近場地震下網(wǎng)殼－支承結(jié)構(gòu)動力響應及速度脈沖放大效應分析

吳國鹽，鐘 杰，2，，聶桂波，王健澤，2，戴靠山，2，蔣玉川

（1.四川大學建筑與環(huán)境學院，四川成都 610065；2.四川大學深地科學與工程教育部重點實驗室，四川成都 610065；3.中國地震局工程力學研究所地震工程與工程振動重點實驗室，黑龍江哈爾濱 150080）

引言

我國是一個地震多發(fā)國家，尤其是中西部地區(qū)，活動斷裂帶分布廣泛，破壞性地震頻發(fā)。近年來，隨著國家“一帶一路”和西部大開發(fā)等重大戰(zhàn)略的深入推進，一些高速鐵路車站、機場航站樓等大跨度建筑不可避免地建造在離斷層較近的區(qū)域。例如，昆明長水國際機場距離世界上活動性最強的斷裂帶之一——小江斷裂帶僅12 km［1］，其在使用期間面臨著近場地震的潛在威脅。國內(nèi)外研究表明［2－5］，近場地震顯著的特征是具有幅值大、瞬時能量大的速度脈沖，相比于遠場地震更易引起工程結(jié)構(gòu)較大的地震響應甚至破壞。因此，對于擬建在近場高烈度地震區(qū)的大跨度建筑，其抗震設(shè)計須準確考慮近場地震動的影響。

目前，國內(nèi)外已有較多研究關(guān)注了近場速度脈沖型地震動對普通多高層建筑結(jié)構(gòu)的影響，得出了一些定性和定量的結(jié)論。易偉建等［6］指出，近場地震動對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的頂點位移和層間位移角具有放大作用，且這種放大作用隨著地震動峰值加速度的增加而增大。Tavakoli 等［7］認為，近場地震動作用下基礎(chǔ)隔震多高層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的基底位移比遠場地震動作用時更大。楊迪雄等［8］研究發(fā)現(xiàn)，含滑沖效應的近場地震動會顯著增大隔震鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)底部的層間變形和樓層剪力。杜永峰等［9］指出，基礎(chǔ)隔震鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)在近斷層法向地震動作用下超越各級破壞的概率均大于結(jié)構(gòu)在近斷層平行向地震作用下的概率。潘毅等［10］研究表明，近場速度脈沖型地震動對基礎(chǔ)隔震多高層結(jié)構(gòu)層間位移角的放大系數(shù)約為1.5。近年來，近場地震動對大跨度建筑地震響應的影響逐步引起研究人員的重視。張明等［11］指出，相比于遠場地震動，近場地震動作用下單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)具有更大的地震響應。鐘杰等［12－13］研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在遭受近場速度脈沖型地震動時表現(xiàn)出更為嚴重的結(jié)構(gòu)損傷和更大的失效概率。丁陽等［14］討論了隔震單層球面網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在近場地震下的位移響應，表明隔震層豎向搖擺對水平位移響應具有較大影響。然而，現(xiàn)有的研究均未給出近場速度脈沖型地震動對大跨度建筑地震響應影響的定量結(jié)論，使得在實際工程的抗震設(shè)計中難以準確考慮這種地震動的不利影響。

鑒于此，文中選取實際工程中典型的雙層柱面鋼網(wǎng)殼－鋼筋混凝土框架支承結(jié)構(gòu)為研究對象，以一組20條含有速度脈沖的近場地震動及另一組與之對應的20條剔除速度脈沖成分的殘余地震動作為輸入，對其進行增量動力分析（IDA），并基于分析結(jié)果，分別對下部支承結(jié)構(gòu)和上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的地震響應進行統(tǒng)計分析，通過對比獲得近場速度脈沖型地震動對網(wǎng)殼－支承結(jié)構(gòu)地震響應的影響規(guī)律，從而為此類建筑結(jié)構(gòu)在近場高烈度地震區(qū)的應用提供技術(shù)依據(jù)。

1 雙層柱面鋼網(wǎng)殼－鋼筋混凝土框架支承結(jié)構(gòu)有限元模型

以圖1所示雙層柱面鋼網(wǎng)殼－鋼筋混凝土框架支承結(jié)構(gòu)為分析對象，結(jié)構(gòu)縱向（X向）長度為42 m，橫向（Y向）跨度為30 m，總高度為16 m。上部網(wǎng)殼矢跨比為1/5，寬厚比為30，采用四角錐體系，縱向網(wǎng)格數(shù)為14，橫向網(wǎng)格數(shù)為12；下部支承結(jié)構(gòu)縱向7 跨，橫向6 跨，柱高為3～6 m。上下兩部分之間采用三向鉸接連接。網(wǎng)殼屋面恒荷載取0.7 kN/m2，活荷載取0.5 kN/m2，下弦面恒荷載取0.2 kN/m2。此外，為考慮混凝土填充墻的自重，在下部支承結(jié)構(gòu)的框架梁上施加線荷載，其大小根據(jù)梁上的墻高和混凝土砌塊填充墻的重度（按24 kN/m3計算）確定?？拐鹪O(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.15 g，場地類別為Ⅱ類，設(shè)計地震分組為第3組，并根據(jù)《空間網(wǎng)格結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 7－2010）［15］，結(jié)構(gòu)阻尼比取0.03。采用SAP2000進行靜力和抗震設(shè)計，確定上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的桿件截面及下部支承結(jié)構(gòu)的梁柱截面尺寸。

圖1 雙層柱面鋼網(wǎng)殼－鋼筋混凝土框架支承結(jié)構(gòu)Fig.1 Double-layer cylindrical steel reticulated shell-reinforced concrete frame supporting structure（Unit：m）

使用ABAQUS 6.14建立有限元模型，上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的圓鋼管采用桁架單元T3D2 模擬，下部支承結(jié)構(gòu)的梁和柱采用梁單元B32模擬，將重力荷載代表值轉(zhuǎn)化為節(jié)點集中荷載，采用三維集中質(zhì)量單元MASS 模擬。上部網(wǎng)殼中桿件鋼材采用Q235 鋼，下部支承中混凝土圈梁采用C40，其它梁和柱采用C30。為更準確地模擬構(gòu)件的受力性能，鋼材和混凝土分別采用PQ－Fiber［16］中的USteel02隨動硬化單軸本構(gòu)模型和UConcrete02 單軸滯回本構(gòu)模型，如圖2所示。其中，Q235 鋼的屈服強度fy取235 MPa，彈性模量E0為2.06×105MPa，硬化剛度系數(shù)α為0.001，混凝土材料參數(shù)取值［17］如表1所示。為驗證有限元模型的準確性，對SAP2000與ABAQUS的有限元模型進行模態(tài)分析，提取前20階自振頻率并進行對比，如圖3所示。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)第一階自振頻率均為1.67 Hz，即周期為0.6 s，前20階自振頻率最大誤差為1.6%，驗證了有限元模型的準確性。

圖2 材料本構(gòu)模型Fig.2 Constitutive models of materials

表1 混凝土材料參數(shù)取值Table 1 Values of material parameters of concrete

圖3 SAP2000和ABAQUS模態(tài)頻率結(jié)果對比Fig.3 Comparisons of natural frequencies resulting from SAP2000 and ABAQUS

2 近場速度脈沖型地震動選取

目前，國內(nèi)外學者關(guān)于近場與遠場地震的斷層距界限并沒有統(tǒng)一的認識。文獻［18］指出，近場一般指斷層距小于20～60 km 的區(qū)域，文中采用30 km 作為斷層距界限。在從美國太平洋地震工程研究中心的下一代衰減模型（NGA）強震數(shù)據(jù)庫中選取近場地震動時，將斷層距在30 km以內(nèi)且矩震級大于5.0級的地震動作為備選地震動。為獲取含有速度脈沖的近場地震動，采用了Baker［19］提出的速度脈沖量化識別方法，同時考慮結(jié)構(gòu)的基本自振周期（0.6 s），篩選出20條速度脈沖周期在0.4～1.2 s之間的近場地震動，其詳細信息見表2。

為研究速度脈沖型地震動對結(jié)構(gòu)的影響，需選取另一組非脈沖地震動。通常有2種方法：第1種是各選取相同數(shù)量的速度脈沖型和非脈沖地震動；第2種方法是首先選取速度脈沖型地震動，然后通過剔除速度脈沖型地震動的脈沖成分來生成對應的非脈沖地震動。文獻［10］指出，第2 種方法避免了因兩組地震動高頻成分不同而對結(jié)果造成的影響，因而可以更好地評價地震動脈沖成分對結(jié)構(gòu)的影響。文中采用第2種方法，將表2中每一條近場速度脈沖型地震動速度時程中的脈沖成分剔除，得到殘余速度時程，然后對其進行求導得到殘余加速度時程，即對應的非脈沖地震動。以表2 中序號為4 的近場速度脈沖型地震動為例，圖4 給出了剔除速度脈沖前后的速度時程對比。圖5 給出了表2 所列20 條近場速度脈沖型地震動和與之對應的20條非脈沖地震動的加速度反應譜。

表2 本文采用的20條近場速度脈沖型地震動Table 2 The information of 20 near-fault velocity pulse-like ground motions

圖4 剔除速度脈沖前后的速度時程Fig.4 Velocity time histories before and after removing velocity pulse

圖5 地震動加速度反應譜Fig.5 Acceleration response spectra of ground motions

3 結(jié)構(gòu)動力響應及速度脈沖放大效應分析

為對比雙層柱面鋼網(wǎng)殼－鋼筋混凝土框架支承結(jié)構(gòu)在上述2組地震動作用下的結(jié)構(gòu)響應，以PGA 作為地震動強度參數(shù)，將上述含有速度脈沖的近場地震動及與之對應的殘余地震動均調(diào)幅至表3 所列的峰值加速度值，以調(diào)幅后的地震動作為Y向地震激勵分別對結(jié)構(gòu)進行動力時程分析。表3 中的地震動峰值加速度取值分別對應抗震設(shè)防烈度為7度（0.1 g）、8度（0.2 g）和9度（0.4 g）的多遇地震、設(shè)防地震、罕遇地震和極罕遇地震。其中，根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》［21］的建議，極罕遇地震的峰值加速度應取設(shè)防地震峰值加速度的2.7～3.2 倍，文中取2.9 倍。基于大量動力時程分析結(jié)果，統(tǒng)計下部鋼筋混凝土框架支承結(jié)構(gòu)的最大節(jié)點位移、最大層間位移角、最大構(gòu)件軸力、構(gòu)件屈服比例和最大基底反力，以及上部雙層柱面鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的最大節(jié)點位移、最大桿件軸力、桿件屈服比例和上下部結(jié)構(gòu)連接處最大支反力，同時按式（1）和式（2）分別計算出上述結(jié)構(gòu)響應ai的平均值μai和標準差σai。與此同時，依次計算出第i條速度脈沖型地震動剔除速度脈沖前后對應的結(jié)構(gòu)響應值之比，即為放大系數(shù)，記為Ai，然后求出這20 個放大系數(shù)Ai的平均值μAi。以下分別討論下部支承結(jié)構(gòu)和上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的地震響應和脈沖放大系數(shù)。

表3 地震動峰值加速度取值Table 3 Values of peak ground acceleration cm/s2

式中，μai和σai分別為不同地震動強度下20條地震動所對應的結(jié)構(gòu)響應指標值ai的平均值和標準差。

3.1 下部支承結(jié)構(gòu)

圖6 給出了下部支承結(jié)構(gòu)在上述2 組地震動作用下的IDA 結(jié)果，圖中紅色實線和藍色虛線分別代表20條速度脈沖型地震動和20條非脈沖地震動所對應的結(jié)構(gòu)響應指標值。圖中顯示，在速度脈沖型地震動作用下，下部支承結(jié)構(gòu)的最大節(jié)點位移、最大層間位移角、最大構(gòu)件軸力、構(gòu)件屈服比例和最大基底反力等結(jié)構(gòu)響應的平均值要普遍大于非脈沖地震動作用下結(jié)構(gòu)響應的平均值。

圖6 下部支承結(jié)構(gòu)IDA結(jié)果Fig.6 IDA results of lower supporting structure

為更清晰地展示近場速度脈沖型地震動對下部支承結(jié)構(gòu)地震響應的放大效應，圖7 和圖8 分別給出PGA 為220、400、620 cm/s2時下部支承結(jié)構(gòu)所有節(jié)點的最大位移值及其平均值，以及所有構(gòu)件的最大軸力值及其平均值。圖中顯示，在速度脈沖型地震動作用下，下部支承結(jié)構(gòu)絕大部分的節(jié)點最大位移平均值和構(gòu)件最大軸力平均值要大于非脈沖地震動作用下對應的結(jié)構(gòu)響應值且以前者的影響更為顯著。此外，為更清晰地展示速度脈沖型地震動對下部支承結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展程度的影響，以表2 中序號為7 的速度脈沖型地震動和與之對應的非脈沖地震動為例，圖9 給出PGA 為570 cm/s2時下部支承結(jié)構(gòu)的塑性分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，在速度脈沖型地震動作用下，下部支承結(jié)構(gòu)有更多的構(gòu)件進入了塑性階段。

圖7 下部支承結(jié)構(gòu)最大節(jié)點位移對比Fig.7 Comparisons of the maximum nodal displacements of lower supporting structure

圖8 下部支承結(jié)構(gòu)最大構(gòu)件軸力對比Fig.8 Comparisons of the maximum axial forces of members of lower supporting structure

圖9 下部支承結(jié)構(gòu)塑性分布圖（“○”代表塑性點）Fig.9 Distributions of plastic points of lower supporting structure（“○”represents the plastic points）

為進一步量化近場速度脈沖型地震動對下部支承結(jié)構(gòu)地震響應的放大效應，表4列出了不同PGA 下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵響應指標放大系數(shù)的平均值?？梢钥闯觯瑢τ谙虏恐С薪Y(jié)構(gòu)，最大節(jié)點位移的放大系數(shù)平均值約為1.6～2.1，最大層間位移角的放大系數(shù)平均值約為1.6～2.0，最大構(gòu)件軸力的放大系數(shù)平均值約為1.0～1.6，最大基底反力的放大系數(shù)平均值約為1.1～1.5?？梢?，近場速度脈沖型地震動對下部支承結(jié)構(gòu)地震響應具有顯著的放大效應。此外，為便于工程運用，表5給出了推薦的放大系數(shù)。

表4 下部支承結(jié)構(gòu)地震響應放大系數(shù)平均值Table 4 Mean values of the amplification factors of seismic responses of lower supporting structure

表5 下部支承結(jié)構(gòu)地震響應放大系數(shù)建議值Table 5 Recommended values of the amplification factors of seismic responses of lower supporting structure

3.2 上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)

圖10給出了上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)在前述2組地震動作用下的IDA 結(jié)果，圖中紅色實線和藍色虛線分別代表20條速度脈沖型地震動和20條非脈沖地震動所對應的結(jié)構(gòu)響應指標值。圖中顯示，在速度脈沖型地震動作用下，上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的最大節(jié)點位移、最大桿件軸力和桿件屈服比例等結(jié)構(gòu)響應的平均值要普遍大于非脈沖地震動作用下結(jié)構(gòu)響應的平均值，然而對于上下部結(jié)構(gòu)連接處最大支反力，這種放大效應不明顯。

圖10 上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)IDA結(jié)果Fig.10 IDA results of upper reticulated shell structure

為更清晰地展示近場速度脈沖型地震動對上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)地震響應的放大效應，圖11 和圖12 分別給出PGA 為220、400、620 cm/s2時上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)所有節(jié)點的最大位移值及其平均值，以及所有桿件的最大軸力值及其平均值。圖中顯示，在速度脈沖型地震動作用下，上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)所有節(jié)點的最大位移平均值要大于非脈沖地震動作用下的最大位移平均值，部分桿件的最大軸力平均值要大于非脈沖地震動作用下的最大軸力平均值。此外，為更清晰地展示速度脈沖型地震動對上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)塑性發(fā)展程度的影響，以表2中序號為7的速度脈沖型地震動和與之對應的非脈沖地震動為例，圖13給出PGA 為1 160 cm/s2時上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的塑性分布?？梢园l(fā)現(xiàn)，在速度脈沖型地震動作用下，上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)有更多的桿件進入了塑性階段。

圖11 上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)最大節(jié)點位移對比Fig.11 Comparisons of the maximum nodal displacements of upper reticulated shell structure

圖12 上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)最大桿件軸力對比Fig.12 Comparisons of the maximum axial forces of members of upper reticulated shell structure

圖13 上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)塑性分布圖（“○”代表塑性桿件）Fig.13 Distributions of the plastic members of upper reticulated shell structure（“○”represents the plastic members）

為進一步量化近場速度脈沖型地震動對上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)地震響應的放大效應，表6列出了不同PGA 下結(jié)構(gòu)關(guān)鍵響應指標放大系數(shù)的平均值?？梢钥闯?，對于上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，最大節(jié)點位移的放大系數(shù)平均值約為1.6～2.0，最大桿件軸力的放大系數(shù)平均值約為1.2～1.6，上下部結(jié)構(gòu)連接處最大支反力的放大系數(shù)平均值約為0.8～1.1?？梢?，近場速度脈沖型地震動對上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)地震響應具有顯著的放大效應。此外，為便于工程運用，表7給出了推薦的放大系數(shù)。

表6 上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)地震響應放大系數(shù)平均值Table 6 Mean values of the amplification factors of seismic responses of upper reticulated shell structure

表7 上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)地震響應放大系數(shù)建議值Table 7 Recommended values of the amplification factors of seismic responses of upper reticulated shell structure

4 結(jié)論

文中以實際工程中典型的雙層柱面鋼網(wǎng)殼－鋼筋混凝土框架支承結(jié)構(gòu)為研究對象，以一組20條含有速度脈沖的近場地震動及另一組與之對應的20條剔除速度脈沖成分的殘余地震動作為輸入，對其進行IDA分析?；诮y(tǒng)計結(jié)果，定量研究了近場速度脈沖型地震動對網(wǎng)殼－支承結(jié)構(gòu)地震響應的影響，主要得到如下結(jié)論：

（1）近場速度脈沖型地震動對網(wǎng)殼－支承結(jié)構(gòu)的下部鋼筋混凝土框架支承結(jié)構(gòu)的最大節(jié)點位移、最大層間位移角、最大構(gòu)件軸力、構(gòu)件屈服比例和最大基底反力，以及上部雙層柱面鋼網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)的最大節(jié)點位移、最大桿件軸力和桿件屈服比例等結(jié)構(gòu)響應均具有顯著的放大效應。其中，對下部鋼筋混凝土框架支承結(jié)構(gòu)的最大節(jié)點位移和最大層間位移角的放大效應最為顯著，而對上下部結(jié)構(gòu)連接處最大支反力的放大效應不明顯。

（2）在不同強度的地震激勵下，對于下部支承結(jié)構(gòu)，最大節(jié)點位移的放大系數(shù)平均值約為1.6～2.1，最大層間位移角的放大系數(shù)平均值約為1.6～2.0，最大構(gòu)件軸力的放大系數(shù)平均值約為1.0～1.6，最大基底反力的放大系數(shù)平均值約為1.1～1.5；對于上部網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)，最大節(jié)點位移的放大系數(shù)平均值約為1.6～2.0，最大桿件軸力的放大系數(shù)平均值約為1.2～1.6，上下部結(jié)構(gòu)連接處最大支反力的放大系數(shù)平均值約為0.8～1.1。

（3）基于以上2 條結(jié)論，文中建議在近場高烈度地震區(qū)，雙層柱面鋼網(wǎng)殼－鋼筋混凝土框架支承結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計應考慮近場速度脈沖放大效應的影響；對于其它大跨度建筑，可參照文中結(jié)論定量考慮近場速度脈沖型地震動的影響。