第35卷第2期 地震学 报 Vo1.35,NO.2 Mar.,2013 2013年3月 (250—261) ACTA SEISMOLOGICA SINICA 陈波,谢俊举,温增平.2013.汶川地震近断层地震动作用下结构地震响应特征分析.地震学报,35(2):250—261. Chen Bo,Xie Junju,Wen Zengping.2013.Analysis of the seismic response characteristics of building structures subjec— ted to near—fault ground motions from Wenchuan earthquake.Acta Seismologica Sinica,35(2):250—261. 汶川地震近断层地震动作用下 结构地震响应特征分析 陈 波 谢俊举 温增平 (中国北京100081中国地震局地球物理研究所) 摘要 研究了具有不同自振特性的建筑结构在近断层速度脉冲型及非速度脉冲型地震动作用 下的结构层间变形分布,揭示了近断层速度脉冲对工程结构地震响应的特殊影响.从汶川I Ms8.0地震近断层强震记录中选取两组典型速度脉冲型记录和非脉冲型记录,根据确定的目 标地震动强度水平,利用时域叠加小波函数法对选择的强震记录进行调整,使之与目标地震 动水平对应的加速度反应谱保持一致,以此作为结构地震反应分析的地震动输入.选取具有 不同自振特征的3层、11层和2O层典型钢筋混凝土框架结构,建立有限元分析模型,分别计 算在速度脉冲型与非速度脉冲型记录作用下这些结构层间变形分布.研究表明,速度脉冲型 记录与非速度脉冲型记录作用下结构层间变形有明显差异,且与结构自振特征有关.就低层 结构的层间变形而言,非速度脉冲型记录的影响较速度脉冲型记录的影响大.随着结构自振 周期的增加,高阶振型的影响更加明显.与非速度脉冲型记录相比,速度脉冲型记录的结构 层间位移反应中值及离散程度较大.速度脉冲型记录更容易激发高层结构的高阶振型,产生 较大的层间位移反应.非速度脉冲型记录对中低层结构层间变形影响较大.因此,在开展近 断层结构地震影响评价时,应考虑近断层速度脉冲的影响. 关键词 速度脉冲 近断层 框架结构 层间变形 中图分类号:P315.9 文献标志码:A doi:10.3969/j.issn.0253—3782.2013.02.011 Analysis of the seismic response characteristics of building structures subj ected to near‘fault ground motions from Wenchuan earthquake Chen Bo Xie Junj u Wen Zengping (Institute of Geophysics,China Earthquake Administration,Beijing 100081,China) Abstract:This paper focuses on studying the effects of near—fault ground veloci— ty pulses on building structures.Inter—story drift distributions of structures subjected to velocity pulse——type records and non——pulse——type records were investi—— gated to reveal the effects of near—fault strong motions on building structures *基金项目 国家科技支撑计划项目(2012BAK15B00)、地震行业科研专项(200808009)和中国地震局地球物理研 究所基本科研专项(DQJBIOB32)共同资助. 收稿日期 2o12-02一IO收到初稿,2012-05—24决定采用修改稿. 十通讯作者 e mail:wenzp@tea—igp.ac.en 2期 陈 波等:汶川地震近断层地震动作用下结构地震响应特征分析 251 with different natural vibration periods.Two groups of typical velocity pulse re— cords and non—pulse records were selected from Wenchuan 8.0 earthquake, and a wavelet method of time domain synthesizing was used to modify the se— lected records,matching the target spectra from determined seismic intensity. The modified ground motions were used as the basic strong motion data for seis— mic response analysis.Finite models of 3,1 1 and 20一story RC frame structures were established,and inter—story drift distributions of these three buildings SUb— jected tO typical velocity pulse—type records and non—pulse—type records were in— vestigated.The study reveals that the inter—story drift distributions are quite different when the structures are subj ected to pulse—type records and non—pulse— type records for the 3,1 1 and 20一story RC frame structures,and are correlated with the natura1 vibration properties of building structures.In terms of 1OW—rise buildings,inter—story drifts are larger for non—pulse—type records than those for pulse—type records.The influences of high modes on inter—story drifts become much more obvious with the increase of story number.The median value and dispersion of inter ‘story drifts are much larger when subj ected to pulse——type re—— cords compared with non—pulse—type records for high—rise buildings.Pulse—type records tend to induce higher modes response,resulting in large inter—story drifts for high—rise buildings.Non—pulse—type records have relatively large effects on inter—story drifts primarily in the fundamental mode for lOW—rise buildings.It can be concluded that the effects of near—fault velocity pulses should be taken into consideration when assessing seismic damage potential for near—fault building structures. Key words:velocity pulses;near—fault;frame structure;inter—story drift 引言 近断层速度脉冲型强震记录的特征及其破坏作用引起了工程地震学和地震工程学界的 关注.速度脉冲记录对结构有特殊的破坏作用.Bertero等(1978)在研究1971年San Fer— nando强震记录时首次发现了幅值大、周期长的速度脉冲型近断层强震记录及其破坏作 用.此后发生的一些大地震,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,都观测到了这种近断层速度脉冲型记录. 已有的研究表明,有些结构大的结构层间位移常与这种长周期速度脉冲型记录密切相关, 可能是由幅值大、周期长的速度脉冲型记录造成的(1wan,Chen,1994;Somerville,1995; 1wan,1997;Malhotra,1999;MacRac et al,2000).此外,这种速度脉冲型记录的形成与 断层破裂的方向性效应和断层逆冲运动所造成的永久位移密切相关(Somerville et al, 1997;Huang et al,2000;Chen et口z,2001;李爽,谢礼立,2006;杨迪雄等,2009;杨迪 雄,赵岩,2010). 中国数字强震动观测台网在2008年汶川M 8.0地震时获取到了大量的近场强震加速 度记录(Li etal,2008,2010;于海英等,2008),发现有些近断层强震记录具有明显的速度 脉冲型特征(wen et al,2010;Lu et al,2010;谢俊举等,2011),为开展近断层速度脉冲 型记录的工程特性研究提供了宝贵的资料.本文从汶川地震近断层强震记录中选取了速度 脉冲型与非速度脉冲型两组典型地震动记录,采用时域叠加小波函数法对所选择的强震记 地 震 学 报 录进行调整,使其加速度反应谱与目标地震动水平保持一致,建立不同自振特性的钢筋混 凝土框架结构有限元模型,分析在不同类型强震记录作用下结构层间变形分布特征,试图 揭示汶川地震近断层速度脉冲对工程结构地震响应的影响. 1脉冲记录的选取与调整 为分析汶川地震近断层脉冲型地震动对工程结构的特殊破坏作用,本文从汶川地震中 阻 讣 阻 选取两组典型速度脉冲记录和非速度脉冲记录,对比分析这两组典型记录对结构影响的不 同特点.参考Baker(2007)提出的近断层地震动脉冲的分析方法,从汶川地震获取的64组 近断层记录中选取8条典型速度脉冲型加速度记录和8条非速度脉冲型加速度记录,作为 B一一 B r r 舢 Q Q 地震动输入.选取的典型速度脉冲型记录和非速度脉冲型记录的主要参数如表1和表2 所示. 表1 选取的近断层速度脉冲型记录的主要参数 Table 1 Parameters of selected near-fault pulse—type ground motions from Wenchuan earthquake 记录名称 德阳白马E 德阳白马N 江油台E 江油台N 江油含增E 江油含增N 台站代码 脉冲周期/。 脉冲幅值 /.m ̄ ̄-1/cm s PGA__,/cm。s , PGV /cm。s 断层距/k 绵竹清平E 绵竹清平N 表2选取的近断层非速度脉冲型记录的主要参数 Table 2 Parameters of selected non——pulse——type ground motions from Wenchuan earthquake 图1分别给出这两组阻尼比为5 的加速度反应谱(注:本文中加速度反应谱用“g”表 示,lg一9.8 m/s ).可以看出,速度脉冲型记录与非速度脉冲型记录的加速度反应谱值及 谱形有较大的不同.如果直接以此作为结构地震反应分析的地震动输入,则很难确认引起 结构地震反应差异较大的影响因素,即究竟归因于反应谱谱值或谱形,还是速度脉冲.为 了能揭示速度脉冲型记录特殊的工程特性,需要对选取的两组记录进行调整,使其加速度 反应谱一致或彼此接近(Alavi,Krawinkler,2004;赵凤新等,2008),以消除加速度反应 谱因素的影响.同时,调整后的地震动需保持原始地震动的脉冲特征. 2期 陈 波等:汶川地震近断层地震动作用下结构地震响应特征分析 259 对低层结构的层间位移反应影响的差别较小.而随着结构层数的增高,速度脉冲型的记录 对结构层间位移响应的影响由小于非速度脉冲型,逐渐发展到整体大于非速度脉冲型.速 度脉冲型作用下2O层框架结构的层间位移变形,要比非速度脉冲型记录作用下大,接近 3O .对于结构反应的离散性,亦表现出如此规律,速度脉冲型作用下的低层结构反应的 离散性比非速度脉冲型记录的小.而随着结构层数的增高,速度脉冲型作用下的结构反应 的离散性逐渐增大,其中2O层框架,速度脉冲型作用下的结构层间位移变形的标准差要比 非速度脉冲型记录的大10 以上.即速度脉冲型相比非速度脉冲型地震动更容易激发高层 结构的层问位移响应,对高层结构的作用更加明显. 4讨论与结论 本文从汶川地震近断层强震记录中分别选取8条典型速度脉冲型和8条非速度脉冲型 记录,作为结构反应的地震动输入.基于有限单元方法分别建立了3层、11层和2O层的典 型钢筋混凝土框架结构模型,研究钢筋混凝土框架在近断层速度脉冲型与非速度脉冲型作 用下的结构层问位移变形特点,揭示汶川地震近断层速度脉冲对结构地震反应的影响.主 要结论如下: 1)在两组地震动加速度反应谱一致的前提下,与非速度脉冲记录相比,速度脉冲记录 对低层结构的层间位移反应影响的差别较小.而随着结构层数的增高,速度脉冲记录对结 构层问位移响应的影响逐渐明显.结构层间位移变形的离散性也表现出类似规律.非速度 脉冲地震动对受第一振型控制的中低层结构层问变形影响较大;速度脉冲型记录则更容易 激发高层结构的高阶振型的响应,产生较大的变形. 2)与集集地震和北岭地震(赵凤新等,2008;杨迪雄等,2009)近断层速度脉冲型地震 动引起高层结构较大弹塑性变形相比,汶川近断层多层和高层结构的地震反应较小.这可 能与汶川地震速度脉冲型地震动长周期效应较弱(Li et al,2010;Wen et al,2010)有关. 3)由于地震动的复杂性和随机性,反应谱并不能完全反映地震动的工程特性,结构的 弹塑性反应会因地震动有无速度脉冲而表现不同.在结构抗震设计和评估中,特别是对于 高层结构,在考虑地震动反应谱特征的同时,应充分考虑速度脉冲型地震动对结构抗震安 全的影响;条件允许的情况下,应选择多个地震事件的速度脉冲记录. 中国强震动观测台网为本研究提供了强震记录数据;审稿人为本文的完善提出了许多 宝贵的意见.作者在此一并表示感谢. 参 考 文 献 李爽,谢礼立.2006.近场脉冲型地震动对钢筋混凝土框架结构影响[J].沈阳建筑大学学报,22(3):406—410. 国家质量监督检验检疫总局,中华人民共和国建设部.2001.GB50011—2001建筑抗震设计规范[s].北京:中国建筑工 业出版社:44 56. 全伟,李宏男.2008.调整已有地震动拟和规范反应谱人造地震动方法比较[J].防灾减灾工程学报,28(1):91—97. 谢俊举,温增平,高孟潭,袁美巧,何少林.2011.2008年汶川地震近断层地震动的非平稳特征[J].地球物理学报,54 (3):728—736. 杨迪雄,潘建伟,李刚.2009.近断层脉冲型地震动作用下建筑结构的层问变形分布特征和机理分析[J].建筑结构学 报,30(4):108—118. 26O 地 震 学 报 35卷 杨迪雄,赵岩.2010.近断层地震动破裂向前方向性与滑冲效应对隔振建筑结构抗震性能的影DR[J].地震学报,32(5): 579-587. 于海英,王栋,杨永强,卢大伟,解全才,张明宇,周宝峰,江纹乡,程翔,杨剑.2008.汶川8.0级地震强震动特征初 步分析EJ].震灾防御技术,3(4):321—336. 赵风新,韦韬,张郁山.2008.近断层速度脉冲对钢筋混凝土框架结构地震反应的影响fJ].工程力学,25(10):180 187. 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