基于结构台阵记录的地震响应分析

庞骢骢，丁海平，2

(1.苏州科技学院江苏省结构工程重点实验室，江苏 苏州 215011；2.中国地震局工程力学研究所，黑龙江 哈尔滨 150080）

0 引言

地震作用下建筑结构振动的数值模拟，是结构抗震分析研究的主要方法之一。土-结构相互作用一直是抗震分析研究的重点。随着计算机的发展，结构抗震有限元分析趋于走向三维数值模拟，在土-结构相互作用分析中，Penzien模型[1、2]和平面模型[3、4]逐渐被替代。一些学者利用土-桩-结构三维模型对结构在地震作用下的影响参数作了研究[5、6]，一些学者也做了数值模拟与振动台试验的比较[7、8]，实际的工程中，土层勘测的钻孔不多，这些研究中的土层模型基本都假定为水平成层，考虑土层有倾角的研究不多。

地震观测是为了研究地震地面运动规律和结构抗震性能而发展起来的一个研究方向，其中结构地震反应观测台阵是为了解和掌握工程结构在强地震作用下的反应性状而专门设立的。对工程结构进行强震观测，并分析结构在实际地震中的反应过程，是提高结构分析和设计水平进而减轻地震破坏的一种非常好的手段。因为地震反应一旦被记录，可以得到大量结构抗震性能方面的观测数据，这相当于进行了一次原型结构振动试验[9]。所以欧美等发达国家一向非常重视这项工作[10～12]。中国自80年代以来，在地震观测方面得到迅速发展，大量的典型工程结构上架设了强震观测仪器[13]，由此，汶川（2008）、攀枝花（2008）、姚安（2009）等多次地震中，均有工程结构获得了地震反应的观测数据。利用这些资料，研究者们可以开展大量的工作。

本文选用大型有限元软件Abaqus，对云南省人民政府防灾减灾应急指挥中心建立土-桩-结构模型，考虑到实际的土介质模型比较复杂，将土分为水平成层和有倾角成层2种模型，并将数值模拟结果与实际结构地震观测的结果进行了比较，从而反映两种模型在真实动力响应下的影响。

1 建筑结构概况

指挥中心大楼建于昆明市北郊，为现浇框架-剪力墙结构(图1)，同时也是一幢结构反应观测台阵，其平面结构如图2所示。该高层建筑主楼地上十层，底层层高2.75 m，一层层高4.5 m，其余每层层高3.9 m，地下一层，层高4.5 m。副楼三层，一、二层层高4.2 m，三层层高5.1 m。主楼建筑总高度39.3 m，长46.8 m，宽15.6 m；副楼长18 m，宽15.6 m，总建筑面积6 787.1 m。现浇楼板厚度为0.13 m，柱子尺寸一到五层外柱0.6 m*0.6 m，内柱0.7 m*0.7 m，六到九层外柱0.5 m*0.5 m，内柱0.6 m*0.6 m，梁尺寸为0.35 m*0.65 m，底层剪力墙厚度为0.35 m、0.3 m，二层剪力墙厚度为0.35 m、0.3 m、0.25 m，三四层剪力墙厚度为0.35 m、0.25 m，五层及以上剪力墙厚度为0.35 m、0.25 m、0.2 m，基础采用桩-箱基础，箱基顶板厚0.18 m，底板厚0.5 m，箱基墙后0.4 m。桩截面为0.35 m*0.35 m。混凝土强度等级：梁和楼板采用C30，柱和剪力墙采用C50，承台与桩采用C50混凝土。

图1 防灾减灾中心效果图Fig.1 Effect drawing of disaster prevention and mitigation Center

图2 主楼标准层平面图(星号为加速度仪位置)Fig.2 Plane graph of main building standard layer(star:accelerograph position)

2 模型建立

由于本文缺少钻孔的详细资料，所以由表1假定了2种土介质模型(图3、4)，即水平成层和有倾角成层模型。为了简化分析模型，对场地条件相应调整，调整后的场地土层参数见表2。水平成层模型(图3)即按场地条件分为三个水平层建模；有倾角成层模型(图4)，其在水平成层模型的基础上，于一层和二层的交界面，沿交界面对称轴转动5度，形成一个倾斜的平面建模。土介质模型的人工边界条件为：侧面为滚轴边界，底面为粘性边界。土体的尺寸，平面为78 m*78 m，深度为36.15 m。

表1 土层条件Table 1 Soil condition

表2 模拟中简化后的场地条件Table 2 Simplified soil condition in model

图3 水平成层模型Fig.3 Horizontal layering model

图4 有倾角成层模型Fig.4 Inclined layering model

在土-桩-结构整体模型中，结构的梁和柱采用梁单元，剪力墙和楼板采用壳单元。桩承台、桩以及土体采用实体单元。使用ABAQUS相互作用模块中的EMBEDDED将桩(图5、6)嵌入到土体中去。由于记录到的地震动参数较小，在本文的数值模拟中，所有的结构材料均假定为线弹性体系。上部结构模型的阻尼比选定为0.03，土体阻尼比为0.05，模型采用单向输入地震波。

图5 桩基础模型Fig.5 Pile foundation model

图6 土-桩-结构模型Fig.6 Soil-pile-structure model

3 地震波的选取

作为一幢结构地震反应观测台阵，该大楼在地下室、一层、二层、四层、六层、八层和九层等7个楼层分别布置了三分量加速度仪(图7)，仪器所在的平面位置见图2。2009年姚安地震时，共获得了七组三分量的加速度反应记录，记录的持续时间大约为105 s。从地下室和九层处的地震反应记录看，结构东西向最大峰值加速度分别为4.9 gal和8.0 gal，南北向最大峰值加速度分别为6.8 gal和21.9 gal。本文的土-桩-结构模型需要从土体底部进行地震波输入，利用地下室观测点的地震记录(图8a、8b)对土层进行地震波反演[14]，获得土层底部的输入地震波(图 8c、 8d)。

4 结构时程响应分析

图7 加速度仪位置图Fig.7 Accelerograph position

图8 地下室地震记录和反演波Fig.8 Seismic record and inverting wave in basement

基于上述线弹性土-结构相互作用水平成层模型和有倾角成层模型，并以姚安地震反演得到的加速度数据作为输入，采用Abaqus有限元软件计算了云南省人民政府防灾减灾应急指挥中心的地震反应，一层、二层、四层、六层、八层和九层的结构时程反应如图9和图10所示，加速度反应谱如图11和图12所示，图中的实测结果为加速度记录。

图9 EW方向加速度时程计算结果与观测结果Fig.9 Calculations and observations of acceleration time-history in the EW direction

图9中在EW方向，水平成层模型和有倾角成层模型的模拟结果与观测结果吻合较好，水平成层模型的顶层加速度峰值与观测值的误差为2.5%，有倾角成层模型的顶层加速度与观测值的误差为5%。由图10可知在NS方向，水平成层模型模拟结果与观测结果高度吻合，而有倾角成层模型在这一方向的结果较观测值偏大。水平成层模型的顶层加速度峰值与观测值的误差为0.9%，有倾角模型的顶层加速度与观测值的误差达14.6%。图11、图12的加速度反应谱显示，两种模型在EW方向上的模拟结果与观测记录有较好的吻合；在NS方向上有倾角成层模型的计算结果大于水平成层模型结果，并且明显高于观测记录。

图10 NS方向加速度时程计算结果与观测结果Fig.10 Calculations and observations of acceleration response spectrum in the NS direction

图11 EW方向加速度反应谱计算结果和观测结果Fig.11 Calculations and observations of acceleration response spectrum in the EW direction

图12 NS方向加速度反应谱计算结果和观测结果Fig.12 Calculations and observations of acceleration response spectrum in the NS direction

5 结论

本文以Abaqus有限元软件为计算平台，建立了云南省防灾减灾应急指挥中心的土-桩-结构三维有限元模型，其中土体分为水平成层和有倾角成层两种模型，运用两种模型基于姚安地震作用进行了动力时程计算，并与观测资料进行了对比，得到以下结论：

（1）水平成层土-桩-结构相互作用模型在两个方向上的计算结果与观测资料吻合度很高，计算结果峰值点位置与观测结果契合充分，谱幅值非常接近。

（2）有倾角成层土-桩-结构相互作用模型的顶层计算结果与观测资料相比有明显的放大现象，在NS方向体现的更加明显。

（3）通过水平成层介质模型与有倾角成层介质模型的对比可以发现，倾角的存在显著的影响了地震反应分析的计算结果，当我们对高层建筑进行地震作用下的数值模拟分析时，不能忽略土层倾角的影响，介质模型应尽可能的与实际土层一致。

[1]邹立华，方雷庆.考虑桩-土-结构相互作用的结构振动控制研究[J].振动与冲击，2010，29(11)：100～114.

[2]邹立华，方雷庆，黄凯，等.相邻建筑考虑桩－土－结构相互作用(PSSI)碰撞分析[J].地震工程与工程震动， 2011， 31(5)： 132～141.

[3]张令心，刘洁平，石磊.高层建筑土-结构相互作用地震反应分析方法及应用[J].北京工业大学学报，2010， 36(1)： 25～33.

[4]石磊，杜修力.框剪结构土-结构相互作用地震反应分析[J].震灾防御技术，2010，5(1)：53～61.

[5]李培振，吕西林.考虑土-结构相互作用的高层建筑抗震分析[J].地 震 工 程 与 工 程 振 动，2004，24(3)：130～138.

[6]武成浩，姚谦峰，阎红霞，等.罕遇地震作用下考虑接触效应的高层建筑上部结构-桩-土体相互作用的非线性分析[J].岩石力学与工程学报，2011，30(1)：3224～3233.

[7]于旭，陈亚东.考虑SSI效应的隔震结构体系振动台模型试验与数值模拟对比研究[J].世界地震工程，2011， 27(2)： 100～106.

[8]李培振，吕西林，陈波，等.均匀土-箱基-结构相互作用体系的计算分析[J].地震工程与工程震动，2002， 22(5)： 115～121.

[9]李鸿晶，朱士云，Mehmet Celebi.强震观测建筑结构的地震反应分析[J].地震工程与工程振动，2003， 23(6)： 31～36.

[10]Celebi M,Safak E.Seismic response of Transam Erica building.I:Data and pre-liminary analysis[J].Journal of Structural Engineering， ASCE,1991， 117(8)： 2389-2404.

[11]Celebi M,Safak E.Seismic response of Pacific Park Plaza.I:Data and prelimin-ary analysis[J].Journal of Structural Engin-eering， ASCE， 1992， 118(6)： 1547-1565.

[12]Celebi M.Response of Olive Hospital to Northridge and Whittier earthquakes[J].Journal of Structural Engineering， ASCE， 1997， 123(4)： 389-396.

[13]叶春明，张彪.广东省强震观测的现状与展望[J].华南地震，2001，21(2)：58～63.

[14]廖振鹏.工程波动理论导论(第二版)[M].北京：科学出版社，1996.