遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下長周期結(jié)構(gòu)的基底剪重比

管民生，杜宏彪，曾慶立，蔡 威，崔 杰

1)深圳大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東深圳518060; 2)廣州大學(xué)工程抗震研究中心，廣東廣州 510405

【土木建筑工程/ArchitectureandCivilEngineering】

遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下長周期結(jié)構(gòu)的基底剪重比

管民生1，杜宏彪1，曾慶立1，蔡 威1，崔 杰2

1)深圳大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東深圳518060; 2)廣州大學(xué)工程抗震研究中心，廣東廣州 510405

為研究在峰值加速度與峰值速度調(diào)幅方式下，遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用對(duì)長周期結(jié)構(gòu)基底剪重比的影響. 選取了3條遠(yuǎn)場(chǎng)地震波和1條近場(chǎng)地震波，建立了6個(gè)規(guī)則型鋼混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)模型，按照2種調(diào)幅方式分別進(jìn)行設(shè)防水準(zhǔn)下的動(dòng)力時(shí)程分析. 結(jié)果表明，峰值加速度調(diào)幅方式下，遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下結(jié)構(gòu)的剪重比明顯大于近場(chǎng)地震，但兩者差異在峰值速度調(diào)幅方式下較小；兩種調(diào)幅方式下，相比較近場(chǎng)地震，遠(yuǎn)場(chǎng)地震對(duì)長周期結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)的影響更為明顯. 長周期結(jié)構(gòu)在峰值速度調(diào)幅方式下的頂點(diǎn)位移和基底剪力均大于峰值加速度調(diào)幅下的結(jié)果，說明長周期結(jié)構(gòu)對(duì)于速度譜的敏感性要大于加速度譜. 建議長周期結(jié)構(gòu)時(shí)程分析采用峰值速度調(diào)幅方式.

建筑科學(xué)；地下建筑；遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)；近場(chǎng)地震動(dòng)；長周期結(jié)構(gòu)；基底剪重比

隨著長周期結(jié)構(gòu)的大量興建，其抗震安全問題日益受到關(guān)注. 據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國已竣工高度150m以上的長周期高層建筑達(dá)1281座，數(shù)量居全球第一，在建高于150m的長周期結(jié)構(gòu)達(dá)到514座(http://www.skyscrapercenter.com,2016.04.10). 對(duì)于長周期結(jié)構(gòu)，重要的抗震安全問題在于其對(duì)長周期地震動(dòng)的敏感性[1-4]. 在遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下，長周期結(jié)構(gòu)的破壞往往更為嚴(yán)重[5-8]. 相比于普通結(jié)構(gòu)，其地震破壞造成的社會(huì)影響更顯著，所以，研究遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)對(duì)長周期結(jié)構(gòu)的影響尤為重要.

目前，受限于長周期地震資料的匱乏，針對(duì)長周期結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下的反應(yīng)分析理論尚不成熟[9-11]. 對(duì)于長周期結(jié)構(gòu)，現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范仍采用基于加速度反應(yīng)譜的設(shè)計(jì)方法，由于加速度譜值在位移控制段下降過快，導(dǎo)致長周期結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)偏小[12-14]. 現(xiàn)階段主要通過控制結(jié)構(gòu)的最小剪重比來確保其抗震安全性. 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)表明長周期結(jié)構(gòu)剪重比往往不滿足規(guī)范的限值要求[15-17]. 因此，關(guān)于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)對(duì)于長周期結(jié)構(gòu)的剪重比的影響需要進(jìn)一步研究. 本研究選取了3條遠(yuǎn)場(chǎng)地震波和1條近場(chǎng)地震波，分析了地震波的時(shí)域特性及頻域特性以區(qū)分近、遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)的差異，建立了6個(gè)規(guī)則的型鋼混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)有限元分析模型，按照峰值加速度與峰值速度兩種調(diào)幅方式分別進(jìn)行設(shè)防水準(zhǔn)下的動(dòng)力時(shí)程分析，為長周期結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供參考.

1 時(shí)域特性分析

時(shí)域分析具有良好的時(shí)間分辨功能，能清晰地表達(dá)某段時(shí)間里地震波的幅值變化. 圖1分別為El Centro波、Duzce波、Sxpu波及Tcu115波的加速度時(shí)程曲線. 由圖1可見，相對(duì)于近場(chǎng)地震動(dòng)El Centro波，3條遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)持時(shí)都較長，其中，Tcu115波持續(xù)時(shí)間達(dá)143.995s；同時(shí)，相對(duì)于El Centro波的峰值加速度，3條長周期地震動(dòng)峰值加速度都不大，其中，Sxpu波峰值加速度僅為32.585gal.

圖1 地震波加速度時(shí)程曲線Fig.1 The acceleration time-history curves

2 頻域特性分析

圖2 地震波傅里葉幅值譜Fig.2 The Fourier amplitude spectra of seismic waves

頻域分析具有良好的頻率分辨能力，能清晰描述地震波不同頻率幅值大小. 采用SeismoSignal程序計(jì)算了4條地震波傅里葉幅值譜，如圖2. El Centro波高頻成分豐富，主要分布在1～6Hz.3條遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)都具有豐富的低頻成分，其中，Duzce波主要分布在0.2～1.0Hz，Sxpu主要分布在0～1.0Hz，Tcu115波主要分布在0～1.0Hz. 圖3為4條地震波的絕對(duì)加速度放大系數(shù)β譜曲線. 從圖3可以看出，結(jié)構(gòu)基本周期大于1s時(shí)，3條遠(yuǎn)場(chǎng)地震波放大系數(shù)值均明顯要大于El Centro波的，而且其反應(yīng)譜峰值有向長周期延伸的趨勢(shì). 表明遠(yuǎn)場(chǎng)地震對(duì)長周期結(jié)構(gòu)的影響要明顯大于近場(chǎng)地震.

圖3 絕對(duì)加速度放大系數(shù)β譜Fig.3 (Color online) The amplification coefficient β spectrum of absolute acceleration

3 分析模型

利用PKPM建立了6個(gè)規(guī)則型鋼混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)模型，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì). 結(jié)構(gòu)1—6的總層數(shù)分別為39、44、49、53、57和61層.

以結(jié)構(gòu)1為例，其結(jié)構(gòu)模型圖和標(biāo)準(zhǔn)層平面示意見圖4. 結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震基本加速度為0.10g，場(chǎng)地類別為Ⅳ，設(shè)計(jì)地震分組為第1組(場(chǎng)地特征周期Tg為0.65s). 底層層高4.5m，標(biāo)準(zhǔn)層層高4.2m，結(jié)構(gòu)總高度162.6m，角柱為2.2m×2.2m，其余柱為1.8m×1.8m，剪力墻厚0.5m，外框架梁1.0m×1.4m，內(nèi)框架梁0.5m×1.2m，次梁0.25m×0.50m，樓板厚0.1m. 柱混凝土強(qiáng)度等級(jí)C60，剪力墻，梁混凝土強(qiáng)度C50，樓板混凝土強(qiáng)度C30. 鋼筋采用HRB400級(jí)，分布鋼筋、樓板鋼筋及箍筋采用HPB300級(jí)，型鋼等級(jí)為Q345.

圖4 結(jié)構(gòu)1模型和結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)層平面示意圖(單位：mm)Fig.4 (Color online) Sketches of structural model and typical floor plan(unit：mm)

采用PKPM對(duì)這6個(gè)模型進(jìn)行計(jì)算，得到了結(jié)構(gòu)的前6階振型的自振周期(表1). 基于反應(yīng)譜理論以及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[18]的地震影響系數(shù)譜，可以認(rèn)為加速度反應(yīng)譜的第2個(gè)下降點(diǎn)對(duì)應(yīng)的周期(T=5Tg)是長周期結(jié)構(gòu)的分界點(diǎn)，根據(jù)本研究所選的場(chǎng)地類型，當(dāng)T1>3.25s，可判定為長周期結(jié)構(gòu)[19].

表1 結(jié)構(gòu)前6階周期Table 1 The first six orders of periods for structures s

4 遠(yuǎn)場(chǎng)地震對(duì)長周期結(jié)構(gòu)剪重比影響分析

4.1峰值加速度調(diào)幅

根據(jù)中國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定[20]，將所選取的4條地震動(dòng)加速度峰值按7度設(shè)防烈度進(jìn)行調(diào)整，分別對(duì)6個(gè)模型進(jìn)行中震彈性時(shí)程分析，計(jì)算得到的最大基底剪力及剪重比如表2.

表2 峰值加速度調(diào)幅下的最大基底剪力及剪重比

表3列出了按照峰值加速度進(jìn)行地震動(dòng)調(diào)整時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)地震波作用下結(jié)構(gòu)基底剪重比與近場(chǎng)地震波作用情況下的比值.

表3 峰值加速度調(diào)幅下的基底剪重比的放大系數(shù)Table 3 The amplification factor of base shear-weight ratio

從表2和表3可見，當(dāng)采用峰值加速度進(jìn)行地震動(dòng)調(diào)幅時(shí)，長周期結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下的基底剪力及剪重比都明顯大于近場(chǎng)地震作用下的情況. 從表3可見，與近場(chǎng)地震相比，遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下長周期結(jié)構(gòu)的基底剪力及剪重比放大系數(shù)在1.22～3.33，并隨著結(jié)構(gòu)基本周期增大而增大. 這表明對(duì)于長周期結(jié)構(gòu)，需要特別重視遠(yuǎn)場(chǎng)地震的影響.

4.2峰值速度調(diào)幅

日本采用兩水準(zhǔn)抗震設(shè)防，其第1水準(zhǔn)與中國設(shè)防地震水準(zhǔn)相當(dāng). 參照日本建筑標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)相關(guān)規(guī)定[21-22]，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈性時(shí)程分析，當(dāng)為第1水準(zhǔn)時(shí)，峰值速度采用25cm/s. 考慮到需要在同一地震水準(zhǔn)下比較加速度調(diào)幅和速度調(diào)幅兩種方式對(duì)結(jié)構(gòu)剪重比的影響，所選用的4條地震動(dòng)的峰值加速度均調(diào)整到25cm/s，如表4所示. 表5為按照峰值速度調(diào)整后的最大基底剪力與剪重比. 表6列出按照峰值速度進(jìn)行地震動(dòng)調(diào)整時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)地震波作用下結(jié)構(gòu)基底剪重比與近場(chǎng)地震波作用情況下的比值.

由表5和表6得到，當(dāng)采用峰值速度對(duì)地震動(dòng)進(jìn)行調(diào)幅時(shí)，長周期結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下的結(jié)構(gòu)基底剪力及剪重比與近場(chǎng)地震作用下的結(jié)果相比，放大作用不明顯. 在某些情況下，要小于近場(chǎng)地震作用下的基底剪力和剪重比. 在一定程度上表明了按照峰值速度進(jìn)行調(diào)幅的合理性需要進(jìn)一步研究.

表4 地震波峰值速度調(diào)幅Table 4 The modified peak velocity of ground motions cm/s

表5 峰值速度調(diào)幅下的最大基底剪力及剪重比

表6 峰值速度調(diào)幅下的基底剪重比的放大系數(shù)Table 6 The amplification factor of base shear-weight ratio

4.3不同調(diào)幅方法的對(duì)比分析

為探討兩種地震動(dòng)峰值調(diào)幅方式對(duì)長周期結(jié)構(gòu)的影響，本研究計(jì)算了近、遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下結(jié)構(gòu)的最大頂點(diǎn)位移dmax，如表7. 圖5分別對(duì)比了不同調(diào)幅下結(jié)構(gòu)的基底剪重比及結(jié)構(gòu)最大頂點(diǎn)位移的放大系數(shù).

從表7及圖5可見，兩種地震動(dòng)峰值調(diào)幅方式下，遠(yuǎn)場(chǎng)地震對(duì)結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)的影響明顯都要大于近場(chǎng)地震. 由圖5可知，相同地震動(dòng)峰值調(diào)整情況下，遠(yuǎn)場(chǎng)地震對(duì)結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)的影響一般要大于其對(duì)結(jié)構(gòu)基底剪力的影響. 這也說明了長周期結(jié)構(gòu)對(duì)位移反應(yīng)較為敏感，對(duì)其進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，除了要限制結(jié)構(gòu)最小基底剪力外，還需嚴(yán)格控制結(jié)構(gòu)的位移.

同時(shí)，對(duì)比表2與表5可知，峰值速度調(diào)幅方式下結(jié)構(gòu)的基底剪力要大于峰值加速度調(diào)幅下的基底剪力. 對(duì)于結(jié)構(gòu)最大頂點(diǎn)位移也可由表7得到同樣結(jié)果. 按照峰值速度進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)的調(diào)幅會(huì)使長周期結(jié)構(gòu)處于更不利的狀態(tài). 這表明相對(duì)于加速度反應(yīng)譜，長周期結(jié)構(gòu)對(duì)速度反應(yīng)譜更為敏感.

表7 不同調(diào)幅方法結(jié)構(gòu)的最大頂點(diǎn)位移Table 7 The maximum top displacements of structures in different modified methods mm

圖5 不同遠(yuǎn)場(chǎng)地震波下的放大系數(shù)Table 5 The amplification coefficients of selected ground motions

5 結(jié) 論

本研究選取了1條近場(chǎng)地震波與3條遠(yuǎn)場(chǎng)地震波，建立了6個(gè)規(guī)則的型鋼混凝土框架-核心筒結(jié)構(gòu)模型，進(jìn)行了設(shè)防地震水準(zhǔn)下的時(shí)程分析. 基于中震時(shí)程分析的結(jié)果，研究了遠(yuǎn)場(chǎng)地震對(duì)長周期結(jié)構(gòu)基底剪重比的影響，認(rèn)為

1)當(dāng)?shù)卣饎?dòng)按峰值加速度調(diào)幅方式時(shí)，遠(yuǎn)場(chǎng)地震對(duì)長周期結(jié)構(gòu)基底剪重比的影響明顯大于近場(chǎng)地震波作用下的情況. 然而，當(dāng)采用峰值速度調(diào)幅方式時(shí)，這種影響并不明顯.

2)兩種地震動(dòng)峰值調(diào)幅方式下，長周期結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下位移響應(yīng)要顯著大于近場(chǎng)地震作用下結(jié)果. 表明長周期結(jié)構(gòu)對(duì)于位移反應(yīng)更為敏感，對(duì)其進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要嚴(yán)格限制結(jié)構(gòu)位移.

3)峰值速度調(diào)幅方式下，遠(yuǎn)場(chǎng)地震下長周期結(jié)構(gòu)的基底剪力和位移都要大于峰值加速度調(diào)幅方式下的計(jì)算情況，充分說明長周期結(jié)構(gòu)對(duì)于速度譜的敏感性要大于加速譜. 故采用加速度反應(yīng)譜對(duì)長周期進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的合理性需要進(jìn)一步探討.

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【中文責(zé)編：坪梓；英文責(zé)編：之聿】

Seismicbaseshearcoefficientsoflong-periodstructuressubjectedtofar-fieldgroundmotions

GuanMinsheng1,DuHongbiao1,ZengQingli1,CaiWei1,andCuiJie2

1)CollegeofCivilEngineering,ShenzhenUniversity,Shenzhen518060,GuangdongProvince,P.R.China2)EarthquakeEngineeringResearch&TestCenter,GuangzhouUniversity,Guangzhou510405,GuangdongProvince,P.R.China

The paper aims to investigate the effect of far-field ground motions with two amplitude modulation means, i.e. peak ground acceleration (PGA) and peak ground velocity (PGV), on seismic base shear coefficients of long-period structures. Three far-field earthquake records and one typical near-field accelerogram are chosen as input ground motions. Six steel reinforced concrete frame-core wall structures are designed and studied through dynamic time history analyses with a set of four selected ground motions scaled to the fortification earthquake level. Numerical results show that, by scaling PGA, the seismic base shear coefficients under far-field ground motions are significantly larger than those of the near-field ground motion. However, in the way of scaling PGV, the difference between two types of earthquake records is minor. The structural top displacements are more effected by the far-field ground motions in comparison with those of the near-field ground motion under the two scaling methods. It is also found that the two structural responses, the top displacement and the seismic base shear coefficient in the way of scaling PGV are larger than those of scaling PGA, which indicates that the long-period structures is more sensitive to the velocity spectrum than the acceleration spectrum. As a result, the time history analysis is suggested to be used as the PGV amplitude modulation manner for long-period structures.

building science; substructure; far-field ground motion; near-field ground motion; long-period structure; seismic base shear coefficient

2017-03-03；Accepted：2017-06-09

Lecture Guan Minsheng．E-mail:msguan@szu.edu.cn

TU 973

：Adoi：10.3724/SP.J.1249.2017.05488

Foundation：Intellectual Innovation Program of Shenzhen Science and Technology Innovation Committee (JCYJ20160331114415945，JCYJ20150324141711689)

：Guan Minsheng, Du Hongbiao, Zeng Qingli, et al．Seismic base shear coefficients of long-period structures subjected to far-field ground motions[J]. Journal of Shenzhen University Science and Engineering, 2017, 34(5): 488-494.(in Chinese)

深圳市科技基礎(chǔ)研究資助項(xiàng)目 (JCYJ20160331114415 945， JCYJ20150324141711689)

管民生(1979—)，男，深圳大學(xué)講師、博士. 研究方向：工程抗震.E-mail：msguan@szu.edu.cn

引文：管民生，杜宏彪，曾慶立，等．遠(yuǎn)場(chǎng)地震作用下長周期結(jié)構(gòu)的基底剪重比[J]. 深圳大學(xué)學(xué)報(bào)理工版，2017，34(5)：488-494.