不同場(chǎng)地條件下鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析

朱紋軍 陳清軍

（同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092）

不同場(chǎng)地條件下鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析

朱紋軍*陳清軍

（同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092）

從“5.12”汶川強(qiáng)震記錄中挑選出四川省自貢地形臺(tái)陣8個(gè)臺(tái)站和寶興縣2個(gè)臺(tái)站的加速度記錄，進(jìn)行了不同場(chǎng)地條件下的地震波頻譜特性分析，比較了復(fù)雜場(chǎng)地地形條件下的地震動(dòng)差異。以某鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)教學(xué)樓為工程背景，利用ANSYS軟件建立教學(xué)樓結(jié)構(gòu)的有限元模型，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析；在此基礎(chǔ)上，以10條不同場(chǎng)地條件下的地震動(dòng)時(shí)程按照規(guī)范調(diào)幅后作為輸入，對(duì)這一鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了地震反應(yīng)分析，探討了不同場(chǎng)地條件下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的差異。結(jié)果表明：自貢地形臺(tái)陣隨著測(cè)站高程的增加，地震動(dòng)幅值遞增明顯；與基巖地震波的頻帶分布相比較，土層地震波的頻帶主要集中在較低頻段，土層的高頻濾波效應(yīng)明顯；場(chǎng)地條件對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響較為明顯，高程最大的地震波作用下結(jié)構(gòu)的最大剪力響應(yīng)增大明顯。

地形臺(tái)陣記錄，地震動(dòng)頻譜特性分析，鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，不同場(chǎng)地條件，時(shí)程分析與比較

1 引 言

在“5.12”汶川大地震過程中，中國(guó)數(shù)字強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)網(wǎng)［1］共有398個(gè)臺(tái)站獲得了本次主震的強(qiáng)震動(dòng)記錄，這對(duì)于抗震研究工作具有極高的價(jià)值。許多震害調(diào)查［2］表明，相距僅百米的相似建筑物的受破壞程度存在較大差異，形成了明顯的震害異常區(qū)域，這對(duì)于研究場(chǎng)地條件與結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的關(guān)系具有重要意義。眾多的研究成果也表明，局部場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)振幅具有放大或縮小［3］的影響，從而直接影響了震害程度的分布，并且場(chǎng)地條件對(duì)于地震動(dòng)的頻譜特性［4］也有直接的影響，所以本文從“5.12”汶川強(qiáng)震記錄中選取了寶興和自貢兩地的地震波加速度記錄，在此基礎(chǔ)上分析了場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)幅值、持時(shí)和頻譜特性的影響，并以一鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，通過Ansys對(duì)其建模并進(jìn)行了地震反應(yīng)分析，對(duì)地震動(dòng)記錄按照規(guī)范進(jìn)行調(diào)幅后，討論了不同場(chǎng)地條件對(duì)于結(jié)構(gòu)反應(yīng)的差異的影響。

2 地震動(dòng)特性的比較

本文共選取了10個(gè)臺(tái)站的地震波加速度時(shí)程記錄，其中8個(gè)來自自貢地形臺(tái)陣記錄，2個(gè)來自寶興縣民治鄉(xiāng)和鹽井鄉(xiāng)的臺(tái)站記錄。其中自貢地形影響臺(tái)陣［5］的觀測(cè)結(jié)果是本文重要的數(shù)據(jù)來源，因其臺(tái)陣的布設(shè)總體上大致是沿著當(dāng)?shù)厣郊沟匦蔚妮S線進(jìn)行，所以其對(duì)于觀測(cè)場(chǎng)地基于不規(guī)則地形特點(diǎn)而導(dǎo)致地表地震動(dòng)的放大效應(yīng)在空間分布上的非均勻特性影響具有重要意義。10條記錄中有2條土層波記錄、8條基巖波記錄。

表1 地震動(dòng)時(shí)域特性信息Table 1Time domain characteristics of seism ic waves

2.1 時(shí)域特性的比較

對(duì)比分析土層波和基巖波測(cè)站的數(shù)據(jù)可知，土層波的幅值較基巖波更大，BXY測(cè)站在南北方向和東西方向的振幅分別為BXM測(cè)站的1.33倍和1.24倍；ZGS0土層測(cè)站南北方向和東西方向的振幅分別為ZGS1基巖測(cè)站的1.80倍和2.39倍。對(duì)比分析ZGS1測(cè)站至ZGS7測(cè)站七個(gè)測(cè)站的地震動(dòng)幅值可知，水平地震波幅值與測(cè)站的高程呈現(xiàn)正相關(guān)性，高程最大的ZGS6基巖測(cè)站在南北方向振幅較高程最小的ZGS1基巖測(cè)站增大了59.4%。

圖1 自貢臺(tái)陣布置剖面示意圖［6］Fig.1 Zigong station profile［6］

總體而言，所有的地震波數(shù)據(jù)都表現(xiàn)出如下特點(diǎn)：首先，南北向和東西向的地震波振幅基本相等，沒有體現(xiàn)出明顯的方向性；其次，豎直方向的振幅約為水平向振幅的50%。

2.2 頻域特性的比較

地震動(dòng)反應(yīng)譜既與地震動(dòng)特性相關(guān)，又和結(jié)構(gòu)自身特性［7］相關(guān)，所以從本質(zhì)上而言，地震動(dòng)反應(yīng)譜包含了地震動(dòng)頻譜信息，同時(shí)也考慮了結(jié)構(gòu)的基本動(dòng)力特性。本文對(duì)自貢地形臺(tái)陣的加速度時(shí)程進(jìn)行處理后得到了各個(gè)臺(tái)站阻尼比為0.05的標(biāo)準(zhǔn)加速度反應(yīng)譜。

相比于基巖波，土層波在較長(zhǎng)周期處對(duì)應(yīng)的加速度動(dòng)力放大系數(shù)更大。對(duì)比BXY測(cè)站和BXM測(cè)站的反應(yīng)譜數(shù)據(jù)可知，在東西方向上，前者的動(dòng)力放大系數(shù)最大值對(duì)應(yīng)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。對(duì)比ZGS0測(cè)站和ZGS1測(cè)站，在東西方向上，前者的動(dòng)力放大系數(shù)最大值對(duì)應(yīng)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。

隨著臺(tái)站高程的增加，地震波頻譜中低頻的成分逐漸增多，這表明在靠近山頂?shù)牡胤剑涫艿降匦螚l件的影響更為明顯，對(duì)具有長(zhǎng)周期的結(jié)構(gòu)物而言更具有破壞力。換言之，突兀的山頂對(duì)于結(jié)構(gòu)的影響與基巖之上覆蓋軟弱土層的場(chǎng)地相似，兩者都會(huì)使得場(chǎng)地的卓越周期變大，因此這對(duì)于長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的抗震性能而言是不利的。即便是對(duì)于周期較小的結(jié)構(gòu)，由于其在受到破壞后可能發(fā)生構(gòu)件的開裂，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體剛度削弱［8］，自振周期變長(zhǎng)，因此無論如何，較大的場(chǎng)地卓越周期對(duì)于結(jié)構(gòu)而言都是較為不利的。隨著高程的增加，加速度動(dòng)力放大系數(shù)的最大值在總體上呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，ZGS5臺(tái)站和ZGS6臺(tái)站的動(dòng)力放大系數(shù)較其他臺(tái)站更大，其中ZGS3臺(tái)站在東西方向的加速度動(dòng)力放大系數(shù)最大值是ZGS4測(cè)站的1.23倍，南北向的比值為1.05。

圖2 地震動(dòng)加速度時(shí)程記錄Fig.2 Seismic acceleration time history records

圖3 地震動(dòng)反應(yīng)譜Fig.3 Seismic response spectra

3 有限元模型的建立及動(dòng)力特性

3.1 模型建立

本文所選取的模型是某中學(xué)教學(xué)A樓，該教學(xué)樓建成于2007年，主體為5層框架結(jié)構(gòu)，局部為6層，總建筑面積是3 618.3 m2，按照抗震建筑規(guī)范的要求，設(shè)防烈度為7度，設(shè)計(jì)地震分組為第一組，框架抗震等級(jí)為三級(jí)，結(jié)構(gòu)層高3.6 m，柱尺寸為400mm×400mm，主梁尺寸為200mm×600mm，樓板厚度為150mm，各層填充墻厚度均為200mm，柱下獨(dú)立基礎(chǔ)。梁、板、柱的混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為C30。受力鋼筋采用HRB335，填充墻體采用MU10空心砌塊，M5砂漿砌筑。

3.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

利用ANSYS的模態(tài)分析功能，提取前十階模態(tài)，計(jì)算方法采用Block Lanczos法，計(jì)算結(jié)果如表2所示。以平動(dòng)為主的第一自振周期為T1＝0.890 9 s，以扭轉(zhuǎn)為主的第一自振周期為Tt＝0.735 5，其比值Tt／T1＝0.825 57，滿足規(guī)范對(duì)周期比規(guī)定的限值0.85，說明結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不明顯，具有足夠的抗扭剛度。

圖4 結(jié)構(gòu)平面布置圖（單位：mm）Fig.4 Structural plane（Unit：mm）

表2 結(jié)構(gòu)的前十階自振頻率與自振周期Table 2First ten structure frequencies and periods

圖5 結(jié)構(gòu)分析模型Fig.5 Structure analysismodel

4 不同場(chǎng)地條件下結(jié)構(gòu)時(shí)程反應(yīng)計(jì)算結(jié)果分析與比較

4.1 角柱位移對(duì)比分析

結(jié)構(gòu)1B軸線位置的角柱最大位移都發(fā)生在結(jié)構(gòu)頂層，其中角柱在X方向的位移隨著樓層的改變而呈現(xiàn)出緩和的變化，然而在Y方向的第五層和頂層之間出現(xiàn)了劇烈的變化，表明這兩層間結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量發(fā)生了較大的變化，從而表現(xiàn)出了鞭梢效應(yīng)。對(duì)于相同高程的土層波測(cè)站與基巖波測(cè)站，土層波作用下結(jié)構(gòu)的最大位移較基巖波作用下的最大位移更大，ZGS0臺(tái)站的地震波數(shù)據(jù)作用下結(jié)構(gòu)的最大角柱位移比ZGS1臺(tái)站增大了2.9%。隨著高程的增加，結(jié)構(gòu)的反應(yīng)也隨之增大。山頂處ZGS6臺(tái)站的結(jié)構(gòu)響應(yīng)比山腳處ZGS1臺(tái)站增大了27.9%。

4.2 角柱層間位移對(duì)比分析

結(jié)構(gòu)在地震作用下產(chǎn)生了鞭梢效應(yīng)，層間位移最大值出現(xiàn)在頂層。靠近底部的樓層在X方向上表現(xiàn)出更大的層間位移，而隨著樓層的上升，Y方向的層間位移超越X方向的層間位移。在測(cè)站高程相同的情況下，基巖波作用下的角柱層間位移較土層波作用下的角柱層間位移更大。ZGS0測(cè)站的地震波作用下角柱二層X方向?qū)娱g位移相比ZGS1測(cè)站增大了7.9%。隨著測(cè)站高程的增加，結(jié)構(gòu)的層間位移也呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。ZGS6測(cè)站的地震波作用下二層X方向?qū)娱g位移相比ZGS1測(cè)站增大了30.8%。

4.3 角柱剪力對(duì)比分析

隨著基巖波臺(tái)站高程的增加，結(jié)構(gòu)角柱的剪力包絡(luò)圖呈現(xiàn)遞增的趨勢(shì)，即ZGS1站的角柱的剪力最小，ZGS6站的角柱的層間剪力最大，兩者二層角柱剪力比值達(dá)到了1.226 1。同一高程的S0測(cè)站和S1測(cè)站，由于土層性質(zhì)的不同，剪力包絡(luò)圖表現(xiàn)出較大的差異，土層波作用下結(jié)構(gòu)第二層角柱的剪力較基巖波作用下的值增大了5.2%。

5 結(jié) 論

（1）自貢市ZGS1至ZGS7七個(gè)測(cè)站的地震動(dòng)記錄的分析結(jié)果表明，在土層情況和震中距影響基本相同的情況下，地震波的幅值隨著測(cè)站的高程增大而增大，其中山頂處ZGS6測(cè)站的地震波幅值達(dá)到最大值，且其在南北方向和東西方向的振幅較高程最小的ZGS1基巖測(cè)站分別增大約59%和77%。

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

圖7 結(jié)構(gòu)角柱層間位移圖（單位：mm）Fig.7 Corner column relative displacements（Unit：mm）

（2）與基巖地震波的頻帶分布相比，土層地震波的頻帶主要集中在較低頻段，土層的高頻濾波效應(yīng)明顯，且基巖臺(tái)站隨著高程的增加，地震波頻譜中低頻的成分逐漸增多。

圖8 結(jié)構(gòu)角柱剪力圖（單位：mm）Fig.8 Corner column shear forces（Unit：mm）

（3）相同高程的ZGS0土層測(cè)站和ZGS1基巖測(cè)站，其中土層波作用下結(jié)構(gòu)第二層角柱的剪力較基巖波作用下的值略有增大。

（4）結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)隨著高程的增大而增大。ZGS6測(cè)站地震動(dòng)輸入結(jié)構(gòu)后得到的角柱最大剪力相比ZGS1測(cè)站數(shù)據(jù)得到的結(jié)果增大了約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

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（50978198）*聯(lián)系作者，Email：fado＿zhu＠163.com