筑影響的差異。

本文主要研究?jī)?nèi)容和結(jié)論包括以下5個(gè)方面：

（1）提出一種以絕對(duì)加速度反應(yīng)譜和峰值加速度、峰值速度、峰值位移多參數(shù)為控制目標(biāo)的人工地震動(dòng)時(shí)程合成的方法。在擬合目標(biāo)加速度反應(yīng)譜的前提下，通過(guò)單獨(dú)調(diào)整傅里葉譜中較長(zhǎng)周期成分來(lái)控制合成地震動(dòng)峰值速度和位移。結(jié)果表明，該方法所得結(jié)果對(duì)目標(biāo)反應(yīng)譜和目標(biāo)峰值加速度、峰值速度（或峰值位移）的擬合具有很高的精度，其結(jié)果對(duì)研究地震動(dòng)的速度脈沖的影響具有理論與實(shí)際意義，也是本文后續(xù)研究工作的基礎(chǔ)。

（2）分別以4層、9層和14層的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)建筑為典型建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，分析計(jì)算探討了地震動(dòng)速度脈沖對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響，以及向前方向性效應(yīng)和滑沖效應(yīng)兩類地震動(dòng)速度脈沖對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響的差異。利用6條速度脈沖型強(qiáng)震動(dòng)記錄，并以這些速度脈沖型地震動(dòng)的峰值加速度和反應(yīng)譜作為目標(biāo)譜，分別合成各6條控制峰值速度的無(wú)速度脈沖的地震動(dòng)時(shí)程樣本，對(duì)比分析了在有、無(wú)速度脈沖的地震動(dòng)作用下鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。研究結(jié)果表明，地震動(dòng)速度脈沖使鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)變形明顯變大，滑沖效應(yīng)速度脈沖和向前方向性效應(yīng)速度脈沖對(duì)短周期的中、低層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的變形影響在彈性階段并無(wú)明顯差異，而對(duì)于周期較長(zhǎng)的高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，相對(duì)于向前方向性速度脈沖而言，滑沖效應(yīng)速度脈沖對(duì)結(jié)構(gòu)的層間變形影響更大。

（3）分別以4層、9層和14層的基礎(chǔ)隔震建筑為典型隔震建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，對(duì)速度脈沖地震動(dòng)作用下基礎(chǔ)隔震裝置的有效性進(jìn)行了分析討論。利用6條速度脈沖型地震動(dòng)記錄，對(duì)比分析了在速度脈沖地震動(dòng)激勵(lì)下鋼筋混凝上框架結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)隔震建筑的地震反應(yīng)。研究結(jié)果表明，在速度脈沖型地震動(dòng)作用下，鉛芯橡膠支座具有較好的耗能能力，近斷層脈沖型地震動(dòng)作用下基礎(chǔ)固定結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)比基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)明顯偏大，結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)隔震裝置可以顯著地減輕近斷層脈沖型地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)。

（4）分別以4層、9層和14層的基礎(chǔ)隔震建筑為典型隔震建筑結(jié)構(gòu)計(jì)算模型，進(jìn)一步分析了速度脈沖對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響特征，并深入探討了兩類地震動(dòng)速度脈沖對(duì)基礎(chǔ)隔震地震反應(yīng)影響的差異。研究結(jié)果表明，速度脈沖使得基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的位移反應(yīng)明顯增大，對(duì)于4層和9層基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)，滑移效應(yīng)脈沖引起的位移反應(yīng)略大于向前方向性速度脈沖，而對(duì)于14層基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)，向前方向性速度脈沖對(duì)位移反應(yīng)的影響更大些。速度脈沖對(duì)結(jié)構(gòu)底部位移反應(yīng)的影響明顯大于對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響，且滑沖效應(yīng)速度脈沖使得結(jié)構(gòu)底部變形更大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)可能發(fā)生倒塌破壞，向前方向性效應(yīng)速度脈沖對(duì)結(jié)構(gòu)底部與頂部的影響差異不大。

（5）以一座大跨飄浮體系斜拉橋?yàn)槔萌S有限元方法計(jì)算分析了地震動(dòng)速度脈沖對(duì)斜拉橋地震反應(yīng)和減震控制效果的影響。研究中選擇了4組具有速度脈沖特性的實(shí)際地震動(dòng)加速度記錄，及人工模擬的具有相同加速度反應(yīng)譜和峰值加速度而無(wú)速度脈沖的地震動(dòng)時(shí)程分別作為地震動(dòng)輸入。總體上看，斜拉橋在速度脈沖型地震動(dòng)作用下的地震反應(yīng)大部分要大于無(wú)速度脈沖型地震動(dòng)的，近斷層地震動(dòng)的速度脈沖對(duì)斜拉橋無(wú)控制、半主動(dòng)控制和被動(dòng)控制地震反應(yīng)均具有一定的不利影響，且地震動(dòng)的速度脈沖對(duì)半主動(dòng)控制和被動(dòng)控制減震效果的影響趨勢(shì)大體相同。