不同场地条件下钢筋混凝土框架结构的地震反应分析

朱纹军 陈清军

（同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092）

不同场地条件下钢筋混凝土框架结构的地震反应分析

朱纹军*陈清军

（同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海200092）

从“5.12”汶川强震记录中挑选出四川省自贡地形台阵8个台站和宝兴县2个台站的加速度记录，进行了不同场地条件下的地震波频谱特性分析，比较了复杂场地地形条件下的地震动差异。以某钢筋混凝土框架结构教学楼为工程背景，利用ANSYS软件建立教学楼结构的有限元模型，进行了结构动力特性分析；在此基础上，以10条不同场地条件下的地震动时程按照规范调幅后作为输入，对这一钢筋混凝土框架结构进行了地震反应分析，探讨了不同场地条件下结构地震反应的差异。结果表明：自贡地形台阵随着测站高程的增加，地震动幅值递增明显；与基岩地震波的频带分布相比较，土层地震波的频带主要集中在较低频段，土层的高频滤波效应明显；场地条件对结构地震反应的影响较为明显，高程最大的地震波作用下结构的最大剪力响应增大明显。

地形台阵记录，地震动频谱特性分析，钢筋混凝土框架结构，不同场地条件，时程分析与比较

1 引 言

在“5.12”汶川大地震过程中，中国数字强震动台网［1］共有398个台站获得了本次主震的强震动记录，这对于抗震研究工作具有极高的价值。许多震害调查［2］表明，相距仅百米的相似建筑物的受破坏程度存在较大差异，形成了明显的震害异常区域，这对于研究场地条件与结构地震反应的关系具有重要意义。众多的研究成果也表明，局部场地条件对地震动振幅具有放大或缩小［3］的影响，从而直接影响了震害程度的分布，并且场地条件对于地震动的频谱特性［4］也有直接的影响，所以本文从“5.12”汶川强震记录中选取了宝兴和自贡两地的地震波加速度记录，在此基础上分析了场地条件对地震动幅值、持时和频谱特性的影响，并以一钢筋混凝土框架结构为例，通过Ansys对其建模并进行了地震反应分析，对地震动记录按照规范进行调幅后，讨论了不同场地条件对于结构反应的差异的影响。

2 地震动特性的比较

本文共选取了10个台站的地震波加速度时程记录，其中8个来自自贡地形台阵记录，2个来自宝兴县民治乡和盐井乡的台站记录。其中自贡地形影响台阵［5］的观测结果是本文重要的数据来源，因其台阵的布设总体上大致是沿着当地山脊地形的轴线进行，所以其对于观测场地基于不规则地形特点而导致地表地震动的放大效应在空间分布上的非均匀特性影响具有重要意义。10条记录中有2条土层波记录、8条基岩波记录。

表1 地震动时域特性信息Table 1Time domain characteristics of seism ic waves

2.1 时域特性的比较

对比分析土层波和基岩波测站的数据可知，土层波的幅值较基岩波更大，BXY测站在南北方向和东西方向的振幅分别为BXM测站的1.33倍和1.24倍；ZGS0土层测站南北方向和东西方向的振幅分别为ZGS1基岩测站的1.80倍和2.39倍。对比分析ZGS1测站至ZGS7测站七个测站的地震动幅值可知，水平地震波幅值与测站的高程呈现正相关性，高程最大的ZGS6基岩测站在南北方向振幅较高程最小的ZGS1基岩测站增大了59.4%。

图1 自贡台阵布置剖面示意图［6］Fig.1 Zigong station profile［6］

总体而言，所有的地震波数据都表现出如下特点：首先，南北向和东西向的地震波振幅基本相等，没有体现出明显的方向性；其次，竖直方向的振幅约为水平向振幅的50%。

2.2 频域特性的比较

地震动反应谱既与地震动特性相关，又和结构自身特性［7］相关，所以从本质上而言，地震动反应谱包含了地震动频谱信息，同时也考虑了结构的基本动力特性。本文对自贡地形台阵的加速度时程进行处理后得到了各个台站阻尼比为0.05的标准加速度反应谱。

相比于基岩波，土层波在较长周期处对应的加速度动力放大系数更大。对比BXY测站和BXM测站的反应谱数据可知，在东西方向上，前者的动力放大系数最大值对应的周期比后者大0.02 s；在南北方向上，前者的最大值比后者大0.03 s。对比ZGS0测站和ZGS1测站，在东西方向上，前者的动力放大系数最大值对应的周期比后者大0.17 s；在南北方向上，前者的最大值比后者大0.72 s。

随着台站高程的增加，地震波频谱中低频的成分逐渐增多，这表明在靠近山顶的地方，其受到地形条件的影响更为明显，对具有长周期的结构物而言更具有破坏力。换言之，突兀的山顶对于结构的影响与基岩之上覆盖软弱土层的场地相似，两者都会使得场地的卓越周期变大，因此这对于长周期结构的抗震性能而言是不利的。即便是对于周期较小的结构，由于其在受到破坏后可能发生构件的开裂，从而导致结构的整体刚度削弱［8］，自振周期变长，因此无论如何，较大的场地卓越周期对于结构而言都是较为不利的。随着高程的增加，加速度动力放大系数的最大值在总体上呈现增大的趋势，ZGS5台站和ZGS6台站的动力放大系数较其他台站更大，其中ZGS3台站在东西方向的加速度动力放大系数最大值是ZGS4测站的1.23倍，南北向的比值为1.05。

图2 地震动加速度时程记录Fig.2 Seismic acceleration time history records

图3 地震动反应谱Fig.3 Seismic response spectra

3 有限元模型的建立及动力特性

3.1 模型建立

本文所选取的模型是某中学教学A楼，该教学楼建成于2007年，主体为5层框架结构，局部为6层，总建筑面积是3 618.3 m2，按照抗震建筑规范的要求，设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，框架抗震等级为三级，结构层高3.6 m，柱尺寸为400mm×400mm，主梁尺寸为200mm×600mm，楼板厚度为150mm，各层填充墙厚度均为200mm，柱下独立基础。梁、板、柱的混凝土强度等级均为C30。受力钢筋采用HRB335，填充墙体采用MU10空心砌块，M5砂浆砌筑。

3.2 结构动力特性分析

利用ANSYS的模态分析功能，提取前十阶模态，计算方法采用Block Lanczos法，计算结果如表2所示。以平动为主的第一自振周期为T1＝0.890 9 s，以扭转为主的第一自振周期为Tt＝0.735 5，其比值Tt／T1＝0.825 57，满足规范对周期比规定的限值0.85，说明结构的扭转效应不明显，具有足够的抗扭刚度。

图4 结构平面布置图（单位：mm）Fig.4 Structural plane（Unit：mm）

表2 结构的前十阶自振频率与自振周期Table 2First ten structure frequencies and periods

图5 结构分析模型Fig.5 Structure analysismodel

4 不同场地条件下结构时程反应计算结果分析与比较

4.1 角柱位移对比分析

结构1B轴线位置的角柱最大位移都发生在结构顶层，其中角柱在X方向的位移随着楼层的改变而呈现出缓和的变化，然而在Y方向的第五层和顶层之间出现了剧烈的变化，表明这两层间结构刚度和质量发生了较大的变化，从而表现出了鞭梢效应。对于相同高程的土层波测站与基岩波测站，土层波作用下结构的最大位移较基岩波作用下的最大位移更大，ZGS0台站的地震波数据作用下结构的最大角柱位移比ZGS1台站增大了2.9%。随着高程的增加，结构的反应也随之增大。山顶处ZGS6台站的结构响应比山脚处ZGS1台站增大了27.9%。

4.2 角柱层间位移对比分析

结构在地震作用下产生了鞭梢效应，层间位移最大值出现在顶层。靠近底部的楼层在X方向上表现出更大的层间位移，而随着楼层的上升，Y方向的层间位移超越X方向的层间位移。在测站高程相同的情况下，基岩波作用下的角柱层间位移较土层波作用下的角柱层间位移更大。ZGS0测站的地震波作用下角柱二层X方向层间位移相比ZGS1测站增大了7.9%。随着测站高程的增加，结构的层间位移也呈现增大的趋势。ZGS6测站的地震波作用下二层X方向层间位移相比ZGS1测站增大了30.8%。

4.3 角柱剪力对比分析

随着基岩波台站高程的增加，结构角柱的剪力包络图呈现递增的趋势，即ZGS1站的角柱的剪力最小，ZGS6站的角柱的层间剪力最大，两者二层角柱剪力比值达到了1.226 1。同一高程的S0测站和S1测站，由于土层性质的不同，剪力包络图表现出较大的差异，土层波作用下结构第二层角柱的剪力较基岩波作用下的值增大了5.2%。

5 结 论

（1）自贡市ZGS1至ZGS7七个测站的地震动记录的分析结果表明，在土层情况和震中距影响基本相同的情况下，地震波的幅值随着测站的高程增大而增大，其中山顶处ZGS6测站的地震波幅值达到最大值，且其在南北方向和东西方向的振幅较高程最小的ZGS1基岩测站分别增大约59%和77%。

表3 角柱剪力表Table 3 Corner column shear forces N

图7 结构角柱层间位移图（单位：mm）Fig.7 Corner column relative displacements（Unit：mm）

（2）与基岩地震波的频带分布相比，土层地震波的频带主要集中在较低频段，土层的高频滤波效应明显，且基岩台站随着高程的增加，地震波频谱中低频的成分逐渐增多。

图8 结构角柱剪力图（单位：mm）Fig.8 Corner column shear forces（Unit：mm）

（3）相同高程的ZGS0土层测站和ZGS1基岩测站，其中土层波作用下结构第二层角柱的剪力较基岩波作用下的值略有增大。

（4）结构的地震响应随着高程的增大而增大。ZGS6测站地震动输入结构后得到的角柱最大剪力相比ZGS1测站数据得到的结果增大了约22%。

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Seism ic Response Analysis of a Reinforeced Concrete Structure w ith Different Site Conditions

ZHUWenjun*CHEN Qingjun
（State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

8 seismic acceleration time history records at the Zigong stations and 2 seismic acceleration time history records from the Baoxing stationswere chosen from 5.12Wenchuan strong ground motion data for seismic wave spectrum characteristics analysis.Seismic wave differencewas discussed based on different site conditions.A finite elementmodel of a reinforced concrete frame structure was created by ANSYS.In order to simulate the structural responses at different site conditions，10 seismic waves from different site conditions，whose amplitudeswere adjusted according to the Chinese Code for Seismic Design of Buildings，were used for seismic response analysis.The influence of site condition on structural responseswas discussed.The analysis indicated that the amplitude of the seismic waves increased sharply with the increase of the height for the station at Zigong.Compared with the frequency band of bedrock seismic waves，the frequency distribution of soil seismic waves contain mainly lower frequency contents.The site condition influence on structural responses was obvious and the structural shear force at a high elevation seismic wave greatly increased.

topography array record，spectral characteristics of seismic wave，reinforced concrete frame structure，site condition，time-procedure analysis

2013-11-08

国家自然科学基金资助项目（50978198）*联系作者，Email：fado＿zhu＠163.com