地震動的速度脈沖對結(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）

近斷層地震動非常復(fù)雜，受地殼介質(zhì)和地表局部場地影響的同時(shí)，更受地震斷層破裂尺度、斷層面位錯(cuò)的發(fā)展過程、破裂速度、滑動方向等因素的影響。近斷層地震動常具有震動集中性、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激勵下的反應(yīng)力、位移和延性都會較一般地震記錄激勵下的大。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。為了排除地震動譜特征的不同對結(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峰值速度和位移的人工合成地震動的方法，將實(shí)際的速度脈沖型地震動與相對應(yīng)的有相同反應(yīng)譜且控制峰值速度但無速度脈沖的人工合成地震動作為輸入，對工程結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)進(jìn)行對比分析，以突顯速度脈沖這一因素對工程結(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)震動記錄時(shí)程作為輸入地震動，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)算分析了地震動的速度脈沖對結(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)理的地震動速度脈沖對框架結(jié)構(gòu)建筑及基礎(chǔ)隔震建筑影響的差異。

本文主要研究內(nèi)容和結(jié)論包括以下5個(gè)方面：

（1）提出一種以絕對加速度反應(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，通過單獨(dú)調(diào)整傅里葉譜中較長周期成分來控制合成地震動峰值速度和位移。結(jié)果表明，該方法所得結(jié)果對目標(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)果對研究地震動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)算探討了地震動速度脈沖對鋼筋混凝土框架結(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)兩類地震動速度脈沖對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響的差異。利用6條速度脈沖型強(qiáng)震動記錄，并以這些速度脈沖型地震動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速度脈沖的地震動時(shí)程樣本，對比分析了在有、無速度脈沖的地震動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明顯差異，而對于周期較長的高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，相對于向前方向性速度脈沖而言，滑沖效應(yīng)速度脈沖對結(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，對速度脈沖地震動作用下基礎(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記錄，對比分析了在速度脈沖地震動激勵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速度脈沖對基礎(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，而對于14層基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)，向前方向性速度脈沖對位移反應(yīng)的影響更大些。速度脈沖對結(jié)構(gòu)底部位移反應(yīng)的影響明顯大于對上部結(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?，利用三維有限元方法計(jì)算分析了地震動速度脈沖對斜拉橋地震反應(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速度脈沖的地震動時(shí)程分別作為地震動輸入。總體上看，斜拉橋在速度脈沖型地震動作用下的地震反應(yīng)大部分要大于無速度脈沖型地震動的，近斷層地震動的速度脈沖對斜拉橋無控制、半主動控制和被動控制地震反應(yīng)均具有一定的不利影響，且地震動的速度脈沖對半主動控制和被動控制減震效果的影響趨勢大體相同。