近场地震下人字形中心支撑钢框架地震反应

张莉莉，顾 强

（苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州215011）

近场地震下人字形中心支撑钢框架地震反应

张莉莉，顾 强

（苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州215011）

按照《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），对处于发震断裂两侧5 km以内结构采用近场地震作用放大系数1.5，设计了10、15、20层人字形中心支撑钢框架；选取了16条近场地震记录，采用弹塑性时程方法分析了结构在近场地震波下的反应；同时，对规范考虑近场地震作用放大系数方法的可行性进行评价。结果表明：近场多遇地震下15、20层结构的层间位移角不满足规范要求；近场罕遇地震下15、20层结构均出现较大变形，不满足规范层间侧移角限值要求；时程分析得到的结构基底剪力也大于规范振型分解反应谱法计算值。

近断层地震；人字形中心支撑钢框架；地震反应；弹塑性时程分析

地震作用是大部分工程结构的控制荷载。近年来，大量工程结构遭受了超过设防水准的强震，损毁严重的结构主要位于断层附近（极震区），临近发震断层带有强烈速度脉冲的地面运动会使结构在瞬间产生严重的破坏[1-2]。好的抗震设计方法应首先具备保护极震区结构的特点，近场地震动的特性及其对工程结构的影响已成为众多学者关心的问题。

极少数国家、地区的抗震设计规范已考虑了近场脉冲型地震的影响，提出了相应的设计对策。美国UBC97规范[3]中引入了近场设计反应谱放大因子，将设计反应谱的长周期段设置成等谱值平台，其合理性表现在同时考虑了近场地震动对刚性结构和柔性结构的影响[4]。我国台湾地区的规范措施与美国UBC97类似。日本规范在设计反应谱的生成中更多地选取了近场记录，在弹性反应谱曲线参数取值上进行了重大修改，设定两类地震作用，含有近断层效应和不含有近断层效应的设计地震力水准不同。比较而言，国内对近场地震动研究的成果储备不足，目前还没有形成可用于近场地震的设计反应谱。我国 《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[2]（以下简称《抗规》）第3.10.3条明确规定：建筑结构在进行抗震性能化设计时，对地处发震断裂两侧10 km以内的结构，应计入近场效应的影响，5 km以内地震动参数宜乘以增大系数1.5，5 km以外宜乘以不小于1.25的增大系数。此规定没有考虑近场地震反应谱形状的变化，只是同步放大了远场地震固定形状反应谱的谱值来提高近场设计地震作用，在条文说明中也未提出依据。相关研究表明[6-7]，按照我国现行抗震规范考虑地震作用放大系数1.25所设计的钢框架结构，在罕遇地震下的层间侧移不满足规范1/50的大震性态指标。因此，通过同步提高远场固定形状反应谱谱值来考虑近场地震作用的方法值是否可行，有待研究。

文中按《抗规》[5]第3.10.3对位于断层5 km以内的人字形中心支撑钢框架（CBSF）考虑1.5倍的地震作用放大系数，利用SAP2000软件分别设计了10、15、20层的CBSF结构，并确定3个结构构件的截面；利用ABAQUS软件采用弹塑性时程方法分析了所设计结构在近场地震下的反应，对《抗规》第3.10.3条规定的合理性进行评价，期望能为结构性态抗震设计的发展和应用提供理论支持和技术储备。

1 结构设计

按照《抗规》[5]规定，对位于5公里以内的结构考虑近场地震作用放大系数1.5，用SAP2000软件设计了10、15、20层人字形中心支撑钢框架结构。结构平面尺寸均为 36 m×21.6 m，层高均为 3.6 m，跨度均为 7.2 m，次梁间距均为2.4 m；抗震设防烈度为8度（0.3g），设计地震分组为第一组，Ⅱ类场地；屋面恒、活载分别为4.5、2.0 kN/m2，楼面恒、活载分别为 3.3、3.0 kN/m2，雪荷载为 0.5 kN/m2，风荷载为 0.45 kN/m2。 钢材材质均为Q345，梁柱刚接，支撑与梁柱铰接。图1为结构平面图，图2为结构立面图。

图1 结构平面布置

图2 结构立面布置

根据相关规范要求及设计条件与荷载工况，利用SAP2000软件对各结构进行反复迭代最终选定构件截面见表1。将结构的重力荷载代表值转换为质量，每榀带支撑横向框架分担结构总质量的1/2，对3个结构带支撑榀横向框架进行模态分析，得到了结构的各振型及周期，依照《抗规》振型分解反应谱法计算得到了10、15、20 层结构带支撑榀横向框架的基底剪力分别为 V10=2 871.66 kN、V15=2 991.08 kN、V20=3 430.72 kN。

表1 各结构梁、柱、支撑截面

2 近场脉冲地震波的选择

2.1 近场脉冲地震波的选择

不同地震波对相同结构产生的影响是截然不同的，因此对结构进行弹塑性时程分析时，地震波的选择对分析结果有直接影响。选波原则为：结构场地类别为Ⅱ类，与美国规范C类场地和欧洲B类场地下的地震波相对应；震中距（R）在0～6 km的范围以内；震级（M）大于6；具有明显脉冲速度的前方向效应脉冲波和滑冲效应脉冲波；PGA＞0.2g，PGV＞40 cm/s，PGV/PGA＞0.2。按照此选波原则，从美国太平洋工程研究中心 PEER 数据库中下载了符合条件的16条脉冲地震波，所选地震动记录见表2所示。

2.2 近场脉冲地震波β谱

根据所选的16条地震波，利用seismosignal软件计算出相应的β谱（动力放大系数谱），并与《抗规》的标准β谱进行对比，以说明近场脉冲地震波β谱与远场地震波的β谱的异同。

表2 16条近场地震记录

《抗规》并未直接给出β谱，但可根据公式（1）计算《抗规》地震影响系数与地震系数之比得到，地震影响系数为地震系数k（地震动峰值加速度与重力加速度之比）与动力放大系数β的乘积。规范β谱曲线如图3所示。

图3 规范β谱曲线

式中 βmax=（η2αmax）/k；β0=1；γ 为衰减指数；T、Tg分别为结构自振周期和场地特征周期；η1、η2分别为直线下降段斜率调整系数和阻尼调整系数。近场波的β谱见图4。

图4 不同脉冲地震波β谱均值与标准β谱

从图4可以看出近场地震波β谱与《抗规》远场地震β谱相比显得“胖”很多。近场地震波β谱的平均值在短周期0～0.27 s内的动力放大系数远小于乘以1.5放大系数的规范β谱值，而在中长周期段要比乘以1.5放大系数的规范β谱值高出很多，表明近场地震动对中长周期结构的影响较大。由此可知，基于强度设计时，将《抗规》基于远场地震记录统计得出的设计反应谱值采用常系数放大作为近断层地震作用是不合理的，在短周期内会高估近场地震动作用，在中长周期内可能会低估地震作用。建议基于《抗规》远场地震设计反应谱计算近场地震作用时应对不同周期结构采用变化的放大系数，或直接构建近场地震设计反应谱计算近场地震作用。对比图4（a）和图4（b）可知，对于中长周期结构滑冲效应的影响较大，对于长周期结构前方向效应的影响更显著。近场地震动β谱平台段较远场地震β谱要宽些。

3 弹塑性时程分析

3.1 有限元建模

利用ABAQUS软件对带支撑榀平面框架进行时程分析。允许结构在其平面内发生平动和转动，不考虑平面外变形。文中结构支撑杆为工字型截面，绕弱轴屈曲发生在平面内，在建模时需将支撑杆的方向指派为（0，-1，0），并对支撑杆考虑L/1 000的初弯曲。假定梁柱刚接，柱脚与基础固接，支撑与梁柱铰接，在ABAQUS中通过耦合约束节点来实现。钢材采用双线性强化弹塑性本构关系，泊松比v=0.3，弹性模量E1=2.0×105MPa，强化阶段的弹性模量E2=0.02E1。梁、柱、支撑均采用B32梁单元进行模拟。带支撑榀横向框架质量取法见前述，输入地震波前先对框架施加单榀框架隶属的竖向荷载（重力荷载代表值）。

3.2 近场地震下结构的位移响应

层间位移角是衡量结构变形的主要指标，《抗规》[6]明确规定：多遇地震下结构的弹性层间位移角限值为1/250（0.004），罕遇地震下结构的弹塑性层间位移角限值为1/50（0.02）。文中16条近场地震波时程分析得到的3个框架在不同地震水准下的层间位移角包络值的平均值，如图5和图6所示。

由图5可知，多遇地震下结构的层间位移角分布较均匀，曲线无明显的“凸起”，结构未出现薄弱层；罕遇地震下，结构中下部层间位移角有明显的“凸起”，此处结构发生较大变形，有出现薄弱层的迹象；多遇地震下，10、15、20 层结构的层间位移角平均值分别为 1/286（0.003 5）、1/211（0.004 7）、1/146（0.006 8），10 层结构层间位移角满足《抗规》弹性层间位移角限值，15、20层结构均超出规范限值；罕遇地震下，10、15、20层结构的层间位移角平均值分别为 1/50（0.020 1）、1/44（0.022 7）、1/31（0.032 4），10 层结构层间位移角基本满足规范弹塑性层间位移角限值，15、20层结构均超出规范限值。时程分析结果表明按《抗规》考虑1.5倍地震作用放大系数设计的结构在近场地震下的层间位移角限值除10层结构基本满足规范要求外，15、20层结构均不符合要求。

图5 近场多遇地震下各结构的层间位移角

图6 近场罕遇地震下各结构的层间位移角

由图6可知，滑冲效应对10层结构的影响较大。随结构层数的增加，前方向性效应脉冲波使结构层间变形加大，说明前方向效应激发了中长周期结构的响应。

3.3 近场地震下结构层剪力分布

图7为10、15、20层结构在近场多遇和罕遇地震下的层间剪力分布及多遇地震下按《抗规》振型分解反应谱法（已计入放大系数1.5）计算的层剪力分布。由图7可知，不同地震水准下，3个结构层剪力沿高度变化趋势大致相同，随结构高度的降低层间剪力值呈增大趋势。对比时程分析结果和《抗规》指定的层剪力，时程分析的层剪力明显大于《抗规》指定值，且在结构底部二者的差值增大。

图7 近场多遇和罕遇地震下结构层剪力分布

多遇地震下，16条近场脉冲地震波时程分析得到10、15、20层结构的基底剪力平均值分别为3 807.14、4 177.73、5 641.77 kN，约为《抗规》指定值（2 871.66、2 991.08、3 430.72 kN）的 1.33、1.40、1.64 倍。 可见，按《抗规》1.5系数放大远场地震作用的方法来设计近场（5 km内）结构偏于不安全。按《抗规》考虑1.5倍地震作用放大系数得到的层剪力无法反映近场结构在强速度脉冲下的实际反应。多遇地震下，滑冲效应对10层结构层剪力的影响要大于前方向效应；对15层结构两类脉冲波的影响差异不大，滑冲效应对结构中下部的影响稍大，前方向效应对结构上部的影响稍大；对于20层结构的层剪力分布，前方向效应的影响更大。两类脉冲波在罕遇地震下，结构的层剪力分布大致相同，结构底部层剪力平均值约为多遇地震的2.18、2.32、1.94倍。随地震加速度峰值的增大，结构底部的层剪力需求增大。

4 结论

按《抗规》考虑1.5倍的近场地震作用放大系数，设计了10、15、20层人字形中心支撑钢框架结构。采用弹塑性时程分析方法对所设计结构在近场地震波下的反应进行了分析，主要结论如下：

（1）近场地震动β谱与《抗规》基于远场地震波统计的标准β谱相比有明显不同，形状显得“胖”很多，在短周期内近场地震动β谱明显高于远场地震动，平台段相较于远场地震动要宽。基于强度设计时，将《抗规》基于远场地震记录统计得出的设计反应谱值用常系数放大作为近断层地震作用是不合理的。

（2）近场多遇和罕遇地震下，除10层结构基本满足《抗规》弹性和弹塑性层间位移角限值外，15和20层结构均不满足《抗规》限值。说明按《抗规》考虑1.5倍地震作用放大系数设计的近场结构在近场地震下会发生较大变形，结构不满足《抗规》层间位移要求。

（3）多遇地震下，时程分析得到的层间剪力和底部剪力均大于《抗规》设计值，说明在近场强速度脉冲下，按《抗规》考虑1.5倍地震作用放大系数得到的结构层剪力无法满足结构实际的剪力需求。两类脉冲波对结构的影响存在差异，滑冲脉冲地震波主要激励起短周期结构的响应，前方向效应脉冲地震波激发了中长周期结构的响应；罕遇地震下两类脉冲效应对结构的影响大致相同。

[1]RAJEEV P,WIJESUNDARA K K.Energy-based damage index for concentrically braced steel structure using continuous wavel transform[J].Journal of Constructional Steel Research，2014，103：241-250.

[2]DORA FOTI.On the seismic response of protected and unprotected middle-rise steel frames in far-field and near-field areas[J].Shock and Vibration，2014（2014）：1-11.

[3]International Council of Building Officials（ICBO）.Uniform building code：UBC97[S].USA,1997.

[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，2007，29（1）：102-111.

[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑抗震设计规范：GB50011-2010[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[6]易孝会.人字形中心支撑钢框架近场地震反应分析[D].苏州：苏科科技学院，2014.

[7]余清江.V形偏心支撑钢框架近场地震反应分析[D].苏州：苏科科技学院，2014.

Seismic behavior of concentrically braced steel chevron-frames under near-fault earthquakes

ZHANG Lili，GU Qiang
（School of Civil Engineering,SUST,Suzhou 215011,China）

According to Code for Seismic Design of Buildings（GB50011-2010）,within 5km,for structures situated on both sides of the seismogenic fault,the near-fault seismic action should multiply intensification coefficient 1.5,with this method,the concentrically braced steel chevron-frames are designed respectively with ten-story,fifteen-story and twenty-story in this paper.A total of 16 near-fault ground motion records are selected on the research,and the seismic behavior of the three structures in near-fault ground motion is evaluated in terms of nonlinear time history analysis.The reliability of Code about the method of multiply intensification coefficient is also verified by the designed research.The analytical results indicate that the interstory drift angles of the fifteen-story and twenty-story structures can not meet the requirements of Code under near-fault frequent earthquake.The fifteen-story and twenty-story structures shows great deformation under near-fault rare earthquake which can not meet the requirements of Code.The value of base shear force from nonlinear time history analysis is higher than the results of response spectrum method

near-fault earthquake;concentrically braced steel chevron-fame;seismic behavior;nonlinear time history analysis

秦中悦）

TU391

A

2096-3270（2017）04-0001-06

2016－11-14

国家自然科学基金项目（51278320）

张莉莉（1991-），女，安徽合肥人，硕士研究生。

顾 强（1953-），男，教授，博士，从事钢结构教学与科研工作，Email：guqiang383@163.com。