汶川地震近斷層地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)特征分析

陳 波 謝俊舉 溫增平

（中國北京100081中國地震局地球物理研究所）

引言

近斷層速度脈沖型強(qiáng)震記錄的特征及其破壞作用引起了工程地震學(xué)和地震工程學(xué)界的關(guān)注.速度脈沖記錄對結(jié)構(gòu)有特殊的破壞作用.Bertero等（1978）在研究1971年San Fernando強(qiáng)震記錄時(shí)首次發(fā)現(xiàn)了幅值大、周期長的速度脈沖型近斷層強(qiáng)震記錄及其破壞作用.此后發(fā)生的一些大地震，如1979年Imperila Valley地震、1992年Landers地震、1994年Northridge地震、1995年日本Kobe地震等，都觀測到了這種近斷層速度脈沖型記錄.已有的研究表明，有些結(jié)構(gòu)大的結(jié)構(gòu)層間位移常與這種長周期速度脈沖型記錄密切相關(guān)，可能是由幅值大、周期長的速度脈沖型記錄造成的（Iwan，Chen，1994；Somerville，1995；Iwan，1997；Malhotra，1999；MacRac et al，2000）.此外，這種速度脈沖型記錄的形成與斷層破裂的方向性效應(yīng)和斷層逆沖運(yùn)動(dòng)所造成的永久位移密切相關(guān)（Somerville et al，1997；Huang et al，2000；Chen et al，2001；李爽，謝禮立，2006；楊迪雄等，2009；楊迪雄，趙巖，2010）.

中國數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)觀測臺(tái)網(wǎng)在2008年汶川MS8.0地震時(shí)獲取到了大量的近場強(qiáng)震加速度記錄（Li et al，2008，2010；于海英等，2008），發(fā)現(xiàn)有些近斷層強(qiáng)震記錄具有明顯的速度脈沖型特征（Wen et al，2010；Lu et al，2010；謝俊舉等，2011），為開展近斷層速度脈沖型記錄的工程特性研究提供了寶貴的資料.本文從汶川地震近斷層強(qiáng)震記錄中選取了速度脈沖型與非速度脈沖型兩組典型地震動(dòng)記錄，采用時(shí)域疊加小波函數(shù)法對所選擇的強(qiáng)震記錄進(jìn)行調(diào)整，使其加速度反應(yīng)譜與目標(biāo)地震動(dòng)水平保持一致，建立不同自振特性的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)有限元模型，分析在不同類型強(qiáng)震記錄作用下結(jié)構(gòu)層間變形分布特征，試圖揭示汶川地震近斷層速度脈沖對工程結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響.

1 脈沖記錄的選取與調(diào)整

為分析汶川地震近斷層脈沖型地震動(dòng)對工程結(jié)構(gòu)的特殊破壞作用，本文從汶川地震中選取兩組典型速度脈沖記錄和非速度脈沖記錄，對比分析這兩組典型記錄對結(jié)構(gòu)影響的不同特點(diǎn).參考Baker（2007）提出的近斷層地震動(dòng)脈沖的分析方法，從汶川地震獲取的64組近斷層記錄中選取8條典型速度脈沖型加速度記錄和8條非速度脈沖型加速度記錄，作為地震動(dòng)輸入.選取的典型速度脈沖型記錄和非速度脈沖型記錄的主要參數(shù)如表1和表2所示.

表1 選取的近斷層速度脈沖型記錄的主要參數(shù)Table 1 Parameters of selected near-fault pulse-type ground motions from Wenchuan earthquake

表2 選取的近斷層非速度脈沖型記錄的主要參數(shù)Table 2 Parameters of selected non-pulse-type ground motions from Wenchuan earthquake

圖1分別給出這兩組阻尼比為5%的加速度反應(yīng)譜（注：本文中加速度反應(yīng)譜用“g”表示，1g＝9.8m／s2）.可以看出，速度脈沖型記錄與非速度脈沖型記錄的加速度反應(yīng)譜值及譜形有較大的不同.如果直接以此作為結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的地震動(dòng)輸入，則很難確認(rèn)引起結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)差異較大的影響因素，即究竟歸因于反應(yīng)譜譜值或譜形，還是速度脈沖.為了能揭示速度脈沖型記錄特殊的工程特性，需要對選取的兩組記錄進(jìn)行調(diào)整，使其加速度反應(yīng)譜一致或彼此接近（Alavi，Krawinkler，2004；趙鳳新等，2008），以消除加速度反應(yīng)譜因素的影響.同時(shí)，調(diào)整后的地震動(dòng)需保持原始地震動(dòng)的脈沖特征.

圖1 GB50011-2001設(shè)計(jì)反應(yīng)譜（目標(biāo)譜）和原始強(qiáng)震記錄加速度反應(yīng)譜（a）原始非速度脈沖型記錄加速度反應(yīng)譜；（b）原始速度脈沖型記錄加速度反應(yīng)譜；（c）原始記錄的平均加速度反應(yīng)譜Fig.1 GB50011-2001design spectrum （target spectrum）and acceleration response spectrum of original ground motions（a）Original non-pulse-type acceleration response spectrum；（b）Original pulse-type acceleration response spectrum；（c）Mean response spectrum of scaled ground motions

常用的強(qiáng)震記錄調(diào)整法有幅值縮放法和譜值匹配法（Kalkan，Luco，2011）.與幅值縮放法相比，譜值匹配法的精度更高，并在一定程度上保留原始地震動(dòng)的非平穩(wěn)特征.時(shí)域疊加小波函數(shù)法（Mukherjee，Gupta，2002；Suarez，Montejo，2005；Hancock et al，2006）對原始記錄修改最小，保持了原始記錄的自然積分關(guān)系，并且調(diào)整后基本不需重新進(jìn)行基線校正（全偉，李宏男，2008），因此本文采用時(shí)域疊加小波函數(shù)法對所選定的兩組強(qiáng)震記錄進(jìn)行調(diào)整.圖2分別以近斷層脈沖型地震動(dòng)綿竹清平E和非脈沖型地震動(dòng)理縣木卡E為例，比較了按照目標(biāo)加速度反應(yīng)譜修正前后地震動(dòng)的速度時(shí)程.可以看出，修正前后地震動(dòng)速度時(shí)程波形相差不大，速度脈沖型加速度時(shí)程保持了原地震記錄的脈沖特征.

圖2 采用時(shí)域疊加小波函數(shù)法修正后近斷層脈沖型（a）和非脈沖型（b）地震動(dòng)速度時(shí)程與原始記錄的比較Fig.2 Comparison of modified near-fault pulse-type（a）and non-pulse-type（b）ground motions via adding wavelet functions with original ground motions

本文以建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定的罕遇地震下設(shè)計(jì)基本地震加速度0.30g，設(shè)計(jì)地震動(dòng)分組第二組（水平地震影響系數(shù)0.90，特征周期0.40s，阻尼比5%）對應(yīng)的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜作為目標(biāo)譜.考慮結(jié)構(gòu)可能出現(xiàn)高階振型的影響以及結(jié)構(gòu)進(jìn)入非線性階段后振動(dòng)周期延長等，修正后的地震反應(yīng)譜應(yīng)在一定周期段內(nèi)（0.2T1—1.5T1，本文選取T1為分析模型中20層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本周期）與目標(biāo)譜接近（Kalkan，Kunnath，2006；American Society of Civil Engineers，2006）.采用時(shí)域疊加小波函數(shù)法對原始脈沖與非脈沖兩組記錄進(jìn)行修正，得到的每組地震動(dòng)的加速度反應(yīng)譜如圖3所示.從圖中可以看出，調(diào)整后的地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜在低周期段（0—0.4s）有一定差別，但在結(jié)構(gòu)敏感周期段內(nèi)（0.4—3s），調(diào)整后的地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜與目標(biāo)譜有很好的匹配.與幅值縮放法相比，時(shí)域疊加小波函數(shù)法對地震動(dòng)的頻率和幅值都根據(jù)目標(biāo)譜做了相應(yīng)調(diào)整，使得調(diào)整后的地震動(dòng)能夠在工程關(guān)注的周期段內(nèi)與目標(biāo)譜保持高度的一致，且基本保持原始地震記錄的脈沖特征，可有利于最大程度減少加速度反應(yīng)譜的不同對結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響.

圖3 GB50011-2001設(shè)計(jì)反應(yīng)譜（目標(biāo)譜）和調(diào)整后強(qiáng)震記錄加速度反應(yīng)譜（a）調(diào)整后非速度脈沖型記錄加速度反應(yīng)譜；（b）調(diào)整后速度脈沖型記錄加速度反應(yīng)譜；（c）調(diào)整后記錄的平均加速度反應(yīng)譜Fig.3 GB50011-2001design spectrum （target spectrum）and modified acceleration response spectrum of ground motions（a）Modified non-pulse-type ground motions；（b）Modified pulse-type ground motions；（c）Mean response spectrum of scaled ground motions

2 建筑結(jié)構(gòu)模型

選取具有不同自振周期的典型鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，研究速度脈沖對建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響特點(diǎn).采用結(jié)構(gòu)非線性地震反應(yīng)分析程序IDARC（Reinhorn et al，2006），分別建立3層、11層和20層的典型鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析模型.模型結(jié)構(gòu)的載荷、平面布置和層高均參考實(shí)際辦公樓的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，按照國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局，中華人民共和國建設(shè)部（2001）《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，設(shè)防烈度8度，設(shè)計(jì)基本加速度0.2g，設(shè)計(jì)地震第二組，場地類別為Ⅱ類.3層、11層和20層鋼筋混凝土框架的基本周期分別為0.58，1.43和1.99s.考慮P－Δ效應(yīng)，樓板平面采用剛性假定，鋼筋混凝土構(gòu)建的恢復(fù)力模型采用三線型骨架模型.

2.1 模型一

3層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的立面圖如圖4所示.框架平面為7.2m×7.2m柱網(wǎng)，底層層高4m，其它層高均為3.3m，總高度為10.6m，梁尺寸統(tǒng)一使用250mm×500mm，柱尺寸統(tǒng)一使用400mm×400mm；梁柱的混凝土均采用C30，二者縱筋統(tǒng)一使用HRB335，箍筋統(tǒng)一使用HPB235；梁配筋率為1.5%，柱配筋率為2%.

2.2 模型二

11層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的立面圖如圖5所示.框架底層層高4.5m，其它層高均為3.6m，總高度為40.5m，梁尺寸統(tǒng)一使用300mm×750mm.柱尺寸為：1—5層，邊柱700mm×700mm，中柱700mm×750mm；6—8層，邊柱550mm×550mm，中柱550mm×650mm；9—11層，邊柱450mm×450mm，中柱450mm×550mm.梁和柱的混凝土分別采用C30和C40，二者縱筋統(tǒng)一使用HRB335，箍筋統(tǒng)一使用HPB235；梁配筋率為1.5%，柱配筋率為2%.

2.3 模型三

20層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的立面圖如圖6所示.框架層高均為3.6m，總高度為72m.梁尺寸為：1—5層，邊梁500mm×700mm，中梁500mm×500mm；6—10層，邊梁500mm×700mm，中梁400mm×500mm；11—20層，邊梁300mm×650mm，中梁300mm×450mm.柱尺寸為：1—5層，800mm×800mm；6—10層，700mm×700mm；11—20層，600mm×600mm.梁選用的混凝土為：1—5層為C35，6—15層為C30，16—20層為C25；柱的混凝土采用：1—5層為C40，6—15層為C35，16—20層為C30.梁和柱的縱筋統(tǒng)一使用HRB335，箍筋統(tǒng)一使用HPB235.梁柱配筋為梁配筋率1.5%，柱配筋率2%.

3 脈沖與非脈沖對結(jié)構(gòu)層間位移反應(yīng)的影響

以調(diào)整后的兩組加速度時(shí)程作為地震動(dòng)輸入，利用IDARC進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力反應(yīng)分析.選取層間位移角作為結(jié)構(gòu)反應(yīng)參數(shù)，考察速度脈沖對具有不同自振周期的建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響的特點(diǎn).圖7，8，9分別給出了在近斷層脈沖與非脈沖地震動(dòng)作用下3層、11層和20層鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)樓層最大層間位移角.可以看出，在速度脈沖型記錄和非速度脈沖型記錄作用下3層、11層和20層框架結(jié)構(gòu)最大層間位移角的分布形式有明顯不同.

圖7 調(diào)整后地震動(dòng)作用下3層結(jié)構(gòu)最大層間位移角（a）非速度脈沖型地震動(dòng)；（b）速度脈沖型地震動(dòng)；（c）中值比較；（d）標(biāo)準(zhǔn)差比較Fig.7 Maximum inter-story drift for a 3-story building subjected to modified ground motions（a）Non-pulse-type ground motions；（b）Pulse-type ground motions；（c）Comparison between median values；（d）Dispersion comparison of maximum inter-story drift ratio（IDR）

對于3層框架（圖7），最大層間位移角出現(xiàn)在底層，是由調(diào)整后的非脈沖型記錄理縣木卡E引起的，最大值為1.35%（圖7a）；在速度脈沖型記錄中，最大反應(yīng)是由調(diào)整后的記錄江油含增E引起，為1.15%（圖7b）.非脈沖型記錄比脈沖型記錄作用下的結(jié)構(gòu)最大層間位移角中值要大近8%，非速度脈沖型記錄的結(jié)構(gòu)最大層間位移角離散性較速度脈沖型記錄的大，其最大的標(biāo)準(zhǔn)差是脈沖型記錄下標(biāo)準(zhǔn)差的2.9倍.

對于11層結(jié)構(gòu)（圖8），最大反應(yīng)并沒有出現(xiàn)在底層，而是出現(xiàn)在中部.非速度脈沖型組中什邡八角N引起的層間位移角最大，發(fā)生在第二層，其值為1.46%（圖8a）；而對于速度脈沖型組，最大反應(yīng)是由江油E引起的，其值為1.23%（圖8b）.在7層以下，速度脈沖型地震作用下的層間位移角中值比非速度脈沖型地震動(dòng)的大，底層的層間位移反應(yīng)相差最大，接近50%；在8—11層，非速度脈沖型地震動(dòng)作用下的層間位移角中值大于速度脈沖型地震動(dòng)的層間位移角中值，第8層相差最大，接近21%.對于結(jié)構(gòu)反應(yīng)的離散性，在1—6層，非速度脈沖型的要大于速度脈沖型的；在7—9層，結(jié)構(gòu)反應(yīng)的離散性發(fā)生轉(zhuǎn)換，速度脈沖型要大于非速度脈沖型；而在10層和11層，結(jié)構(gòu)反應(yīng)的離散性發(fā)生轉(zhuǎn)換，非速度脈沖型再次大于速度脈沖型.

圖8 調(diào)整后地震動(dòng)作用下11層結(jié)構(gòu)最大層間位移角（a）非速度脈沖型地震動(dòng)；（b）速度脈沖型地震動(dòng)；（c）中值比較；（d）標(biāo)準(zhǔn)差比較Fig.8 Maximum inter-story drift for an 11-story building subjected to modified ground motions（a）Non-pulse-type ground motions；（b）Pulse-type ground motions；（c）Comparison between median values；（d）Dispersion comparison

對于20層結(jié)構(gòu)（圖9），速度脈沖型地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)反應(yīng)整體上要稍大于非脈沖型地震動(dòng).最大層間反應(yīng)主要分布在中上部和中下部.其中，中上部最大層間位移角是由速度脈沖型組中綿竹清平E引起，發(fā)生在第14層，為1.18%；中下部最大層間位移角在第6層，其值為1.05%（圖9b）.非速度脈沖型組中最大層間位移角是由理縣木卡N引起，發(fā)生在第14層，其值為1.11%（圖9a）.對于結(jié)構(gòu)反應(yīng)的離散性，速度脈沖型的亦要整體大于非速度脈沖型的.

圖9 調(diào)整后地震動(dòng)作用下20層結(jié)構(gòu)最大層間位移角（a）非速度脈沖型地震動(dòng)；（b）速度脈沖地震動(dòng)；（c）中值比較；（d）標(biāo)準(zhǔn)差比較Fig.9 Maximum inter-story drift for a 20-story building subjected to modified ground motions（a）Non-pulse-type ground motions；（b）Pulse-type ground motions；（c）Comparison between median values；（d）Dispersion comparison of IDR

比較圖7a，b、圖8a，b和圖9a，b給出的3種結(jié)構(gòu)模型反應(yīng)結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，無論是速度脈沖型地震動(dòng)還是非脈沖型地震動(dòng)，對于同一結(jié)構(gòu)，最大層間位移角隨樓層的分布表現(xiàn)出近乎一致的特征.低層結(jié)構(gòu)（3層框架）呈階梯分布，底部反應(yīng)最大，頂部最小；中高層（11層框架）呈倒“D”型分布，中部反應(yīng)大，兩端反應(yīng)稍??；而對于高層（20層框架）則呈“B”型分布，中上部和中下部反應(yīng)較大，低層和頂層反應(yīng)較小.分析可知，這種分布特征可能與結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下各階振型的參與權(quán)重有關(guān).對于低層結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)層間位移反應(yīng)主要由第一振型控制；而隨著層數(shù)的增大，高階振型影響愈加明顯.此外，還發(fā)現(xiàn)在同組記錄中，往往有一至兩條記錄對結(jié)構(gòu)的影響差別較大.例如，非脈沖組地震動(dòng)理縣木卡E對3層結(jié)構(gòu)，什邡八角N對11層結(jié)構(gòu)和脈沖組地震動(dòng)江油E對11層結(jié)構(gòu)的反應(yīng)表現(xiàn)出與同組其它地震動(dòng)不一樣的分布特征.這可能與地震動(dòng)有一定的隨機(jī)性，以及調(diào)整后的反應(yīng)譜在低周期段仍有差異有關(guān).

對比調(diào)整后速度脈沖型與非速度脈沖型兩組地震動(dòng)輸入作用下3層、11層和20層框架結(jié)構(gòu)各層的最大層間位移角的中值分布變化情況，二者作用下結(jié)構(gòu)的反應(yīng)有一定差異，且隨著結(jié)構(gòu)模型層數(shù)的不同，總體上表現(xiàn)出一定的規(guī)律.速度脈沖型與非速度脈沖型記錄對低層結(jié)構(gòu)的層間位移反應(yīng)影響的差別較小.而隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增高，速度脈沖型的記錄對結(jié)構(gòu)層間位移響應(yīng)的影響由小于非速度脈沖型，逐漸發(fā)展到整體大于非速度脈沖型.速度脈沖型作用下20層框架結(jié)構(gòu)的層間位移變形，要比非速度脈沖型記錄作用下大，接近30%.對于結(jié)構(gòu)反應(yīng)的離散性，亦表現(xiàn)出如此規(guī)律，速度脈沖型作用下的低層結(jié)構(gòu)反應(yīng)的離散性比非速度脈沖型記錄的小.而隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增高，速度脈沖型作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)的離散性逐漸增大，其中20層框架，速度脈沖型作用下的結(jié)構(gòu)層間位移變形的標(biāo)準(zhǔn)差要比非速度脈沖型記錄的大10%以上.即速度脈沖型相比非速度脈沖型地震動(dòng)更容易激發(fā)高層結(jié)構(gòu)的層間位移響應(yīng)，對高層結(jié)構(gòu)的作用更加明顯.

4 討論與結(jié)論

本文從汶川地震近斷層強(qiáng)震記錄中分別選取8條典型速度脈沖型和8條非速度脈沖型記錄，作為結(jié)構(gòu)反應(yīng)的地震動(dòng)輸入.基于有限單元方法分別建立了3層、11層和20層的典型鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)模型，研究鋼筋混凝土框架在近斷層速度脈沖型與非速度脈沖型作用下的結(jié)構(gòu)層間位移變形特點(diǎn)，揭示汶川地震近斷層速度脈沖對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響.主要結(jié)論如下：

1）在兩組地震動(dòng)加速度反應(yīng)譜一致的前提下，與非速度脈沖記錄相比，速度脈沖記錄對低層結(jié)構(gòu)的層間位移反應(yīng)影響的差別較小.而隨著結(jié)構(gòu)層數(shù)的增高，速度脈沖記錄對結(jié)構(gòu)層間位移響應(yīng)的影響逐漸明顯.結(jié)構(gòu)層間位移變形的離散性也表現(xiàn)出類似規(guī)律.非速度脈沖地震動(dòng)對受第一振型控制的中低層結(jié)構(gòu)層間變形影響較大；速度脈沖型記錄則更容易激發(fā)高層結(jié)構(gòu)的高階振型的響應(yīng)，產(chǎn)生較大的變形.

2）與集集地震和北嶺地震（趙鳳新等，2008；楊迪雄等，2009）近斷層速度脈沖型地震動(dòng)引起高層結(jié)構(gòu)較大彈塑性變形相比，汶川近斷層多層和高層結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)較小.這可能與汶川地震速度脈沖型地震動(dòng)長周期效應(yīng)較弱（Li et al，2010；Wen et al，2010）有關(guān).

3）由于地震動(dòng)的復(fù)雜性和隨機(jī)性，反應(yīng)譜并不能完全反映地震動(dòng)的工程特性，結(jié)構(gòu)的彈塑性反應(yīng)會(huì)因地震動(dòng)有無速度脈沖而表現(xiàn)不同.在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)和評估中，特別是對于高層結(jié)構(gòu)，在考慮地震動(dòng)反應(yīng)譜特征的同時(shí)，應(yīng)充分考慮速度脈沖型地震動(dòng)對結(jié)構(gòu)抗震安全的影響；條件允許的情況下，應(yīng)選擇多個(gè)地震事件的速度脈沖記錄.

中國強(qiáng)震動(dòng)觀測臺(tái)網(wǎng)為本研究提供了強(qiáng)震記錄數(shù)據(jù)；審稿人為本文的完善提出了許多寶貴的意見.作者在此一并表示感謝.

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