脈沖型地震作用下RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能評估

王海東，劉巴黎，蔡長豐

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脈沖型地震作用下RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能評估

王海東1, 2，劉巴黎2，蔡長豐2

(1. 湖南大學(xué) 建筑安全與節(jié)能教育部重點實驗室，湖南 長沙 410082； 2.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082； 3. 長沙理工大學(xué) 橋梁工程安全控制省部共建教育部重點實驗室，湖南 長沙 410114)

通過選取脈沖型地震記錄100條，擬合脈沖型加速度反應(yīng)譜后與中美規(guī)范譜進行比較，利用擬合的反應(yīng)譜轉(zhuǎn)換成需求譜，對一10層RC框架結(jié)構(gòu)進行基于Pushover分析的抗震性能評估，研究脈沖型地震動對RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。研究結(jié)果表明：通過對比擬合譜與中美規(guī)范譜，我國規(guī)范譜不考慮脈沖效應(yīng)，在速度敏感區(qū)內(nèi)取值偏小；UBC97規(guī)范譜通過增大加速度敏感區(qū)的寬度及增加位移敏感區(qū)的平臺段來考慮脈沖效應(yīng)，取值偏保守。8度多遇、罕遇地震時，擬合需求譜下結(jié)構(gòu)基底剪力和最大層間位移角都遠大于規(guī)范需求譜下結(jié)構(gòu)基底剪力和最大層間位移角。8度罕遇地震時，規(guī)范需求譜下只有框架梁出現(xiàn)塑性鉸，框架柱未出現(xiàn)塑性鉸；擬合需求譜下底層框架柱柱腳出現(xiàn)塑性鉸，局部框架梁塑性鉸變形加大且塑性鉸分布范圍更廣，表明脈沖型地震對結(jié)構(gòu)提出更高的位移和能量耗散需求。

脈沖型地震動；反應(yīng)譜；Pushover分析；需求譜；性能點

最近幾十年來發(fā)生的多次強烈地震給人類帶來了極大的災(zāi)難[1]。1979年美國Imperial Valley地震、1994年美國Northridge地震、1995年日本阪神(Kobe)地震、1999年臺灣的Chi-Chi地震等，這些強震伴有高能量的速度脈沖，能量的散發(fā)是以遞增的形式進行，難以在短時間內(nèi)耗散。研究表明，近場脈沖型地震動會對工程結(jié)構(gòu)造成嚴重影響[2?7]。脈沖型地震動是指在斷層區(qū)域出現(xiàn)的包含速度脈沖的地震動。脈沖型地震動以脈沖波的形式沿建筑物高度傳播，傳統(tǒng)的反應(yīng)譜已經(jīng)不能反映這些沖擊對結(jié)構(gòu)的影響，無法正確評估脈沖型地震作用下結(jié)構(gòu)的實際變形需求[8]。在評估結(jié)構(gòu)的抗震性能方面，常規(guī)的Pushover分析方法都大大低估了近場地震作用下結(jié)構(gòu)的需求[9]。在現(xiàn)行的抗震設(shè)計規(guī)范中，美國的UBC97是世界上首部明確引入近斷層因子來考慮近場效應(yīng)的規(guī)范，對設(shè)計反應(yīng)譜作了規(guī) 定[10]。我國現(xiàn)行的建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011—2010)根據(jù)建筑類別和設(shè)防烈度規(guī)定了發(fā)震斷層最小避讓距離[11]，說明我國建筑抗震規(guī)范認識到斷層的危害性，只是在應(yīng)對措施上被動回避，沒有對設(shè)計反應(yīng)譜作出具體規(guī)定。因此如何合理的進行近場區(qū)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計成為亟待解決的問題，研究近場脈沖型地震動對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響具有重要的現(xiàn)實意義。采用文獻[12]建議的方法，從美國太平洋地震工程研究中心強震數(shù)據(jù)庫選取脈沖型地震記錄100條，通過最小二乘法擬合加速度反應(yīng)譜，并與中美規(guī)范譜進行比較。在此基礎(chǔ)上，通過對一10層RC框架結(jié)構(gòu)進行基于Pushover分析的抗震性能評估，對比8度罕遇地震作用下2種需求譜性能點處結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性，研究脈沖型地震對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。本文的研究結(jié)果為脈沖型地震作用下工程結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析和抗震設(shè)計提供參考。

1 脈沖型地震反應(yīng)譜研究

1.1 脈沖型地震記錄的選取

根據(jù)Baker建議的方法，采用小波分解的方法從所選取得地震動的速度時程中提取速度脈沖部分，依據(jù)脈沖指標B判斷該地震動是否屬于脈沖型地震動，當(dāng)B＞0.85時，該地震動被定義為脈沖型地震動。根據(jù)上述原則從美國太平洋地震工程研究中心強震數(shù)據(jù)庫中選取脈沖型地震記錄100條，發(fā)震時間為1971~1999年，矩震級介于5.7~7.6之間，震中距小于50 km，場地條件分為基巖、硬土和軟土，分組原則參考文獻[13]。選取的地震記錄基本信息如表1所示。

表1 選用的地震記錄基本信息

1.2 脈沖型地震反應(yīng)譜擬合

本文采用各國規(guī)范中應(yīng)用最為廣泛的由斜直線上升段、平臺段和指數(shù)衰減曲線段組成的設(shè)計譜表達式，分別對3類場地的平均規(guī)準譜采用最小二乘擬合法[14]進行擬合，i為平均反應(yīng)譜值。

圖1為上述3種類型場地的平均規(guī)準譜曲線與擬合曲線，擬合曲線的特征值如表2所示。式中4個控制參數(shù)：1) 直線上升與平臺段交接的第一拐點周期0；2) 特征周期g；3) 平臺段的高度，即最大放大倍數(shù)max；4) 下降段衰減指數(shù)。

從圖1可以看出：3類場地的擬合反應(yīng)譜的平臺值均為2.25，擬合譜平臺段起始點對應(yīng)的周期0不固定，終止點對應(yīng)的周期g約為0的4~4.3倍。硬土及軟土場地的特征周期分別為0.65 s和0.85 s，與文獻[15]的研究結(jié)果比較接近。基巖的特征周期為0.4 s比文獻[16]的研究結(jié)果要小，可能是場地劃分的標準不一致所致。3類場地擬合譜曲線下降段的衰減指數(shù)都為0.92。

(a) 基巖場地擬合譜；(b) 硬土場地擬合譜；(c) 軟土場地擬合譜

表2 反應(yīng)譜擬合曲線特征值

1.3 擬合譜與規(guī)范譜對比分析

根據(jù)對本文場地的分類原則，將本文基巖場地上的擬合譜與我國《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB50011—2010)(以下簡稱規(guī)范譜)Ⅰ類場地規(guī)范譜進行比較，將本文硬土場地上的擬合譜與Ⅱ類場地規(guī)范譜進行比較，將本文軟土場地上的擬合譜與Ⅲ類場地、Ⅳ類場地規(guī)范譜進行比較，規(guī)范設(shè)計地震分組取第一組，如圖2(a)所示。將本文基巖場地上的擬合譜與美國UBC1997規(guī)范譜(以下簡稱UBC97規(guī)范譜)中SC類場地規(guī)范譜進行比較，硬土場地上的擬合譜與UBC97中SD類場地規(guī)范譜進行比較，軟土場地上的擬合譜與UBC97中SE類場地規(guī)范譜進行比較，如圖2(b)所示。

(a) 擬合譜與我國規(guī)范譜對比；(b) 擬合譜與UBC97規(guī)范譜對比

由圖2(a)可以發(fā)現(xiàn)：擬合譜和規(guī)范譜的平臺值都為2.25，擬合譜沒有直線下降段。規(guī)范譜中Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅳ類(設(shè)計地震分組取第1組)場地特征周期分別為0.2，0.35和0.65 s，本文擬合譜基巖、硬土、軟土場地特征周期分別為0.4，0.65和0.85 s。脈沖型地震動反應(yīng)譜特征周期都比規(guī)范譜中給出的值大，并且隨著場地變軟，兩者之間的差距變小。脈沖型地震具有更寬的加速度敏感區(qū)，規(guī)范譜譜值在速度敏感區(qū)段內(nèi)明顯偏小。

由圖2(b)可以發(fā)現(xiàn)：UBC97規(guī)范譜中SC，SD和SE場地特征周期分別為0.51，0.58和1.07 s，基巖、硬土、軟土場地擬合譜特征周期分別為0.4，0.65和0.85 s，硬土擬合譜特征周期與UBC97中SD場地設(shè)計譜特征周期較接近，基巖、軟土場地擬合譜特征周期分別比UBC97規(guī)范譜中SC、SE場地特征周期要小。由以上可以看出，UBC97規(guī)范譜對近場效應(yīng)的考慮比較合理，尤其是加大了加速度敏感區(qū)的寬度，較好的解決了近場地震動作用下結(jié)構(gòu)的特殊響應(yīng)問題。此外，UBC97規(guī)范譜在長周期下降段增加了一個平臺段。

2 RC框架結(jié)構(gòu)抗震性能評估

靜力彈塑性分析法(Pushover)結(jié)合能量譜法能夠簡單有效評估結(jié)構(gòu)的抗震性能，成為實現(xiàn)基于性能抗震設(shè)計思想的重要方法，已被引入我國建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范。性能點代表地震作用下結(jié)構(gòu)的最大非線性承載力和最大位移，該點在控制目標性能范圍內(nèi)則表示結(jié)構(gòu)滿足性能要求。本文采用ATC- 40[17]中介紹的方法建立需求譜，運用SAP2000對一10層框架結(jié)構(gòu)進行基于Pushover分析的抗震性能評估，對比結(jié)構(gòu)分別在8度多遇、罕遇地震作用下兩種需求譜性能點處結(jié)構(gòu)的反應(yīng)特性，研究脈沖型地震對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

2.1 計算模型與參數(shù)

嚴格按我國規(guī)范設(shè)計了一座3×3跨10層的框架結(jié)構(gòu)，首層層高為3.9 m，2層至10層層高為3.6 m，其平面布置圖、立面圖如圖3所示，8度設(shè)防，一組Ⅱ類場地，房屋結(jié)構(gòu)高度36.3 m，框架抗震設(shè)防等級為一級。柱混凝土強度等級為C40，梁板混凝土強度等級為C35，受力鋼筋的強度等級為HRB400，箍筋強度等級為HRB335；采用現(xiàn)澆樓板，樓板厚度為120 mm，自重25 kN/m3；1~9層考慮非承重填充墻，墻厚240 mm，密度為19 kN/m3，1~9層樓面活載為2 kN/m2，第10層為可上人屋面，活荷載為2 kN/m2。構(gòu)件配筋由中國建筑科學(xué)研究院編制的PKPM程序得到，取其中一榀框架進行Pushover分析。

梁和柱采用SAP2000中的集中塑性鉸模型，鉸屬性基于FEMA365[18]中的默認鉸屬性，梁彎矩鉸模型、柱軸力和彎矩耦合鉸模型見圖4。其中點為位移原點；點為屈服點；點為鉸的極限承載力；點為殘余強度；點代表了完全失效，在段之間區(qū)分，和3段，其中表示直接使用階段，為生命安全階段，為防止倒塌階段。梁采用考慮彎矩的M3鉸，并且分別在距離各節(jié)點0.1倍梁長處進行布置；柱采用軸力和彎矩相互作用的-2-3耦合鉸，并且分別在距離柱頭和柱腳0.1倍柱長處進行布置[19]。

單位：mm

(a) M3鉸模型；(b) P-M2-M3鉸模型

2.2 Pushover分析

運用SAP2000分別對結(jié)構(gòu)進行8度多遇、罕遇地震作用下的Pushover分析，側(cè)向力采用倒三角分布的形式，考慮-Δ效應(yīng)的影響。

從表3可知，擬合需求譜性能點處結(jié)構(gòu)頂點位移為規(guī)范需求譜性能點處結(jié)構(gòu)頂點位移的1.7倍，擬合需求譜性能點處結(jié)構(gòu)基底剪力為規(guī)范需求譜性能點處結(jié)構(gòu)基底剪力的1.7倍。從圖5可知，擬合需求譜下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角相比規(guī)范需求譜下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角增大68.4%。

表3 多遇地震Pushover分析性能點對比

(a) 多遇地震下的性能點；(b) 樓層層間位移角

表4 罕遇地震Pushover分析性能點對比

從表4可知，擬合需求譜性能點處結(jié)構(gòu)頂點位移為規(guī)范需求譜性能點處結(jié)構(gòu)頂點位移的2倍。從圖6(a)和6(b)可知，擬合需求譜下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角相比規(guī)范需求譜下結(jié)構(gòu)的最大層間位移角增大97.8%。從圖6(c)和6(d)可知，罕遇地震時，規(guī)范需求譜下梁端塑性鉸處于區(qū)段，擬合需求譜下底層柱出現(xiàn)塑性鉸，部分梁端塑性鉸發(fā)展到區(qū)段。

(a) 罕遇地震下的性能點；(b) 樓層層間位移角；(c) 規(guī)范需求譜下的塑性鉸分布；(d) 擬合需求譜下的塑性鉸分布

2.3 抗震性能評估

從Pushover分析的結(jié)果來看：多遇地震作用下結(jié)構(gòu)處于彈性；罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)進入塑性，整體變形仍滿足現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計規(guī)范彈塑性變形的要求，塑性鉸的產(chǎn)生順序符合規(guī)范所要求的“梁?柱鉸”屈服機制。規(guī)范需求譜下只有框架梁出現(xiàn)塑性鉸，擬合需求譜下底層框架柱柱腳出現(xiàn)塑性鉸，局部框架梁塑性鉸變形加大且塑性鉸分布范圍更廣，表明脈沖型地震動對結(jié)構(gòu)提出更高的能量耗散需求。罕遇地震作用下擬合需求譜處頂點位移和層間位移角較規(guī)范需求譜處相應(yīng)值增大較為明顯，表明脈沖型地震動對結(jié)構(gòu)提出更高的位移 需求。

3 結(jié)論

1) 通過對比擬合譜與中美規(guī)范譜發(fā)現(xiàn)：脈沖型地震擬合譜具有比我國規(guī)范譜更寬的平臺段且曲線下降段較為平緩，我國規(guī)范譜未考慮脈沖效應(yīng)，在速度敏感區(qū)段內(nèi)取值偏小；UBC97規(guī)范譜通過增大加速度敏感區(qū)的寬度及增加位移敏感區(qū)的平臺段來考慮脈沖效應(yīng)，取值偏保守。

2) 8度多遇、罕遇地震時，擬合需求譜下結(jié)構(gòu)基底剪力和最大層間位移角都遠大于規(guī)范需求譜下結(jié)構(gòu)基底剪力和最大層間位移角。

3) 8度罕遇地震時，規(guī)范需求譜下只有框架梁出現(xiàn)塑性鉸，框架柱未出現(xiàn)塑性鉸；擬合需求譜下底層框架柱柱腳出現(xiàn)塑性鉸，局部框架梁塑性鉸變形加大且塑性鉸分布范圍更廣，表明脈沖型地震對結(jié)構(gòu)提出更高的位移和能量耗散需求。

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Seismic performance evaluation of an RC frame structure subjected to pulse-like ground motions

WANG Haidong1, 2, LIU Bali2, CAI Changfeng3

(1. Key Laboratory of Building Safety and Energy Efficiency Hunan University, Ministry of Education, Changsha 410082, China; 2. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China; 3. Key Laboratory of Bridge Engineering Safety Control by Hunan Province, Department of Education, Changsha University of Science & Technology, Changsha 410114, China)

100 pulse seismic records are selected for fitting with the acceleration response spectrum to be subsequently compared with the design spectrum of Chinese Seismic Code and the Uniform Building Code 1997. The fitting response spectrum is converted into the demand spectrum for the Pushover analysis of a 10-layer RC frame structure in order to research the influence of the pulse seismic oscillation on the anti-seismic property of RC frame structure. The research shows: Through the comparison with fitting spectra and the design spectra of Chinese Seismic Code and the Uniform Building Code 1997, it is found that the value of Chinese Seismic Code spectrum tends to be unsafe in the speed sensitivity zone. It is reasonable to consider the near-field earthquake effects of UBC97 design spectrum through magnifying the width of the speed sensitivity zone and increasing the platform segments of displacement sensitivity region, but the platform segments are too conservative. Frequent- earthquake and Rare-earthquake Pushover analysis shows that the structure base shear force and the maximum inter-story displacement angle in the fitting demand spectrum are greater than the corresponding values in the standard demand spectrum.Rare-earthquake Pushover analysis shows that the frame column does not have any plastic hinge under the standard demand spectrum; the base frame column has plastic hinge at the pedestal under the fitting demand spectrum. For some frame girders, the plastic hinges are significantly deformed and widely distributed.

pulse-type ground motions; response spectrum; pushover analysis; demand spectrum; performance point

10.19713/j.cnki.43?1423/u.2019.03.023

TU375.4

A

1672 ? 7029(2019)03 ? 0737 ? 07

2018?04?13

新世紀優(yōu)秀人才支持計劃資助項目(NCET-13-0190)；長沙理工大學(xué)橋梁工程安全控制省部共建教育部重點實驗室開放基金資助項目

王海東(1976?)，男，湖南澧縣人，副教授，博士，從事工程結(jié)構(gòu)抗震性能、土?結(jié)構(gòu)相互作用研究；E?mail：whdwang@hnu.edu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)