近場(chǎng)地震下人字形中心支撐鋼框架地震反應(yīng)

張莉莉，顧 強(qiáng)

（蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州215011）

近場(chǎng)地震下人字形中心支撐鋼框架地震反應(yīng)

張莉莉，顧 強(qiáng)

（蘇州科技大學(xué) 土木工程學(xué)院，江蘇 蘇州215011）

按照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010），對(duì)處于發(fā)震斷裂兩側(cè)5 km以內(nèi)結(jié)構(gòu)采用近場(chǎng)地震作用放大系數(shù)1.5，設(shè)計(jì)了10、15、20層人字形中心支撐鋼框架；選取了16條近場(chǎng)地震記錄，采用彈塑性時(shí)程方法分析了結(jié)構(gòu)在近場(chǎng)地震波下的反應(yīng)；同時(shí)，對(duì)規(guī)范考慮近場(chǎng)地震作用放大系數(shù)方法的可行性進(jìn)行評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：近場(chǎng)多遇地震下15、20層結(jié)構(gòu)的層間位移角不滿足規(guī)范要求；近場(chǎng)罕遇地震下15、20層結(jié)構(gòu)均出現(xiàn)較大變形，不滿足規(guī)范層間側(cè)移角限值要求；時(shí)程分析得到的結(jié)構(gòu)基底剪力也大于規(guī)范振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算值。

近斷層地震；人字形中心支撐鋼框架；地震反應(yīng)；彈塑性時(shí)程分析

地震作用是大部分工程結(jié)構(gòu)的控制荷載。近年來(lái)，大量工程結(jié)構(gòu)遭受了超過(guò)設(shè)防水準(zhǔn)的強(qiáng)震，損毀嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)主要位于斷層附近（極震區(qū)），臨近發(fā)震斷層帶有強(qiáng)烈速度脈沖的地面運(yùn)動(dòng)會(huì)使結(jié)構(gòu)在瞬間產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞[1-2]。好的抗震設(shè)計(jì)方法應(yīng)首先具備保護(hù)極震區(qū)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，近場(chǎng)地震動(dòng)的特性及其對(duì)工程結(jié)構(gòu)的影響已成為眾多學(xué)者關(guān)心的問(wèn)題。

極少數(shù)國(guó)家、地區(qū)的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范已考慮了近場(chǎng)脈沖型地震的影響，提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)對(duì)策。美國(guó)UBC97規(guī)范[3]中引入了近場(chǎng)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜放大因子，將設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的長(zhǎng)周期段設(shè)置成等譜值平臺(tái)，其合理性表現(xiàn)在同時(shí)考慮了近場(chǎng)地震動(dòng)對(duì)剛性結(jié)構(gòu)和柔性結(jié)構(gòu)的影響[4]。我國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的規(guī)范措施與美國(guó)UBC97類似。日本規(guī)范在設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的生成中更多地選取了近場(chǎng)記錄，在彈性反應(yīng)譜曲線參數(shù)取值上進(jìn)行了重大修改，設(shè)定兩類地震作用，含有近斷層效應(yīng)和不含有近斷層效應(yīng)的設(shè)計(jì)地震力水準(zhǔn)不同。比較而言，國(guó)內(nèi)對(duì)近場(chǎng)地震動(dòng)研究的成果儲(chǔ)備不足，目前還沒(méi)有形成可用于近場(chǎng)地震的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。我國(guó) 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）[2]（以下簡(jiǎn)稱《抗規(guī)》）第3.10.3條明確規(guī)定：建筑結(jié)構(gòu)在進(jìn)行抗震性能化設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)地處發(fā)震斷裂兩側(cè)10 km以內(nèi)的結(jié)構(gòu)，應(yīng)計(jì)入近場(chǎng)效應(yīng)的影響，5 km以內(nèi)地震動(dòng)參數(shù)宜乘以增大系數(shù)1.5，5 km以外宜乘以不小于1.25的增大系數(shù)。此規(guī)定沒(méi)有考慮近場(chǎng)地震反應(yīng)譜形狀的變化，只是同步放大了遠(yuǎn)場(chǎng)地震固定形狀反應(yīng)譜的譜值來(lái)提高近場(chǎng)設(shè)計(jì)地震作用，在條文說(shuō)明中也未提出依據(jù)。相關(guān)研究表明[6-7]，按照我國(guó)現(xiàn)行抗震規(guī)范考慮地震作用放大系數(shù)1.25所設(shè)計(jì)的鋼框架結(jié)構(gòu)，在罕遇地震下的層間側(cè)移不滿足規(guī)范1/50的大震性態(tài)指標(biāo)。因此，通過(guò)同步提高遠(yuǎn)場(chǎng)固定形狀反應(yīng)譜譜值來(lái)考慮近場(chǎng)地震作用的方法值是否可行，有待研究。

文中按《抗規(guī)》[5]第3.10.3對(duì)位于斷層5 km以內(nèi)的人字形中心支撐鋼框架（CBSF）考慮1.5倍的地震作用放大系數(shù)，利用SAP2000軟件分別設(shè)計(jì)了10、15、20層的CBSF結(jié)構(gòu)，并確定3個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面；利用ABAQUS軟件采用彈塑性時(shí)程方法分析了所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在近場(chǎng)地震下的反應(yīng)，對(duì)《抗規(guī)》第3.10.3條規(guī)定的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，期望能為結(jié)構(gòu)性態(tài)抗震設(shè)計(jì)的發(fā)展和應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)儲(chǔ)備。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

按照《抗規(guī)》[5]規(guī)定，對(duì)位于5公里以內(nèi)的結(jié)構(gòu)考慮近場(chǎng)地震作用放大系數(shù)1.5，用SAP2000軟件設(shè)計(jì)了10、15、20層人字形中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)平面尺寸均為 36 m×21.6 m，層高均為 3.6 m，跨度均為 7.2 m，次梁間距均為2.4 m；抗震設(shè)防烈度為8度（0.3g），設(shè)計(jì)地震分組為第一組，Ⅱ類場(chǎng)地；屋面恒、活載分別為4.5、2.0 kN/m2，樓面恒、活載分別為 3.3、3.0 kN/m2，雪荷載為 0.5 kN/m2，風(fēng)荷載為 0.45 kN/m2。 鋼材材質(zhì)均為Q345，梁柱剛接，支撐與梁柱鉸接。圖1為結(jié)構(gòu)平面圖，圖2為結(jié)構(gòu)立面圖。

圖1 結(jié)構(gòu)平面布置

圖2 結(jié)構(gòu)立面布置

根據(jù)相關(guān)規(guī)范要求及設(shè)計(jì)條件與荷載工況，利用SAP2000軟件對(duì)各結(jié)構(gòu)進(jìn)行反復(fù)迭代最終選定構(gòu)件截面見(jiàn)表1。將結(jié)構(gòu)的重力荷載代表值轉(zhuǎn)換為質(zhì)量，每榀帶支撐橫向框架分擔(dān)結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的1/2，對(duì)3個(gè)結(jié)構(gòu)帶支撐榀橫向框架進(jìn)行模態(tài)分析，得到了結(jié)構(gòu)的各振型及周期，依照《抗規(guī)》振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算得到了10、15、20 層結(jié)構(gòu)帶支撐榀橫向框架的基底剪力分別為 V10=2 871.66 kN、V15=2 991.08 kN、V20=3 430.72 kN。

表1 各結(jié)構(gòu)梁、柱、支撐截面

2 近場(chǎng)脈沖地震波的選擇

2.1 近場(chǎng)脈沖地震波的選擇

不同地震波對(duì)相同結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響是截然不同的，因此對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性時(shí)程分析時(shí)，地震波的選擇對(duì)分析結(jié)果有直接影響。選波原則為：結(jié)構(gòu)場(chǎng)地類別為Ⅱ類，與美國(guó)規(guī)范C類場(chǎng)地和歐洲B類場(chǎng)地下的地震波相對(duì)應(yīng)；震中距（R）在0～6 km的范圍以內(nèi)；震級(jí)（M）大于6；具有明顯脈沖速度的前方向效應(yīng)脈沖波和滑沖效應(yīng)脈沖波；PGA＞0.2g，PGV＞40 cm/s，PGV/PGA＞0.2。按照此選波原則，從美國(guó)太平洋工程研究中心 PEER 數(shù)據(jù)庫(kù)中下載了符合條件的16條脈沖地震波，所選地震動(dòng)記錄見(jiàn)表2所示。

2.2 近場(chǎng)脈沖地震波β譜

根據(jù)所選的16條地震波，利用seismosignal軟件計(jì)算出相應(yīng)的β譜（動(dòng)力放大系數(shù)譜），并與《抗規(guī)》的標(biāo)準(zhǔn)β譜進(jìn)行對(duì)比，以說(shuō)明近場(chǎng)脈沖地震波β譜與遠(yuǎn)場(chǎng)地震波的β譜的異同。

表2 16條近場(chǎng)地震記錄

《抗規(guī)》并未直接給出β譜，但可根據(jù)公式（1）計(jì)算《抗規(guī)》地震影響系數(shù)與地震系數(shù)之比得到，地震影響系數(shù)為地震系數(shù)k（地震動(dòng)峰值加速度與重力加速度之比）與動(dòng)力放大系數(shù)β的乘積。規(guī)范β譜曲線如圖3所示。

圖3 規(guī)范β譜曲線

式中 βmax=（η2αmax）/k；β0=1；γ 為衰減指數(shù)；T、Tg分別為結(jié)構(gòu)自振周期和場(chǎng)地特征周期；η1、η2分別為直線下降段斜率調(diào)整系數(shù)和阻尼調(diào)整系數(shù)。近場(chǎng)波的β譜見(jiàn)圖4。

圖4 不同脈沖地震波β譜均值與標(biāo)準(zhǔn)β譜

從圖4可以看出近場(chǎng)地震波β譜與《抗規(guī)》遠(yuǎn)場(chǎng)地震β譜相比顯得“胖”很多。近場(chǎng)地震波β譜的平均值在短周期0～0.27 s內(nèi)的動(dòng)力放大系數(shù)遠(yuǎn)小于乘以1.5放大系數(shù)的規(guī)范β譜值，而在中長(zhǎng)周期段要比乘以1.5放大系數(shù)的規(guī)范β譜值高出很多，表明近場(chǎng)地震動(dòng)對(duì)中長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的影響較大。由此可知，基于強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，將《抗規(guī)》基于遠(yuǎn)場(chǎng)地震記錄統(tǒng)計(jì)得出的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜值采用常系數(shù)放大作為近斷層地震作用是不合理的，在短周期內(nèi)會(huì)高估近場(chǎng)地震動(dòng)作用，在中長(zhǎng)周期內(nèi)可能會(huì)低估地震作用。建議基于《抗規(guī)》遠(yuǎn)場(chǎng)地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜計(jì)算近場(chǎng)地震作用時(shí)應(yīng)對(duì)不同周期結(jié)構(gòu)采用變化的放大系數(shù)，或直接構(gòu)建近場(chǎng)地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜計(jì)算近場(chǎng)地震作用。對(duì)比圖4（a）和圖4（b）可知，對(duì)于中長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)滑沖效應(yīng)的影響較大，對(duì)于長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)前方向效應(yīng)的影響更顯著。近場(chǎng)地震動(dòng)β譜平臺(tái)段較遠(yuǎn)場(chǎng)地震β譜要寬些。

3 彈塑性時(shí)程分析

3.1 有限元建模

利用ABAQUS軟件對(duì)帶支撐榀平面框架進(jìn)行時(shí)程分析。允許結(jié)構(gòu)在其平面內(nèi)發(fā)生平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)，不考慮平面外變形。文中結(jié)構(gòu)支撐桿為工字型截面，繞弱軸屈曲發(fā)生在平面內(nèi)，在建模時(shí)需將支撐桿的方向指派為（0，-1，0），并對(duì)支撐桿考慮L/1 000的初彎曲。假定梁柱剛接，柱腳與基礎(chǔ)固接，支撐與梁柱鉸接，在ABAQUS中通過(guò)耦合約束節(jié)點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。鋼材采用雙線性強(qiáng)化彈塑性本構(gòu)關(guān)系，泊松比v=0.3，彈性模量E1=2.0×105MPa，強(qiáng)化階段的彈性模量E2=0.02E1。梁、柱、支撐均采用B32梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬。帶支撐榀橫向框架質(zhì)量取法見(jiàn)前述，輸入地震波前先對(duì)框架施加單榀框架隸屬的豎向荷載（重力荷載代表值）。

3.2 近場(chǎng)地震下結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)

層間位移角是衡量結(jié)構(gòu)變形的主要指標(biāo)，《抗規(guī)》[6]明確規(guī)定：多遇地震下結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角限值為1/250（0.004），罕遇地震下結(jié)構(gòu)的彈塑性層間位移角限值為1/50（0.02）。文中16條近場(chǎng)地震波時(shí)程分析得到的3個(gè)框架在不同地震水準(zhǔn)下的層間位移角包絡(luò)值的平均值，如圖5和圖6所示。

由圖5可知，多遇地震下結(jié)構(gòu)的層間位移角分布較均勻，曲線無(wú)明顯的“凸起”，結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)薄弱層；罕遇地震下，結(jié)構(gòu)中下部層間位移角有明顯的“凸起”，此處結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變形，有出現(xiàn)薄弱層的跡象；多遇地震下，10、15、20 層結(jié)構(gòu)的層間位移角平均值分別為 1/286（0.003 5）、1/211（0.004 7）、1/146（0.006 8），10 層結(jié)構(gòu)層間位移角滿足《抗規(guī)》彈性層間位移角限值，15、20層結(jié)構(gòu)均超出規(guī)范限值；罕遇地震下，10、15、20層結(jié)構(gòu)的層間位移角平均值分別為 1/50（0.020 1）、1/44（0.022 7）、1/31（0.032 4），10 層結(jié)構(gòu)層間位移角基本滿足規(guī)范彈塑性層間位移角限值，15、20層結(jié)構(gòu)均超出規(guī)范限值。時(shí)程分析結(jié)果表明按《抗規(guī)》考慮1.5倍地震作用放大系數(shù)設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)在近場(chǎng)地震下的層間位移角限值除10層結(jié)構(gòu)基本滿足規(guī)范要求外，15、20層結(jié)構(gòu)均不符合要求。

圖5 近場(chǎng)多遇地震下各結(jié)構(gòu)的層間位移角

圖6 近場(chǎng)罕遇地震下各結(jié)構(gòu)的層間位移角

由圖6可知，滑沖效應(yīng)對(duì)10層結(jié)構(gòu)的影響較大。隨結(jié)構(gòu)層數(shù)的增加，前方向性效應(yīng)脈沖波使結(jié)構(gòu)層間變形加大，說(shuō)明前方向效應(yīng)激發(fā)了中長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

3.3 近場(chǎng)地震下結(jié)構(gòu)層剪力分布

圖7為10、15、20層結(jié)構(gòu)在近場(chǎng)多遇和罕遇地震下的層間剪力分布及多遇地震下按《抗規(guī)》振型分解反應(yīng)譜法（已計(jì)入放大系數(shù)1.5）計(jì)算的層剪力分布。由圖7可知，不同地震水準(zhǔn)下，3個(gè)結(jié)構(gòu)層剪力沿高度變化趨勢(shì)大致相同，隨結(jié)構(gòu)高度的降低層間剪力值呈增大趨勢(shì)。對(duì)比時(shí)程分析結(jié)果和《抗規(guī)》指定的層剪力，時(shí)程分析的層剪力明顯大于《抗規(guī)》指定值，且在結(jié)構(gòu)底部二者的差值增大。

圖7 近場(chǎng)多遇和罕遇地震下結(jié)構(gòu)層剪力分布

多遇地震下，16條近場(chǎng)脈沖地震波時(shí)程分析得到10、15、20層結(jié)構(gòu)的基底剪力平均值分別為3 807.14、4 177.73、5 641.77 kN，約為《抗規(guī)》指定值（2 871.66、2 991.08、3 430.72 kN）的 1.33、1.40、1.64 倍。 可見(jiàn)，按《抗規(guī)》1.5系數(shù)放大遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用的方法來(lái)設(shè)計(jì)近場(chǎng)（5 km內(nèi)）結(jié)構(gòu)偏于不安全。按《抗規(guī)》考慮1.5倍地震作用放大系數(shù)得到的層剪力無(wú)法反映近場(chǎng)結(jié)構(gòu)在強(qiáng)速度脈沖下的實(shí)際反應(yīng)。多遇地震下，滑沖效應(yīng)對(duì)10層結(jié)構(gòu)層剪力的影響要大于前方向效應(yīng)；對(duì)15層結(jié)構(gòu)兩類脈沖波的影響差異不大，滑沖效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)中下部的影響稍大，前方向效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)上部的影響稍大；對(duì)于20層結(jié)構(gòu)的層剪力分布，前方向效應(yīng)的影響更大。兩類脈沖波在罕遇地震下，結(jié)構(gòu)的層剪力分布大致相同，結(jié)構(gòu)底部層剪力平均值約為多遇地震的2.18、2.32、1.94倍。隨地震加速度峰值的增大，結(jié)構(gòu)底部的層剪力需求增大。

4 結(jié)論

按《抗規(guī)》考慮1.5倍的近場(chǎng)地震作用放大系數(shù)，設(shè)計(jì)了10、15、20層人字形中心支撐鋼框架結(jié)構(gòu)。采用彈塑性時(shí)程分析方法對(duì)所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)在近場(chǎng)地震波下的反應(yīng)進(jìn)行了分析，主要結(jié)論如下：

（1）近場(chǎng)地震動(dòng)β譜與《抗規(guī)》基于遠(yuǎn)場(chǎng)地震波統(tǒng)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)β譜相比有明顯不同，形狀顯得“胖”很多，在短周期內(nèi)近場(chǎng)地震動(dòng)β譜明顯高于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)，平臺(tái)段相較于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)要寬?；趶?qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)，將《抗規(guī)》基于遠(yuǎn)場(chǎng)地震記錄統(tǒng)計(jì)得出的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜值用常系數(shù)放大作為近斷層地震作用是不合理的。

（2）近場(chǎng)多遇和罕遇地震下，除10層結(jié)構(gòu)基本滿足《抗規(guī)》彈性和彈塑性層間位移角限值外，15和20層結(jié)構(gòu)均不滿足《抗規(guī)》限值。說(shuō)明按《抗規(guī)》考慮1.5倍地震作用放大系數(shù)設(shè)計(jì)的近場(chǎng)結(jié)構(gòu)在近場(chǎng)地震下會(huì)發(fā)生較大變形，結(jié)構(gòu)不滿足《抗規(guī)》層間位移要求。

（3）多遇地震下，時(shí)程分析得到的層間剪力和底部剪力均大于《抗規(guī)》設(shè)計(jì)值，說(shuō)明在近場(chǎng)強(qiáng)速度脈沖下，按《抗規(guī)》考慮1.5倍地震作用放大系數(shù)得到的結(jié)構(gòu)層剪力無(wú)法滿足結(jié)構(gòu)實(shí)際的剪力需求。兩類脈沖波對(duì)結(jié)構(gòu)的影響存在差異，滑沖脈沖地震波主要激勵(lì)起短周期結(jié)構(gòu)的響應(yīng)，前方向效應(yīng)脈沖地震波激發(fā)了中長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的響應(yīng)；罕遇地震下兩類脈沖效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響大致相同。

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Seismic behavior of concentrically braced steel chevron-frames under near-fault earthquakes

ZHANG Lili，GU Qiang
（School of Civil Engineering,SUST,Suzhou 215011,China）

According to Code for Seismic Design of Buildings（GB50011-2010）,within 5km,for structures situated on both sides of the seismogenic fault,the near-fault seismic action should multiply intensification coefficient 1.5,with this method,the concentrically braced steel chevron-frames are designed respectively with ten-story,fifteen-story and twenty-story in this paper.A total of 16 near-fault ground motion records are selected on the research,and the seismic behavior of the three structures in near-fault ground motion is evaluated in terms of nonlinear time history analysis.The reliability of Code about the method of multiply intensification coefficient is also verified by the designed research.The analytical results indicate that the interstory drift angles of the fifteen-story and twenty-story structures can not meet the requirements of Code under near-fault frequent earthquake.The fifteen-story and twenty-story structures shows great deformation under near-fault rare earthquake which can not meet the requirements of Code.The value of base shear force from nonlinear time history analysis is higher than the results of response spectrum method

near-fault earthquake;concentrically braced steel chevron-fame;seismic behavior;nonlinear time history analysis

秦中悅）

TU391

A

2096-3270（2017）04-0001-06

2016－11-14

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51278320）

張莉莉（1991-），女，安徽合肥人，碩士研究生。

顧 強(qiáng)（1953-），男，教授，博士，從事鋼結(jié)構(gòu)教學(xué)與科研工作，Email：guqiang383@163.com。