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

1、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)摘 要 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

2、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。關(guān)鍵詞 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Seismic esponse Analysis of a einforeced ConcreteStructure with Different Site ConditionsZHU Wenjun*CHEN Qingjun( State Key Laboratory

3、for Disaster eduction in Civil Engineering，Tongji University ，Shanghai 200092，China)Abstract8 seismic acceleration time history records at the Zigong stations and 2 seismic acceleration timehistory records from the Baoxing stations were chosen from 5 12 Wenchuan strong ground motion data for seis- m

4、ic wave spectrum characteristics analysis Seismic wave difference was discussed based on different site con- ditions A finite element model 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 d

5、ifferent site conditions， whose amplitudes were adjusted according to the Chinese Code for Seismic Design of Buildings，were used for seismic response analysis The influence of site condition on structural responses was discussed The analysis indicated that the amplitude of the seismic waves increase

6、d sharply with the increase of the height for the sta- tion 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

7、 shear force at a high elevation seismic wave greatly increasedKeywordstopography array record，spectral characteristics of seismic wave，reinforced concrete frame struc- ture，site condition，time-procedure analysis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引言1在“5 12”汶川大地震過(guò)程中，中國(guó)數(shù)

8、字強(qiáng)震收稿日期: 2013-11-08基金項(xiàng)目: 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抗震與抗風(fēng)結(jié)構(gòu)工程師第 30 卷第 5 期97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

9、性 的影響，并以一鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，通過(guò) 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。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6Fig 1 Zigong station profile6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(méi)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

10、和結(jié)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(lái)自自貢地形臺(tái)陣記錄，2 個(gè)來(lái) 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(lái)源，因其臺(tái)陣的布設(shè)總體上大致是沿著當(dāng)?shù)厣?脊地形的軸線進(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。27構(gòu)自身特性 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

11、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?，其受?地形條件的影響更為明顯，對(duì)具有長(zhǎng)周期的結(jié)構(gòu) 物而言更

12、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(kāi)裂，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的整體剛度削表 1地震動(dòng)時(shí)域特性信息Table 1 Time domain characteristics of seismic waves2 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

13、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8弱 ，自振周期變長(zhǎng)，因此無(wú)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)的最大值在總體臺(tái)站 地址編號(hào)加速度峰值 / gal記錄 長(zhǎng)度 / s臺(tái)站 性質(zhì)NSEWUD民治BXM 117 085153 250 8109 241300 01基巖鹽井BXY 155 702 190 23093 698346 48土層自貢 西山ZGS047 72255 02819 969218 00土層ZGS126

14、48923 03614 726131 00基巖ZGS229 95228 07815 953216 00基巖ZGS332 53334 86318 336221 00基巖ZGS432 22632 53119 719277 00基巖ZGS542 16933 03017 240241 00基巖ZGS642 24440 73519 742242 00基巖ZGS745 48939 29916 049220 00基巖Structural Engineers Vol 30，No 5Earthquake and Wind esistance98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

15、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Seismic acceleration time history recordsFig 2圖 3 地震動(dòng)反應(yīng)譜Fig 3Seismic response spectra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 400 mm 400 mm，主梁尺寸為 200 mm 600 mm，樓 板厚度為 150 mm，各層填充墻厚度均為 200 mm，柱下 獨(dú)立基 礎(chǔ)。 梁、板、柱 的 混凝土強(qiáng)度等級(jí)均為 有限元模型的建立及動(dòng)力特性3

16、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C30。 受 力 鋼 筋 采 用 HB335，填 充 墻 體 采 用MU10 空心砌塊，M5 砂漿砌筑。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3 2抗震與抗風(fēng)結(jié)構(gòu)工程師第 30 卷第 5 期99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

17、 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(shuō)明結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)不明顯，具有 足夠的抗扭剛度。ZGS1 臺(tái)站增大了 27 9% 。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 2 First ten structure frequencies and periods圖 6 結(jié)構(gòu)角柱位移圖 ( 單位: mm)Fig 6 Corner column displacements ( Unit:角柱層間位移對(duì)比分析mm)4

18、2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?？拷撞康臉菍釉?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% 。圖 5 結(jié)構(gòu)分析模型Fig 5 Structure analysis model不同

19、場(chǎng)地條件下結(jié)構(gòu)時(shí)程反應(yīng)計(jì)算結(jié)4果分析與比較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4 1 角柱位移對(duì)比分析力包絡(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% 。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

20、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 結(jié) 論5( 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)站的階數(shù)自振頻率 / Hz自振周期 / s階數(shù)自振頻率 / Hz自振周期 / s11 122 40 890 964 277

21、30 233 821 359 70 735 575 626 60 177 731 440 60 694 286 588 00 151 843 395 20 294 596 989 20 143 154 165 40 240 1107 728 80 129 4Structural Engineers Vol 30，No 5Earthquake and Wind esistance100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 3Table 3角柱剪力表Corner colum

22、n shear forcesN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% 。參考文獻(xiàn)1 雷建設(shè)，趙大鵬，蘇金蓉 龍門山斷裂帶地殼精細(xì)結(jié)構(gòu)與汶川地震發(fā)震機(jī)理J 地球物理學(xué)報(bào)，2009，52( 2) : 339-345Lei Jianshe，Zhao Dapeng，Su Jinrong Fine seismic structure under the Longmenshan fault zone and the mechanism

23、 of the large Wenchuan earthquakeJ Chinese Journal of Geophysics，2009，52 ( 2 ) : 339-345 ( in Chinese)周錫元，蘇經(jīng)宇 烈度，震中距和場(chǎng)地條件對(duì)地面 運(yùn)動(dòng)反應(yīng)譜的影響J 地震工程與工程振動(dòng)，1983，3( 2) : 31-43Zhou Xiyuan，Su Jinyu Effects of seismic intensity， epicentral distance and site conditions on ground mo- tion spectraJ Earthquake Enginee

24、ring and Engi- neering Vibration，1983，3( 2) : 31-43 ( in Chinese) 趙艷 場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)特性影響研究D 北京:北京工業(yè)大學(xué)，2001Zhao Yan Impact of site conditions on earthquake ground motion characteristicsD Beijing : Beijing University of Technology，2001 ( in Chinese) 薄景山，李秀領(lǐng)，李山有 場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)影響 研究的若干進(jìn)展J 世界地震工程，2003，19( 2) :11-15Bo

25、 Jinshan，Li Xiulin，Li Shanyou Some progress of study on the effect of site conditions on ground motion結(jié)構(gòu)角柱層間位移圖 ( 單位: mm)圖 72 Fig 7 Corner column relative displacements ( Unit:mm)3 圖 8 結(jié)構(gòu)角柱剪力圖 ( 單位: mm)Fig 8 Corner column shear forces ( 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)

26、站隨著高程的增加，地震波 頻譜中低頻的成分逐漸增多。( 3) 相同高程的 ZGS0 土層測(cè)站和 ZGS1 基4 測(cè)站層號(hào)123456S0547 600 8769 187 1717 170 2577 890 1375 164 21 286 282 0S1524 486 5730 808 2675 343 3545 918 6361 023 91 218 749 0S2535 939 6758 754 0715 729 6584 600 2388 584 81 247 393 0S3585 359 1799 454 5755 413 2608 065 2401 006 51 309 835 0S4

27、597 377 0832 399 3777 741 0630 897 5415 141 51 281 891 0S5618 114 6860 340 2804 001 3608 777 1441 707 91 247 915 0S6646 030 8896 361 0834196 7679 856 2452 795 81 277 045 0S7664 896 0908 857 3837 919 8679 966 7451 441 71 321 105 0BXY526 079 2589 306 4594 047 8566 750 6403 440 2791 391 9 0BXM578 439 3769 469 8734 021 7705 213 3512 120 51 192 077 0El Centro423 573 4566 459 1556 613 7464 442 7301 953 1865 316 8抗震與抗風(fēng)結(jié)構(gòu)工程師第 30 卷第 5 期101J World Earthquake Engineering，2003，19 ( 2 ) :11-15 ( in Chinese)唐