近断层地震动的上_下盘效应研究

近断层地震动的上_下盘效应研究 ( ) 文章编号 : 1000 21301 2008 06 20106 210 近断层地震动对短肢剪力墙高层结构 地 震 反 应 的 影 响 杨迪雄 ,王汉兵 ,李 刚 ()大连理工大学 工程力学系 工业装备结构分析国家重点实验室 ,辽宁 大连 116023 摘要 :近断层地震动具有独特的上盘效应 、破裂方向性效应和速度脉冲特征 。本文分组考察具有这些 运动特征的地震动对短肢剪力墙高层建筑结构地震反应的影响 。选择台湾集集近断层地震动作 为地震动输入 ,利用 AN SYS软件对一幢 12层短肢剪力墙结构建立空间杆件 - 壳元组合有限元模型 , 进行弹塑性时程分析 。计算结果表明 ,近断层地震动上盘效应和破裂方向性效应明显增大短肢剪力 墙结构体系的地震反应 ,短肢剪力墙高层结构的最大层间位移角发生在中部第 5 层 ,为 0. 98% ,说明 该结构已经达到中等破坏状态 ;脉冲型地震动效应与结构周期长短密切相关 ,对长周期结构脉冲效应 显著 。 关键词 :近断层地震动 ;运动特征 ;短肢剪力墙结构 ;弹塑性时程分析 中图分类号 : P315. 9 文献标志码 : A In f luen ce of n ea r2fa u lt groun d m o t ion s on se ism ic re spon se s of h ighr ise struc ture w ith shor t2l im b wa lls YAN G D ixiong , WAN G H anb ing , L I Gang (D ep a rtm en t of Enginee ring M echan ic s, and State Key labo ra to ry fo r Struc tu ral )A na lysis of Indu stria l Equ ipm en t, D a lian U n ive rsity of Techno logy, D a lian 116024 , Ch ina A b stra c t: N ea r2fau lt ground mo tion s have the d istinc t cha rac te ristic s of hanging wa ll effec t, rup tu re d irec tivity effec t, and ve loc ity p u lse2like mo tion. The p re sen t p ap e r exam ine s the influence of the ground mo tion s w ith the se cha rac te ristic s on the se ism ic re spon se s of the h igh rise bu ild ing struc tu re w ith sho rt2lim b wa lls. N ea r2fau lt ground ( ) mo tion reco rd ings from the sam e ea rthquake even t, i. e. Ch i2Ch i, Ta iwan ea rthquake Sep. 21 , 1999 , a re se2 lec ted a s an inp u t. The AN SYS softwa re is u sed to e stab lish a 3D m em be r2she ll com b ined fin ite e lem en t mode l fo r one 12 2sto ry h igh rise bu ild ing struc tu re w ith sho rt2lim b wa lls, and the e la sto2p la stic tim e h isto ry ana lysis of the struc tu re is imp lem en ted. The num e rica l re su lts illu stra te tha t the hanging wa ll and the d irec tivity effec t amp lify the se ism ic re spon se s of the struc tu ra l system w ith sho rt2lim b wa lls rem a rkab ly, and the m axim um d rift ra tio of the struc2 th tu re occu rs a t the 5sto ry in the m idd le of the bu ild ing, and a tta in s 0. 98 % , wh ich demon stra te s tha t the bu ild ing reache s m ed ium dam age sta te. Mo reove r, the effec t of p u lse2like ground mo tion s dep end s h igh ly on the struc tu ra l p e riod, and the p u lse2like effec t on the long2p e riod struc tu re is sign ifican t. Key word s: nea r2fau lt ground mo tion; mo tion cha rac te ristic s; sho rt2lim b wa ll struc tu re; e la sto2p la stic tim e h isto ry ana lysis 收稿日期 : 2006 - 12- 14; 修订日期 : 2007- 09- 25 ( ) 基金项目 :国家自然科学基金项目 50578028 , 10672030 ; 厦门建设管理局资助项目 ( ) 作者简介 :杨迪雄 1970 - ,男 ,副教授 ,博士 ,主要从事结构抗震和振动控制研究. E2m a il: yangdx@ d lu t. edu. cn 引言 短肢剪力墙结构体 系 是 最 近 1 0 多 年 来 在 我 国 迅 速 发 展 、推 广 应 用 的 一 种 新 的 高 层 建 筑 结 构 形 [ 1 - 3 ] [ 4 ] 式 ,有关此体系的技术规定 2 0 0 2 年首次被列入《高层建筑混凝 土 结 构 设 计 规 程 》。该 结 构 体 系 能较好地满足现代住宅 、办公等 建 筑 的 功 能 需 求 , 可 以 实 现 大 开 间 , 灵 活 布 置 帄 面 与 房 间 , 不 露 梁 、不 露柱棱 ,侧面门窗洞口大 、采光通 风 好 , 而 且 , 还 具 有 重 量 轻 地 震 作 用 小 、材 料 省 和 工 程 造 价 低 的 明 显 优势 。但是 ,短肢剪力墙结构作为高层建筑的一种新结构体系 ,其抗震性能相对薄弱 ,也无抵御大震的 经验 ,因此 ,短肢剪力墙结构抗震仍需加强理论和试验研究 ,特别是近些年来对工程结构造成严重 破坏的近断层强地震动对短肢墙结构体系的抗震性能的影响亟待深入分析 。 ( ) ( ) ( ) 最近几次大地震 ,即美国 No rth ridge地震 1994 、日本 Kobe地震 1995 、我国台湾集集地震 1999 、土 ( ) ( )耳其 Kocae li地震 1999 ,伊朗 B am 地震 2003 等的发生地点距离人员和财产集中的城市市区很近 ,给人类 [ 5 - 8 ] [ 9 - 14 ] 社会带来重大人员伤亡和财产损失 。近断层地震动的运动特征 及其对工程结构的影响 成为工程 地震学和抗震工程学关注的热点课 。随着对地震动运动特征认识的深化及建筑结构形式的多样化 ,现有 的建筑结构抗震设计准则已不能完全适应工程建设的需要 。对于短肢剪力墙结构这种应用日趋增多的新体 系 ,研究其在近断层地震动作用下的抗震性能就具有重要的现实意义 。本文首先介绍近断层地震动独特的 上盘效应 、破裂方向性效应和速度脉冲特征 ,然后分组分析和讨论具有这些运动特征的地震动对一幢 12 层 短肢剪力墙高层住宅建筑结构地震反应的影响 ,研究结果可为近震区结构抗震设计提供参考 。 1 近断层地震动运动特征和台湾集集地震动记录特性参数 最近几次近断层大地震独特的上盘效应 、破裂方向性效应和速度脉冲运动特征及其对工程结构的严重 [ 5 - 14 ] [ 5 ] ( ) 影响引起了地震工程界的密切关注 。 Som e rville等 1997 的研究表明 ,由于近断层地震动经常包含 ( ) 强烈的动态长周期脉冲和永久地面位移或滑冲 fling2step ,其运动特征与远场地震动明显不同 。这种差别 来自于近断层地震动的破裂方向性效应 。破裂方向性影响地震动的持时和长周期能量成份 ,并且致使断层 ()法向分量 即破裂传播方向 的地震动时程幅值大于与断层帄行方向分量的幅值 。向前破裂方向性效应在 速度 、位移波形图上表现为持时短及具有大幅值的脉冲 ,而向后方向性效应的速度 、位移波形图则具有持时 长和幅值相对较小的特点 。断层的上盘效应是由上盘场地的逆冲引起的 ,它表现为位于上盘场地的地震动 时程幅值系统性地大于下盘场地的相同断层距的地震动时程幅值 ,上盘强地震的衰减相对于下盘要帄缓 ,而 [ 8 ] 且强地震分布的区域要大 , 从而使位于上盘场地上的结构破坏严重 , 集集地震的震害现象证实了这一 [ 6 ] 点 。 近断层地震动的长周期脉冲运动主要是由破裂方向性引起的 。这些大幅值的长周期速度和位移脉冲 、 ( ) 大的峰值加速度 PGA ,在断层的法向分量表现尤其明显 ,这种运动在地震的初始就给结构输入很高的能 [ 9 - 14 ] 量 ,从而引起结构严重损伤 。相对来说 ,关于近断层地震动的上盘效应和方向性效应对工程结构的影 [ 5 ]响很少研究 。 Som e rville等 通过加速度反应谱研究表明 ,法向分量的反应谱值在周期长于 0. 6 s后大于帄 [ 7 ] ( ) 行分量的谱值 ,并且修改了帄均水帄反应谱以及断层法向分量和帄行分量反应谱的比值 。B ray等 2004 [ 5 ]依据 Som e rville描述的地震动记录台站与震源 、破裂方向之间几何关系和在周期 3 s处地震动法向分量与 帄行分量谱加速度 RD I之比是否大于 1 这两个条件识别具有向前方向性的近断层地震动记录 。他们的研 究都未进一步讨论方向性效应 、上盘效应和脉冲运动对实际工程结构的影响 ,这些运动特征尤其对短肢剪力 墙这类新型结构的抗震性能影响如何 ,需要深入探讨和评估 。 (事实上 ,不同地震的震源机制对于结构地震反应的影响很大 。为了避免不同震源机制 如走滑型 、倾滑 ) ( 型断裂 ;浅源 、深源地震等 的干扰和影响 , 我们选择来自同一次地震事件 ———台 湾集 集大 地 震 1999 , 9 , ) 21 ———的近断层地震动记录 。综合考虑上盘效应 、破裂方向性和速度脉冲等运动特征 。这里选择了 25 条 断层法向水帄分量即东西分量的近震记录作为输入地震动 ,另外考虑方向性效应时选取了 9 条帄行分量即 南北分量的近震记录 ,如表 1所示 。由于地震动破裂方向性和脉冲运动经常耦联在一起 ,本文所考察的破裂 方向性效应是指断层法向和帄行方向两个分量地震动对结构效应的差别 。表 2 给出了这 25 条具有代表性 td 2 ( ) ( )的近断层地震动记录的有关参数 。地震动输入能 E的表达式为 : E= v td t , v t是所考察的地震动分i i ? 0 108 地 震 工 程 与 工 程 振 动 第 28卷 量的速度时程 ; t是地面运动的持时 。由于 E表示地震动输入给结构的绝对能量 ,它反映了近断层地震动 d i [ 11 ] 的潜在破坏势 ,是一个较好的强度度量参数 ,所以表 2 根据 E 的大小对 25 条近断层地震动记录编号排i 序 。所选记录的 PGA 和 PGV 分别大于 100 Ga l和 40 cm / s;断层距在 28 km 以内 。对于上盘场地和下盘场地 台站上的 18条地震动记录的 PGA 和 PGV 均值之比分别为 : 1. 70 和 1. 34 ,即上盘场地的 PGA 和 PGV 均值 都大于下盘场地 。对于具有方向性效应的 9条地震动记录 ,其在周期 3 s处的法向分量与帄行分量谱加速度 RD I之比都大于 1 ,两分量峰值速度之比 PGV/ PGV都大于 1。对于具有明显速度脉冲运动特征的 9 条记 N P ( 录和不具有速度脉冲特征的 9 条记录 PGV / PGA 均值分别为 0. 34 > 0. 2 ,脉冲记录的 PGV / PGA 用下划线 )( ) 和粗体 和 0. 16 < 0. 2 ,其比值为 2. 1。需要注意 , PGV / PGA 比值大于 0. 2 可以作为识别脉冲型地震 [ 11 , 14 ] 动的一个指标 。 表 1 基于运动特征的台湾集集近断层地震动分组 Tab le 1 Group ing of Ta iwan Ch i2Ch i nea r2fau lt ground mo tion s ba sed on mo tion cha rac te ristic s 地震动运动特征 台站 上盘场地 TCU068 , TCU052 , TCU084 , TCU074 , TCU071 , TCU072 , TCU079 , TCU078 , TCU089 上盘效应 下盘场地 TCU065 , TCU102 , TCU067 , TCU075 , TCU110 , TCU111 , CH Y025 , TCU117 , CH Y101 断层法向分量 TCU065, TCU084, TCU067, TCU075, TCU074, TCU120, TCU129, TCU079, TCU089 E2W 分量 方向性效应 断层帄行分量 同上 N 2S分量 脉冲型记录 TCU068 , TCU052 , TCU102 , TCU075 , CH Y025 , TCU082 , TCU120 , TCU054 , TCU049 脉冲运动 非脉冲型记录 TCU065 , TCU067 , TCU074 , TCU071 , CH Y101 , TCU072 , TCU129 , TCU070 , TCU053 表 2 台湾集集近断层地震动特性参数 Tab le 2 P rop e rty p a ram e te rs of Ta iwan Ch i2Ch i nea r2fau lt ground mo tion s 2 - 1 - 1 )/ PGV (PGV E / m ?sPGA / Ga l PGV / PGA / s RD I 台站 断层距 d / km 场地类型 ( ) PGV / cm?s N Pi D 1 TCU068 13. 671 3. 01 501. 5 280. 5 0. 56 D 2 TCU052 7. 7239 1. 84 348. 6 183. 2 0. 53 3 TCU065 4. 8198 2. 49 D 773. 3 132. 4 0. 17 1. 47 1. 12 C 4 TCU084 3. 7281 11. 4 989. 2 116. 3 0. 12 2. 05 1. 64 D 5 TCU102 2. 1142 1. 19 298. 3 87. 27 0. 29 6 TCU067 1. 9194 1. 11 488. 6 97. 4 0. 20 D 1. 74 1. 20 D 3. 13 2. 25 7 TCU075 1. 8869 3. 38 325. 4 116. 2 0. 36 8 TCU110 1. 6377 14. 16 176. 2 58. 65 0. 33 E E 9 TCU111 1. 2619 23. 37 124. 7 53. 46 0. 43 10 CH Y025 1. 2305 18. 78 158. 6 51. 48 0. 33 E D 11 TCU074 1. 2083 13. 75 585. 9 70. 22 0. 12 1. 44 3. 94 E 12 TCU117 1. 1790 26. 23 121. 3 56. 91 0. 47 D 13 TCU071 1. 1743 4. 88 517. 8 69. 83 0. 14 D 14 CH Y101 1. 1379 13. 31 332. 7 66. 26 0. 20 D 15 TCU072 1. 1138 7. 87 465. 5 87. 17 0. 19 D 16 TCU082 1. 0598 4. 47 221. 0 51. 54 0. 23 C 17 TCU120 1. 0314 9. 87 223. 0 62. 61 0. 28 1. 79 1. 45 D 18 TCU129 0. 9856 2. 21 983. 0 67. 98 0. 07 1. 23 1. 56 C 19 TCU070 0. 8912 18. 43 248. 6 45. 66 0. 18 D 20 TCU054 0. 8551 4. 64 143. 1 45. 96 0. 32 D 21 TCU049 0. 7804 3. 27 273. 4 57. 06 0. 21 D 22 TCU079 0. 5868 10. 95 577. 4 67. 49 0. 12 2. 17 1. 51 D 23 TCU053 0. 5731 5. 45 224. 8 43. 12 0. 19 D 24 TCU078 0. 4833 8. 27 439. 7 44. 92 0. 10 C 25 TCU089 0. 4779 8. 33 347. 4 44. 52 0. 13 1. 25 1. 35 ( ) ( )图 1给出了台湾集集地震 TCU067台站记录断层法向和帄行分量的加速度 a、速度 b时程 ,显示了断层 两个水帄方向分量的明显差别 。图 2和图 3分别给出了脉冲型记录 TCU068和非脉冲型记录 TCU065的加速度 ( ) ( )a、速度 b时程 ,从 TCU068速度时程图上可见清晰的长周期脉冲 。 110 地 震 工 程 与 工 程 振 动 第 28卷 2 近断层地震动运动特征对短肢剪力墙高层建筑结构地震反应的影响 短肢剪力墙指墙肢截面的长度为厚度的 5,8倍 ,异形柱是指柱肢的截面高度与柱肢宽度的比值在 2 , 4 之间 ,异形柱是短肢剪力墙向矩形柱过渡的一种构件 。较常用到的异形柱和短肢墙的形状有“T”字型 、 [ 1 ] “L ”型 、“十 ”字形 。有的短肢剪力墙结构体系采用部分异形柱 ,这种体系可看作广义的短肢剪力墙体系 。 异形柱与剪力墙的受力状态不同 ,采用的力学模型也不一样 。本文使用 AN SYS软件建模分析时 ,对短肢墙 和异型柱分别采用不同的有限元类型 ,以准确描述其受力特点 ,从而建立合理的短肢剪力墙体系整体结构分 ( ) 析模型 。具 体 来 说 , 电 梯 核 心 筒 和 短 肢 墙 用 壳 单 元 she ll93 来 模 拟 , 异 形 柱 和 普 通 梁 采 用 梁 单 元 ( ) beam 189 ,短肢剪力墙和普通剪力墙之间的连梁采用带刚域的梁单元来模拟 。 2. 1 结构模型建立及时程分析 () 一栋 ,12层的短肢墙高层住宅建筑 含少量异形柱 层高 3 m ,短肢墙或异形柱的帄面布置和 AN SYS动 力分析模型见图 4 ,短肢墙 、异形柱和电梯墙的厚度均为 0. 2 m ,图中标号 1、2、8、10 为“T”形短肢墙 ,尺寸为 1 m ×1. 2 m ,标号 3、5、11为 1. 4 m ×1. 2 m 的“L ”形短肢墙 ,标号 6、9、13 为 1. 2 m ×1. 2 m 的“L ”形短肢墙 , 标号 12为 1. 4 mm ×1. 4 m 的“T”形短肢墙 ,标号 4和 7为 0. 5 m ×0. 5 m 的“T”形异形柱 ,标号 14为 2 m × 2 m 的电梯筒 ,所有梁的尺寸均为 0. 25 m ×0. 6 m ,混凝土强度等级均采用 C30。结构帄面尺寸为 38. 6 m × 18. 6 m ,全高 36 m。该结构位于二类场地 ,抗震设防烈度为 8 度 。动力分析采用 R ayle igh 阻尼 ,阻尼比取 0. 05 ,荷载工况考虑自重和水帄地震惯性力 。 图 4 短肢剪力墙高层结构的平面布置和动力分析计算模型 F ig. 4 P lane and mode l fo r dynam ic ana lysis of h igh rise struc tu re w ith sho rt2lim b wa ll 沿结构横向水帄输入表 1、2所示台湾集集地震的近断层地震动记录 ,利用 AN SYS软件对短肢剪力墙结 构进行弹塑性时程分析 。这里考虑楼板帄面内无限刚 ,帄面外刚度为零 ,各楼层楼板质量近似均匀分配到各 节点处 。结构时程分析采用空间杆系 - 壳元组合有限元模型 ,体系地震反应方程如下 : ? ?? ( )M U+ C U + KU = - M U1 g ? ? 式中 : M 、K、C 分别为体系的质量矩阵 、刚度矩阵 、阻尼矩阵 ; U、U 、U 分别为节点相对于地面的加速度 、速 ? 度 、位移列阵 ; U为地面运动的加速度列阵。 g 对该短肢墙结构体系进行弹塑性时程分 析 时 , 所 采 用 的 单 元 恢 复 力 模 型 为 双 线 型 模 型 : 屈 服 点 处 对应的屈服应力取混凝土等级为 C3 0 的 轴 心 抗 压 强 度 标 准 值 的 0. 4 倍 , 屈 服 后 刚 度 为 屈 服 前 刚 度 的0. 0 3 倍 。根据所确定的恢复力模 型 计 算 屈 服 应 力 、切 线 模 量 , 然 后 在 AN SYS软 件 中 定 义 非 线 性 分 析 时所需要的材料属性 ,建立完整的有限元分析模型进行非线性时程分析 。体系的前三阶振动模态 周 期 分别为 1. 2 1 s, 1. 0 9 s, 0. 7 1 s。 由于我们着重研究具有独特运动特征的真实的近断层强地震动对结构的 效应 ,因此没有对地震动记录 进行任何调整 ,以避免这种调整干扰和混淆强地震动的结构效应 ; 同时考虑到当前结构抗震设计对地震动 PGA 调幅的通常做法 ,以及地震动加速度反应谱 S能为评估结构抗震性能提供主要线索 ,我们给出了调幅 a ( ) 后的加速度弹性反应谱 SPGA = 400 Ga l,并增加了一些调幅后的地震动输入下的短肢剪力墙结构的动力 a 计算 。 2. 2 上盘效应的影响2 如表 3所示 ,断层上盘场地和下盘场地台站地震动记录的帄均输入能 E分别为 3. 352 , 1. 909 m / s。断 i ( )(层上盘台站地震动对短肢剪力墙结构的最大层间位移角 0. 89 % 表明结构已经达到中等破坏状态 其对应 [ 15 ] ) 的位移角为 0. 7 % ,1. 5 %之间 ;此时短肢墙结构体系的最大弹塑性层间位移角仍然小于抗震设计 的限定值 1 /100 ,满足“大震不倒 ”的抗震设防要求 。图 5 给出了上盘场地地震动和下盘场地地震动作用下 ( ) 结构的位移 、层间位移角和层剪力帄均值沿楼层的分布图 。由图 5 a 的侧向位移曲线可知 ,上盘 、下盘台 站地震动作用下短肢剪力墙结构的位移变形模式为弯剪型 ,且最大位移分别为 246. 6 mm 和 154. 8 mm;由图 ( ) 5 b的侧向层间位移角“D ”型曲线可知 ,最大层间位移角发生在中部第 5 层 ,而且结构薄弱层的分布提示 ( )我们还可加强和调整结构侧向刚度以提高结构大震下的抗倒塌能力 ;由图 5 c知 ,上盘 、下盘台站地震动对 短肢剪力墙结构的基底剪力分别为 14 257 kN 和 9 764 kN ,基底剪力系数分别为 0. 173 9 和 0. 119 1 ,符合抗 震规范的剪重比要求 。 表 3 上盘效应对短肢剪力墙结构地震反应的影响 Tab le 3 Influence of hanging2wa ll effec t on se ism ic re spon se s of h igh rise struc tu re w ith sho rt2lim b wa ll 2 - 1 ) (输入能 E / m ?s( )( ) 最大层间位移角 du / % 顶层加速度 a / Gal i 上盘场地地震动 3. 352 0. 89 945 下盘场地地震动 1. 909 0. 57 537 比值 1. 75 1. 56 1. 76 图 5 上盘台站和下盘台站地震动作用下短肢剪力墙结构的反应比较 F ig. 5 Comp a rison of se ism ic re spon se s of struc tu re w ith sho rt2lim b wa ll unde r hanging2wa ll and foo twa ll ground mo tion s 比较可见 ,帄均输入能较大的上盘台站地震动作用下短肢剪力墙结构位移 、层间位移 角 、顶 层 加 速 度和层剪力的均值远大于下盘台站的相应值 ,近断层地震动上盘效应对短肢剪力墙结构体系动力 反 应 ( 的影响显 著 。进 一 步 , 我 们 分 别 给 出 了 上 盘 和 下 盘 台 站 近 断 层 地 震 动 的 未 调 幅 和 调 幅 后 PGA = ) (( ) ( ) ) 4 0 0 Ga l的帄均加速度弹性反应谱 图 6 a 6 b ,可以看出结构周期对上盘效应的相关性 。对于 未 (( ) ) 调 幅的加速度反应谱 图 6 a,当周期小于 2. 1 s, 上盘台站地震动的谱加速度大于下盘台站相应值 , 特别在周期段 0. 3 s,1. 1 s,上盘效应显著 ; 当周期大于 2. 1 s,下盘台站地震动的谱加速度略大于上盘 ( ) (( ) ) 台站相应值 。对于调幅后 PGA = 4 0 0 Ga l的加速度反应谱 图 6 b ,当周期小于 0. 8 s, 上 盘 台 站 地 震动的谱加速度大于下盘台站相应值 ; 当周期大于 0. 8 s,下盘台站地震动的谱加速度明显 大 于 上 盘 台 站相应值 。从 PGA 调幅前后的反应谱 可 知 , 在 一 定 的 中 短 周 期 段 , 上 盘 场 地 的 结 构 效 应 仍 然 明 显 , 但 调幅后地震动发生上盘效应的结构周期缩短到 0. 8 s。 112 地 震 工 程 与 工 程 振 动 第 28卷 ( )( )图 6 未调幅 a和调幅后 b的上盘台站和下盘台站近断层地震动的加速度反应谱 ( ) F ig. 6 Sp ec tra l acce le ra tion of nea r2fau lt ground mo tion s w ith non2sca led aand sca led ( ) PGA ba t hanging2wa ll and foo twa ll sta tion 破裂方向性效应的影响2. 3 (如表 4所示 ,断层法向分量和帄行分量地震动对短肢剪力墙结构体系的地震反应 即最大层间位移角 、 )( ) 顶层加速度 帄均值之比分别为 : 1. 42 , 1. 73。最大层间位移角 0. 98 % 表明 结 构已 经达 到 中等 破坏 状 [ 15 ] 态 ;如有必要 ,可以增设消能减震措施 。图 7表示短肢墙结构位移 、层间位移角和层剪力帄均值沿楼层的 分布图 。由图可知 ,断层法向分量和断层帄行分量地震动对短肢剪力墙结构的最大位移分别为 268. 2 mm 和 185. 1 mm;最大层间位移角发生在第 5 层 ;断层法向分量和断层帄行分量地震动对短肢剪力墙结构的基 底剪力分别为 15 332 kN 和 11 720 kN ,基底剪力系数分别为 0. 186 9和 0. 142 9。比较可见 ,断层法向分量地 震动作用下短肢墙结构的动力反应远大于断层帄行方向分量地震动作用下的反应 ,近断层地震动破裂方向 性的结构效应显著 。 表 4 破裂方向性效应对短肢剪力墙结构地震反应的影响 Tab le 4 Influence of rup tu re d irec tivity of nea r2fau lt ground mo tion s on dynam ic re spon se s of bu ild ing 2 - 1 )(最大层间位移角 du / % 顶层加速度 a / Gal 输入能 E / m?s i 断层法向分量地震动 1. 849 0. 98 972 断层帄行分量地震动 0. 819 0. 69 561 比值 2. 25 1. 42 1. 73 图 7 断层法向和平行分量地震动下短肢剪力墙结构的反应比较 F ig. 7 Comp a rison of se ism ic re spon se s of struc tu re w ith sho rt2lim b wa ll unde r fau lt2no rm a l and fau lt2p a ra lle l ground mo tion s ( )( ) ( )图 8 a、8 b分别表示断层法向和帄行分量地震动的未调幅和调幅后 PGA = 400 Ga l的帄均加速度 ( ) 弹性反应谱 。对于未调幅的加速度反应谱 ,在整个考察周期 0 s,10. 0 s,断层法向地震动的谱加速度都大 ( ) 于断层帄行方向地震动相应值 ,特别在周期段 0. 2 s,1. 0 s,方向性效应显著 。对于调幅后 PGA = 400 Ga l的加速度反应谱 ,断层法向地震动的谱加速度与断层帄行方向地震动的谱加速度接近 ,差别不大 。 ( )( )图 8 未调幅 a和调幅后 b的断层法向和平行分量地震动的加速度反应谱 F ig. 8 Sp ec tra l acce le ra tion of ground mo tion s of fau lt2no rm a l and fau lt2p a ra lle l ( ) ( )componen ts w ith non2sca led aand sca led PGA b 2. 4 长周期脉冲运动的影响 如表 5所示 ,脉冲型地震动的帄均输入能远大于非脉冲地震动的相应值 。但是 ,近断层脉冲型地震动作用 下短肢剪力墙结构体系的最大层间位移角和顶层加速度都小于非脉冲型地震动作用的相应值 。图 9表示结构 的位移 、层间位移角和层剪力帄均值沿楼层的分布图 。从结构的弯剪型侧移曲线可见 ,反弯点大约在 6 层处 , 其相对高度为 0. 5,表明整体弯曲所占的比例较大 ,结构整体性较好 。由图 9可知 ,脉冲型和非脉冲型地震动对 短肢剪力墙结构的最大位移分别为 179. 1 mm 和 242. 1 mm ,短肢剪力墙结构的基底剪力分别为 10 472 kN 和 15 012 kN ,基底剪力系数分别为 0. 127 7和 0. 183 1。出现这种情况是由于近断层脉冲型地震动的长周期成份丰富 ,卓越周期延长 ,致使脉冲型地震动对长周期结构动力反应明显放大 ,对中短周期结构动力反应并不放大 。 ( )如图 10 a近断层地震动的帄均加速度反应谱所示 ,在周期 0 s,1. 6 s范围 ,脉冲型地震动的谱加速度小于非 脉冲型地震动的谱加速度 ,而短肢剪力墙结构体系的基本周期为 1. 21 s,从而脉冲型地震动对短肢剪力墙结构 体系的地震反应小于非脉冲型地震动作用的地震反应 ;在周期 1. 6 s,10 s,脉冲型地震动的谱加速度大于非脉 ( ) 冲型的谱加速度 。也就是说 ,脉冲型地震动效应与结构周期密切相关 ,对长周期 > 1. 5 s结构脉冲效应明显 。 表 5 长周期脉冲运动对短肢剪力墙结构地震反应的影响 Tab le 5 Influence of p u lse2like mo tion of nea r2fau lt ground mo tion s on dynam ic re spon se s of bu ild ing 2 - 1 ()最大层间位移角 du / % 顶层加速度 a / Gal 输入能 E / m?s i 脉冲型地震动 3. 372 0. 50 489 非脉冲型地震动 1. 535 0. 86 909 比值 2. 19 0. 58 0. 54 图 9 脉冲和非脉冲近断层地震动下短肢剪力墙结构的反应比较 F ig. 9 Comp a rison of se ism ic re spon se s of struc tu re w ith sho rt2lim b wa ll unde r p u lse2like and non2p u lse2like ground mo tion s 114 地 震 工 程 与 工 程 振 动 第 28卷 ( )然后 ,输入调幅后 PGA = 400 Ga l的地震动 ,再次利用 AN SYS软件计算该短肢墙结构体系的弹塑性地 震反应 。短肢剪力墙结构对脉冲型地震动的最大层间位移角和顶层加速度反应的帄均值分别是 : 1. 14 % () 超过限定值 1 /100 , 941 Ga l;而该结构对非脉冲型地震动的地震反应的帄均值分别是 : 0. 60 % , 720 Ga l。 ( )( ) 这可以从如图 10 b所示的调幅后的近断层地震动的帄均加速度反应谱得到很好的理解 。从图 10 b 可 见 ,在周期 0 s,0. 7 s范围 ,除了 0 s,0. 3 s外脉冲型地震动的谱加速度都大于非脉冲型地震动的谱加速度 。 在周期 0. 7 s,10 s,脉冲型地震动的谱加速度都大于非脉冲型的谱加速度 ,两者帄均相差 160 Ga l。而短肢 ( )剪力墙结构体系的基本周期 1. 21 s落在 0. 7 s,10 s周期范围 ,因此短肢剪力墙结构对脉冲型地震动体系 的地震反应大于该结构对非脉冲型地震动的地震反应 。观察图 10 所示调幅前和调幅后的近断层地震动帄 ( )均加速度反应谱 ,容易看出 :脉冲型地震动效应与结构周期密切相关 ,对长周期 > 1. 5 s结构脉冲效应更加 显著 ,调幅后的地震动发生脉冲效应的结构周期前移到 0. 7 s; 调幅前的地震动在中短周期段脉冲型地震动 的谱加速度明显小于非脉冲型地震动的相应值 。 ( )( )图 10 未调幅 a和调幅后 b的脉冲和非脉冲近断层地震动的加速度弹性反应谱 F ig. 10 Sp ec tra l acce le ra tion of p u lse2like and non2p u lse2like nea r2fau lt ground mo tion s ( ) ( )w ith non2sca led aand sca led PGA b 3 结语 本文考虑到近断层地震动具有独特的上盘效应 、破裂方向性效应和脉冲运动特征 ,考察了具有这些运动 特征的地震动对短肢剪力墙高层建筑结构动力反应的影响 。利用 AN SYS软件对一幢 12 层的短肢剪力墙住 宅建筑结构水帄输入台湾集集地震的 25条近断层地震动记录进行弹塑性时程分析 ,分类讨论了近断层地震 动运动特征对该短肢墙结构体系地震反应和抗震性能的影响 ,得到了以下结论 : ( ) 1 近断层地震动上盘效应和破裂方向性效应明显增大短肢剪力墙结构体系的地震反应 。短肢剪力墙 高层结构的位移变形模式为弯剪型 ,最大层间位移角发生在中部第 5 层 ,为 0. 98 % ,表明该结构已经达到中 ( ) 等破坏状态 ,且接近抗震设计规范的弹塑性位移角限定值 1 % ,结构顶层加速度可达 972 Ga l;如有必要 ,可 为结构增设消能减震或隔震措施 。 ( ) 2 在周期 0 s,1. 6 s范围 ,调幅前脉冲型地震动的谱加速度小于非脉冲型地震动的谱加速度 ,而短肢 剪力墙结构体系的基本周期为 1. 214 s,从而短肢剪力墙结构体系对脉冲型地震动的地震反应小于该结构对 非脉冲型地震动的地震反应 ;在周期 1. 6 s,10 s,调幅前脉冲型地震动的谱加速度大于非脉冲型的谱加速 度 。 ( ) 3 调幅前和调幅后的近断层地震动帄均加速度反应谱都表明 ,脉冲型地震动效应与结构周期密切相 关 ,对长周期结构脉冲效应显著 。 致谢 :审稿人提出的富有建设性和启发性的意见使本文质量得到了改善 ,谨致谢忱 ! 参考文献 : ( ) 容柏生. 高层住宅建筑中的短肢剪力墙结构体系 [ J ]. 建筑结构学报 , 1997 , 18 6 : 13 - 18. 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