不同場地條件下鋼筋混凝土框架結構的地震反應分析

朱紋軍 陳清軍

（同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092）

不同場地條件下鋼筋混凝土框架結構的地震反應分析

朱紋軍*陳清軍

（同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，上海200092）

從“5.12”汶川強震記錄中挑選出四川省自貢地形臺陣8個臺站和寶興縣2個臺站的加速度記錄，進行了不同場地條件下的地震波頻譜特性分析，比較了復雜場地地形條件下的地震動差異。以某鋼筋混凝土框架結構教學樓為工程背景，利用ANSYS軟件建立教學樓結構的有限元模型，進行了結構動力特性分析；在此基礎上，以10條不同場地條件下的地震動時程按照規范調幅后作為輸入，對這一鋼筋混凝土框架結構進行了地震反應分析，探討了不同場地條件下結構地震反應的差異。結果表明：自貢地形臺陣隨著測站高程的增加，地震動幅值遞增明顯；與基巖地震波的頻帶分布相比較，土層地震波的頻帶主要集中在較低頻段，土層的高頻濾波效應明顯；場地條件對結構地震反應的影響較為明顯，高程最大的地震波作用下結構的最大剪力響應增大明顯。

地形臺陣記錄，地震動頻譜特性分析，鋼筋混凝土框架結構，不同場地條件，時程分析與比較

1 引 言

在“5.12”汶川大地震過程中，中國數字強震動臺網［1］共有398個臺站獲得了本次主震的強震動記錄，這對于抗震研究工作具有極高的價值。許多震害調查［2］表明，相距僅百米的相似建筑物的受破壞程度存在較大差異，形成了明顯的震害異常區域，這對于研究場地條件與結構地震反應的關系具有重要意義。眾多的研究成果也表明，局部場地條件對地震動振幅具有放大或縮小［3］的影響，從而直接影響了震害程度的分布，并且場地條件對于地震動的頻譜特性［4］也有直接的影響，所以本文從“5.12”汶川強震記錄中選取了寶興和自貢兩地的地震波加速度記錄，在此基礎上分析了場地條件對地震動幅值、持時和頻譜特性的影響，并以一鋼筋混凝土框架結構為例，通過Ansys對其建模并進行了地震反應分析，對地震動記錄按照規范進行調幅后，討論了不同場地條件對于結構反應的差異的影響。

2 地震動特性的比較

本文共選取了10個臺站的地震波加速度時程記錄，其中8個來自自貢地形臺陣記錄，2個來自寶興縣民治鄉和鹽井鄉的臺站記錄。其中自貢地形影響臺陣［5］的觀測結果是本文重要的數據來源，因其臺陣的布設總體上大致是沿著當地山脊地形的軸線進行，所以其對于觀測場地基于不規則地形特點而導致地表地震動的放大效應在空間分布上的非均勻特性影響具有重要意義。10條記錄中有2條土層波記錄、8條基巖波記錄。

表1 地震動時域特性信息Table 1Time domain characteristics of seism ic waves

2.1 時域特性的比較

對比分析土層波和基巖波測站的數據可知，土層波的幅值較基巖波更大，BXY測站在南北方向和東西方向的振幅分別為BXM測站的1.33倍和1.24倍；ZGS0土層測站南北方向和東西方向的振幅分別為ZGS1基巖測站的1.80倍和2.39倍。對比分析ZGS1測站至ZGS7測站七個測站的地震動幅值可知，水平地震波幅值與測站的高程呈現正相關性，高程最大的ZGS6基巖測站在南北方向振幅較高程最小的ZGS1基巖測站增大了59.4%。

圖1 自貢臺陣布置剖面示意圖［6］Fig.1 Zigong station profile［6］

總體而言，所有的地震波數據都表現出如下特點：首先，南北向和東西向的地震波振幅基本相等，沒有體現出明顯的方向性；其次，豎直方向的振幅約為水平向振幅的50%。

2.2 頻域特性的比較

地震動反應譜既與地震動特性相關，又和結構自身特性［7］相關，所以從本質上而言，地震動反應譜包含了地震動頻譜信息，同時也考慮了結構的基本動力特性。本文對自貢地形臺陣的加速度時程進行處理后得到了各個臺站阻尼比為0.05的標準加速度反應譜。

相比于基巖波，土層波在較長周期處對應的加速度動力放大系數更大。對比BXY測站和BXM測站的反應譜數據可知，在東西方向上，前者的動力放大系數最大值對應的周期比后者大0.02 s；在南北方向上，前者的最大值比后者大0.03 s。對比ZGS0測站和ZGS1測站，在東西方向上，前者的動力放大系數最大值對應的周期比后者大0.17 s；在南北方向上，前者的最大值比后者大0.72 s。

隨著臺站高程的增加，地震波頻譜中低頻的成分逐漸增多，這表明在靠近山頂的地方，其受到地形條件的影響更為明顯，對具有長周期的結構物而言更具有破壞力。換言之，突兀的山頂對于結構的影響與基巖之上覆蓋軟弱土層的場地相似，兩者都會使得場地的卓越周期變大，因此這對于長周期結構的抗震性能而言是不利的。即便是對于周期較小的結構，由于其在受到破壞后可能發生構件的開裂，從而導致結構的整體剛度削弱［8］，自振周期變長，因此無論如何，較大的場地卓越周期對于結構而言都是較為不利的。隨著高程的增加，加速度動力放大系數的最大值在總體上呈現增大的趨勢，ZGS5臺站和ZGS6臺站的動力放大系數較其他臺站更大，其中ZGS3臺站在東西方向的加速度動力放大系數最大值是ZGS4測站的1.23倍，南北向的比值為1.05。

圖2 地震動加速度時程記錄Fig.2 Seismic acceleration time history records

圖3 地震動反應譜Fig.3 Seismic response spectra

3 有限元模型的建立及動力特性

3.1 模型建立

本文所選取的模型是某中學教學A樓，該教學樓建成于2007年，主體為5層框架結構，局部為6層，總建筑面積是3 618.3 m2，按照抗震建筑規范的要求，設防烈度為7度，設計地震分組為第一組，框架抗震等級為三級，結構層高3.6 m，柱尺寸為400mm×400mm，主梁尺寸為200mm×600mm，樓板厚度為150mm，各層填充墻厚度均為200mm，柱下獨立基礎。梁、板、柱的混凝土強度等級均為C30。受力鋼筋采用HRB335，填充墻體采用MU10空心砌塊，M5砂漿砌筑。

3.2 結構動力特性分析

利用ANSYS的模態分析功能，提取前十階模態，計算方法采用Block Lanczos法，計算結果如表2所示。以平動為主的第一自振周期為T1＝0.890 9 s，以扭轉為主的第一自振周期為Tt＝0.735 5，其比值Tt／T1＝0.825 57，滿足規范對周期比規定的限值0.85，說明結構的扭轉效應不明顯，具有足夠的抗扭剛度。

圖4 結構平面布置圖（單位：mm）Fig.4 Structural plane（Unit：mm）

表2 結構的前十階自振頻率與自振周期Table 2First ten structure frequencies and periods

圖5 結構分析模型Fig.5 Structure analysismodel

4 不同場地條件下結構時程反應計算結果分析與比較

4.1 角柱位移對比分析

結構1B軸線位置的角柱最大位移都發生在結構頂層，其中角柱在X方向的位移隨著樓層的改變而呈現出緩和的變化，然而在Y方向的第五層和頂層之間出現了劇烈的變化，表明這兩層間結構剛度和質量發生了較大的變化，從而表現出了鞭梢效應。對于相同高程的土層波測站與基巖波測站，土層波作用下結構的最大位移較基巖波作用下的最大位移更大，ZGS0臺站的地震波數據作用下結構的最大角柱位移比ZGS1臺站增大了2.9%。隨著高程的增加，結構的反應也隨之增大。山頂處ZGS6臺站的結構響應比山腳處ZGS1臺站增大了27.9%。

4.2 角柱層間位移對比分析

結構在地震作用下產生了鞭梢效應，層間位移最大值出現在頂層。靠近底部的樓層在X方向上表現出更大的層間位移，而隨著樓層的上升，Y方向的層間位移超越X方向的層間位移。在測站高程相同的情況下，基巖波作用下的角柱層間位移較土層波作用下的角柱層間位移更大。ZGS0測站的地震波作用下角柱二層X方向層間位移相比ZGS1測站增大了7.9%。隨著測站高程的增加，結構的層間位移也呈現增大的趨勢。ZGS6測站的地震波作用下二層X方向層間位移相比ZGS1測站增大了30.8%。

4.3 角柱剪力對比分析

隨著基巖波臺站高程的增加，結構角柱的剪力包絡圖呈現遞增的趨勢，即ZGS1站的角柱的剪力最小，ZGS6站的角柱的層間剪力最大，兩者二層角柱剪力比值達到了1.226 1。同一高程的S0測站和S1測站，由于土層性質的不同，剪力包絡圖表現出較大的差異，土層波作用下結構第二層角柱的剪力較基巖波作用下的值增大了5.2%。

5 結 論

（1）自貢市ZGS1至ZGS7七個測站的地震動記錄的分析結果表明，在土層情況和震中距影響基本相同的情況下，地震波的幅值隨著測站的高程增大而增大，其中山頂處ZGS6測站的地震波幅值達到最大值，且其在南北方向和東西方向的振幅較高程最小的ZGS1基巖測站分別增大約59%和77%。

表3 角柱剪力表Table 3 Corner column shear forces N

圖7 結構角柱層間位移圖（單位：mm）Fig.7 Corner column relative displacements（Unit：mm）

（2）與基巖地震波的頻帶分布相比，土層地震波的頻帶主要集中在較低頻段，土層的高頻濾波效應明顯，且基巖臺站隨著高程的增加，地震波頻譜中低頻的成分逐漸增多。

圖8 結構角柱剪力圖（單位：mm）Fig.8 Corner column shear forces（Unit：mm）

（3）相同高程的ZGS0土層測站和ZGS1基巖測站，其中土層波作用下結構第二層角柱的剪力較基巖波作用下的值略有增大。

（4）結構的地震響應隨著高程的增大而增大。ZGS6測站地震動輸入結構后得到的角柱最大剪力相比ZGS1測站數據得到的結果增大了約22%。

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Seism ic Response Analysis of a Reinforeced Concrete Structure w ith Different Site Conditions

ZHUWenjun*CHEN Qingjun
（State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

8 seismic acceleration time history records at the Zigong stations and 2 seismic acceleration time history records from the Baoxing stationswere chosen from 5.12Wenchuan strong ground motion data for seismic wave spectrum characteristics analysis.Seismic wave differencewas discussed based on different site conditions.A finite elementmodel of a reinforced concrete frame structure was created by ANSYS.In order to simulate the structural responses at different site conditions，10 seismic waves from different site conditions，whose amplitudeswere adjusted according to the Chinese Code for Seismic Design of Buildings，were used for seismic response analysis.The influence of site condition on structural responseswas discussed.The analysis indicated that the amplitude of the seismic waves increased sharply with the increase of the height for the station at Zigong.Compared with the frequency band of bedrock seismic waves，the frequency distribution of soil seismic waves contain mainly lower frequency contents.The site condition influence on structural responses was obvious and the structural shear force at a high elevation seismic wave greatly increased.

topography array record，spectral characteristics of seismic wave，reinforced concrete frame structure，site condition，time-procedure analysis

2013-11-08

國家自然科學基金資助項目（50978198）*聯系作者，Email：fado＿zhu＠163.com