近斷層地震動對高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的影響

李 旭，Carlos Estuardo Ventura，何敏娟

（1.同濟大學 建筑工程系，上海 200092；2.英屬哥倫比亞大學 土木工程學院地震工程研究中心，溫哥華V6T1Z4）

地震發(fā)生時，根據(jù)場地離開斷層距離的遠近，將地震動分為近斷層地震動和遠場地震動.通常將距離斷層不超過20～60km區(qū)域場地的地震動稱為近斷層地震［1］，大于該范圍的地震動統(tǒng)稱為遠場地震.正是由于近斷層地震動距離斷層較近，使得斷層本身的破裂和滑動特性對地面運動影響較大，從而明顯區(qū)別于遠場地震地面運動［2］.其中，近斷層地震最為突出的特點是具有速度脈沖特性，而引起速度脈沖的因素主要包括近斷層地震向前方向性效應（forward directivity）和滑沖效應（fling-step）［3－5］.

地震工作者從幾次世界范圍的大地震中獲得了近斷層地震動記錄，如1992年Landers地震、1994年Northridge地震、1995年 Kobe地震、1999年Chi－Chi地震、1999年 Turkey地震和2010年Chile地震等.這為進一步對近斷層地震動的研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)資料.通過分析近斷層地震地面運動特征，建立了諸多簡化模型［6－7］，包括簡單方形、三角模型、三角函數(shù)模型等，最被接受的是三角函數(shù)模型，如采用Type－A模型表示滑沖效應，采用Type－B模型表示向前方向性效應，采用Type－C模型模擬含有多個脈沖的地面運動.

從很多震害現(xiàn)象中得出，近斷層地震對工程結(jié)構(gòu)的破壞性比遠場地震來得更為嚴重，尤其是對高層建筑結(jié)構(gòu)［4，8－10］.近年來，結(jié)構(gòu)在近場地震下的響應特性受到學者的廣泛關(guān)注，而且普遍認為向前方向性效應比滑沖效應對結(jié)構(gòu)具有更大的潛在的不利影響［11］.Somerville解釋了近場地震向前方向性效應，并對其建立了經(jīng)驗模型［12］；Hall等指出，當向前方向性效應的脈沖持續(xù)時間與高層結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)基本周期接近時會使其發(fā)生嚴重破壞［10］；Alavi和Krawinkler定量分析了框架結(jié)構(gòu)在具有向前方向性效應的近場地震作用下的線性和非線性反應特性［13］；Iwan認為，采用剪切梁模型波傳分析的位移角譜（drift spectrum）可以更為直接地體現(xiàn)近場地震響應［14］；Chopra等通過計算指出，當考慮足夠數(shù)量的高階模態(tài)響應，采用傳統(tǒng)的反應譜分析法分析近場地震向前方向性效應對結(jié)構(gòu)的影響可以達到工程要求的精度［15］.

相比而言，對近場地震滑沖效應的研究相對較少.Abrahamson提出滑沖效應的幾個特性參數(shù)，包括 幅 值、持 續(xù) 時 間 和 到 達 時 間［5］；Kalkan 和Kunnath調(diào)查了滑沖效應和向前方向性效應對具有不同周期特性的鋼框架結(jié)構(gòu)的影響［16］；楊迪雄等通過對短肢剪力墻高層結(jié)構(gòu)、隔震建筑結(jié)構(gòu)以及高層鋼結(jié)構(gòu)等的研究進一步表明，脈沖型地震動主要激發(fā)結(jié)構(gòu)基本振型的反應，且滑沖效應引起的速度脈沖對長周期建筑結(jié)構(gòu)的危害性尤為突出［7，17－20］.盡管如此，滑沖效應對實際結(jié)構(gòu)的抗震性能影響還未被充分認識，特別是高層建筑結(jié)構(gòu)在近場地震滑沖效應作用下的非線性響應特性.

本文選取一組典型的具有滑沖效應的近場地震記錄，即1999年Turkey地震SKR－EW臺站地震記錄作為輸入，采用人工過濾方式獲得帶有滑沖效應記錄（簡稱with fling record）和無滑沖效應記錄（簡稱without fling record）.首先，通過單自由度體系彈性和彈塑性反應譜分析總體了解滑沖效應特性，并通過改變具有不同特征周期體系的屈服強度評估系統(tǒng)從線性到非線性的整個變化過程中滑沖效應對其抗震性能的影響.最后，以某典型的高層鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)為例具體研究高層建筑結(jié)構(gòu)在帶有滑沖效應的近場地震作用下的抗震性能.

1 近斷層地震動概述

對地震機理的研究表明，近斷層地震動產(chǎn)生于斷層的斷裂過程［4，21］.地震發(fā)生時，斷層快速滑動并沿著斷裂方向向前發(fā)展，于是出現(xiàn)了永久性地面位移偏量，在此過程中地震能量以垂直于斷層的地震波的形式傳播.對于位于斷層破裂向前方向上的場地，當斷層破裂速度與地震剪切波速一致時，斷層破裂能量累積達到幅值，從而引起強烈的地面脈沖運動.其中，將產(chǎn)生永久性地面位移偏移的特性稱為滑沖效應，將引起強烈地面脈沖運動的特性稱為向前方向性效應［3，13－14］.

由上述斷層斷裂機理可知滑沖效應的突出特點為較大的地面階躍式的永久位移偏移以及單方向速度脈沖；而向前方向性效應則具有較長持時的動力脈沖運動和連續(xù)的雙向速度半脈沖的特性.對于走滑斷層（strike-slip earthquake），滑沖效應出現(xiàn)在平行斷層走向方向，向前方向性效應則垂直于斷層走向；對于傾滑斷層（dip-slip earthquake），滑沖效應和向前方向性效應均垂直于斷層走向，兩者發(fā)生耦合.圖1顯示了2類斷層中滑沖效應、向前方向性效應與斷層方向的關(guān)系［1］.圖2展示了2類斷層中帶有滑沖效應和向前方向性效應的地面位移運動特點［1］.由此看來，盡管滑沖效應和向前方向性效應均具有速度脈沖特性，但兩者具有明顯區(qū)別，對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能影響也不盡相同，須分別考慮.本文主要研究近斷層地震滑沖效應對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響.

2 近斷層地震滑沖效應特性

2.1 地震記錄

為研究近斷層地震滑沖效應對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，以具有代表性的1999年Izmit Turkey地震（震級Mw＝7.4）為例，因斷層性質(zhì)為走滑斷層，故而在近斷層區(qū)域平行斷層斷裂方向的地面運動中存在滑沖效應.選取距離斷層3.1km的臺站SKR東西向（即平行于斷層方向）的地震記錄，見圖3所示，其中有滑沖效應地震記錄的峰值地面加速度（PGA）為0.399g，峰值地面速度（PGV）為80.5cm·s－1，峰值地面位移（PGD）為204.5cm.同時，圖3也列出了由英國帝國理工學院修正處理后無滑沖效應的地震記錄，處理方法為八階橢圓帶通法（8th order elliptical band pass method），過濾頻率區(qū)間0.25～25.00Hz，PGA為0.354g，PGV為32.9cm·s－1，PGD為12.5cm.由圖3c中有滑沖效應的位移時程數(shù)據(jù)中可以看出，位于31～36s時間段內(nèi)存在較大的永久性位移偏移，偏移量約為200cm，于是滑沖效應持時Tp＝5s；對應圖3b速度時程曲線時間段31～36s內(nèi)，有滑沖效應地震記錄中帶有明顯的單方向速度半脈沖特性；盡管如此，圖3a有、無滑沖效應的加速度時程曲線卻無明顯差別.

2.2 彈性反應譜

取上述有、無滑沖效應地面運動加速度時程作為輸入，求得單自由度體系（阻尼比為0.05）的彈性反應譜［17］見圖4.

由圖4可以看出：①當周期小于3s，系統(tǒng)在有、無滑沖效應地震作用下，彈性反應譜差別不大；②當周期大于3s，系統(tǒng)在有滑沖效應地震作用下的彈性反應譜開始大于無滑沖效應地震作用下的彈性反應譜，且當周期大于4s之后，滑沖效應明顯放大系統(tǒng)的速度和位移響應，見圖4b和c中所示；③圖4c中，當周期大于3s，在無滑沖效應地震作用下，系統(tǒng)位移響應開始緩慢減小并最終趨于某個相對較小的變形量，這與通常認識到的地震對長周期結(jié)構(gòu)影響不是很大相一致；然而，當周期大于3s，在有滑沖效應地震作用下，系統(tǒng)位移響應開始單調(diào)增加，從而證實了近場地震滑沖效應對長周期結(jié)構(gòu)影響顯著的結(jié)論.

2.3 彈塑性反應譜

在強度較大的地震作用下，結(jié)構(gòu)通常會進入非線性狀態(tài)，在此取單自由度體系彈塑性模型（阻尼比為0.05）計算非線性反應譜［22］.圖5列出了在有、無滑沖效應地震作用下延性系數(shù)μ＝1，2，4，6的單自由度體系彈塑性位移反應譜，其中μ＝1表示彈性反應譜，μ＞1表示彈塑性反應譜.總體上看，彈塑性位移反應譜和彈性位移反應譜變化趨勢是一致的，即當系統(tǒng)周期較小，在有、無滑沖效應地震作用下位移反應譜差別不大，當系統(tǒng)周期較大時，滑沖效應明顯放大了系統(tǒng)的位移響應.值得注意的是，對于彈性反應譜，當系統(tǒng)周期大于3s后滑沖效應才開始影響結(jié)構(gòu)響應，然而對于彈塑性反應譜，當系統(tǒng)周期大于2 s，滑沖效應便開始影響結(jié)構(gòu)地震響應，且延性系數(shù)越大，影響越大.

圖5 單自由度體系彈塑性位移反應譜Fig.5 Elastoplastic displacement response spectrum of single-degree-of-freedom system

因此，既然實際結(jié)構(gòu)在地震作用下均會出現(xiàn)非線性變形，同時伴隨結(jié)構(gòu)剛度的退化以及對應非線性特征周期的延長，那么近斷層地震滑沖效應除了對較長線性特征周期結(jié)構(gòu)具有較大影響之外，對具有中、短線性特征周期結(jié)構(gòu)的影響同樣不可忽視.

3 滑沖效應對不同周期系統(tǒng)地震響應的影響

為了進一步深入研究具有不同大小線性特征周期的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)從線性發(fā)展到非線性的整個過程中近斷層地震滑沖效應對系統(tǒng)響應的影響，本文選取線性特征周期分別為2s和5s的單自由度體系，并通過改變屈服強度的大小來實現(xiàn)系統(tǒng)從線性到非線性的變化.為方便分析，引入2個概念，歸一化強度R和變形放大系數(shù)D.R＝Fy／（M·PGA），式中：Fy為系統(tǒng)屈服強度；M為系統(tǒng)質(zhì)量；PGA為地震加速度峰值.D＝d1／d2，式中：d1，d2分別為有、無滑沖效應地震作用下的系統(tǒng)變形.

采用修正的 Clough模型（K2／K1＝0.01，K1，K2分別為系統(tǒng)初始剛度、非線性剛度）模擬系統(tǒng)非線性滯回變形，阻尼比取0.03，考慮P－Delta效應.圖6為在有、無滑沖效應地震作用下，周期分別為5s，2s的單自由度系統(tǒng)Um／Uy與歸一化強度R關(guān)系，其中Um為系統(tǒng)最大位移，Uy為系統(tǒng)屈服位移，當Um／Uy＜1.0時系統(tǒng)處于線性階段，當Um／Uy＞1.0時則表示系統(tǒng)進入非線性階段.

圖6a中，對于較長周期系統(tǒng)（T＝5s），在有滑沖效應地震作用下的系統(tǒng)變形始終大于無滑沖效應地震作用下的系統(tǒng)變形，且隨著系統(tǒng)屈服強度的降低，R減小到一定程度，系統(tǒng)進入非線性狀態(tài)（如圖6a中R＜0.3），滑沖效應對結(jié)構(gòu)影響更為明顯.圖6b，對于較短周期系統(tǒng)（T＝2s），當系統(tǒng)屈服強度較大，結(jié)構(gòu)響應在有、無滑沖效應地震作用下基本保持一致，滑沖效應作用未顯現(xiàn)；隨著系統(tǒng)屈服強度降低，系統(tǒng)在地震作用下進入明顯的非線性狀態(tài)（如圖6b中R＜0.2），此時，滑沖效應極大地放大了結(jié)構(gòu)變形響應值.

圖7 不同周期單自由度系統(tǒng)變形放大系數(shù)與歸一化強度的關(guān)系Fig.7 Deflection amplification factor vs.normalized strength for single-degree-of-freedom system with different linear fundamental periods

由圖7知，對于較長周期系統(tǒng)（T＝5s），當系統(tǒng)屈服強度較大（R＞0.3），并處于線性階段，D＝3.0，表示系統(tǒng)在有滑沖效應的地震作用下的位移響應為無滑沖效應下位移響應的3倍；當系統(tǒng)屈服強度變?。≧＜0.3），系統(tǒng)進入非線性階段，D開始增大，最大值達到5.0，表明滑沖效應作用更為顯著；對于較短周期系統(tǒng)（T＝2s），當系統(tǒng)屈服強度較大（R＞0.2），此時處于線性狀態(tài)或者僅出現(xiàn)較小的非線性變形，D基本保持1.0，表明滑沖效應尚未影響結(jié)構(gòu)響應，但隨著系統(tǒng)屈服強度的進一步減?。≧＜0.2），系統(tǒng)進入較明顯的非線性狀態(tài)，此時D明顯增大，最大值達到4.0，表明滑沖效應對結(jié)構(gòu)影響相當突出.

圖8列出了周期分別為5s，2s，R＝0.1的單自由度系統(tǒng)在有、無滑沖效應地震作用下的位移時程曲線和剪力－變形曲線.滑沖效應對結(jié)構(gòu)影響均較大，且使2個系統(tǒng)均發(fā)生了較大的永久性位移變形.

4 近斷層地震滑沖效應對高層結(jié)構(gòu)的影響

4.1 高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概述

某高層鋼筋混凝土剪力墻住宅結(jié)構(gòu)高83.2m，32層，平面尺寸31.7m×24.7m，見圖9.結(jié)構(gòu)由豎向12根通長的柱和中央混凝土核心筒承擔荷載.結(jié)構(gòu)用材為：底層5～9層混凝土強度為30MPa，10～19層混凝土強度為35MPa，20～32層混凝土強度為40MPa；鋼筋強度為400MPa，結(jié)構(gòu)詳細信息見文獻［23］.

本文采用CANNY有限元分析軟件建模，見圖9d，抗剪采用Clough模型，抗扭采用線性模型，對于墻、柱單元采用MS模型考慮豎向荷載和雙向受彎之間的相互作用.基于鋼筋、混凝土材料特性建立其本構(gòu)關(guān)系，鋼材采用SS3滯回模型，混凝土采用三線性CS3滯回模型［24］.結(jié)構(gòu)分析時考慮P－Delta效應，采用Newmark－β（β＝0.25）法逐步積分，時間間隔為0.005s，采用 Rayleigh阻尼，阻尼系數(shù)取0.032，此時模型線性基本周期為1.9s.

基于上述原始模型（稱之為模型①），建立了模型②和模型③，3個模型力－位移曲線相關(guān)關(guān)系見圖10所示，其中Fyi為屈服力，Dyi為屈服位移，Dm為極限位移.模型②為具有底部薄弱層結(jié)構(gòu)模型：將模型①底層混凝土屈服強度降低到原來的25%，此時結(jié)構(gòu)總體剛度基本不發(fā)生變化，線性基本周期約為2.2s；模型③為總剛度軟化模型，其降低模型①所用混凝土材料等級，結(jié)構(gòu)總體剛度變小，線性基本周期延長到4s.對比3個模型，模型①和②具有相對較短的線性特征周期，在等強度地震下，模型②產(chǎn)生更大的非線性變形，這樣可以了解近斷層地震滑沖效應對處于不同非線性狀態(tài)的短周期高層建筑結(jié)構(gòu)的影響；模型③具有相對較長的線性基本周期，用于研究近斷層地震滑沖效應對較長周期結(jié)構(gòu)的影響.

4.2 地震彈塑性時程分析

將SKR－EW有、無滑沖效應地震記錄作為輸入（圖3），分別對模型①～③進行地震彈塑性時程分析.在有滑沖效應地震作用下結(jié)構(gòu)非線性基本周期峰值明顯大于無滑沖效應下的峰值（圖11a），同時滑沖效應使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了永久變形（圖11b）.

由圖12可見，結(jié)構(gòu)樓層底部剪力差別不大，但滑沖效應對層間位移角的放大作用卻很明顯.

圖13列出了模型②和模型③在有、無滑沖效應地震作用下層間位移角峰值沿高度的變化情況.滑沖效應對這2個結(jié)構(gòu)層間位移角的放大作用更加顯著.

表1列出了3個模型在有、無滑沖效應地震作用下層間位移角峰值以及對應的變形放大系數(shù).

對比模型①和②的層間位移角峰值及變形放大系數(shù)可見，對于較短周期結(jié)構(gòu)，具有底部薄弱層模型會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的非線性變形，且變形放大系數(shù)從1.54增大到3.56，滑沖效應作用更明顯；對比模型①和③的變形峰值可見，對于具有較長周期的模型③，最大層間位移角比模型①要大，同時變形放大系數(shù)從1.54增大到2.12，滑沖效應作用也更大.

表1 3個模型層間位移角峰值Table 1 Peak drift ratio for three models

5 結(jié)論

詳細研究了近場地震滑沖效應的特性，取1999年Turkey地震中臺站SKR－EW有、無滑沖效應地震記錄作為輸入，獲得單自由度體系彈性反應譜和彈塑性反應譜，證實了近場地震滑沖效應對結(jié)構(gòu)抗震性能具有一定程度的影響.之后，詳細分析了具有不同大小線性特征周期的單自由度體系從線性發(fā)展到非線性的整個過程中近斷層地震滑沖效應作用.最后以某典型高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)為例建立了具有底部薄弱層模型、整體剛度軟化模型，進一步研究近斷層地震滑沖效應對具有不同屈服強度、不同周期的高層建筑結(jié)構(gòu)的影響.結(jié)論如下：

（1）對于較長周期結(jié)構(gòu)，滑沖效應始終放大結(jié)構(gòu)變形響應，尤其是當結(jié)構(gòu)屈服強度較小并出現(xiàn)較大的非線性變形時，滑沖效應更為顯著.

（2）對于較短周期結(jié)構(gòu)：①當結(jié)構(gòu)強度足夠大并在地震作用下處于線性階段，滑沖效應幾乎不會影響結(jié)構(gòu)變形響應；②隨著結(jié)構(gòu)屈服強度的降低并在地震作用下進入明顯的非線性狀態(tài)，滑沖效應對其影響便可顯現(xiàn).對于具有底部薄弱層的高層建筑結(jié)構(gòu)，滑沖效應影響尤為突出.

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