钢筋混凝土框架结构在近断层脉冲型地震动作用下的动力响应

叶 昆， 任 毅， 赵仕栋， 黄 言

(华中科技大学 土木工程与力学学院，湖北 武汉 430074)

近断层(near-fault)地震动，也称为近场(near-field)地震动或近源(near-source)地震动，它是指当震源距较小时，震源辐射地震波中的近场和中场不能忽略的区域的地震动。最近几次近断层大地震，即美国北岭地震(1994)、日本神户地震(1995)、我国台湾集集地震(1999)、土耳其Kocaeli地震(1999)和四川汶川地震(2008)等对工程结构造成的严重破坏和前所未有的经济损失引起了地震工程界的密切关注[1，2]。这些地震均发生在近断层附近，均伴随有较大的速度和位移脉冲，这种脉冲效应会使结构在一开始就承受高能量冲击作用，显著改变结构的动力响应[3]，进而引起较大的内力和变形。由于近断层地震动和远场地震动有显著的不同，结构在这两类地震动作用下的反应会有很大的差异，目前近断层地震动作用下结构的研究还有待深入[4]。

本文基于现行的抗震设计规范[5]分别设计三层、六层和九层钢筋混凝土平面框架结构，研究所设计的钢筋混凝土框架结构在近场脉冲型地震动和远场非脉冲型地震动下的反应特征，从结构的顶点位移、层间位移角和层间剪力三个方面，对两类地震动作用下结构的反应特性进行了对比，通过分析找到合理的抗震设计方法。

1 基于规范设计的钢筋混凝土框架结构

基于目前现行的结构设计规范，分别设计了三层、六层和九层的平面钢筋混凝土框架结构，编号分别为FR1、FR2和FR3，其基本周期分别为0.34 s、0.61 s和 0.79 s。

图1 三层框架立面图及基本尺寸

图2 六层框架立面图及基本尺寸

图3 九层框架立面图及基本尺寸

2 地震动的选取

表1 近断层脉冲型地震动

对于未来发生的地震，目前我们还无法预测，因此考察结构在单一地震动作用下的结果，并不具有普遍性，很多研究人员也发现，不同地震动给出的计算结果相差很大(即使调整到同一峰值)，这主要是地震动波形和频谱之间的差异造成的，因此由单独的一条地震动给出的结论经常让人难以信服。对于这种情况，采用将多条地震动的结果进行汇总、平均的方法，可以缓解以上问题，并获得较好的结果。本文进行时程分析时选择了近场地震动记录27条，远场地震动记录27条[6]。

表2 一般地震动

3 结果及分析

对三层、六层和九层框架结构各选用27条近场脉冲型地震波(FD)和27条普通地震波(NFD)进行分析计算，得出结构在各不同地震作用下的动态响应。

3.1 结构顶点位移

将不同加速度峰值的地震动对三层、六层和九层框架结构产生的结构顶点位移分别绘制于图中，然后对各位移点进行拟合，由于顶点位移符合对数规律，纵坐标采用对数坐标。见图4至图6。

图4 三层框架结构在近断层脉冲型和一般地震动作用下的顶点最大位移

图5 六层框架结构在近断层脉冲型和一般地震动作用下的顶点最大位移

图6 九层框架结构在近断层脉冲型和一般地震动作用下的顶点最大位移

通过上图可知:(1)结构顶点位移随地震动加速度峰值的增加而增加或基本维持不变(9层)，脉冲型地震动的增幅更加明显，这从拟合曲线的斜率大小可以看出;(2)当加速度较小时，非脉冲地震动引起的结构顶点位移比脉冲型地震动引起的要大。但是随着加速度的增加，脉冲型地震动则会引起更大的顶点位移，且二者之间的差值将越来越大。而非脉冲型和脉冲型产生相同顶点位移的峰值加速度对不同框架是不等的，层数越高的框架结构受到脉冲型地震动的动态影响越大;(3)从以上三图可以看出，不论是脉冲型还是非脉冲型地震动，九层框架的顶点位移都比六层的要大，六层框架的顶点位移都比三层的要大，即层数越高，顶层偏移越大。

3.2 结构层间位移角及其沿层高的分布

我们知道，考察结构的破坏时除了要保证结构的顶点位移不超过限值要求外，还需保证层间相对位移不超过限值。结构在地震动作用下，可能在顶点位移达到破坏限值之前，由于层间相对位移过大导致结构的破坏。又因为每层的层高并不一定相同，故将层间相对位移转换为层间相对位移角来考虑。现将三、六、九层框架结构受到近断层(FD)地震动和27条普通(NFD)地震动时各层的相对位移角绘于图中。每张图中有27条细实线表示27条FD地震动或27条NFD地震动作用下的各层层间位移角;粗实线表示该27条地震动产生各层层间位移角的平均值;粗虚线表示平均值的正负一倍标准差所对应的层间位移角;粗点划线则表示《建筑抗震设计规范》中层间位移角的限值2%。

图7～图12比较可知，三层框架结构在FD和NFD地震动作用下的层间位移角很接近，即表明二者对结构的位移影响相当。FD地震动作用时的各层位移角的标准差分别为0.584、0.567、0.530;而NFD时标准差分别为0.610、0.617、0.593。结合上述数据和图可知，在±δ范围内(即保证率为84.1%)NFD地震动作用下层间位移角更离散。且不论FD还是NFD地震动作用下的层间位移角均小于限值2%，这表明《建筑抗震设计规范》中虽然没有考虑近断层地震动的影响，但以《建筑抗震设计规范》为依据进行三层框架结构的设计是能够满足近断层地震作用的要求的。

图7 三层框架近断层脉冲型地震动下的最大层间位移角的楼层分布

图8 三层框架一般震动下的最大层间位移角的楼层分布

图9 六层框架近断层脉冲型地震动下的最大层间位移角的楼层分布

这可以说明脉冲型地震动主要是影响中、低层从而导致整栋建筑的破坏。结合上述数据和图易知，在±δ范围内(即保证率为84.1%)FD地震动作用下中低层位移角的值更离散，而NFD地震动作用下层间位移角最离散处比FD地震下的层数要高。且FD地震动作用下的结构在较高层的层间位移角均小于限值2%，而中下部则已超过限值，尤其以中部最为危险。NFD地震动作用下的层间位移角在规范规定的限值范围内。这表明《建筑抗震设计规范》中因过低的估计了近断层地震动的影响，而导致以此为依据进行六、九层框架结构的设计在近断层地震动作用下是不一定满足要求的。这也说明现有的《建筑抗震设计规范》是存在缺陷的，有脉冲地震的影响在多层和高层结构与无脉冲地震是不同的，建议规范修改为:对于自振周期大于0.5s的结构，增大或不考虑地震折减系数。

图10 六层框架一般震动下的最大层间位移角的楼层分布

图11 九层框架近断层脉冲型地震动下的最大层间位移角的楼层分布

图12 九层框架一般震动下的最大层间位移角的楼层分布

3.3 结构层间剪力及其沿层高的分布

图13 三层框架在近断层脉冲型地震动作用下层间剪力的楼层分布

图14 三层框架在一般地震动作用下层间剪力的楼层分布

图15 六层框架在近断层脉冲型地震动作用下层间剪力的楼层分布

从上图可知，在较低层近场地震动产生的剪力值要大，随着层数的增加远场地震动产生的剪力会更大。这说明近场地震对多层结构影响主要是作用在结构的下层。其实三层结构也有相同的规律，只是二者之间的差额很小很接近。经过对不同峰值加速度的地震波的剪力值进行比较得知，加速度峰值越大，近场对较低层影响比远场越大，对较高层影响要小。这表明《建筑抗震设计规范》没有计地震的近场影响对结构的内力值的考虑是不利的，主要表现在下层。

图16 六层框架在一般地震动作用下层间剪力的楼层分布

图17 九层框架在近断层脉冲型地震动作用下层间剪力的楼层分布

图18 九层框架在一般地震动作用下层间剪力的楼层分布

4 结论

抗震规范中是以远场地震动影响作为房屋建筑设计的考虑依据，没有充分的考虑近场地震动的危害性，因此可能导致建筑抗震的不足。根据以上分析可知，近场地震动对混凝土框架结构影响比远场地震动的影响要大，尤其是多、高层框架结构。在框架顶点位移上，近场地震动的明显要大。相应地，层间位移角也要大，对于较多层框架结构近场地震动产生的层间位移角可能超过相应规范的限值。对于这点的建议:对于自振周期大于0.5s的结构，增大或不考虑地震折减系数。在层间剪力上，框架结构的较低层近场地震动产生的剪力值也较远场的大，这也可能导致依据相应规范设计的结构剪力承载力不足。对于该点的建议:可以对地震折减系数进行相应地调整，适当增大。

[1]易伟建，张 冰.近场地震作用下框架结构的损伤机理[J].自然灾害学报，2007，(2):112-117.

[2]易伟建，马会杰.近场地震下已建钢筋混凝土框架结构抗震性能分析[J].自然灾害学报，2010，(6):112-118.

[3]叶 昆，李 黎.LRB基础隔震结构在近断层脉冲型地震作用下的动力响应研究[J].工程抗震与加固改造，2009，(2):32-38.

[4]李 爽，谢礼立.近场问题的研究现状与发展方向[J]. 地震学报，2007，(1):102-111.

[5]GB 50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[6]Sehhati R，Rodriguez-Marek A，ElGawady M，et al.Effects of near-fault ground motions and equivalent pulses on multi-story structures[J].Engineering Structures，2011，33(3):767-779.