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近断层地震动对结构响应和耗能的影响

2023-07-07 74 上传者：管理员

摘要：近断层地震动基本特征包括破裂方向性效应、滑冲效应、速度脉冲效应、上盘效应和竖向加速度效应等，而其中速度脉冲效应是最区别于一般的远场地震动的特点，该效应也是造成结构破坏的主要原因。PGV/PGA值是可以表征近断层地震动特点的地震动参数，故可以作为选取近断层地震动的一个条件。因此主要探究了近断层速度脉冲型地震对结构响应和耗能的影响，并以PGV/PGA值为分析对象，对断层距20 km内大量近断层地震动记录进行统计分析，得出以PGV/PGA值挑选近断层速度脉冲型地震时建议的选取范围。

关键词：
建筑设计
结构响应
结构建模
近断层地震
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1、概述

近断层强地震动具有的一些基本特征，如集中性、破裂方向性效应、滑冲效应、速度脉冲效应、上盘效应和竖向加速度效应等。在这些特征中速度脉冲效应是最区别于一般的远场地震动的特点，该效应也是造成结构破坏的主要原因。因此本文通过弹塑性时程分析方法研究近断层速度脉冲型地震对结构的响应影响。另外当需要大量近断层地震动记录研究(如IDA分析)且研究的近断层区域并不大时，近断层地震动记录往往并不充足，而地震动参数值PGV/PGA可以很好地反映近断层地震的特点，故对该值进行统计回归分析，为筛选近断层地震动记录进行研究时提供该参数值的建议范围。

2、近断层地震动对结构响应和耗能的影响

近场脉冲型地震动作用下，当结构基本周期大于速度脉冲周期时，屈服最先发生在结构上部，随着地震强度的加剧，最大层间延性需求向结构下部移动；对结构基本周期小于速度脉冲周期的结构，最大层间延性需求总发生在底部[1,2]。Malhotra(1999)[3]研究近断层脉冲地震时指出，地震波时程中脉冲的存在不一定引起结构高频模态反应，其确定因素为PGV/PGA比值的大小，该值的计算公式如式(1)所示。高峰值速度和峰值加速度比值(PGV/PGA)会使弹性加速度反应谱的加速度敏感区变宽，使结构底部所受地震力加大，进而导致更大的基底剪力和层间变形与延性需求。

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为研究近断层地震速度脉冲效应对结构响应的影响，本文选取同次地震事件(集集地震，1999)同一场地类别(Ⅱ类)的两条近断层地震动记录，其中一条具有速度脉冲，另一条不具有速度脉冲，之后将两条地震动记录PGA调幅到400gal,通过对一个典型的办公楼建筑模型进行弹塑时程分析研究速度脉冲型地震对结构的响应。

2.1结构建模

1)层高。考虑结构层高除了与实际工程接近外，还考虑结构总体高度引起的抗震等级的不同。根据JGJ/T 67—2019办公建筑设计规范[4],“一类办公建筑不应低于2.70 m;二类办公建筑不应低于2.60 m;三类办公建筑不应低于2.50 m”。办公室建筑人员密集，考虑到空气流通、装修等，一般层高较高，这里层高取3.6 m,平面布置取常用的内走廊式，结构平面图如图1所示。2)场地类别为Ⅱ类场地。3)梁柱截面框架梁、柱截面种类最多不超过3种，尽量减少截面种类。4)基本设计资料设计地震分组：第二组[5]。场地类别：Ⅱ类。基本风压：0.4 kN/m2。地面粗糙度B类。基本雪压：0.3 kN/m2。楼面及屋面活载[6]:房间：2.0 kN/m2,走廊：2.5 kN/m2,不上人屋面：0.5 kN/m2。楼面及屋面楼板厚度：120 mm,混凝土强度等级：C30。保护层厚度：梁、柱取20 mm,板取15 mm。模型梁柱截面尺寸见表1。采用PKPM软件进行设计建模，办公楼三维模型视图如图2所示。

2.2选取的地震动记录

从集集地震中选取的两条地震动速度时程曲线如图3,图4所示，均为场地类别Ⅱ类，分别是TCU068-E和TCU079-E。速度脉冲形式一般包括单瓣速度脉冲、双瓣速度脉冲和多瓣速度脉冲，对比图3,图4可以明显看出地震动记录TCU068-E速度时程曲线具有明显的脉冲峰值，为单瓣速度脉冲。

两条地震动记录的原特征参数值见表2,可以看出即使两条地震动记录的PGA值相差不大，但PGV/PGA值却差了近5倍。

表2地震动原特征参数

2.3弹塑性时程结果分析

弹塑性时程分析是目前常用的弹塑性理论分析方法，其针对动态载荷作用下的结构响应进行分析。利用上述挑选的两条地震动记录调幅后(PGA=400gal)作为输入的动力荷载对某典型办公楼结构进行弹塑性时程分析，得到图5—图8的结构响应和耗能结果。

首先观察图5中的两条地震动对结构作用的层间位移和最大楼层位移响应变化，可知脉冲地震动TCU068-E会对楼层的位移变形产生较大影响，且影响主要集中在结构底部，即底层位移有突变。另外观察图6,图7的两条地震动作用的结构耗能图可以发现脉冲地震动TCU068-E相较于非脉冲地震动TCU079-E对结构的做功中应变能占了较大比重，即脉冲地震动会对结构造成更大的位移变形需求。

最后，从图8可看出脉冲地震动TCU068-E对结构作用会产生更大的基底剪力峰值。观察图8脉冲地震动的基底剪力、图3和图4的速度时程曲线的峰值变化可看出：当速度脉冲出现时，结构的基底剪力明显增大。

3、速度脉冲地震特征参数PGV/PGA值

近断层地震动在地震学中被定义为距离断层较近范围内，一定比例波长范围内的地震动。目前对于近断层地震动距离的定义并不统一，而根据以往对近断层地震动范围划分的研究来看，多数学者认为断层距20 km以内的地震动记录为近断层地震。故本文研究的地震动记录距离范围为20 km。

可用来研究的近断层地震动记录并不多，因为当对其筛选时，往往需要考虑震级和场地类型等条件，甚至只挑选具有速度脉冲的地震动记录，这样并不能得到足够的地震动记录。由前述内容中可知，近断层地震动具有高PGV/PGA值会对结构造成更大的破坏，PGV/PGA值可以反映近断层地震动的特点，因此在挑选近断层地震动时可考虑此特征参数去筛选。

3.1PGV/PGA值统计回归拟合

本节欲统计回归对比分析断层距0 km～20 km非脉冲和脉冲地震动记录的PGV/PGA值。根据太平洋PEER强震数据库中的选取条件筛选了震级大于5.5级的886条地震动记录，其中非脉冲地震动记录640条和具有脉冲地震动记录246条。利用SPSS数据分析软件的频数统计分析功能得到非脉冲和脉冲地震动各PGV/PGA值区间的相对频率(百分比值)分布直方图，如图9,图10所示，通过观察两图可看出两类地震动的PGV/PGA值相对频率近似呈“钟形”(两边小、中间大),近似符合正态分布，接着利用SPSS软件的数据拟合功能进行Gauss拟合，分析过程如下：

Gauss拟合方程见式(2),如图11所示为高斯拟合曲线示例图。

3.2拟合结果分析

对于一个较好的拟合结果，正确的残差散点图不仅要体现出随机性(random),还要体现不可预测性(unpredictable),即残差的散点图是无序分布的，并不会显示出一定的趋势，同时直方图应该是对称的“钟形”分布，在残差正态概率图中的点通常为一条直线。观察图12,图13拟合的残差图，自变量和拟合Y值的残差散点图中点围绕中心线随机分布，残差直方图近似“钟形”,且残差正态概率图中的点近似一条直线。另外表3中两种拟合结果的R2值均大于0.9。综上所述可证明拟合效果较好。

表3拟合方程中各参数拟合结果

通过表3可知，非脉冲地震和脉冲地震的PGV/PGA值频率分布进行Gauss拟合曲线的均值分别为0.060 86和0.147 11,非脉冲地震动的PGV/PGA值w宽度区间为0.038～0.098,而脉冲地震动的PGV/PGA值w宽度区间为0.08～0.21。由此统计回归分析可知，非脉冲地震动的PGV/PGA值远小于脉冲地震动，这也是近断层速度脉冲型地震区别于其他的一般地震动的一个重要特征，即具有较大的PGV/PGA值。因此通过以上分析，建议在挑选近断层地震动记录时考虑增加高PGV/PGA值(该值越大越可以反映脉冲特性，故根据拟合均值来看该值应尽量大于0.14)的筛选条件，以保证既有足够的地震动记录数量又可反映近断层区域地震动的特点。

4、结论

1)选取同一次地震事件中具有脉冲和不存在脉冲的两条地震动记录作为动力荷载，对某典型办公楼建筑进行弹塑性时程分析。通过结构响应和耗能的结果表明：虽然将地震动进行调幅，使得PGA值相同，但具有速度脉冲的地震动会使结构产生更大的位移变形，主要集中在较低的楼层，且这类地震动往往具有较高的PGV/PGA值。

2)对断层距20 km内大量的近断层地震动进行具有脉冲和不具有脉冲进行分类。为分析两类地震动集PGV/PGA值的分布情况，通过高斯拟合的方法对两类地震动进行了统计回归分析，结果表明速度脉冲型地震动的PGV/PGA值要明显比不具有脉冲的地震动高，该值可作为反映近断层地震动特点的参数，故在筛选近断层地震动时一般建议取PGV/PGA值大于0.14。

参考文献：

[4]中华人民共和国住房和城乡建设部办公建筑设计规范: JGJ/T 67- -2019[S].北京:中国建筑工业出版社, 2019.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部建筑抗震设计规范: GB 50011- -2010[S].北京:中国建筑工业出版社, 2010.

[6]中华人民共和国住房和城乡建设部建筑结构荷载规范: GB 50009- -2012[S].北京:中国建筑工业出版社, 2012.

文章来源：赵兴德.近断层脉冲地震对结构影响分析与选波建议[J].山西建筑,2023,49(14):58-61