地震学报
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考虑近断层脉冲型地震动影响的抗震设计方法

  论文导读:各国规范在基于力的设计方法中,都是通过调整设计谱来加强对近断层地震动区域结构的设防力度的,即相当于调整了加速度反应谱的谱值,如美国建筑统一规范(UBC,1997)中引入了近断层放大因子。日本在对抗震基本法(2002)进行修改时,在生成设计谱时选取了更多的近断层地震记录,这种方法本质上是在一定条件下,在某些周期段,提高了设计谱的谱值,从而在结构设计中,相应提高了地震作用的计算值,增大了构件的内力计算结果,最终通过提高混凝土结构的配筋或加大截面尺寸等方法来考虑近断层脉冲型地震动的影响。基于位移的抗震设计方法,对近断层脉冲型地震动影响的考虑,在本质上也是提高了弹性和非弹性反应谱谱值,增大了地震作用的计算值,最终通过提高混凝土结构的配筋或加大截面尺寸等方法来考虑近断层脉冲型地震动的影响。

  关键词:近断层,脉冲型地震动,抗震设计方法

  近断层(near-fault)地震动,也称为近场(near-field)或近源(near-source)地震动,它是指当震源距较小时,震源辐射地震波中的近场和中场项不能忽略的区域的地震动。对近断层地震动,虽然早在1957 年人们就已经有所认识, 大多数研究人员也认同近断层地震动是强烈依赖于断层破裂机制、包含明显的破裂方向性效应(rupture directivity effect)和滑冲效应(permanent displacement也经常使用术语fling-step)的地震动,并针对近断层地震动对结构的破坏机理展开了大量的研究[1~3]。大部分研究者认为近断层地震动对结构的破坏作用与其速度脉冲有关, 这种速度脉冲型地震动具有类似脉冲的波形、较长的脉冲周期和丰富的中长周期分量,含有较高的能量,会引起结构产生较大位移,从而造成结构的破坏,甚至倒塌。因此,如何在抗震设计方法中考虑近断层脉冲型地震动影响成为各国学者研究的热点。

  1. 基于力的设计方法

  基于力的设计方法可分为静力法和反应谱法[4]。静力法产生于二十世纪初期,是最早的结构抗震设计方法。上世纪初前后的几次大地震,使人们认识到地震对结构的破坏作用与其引起的结构的水平惯性力有关,因此提出把地震作用看成作用在建筑物上的一个总水平力,其大小为建筑物总重量与地震系数的乘积。该方法认为结构在地震作用下,随地基作整体水平刚体移动,结构运动加速度等于地面运动加速度,且惯性力沿建筑高度均匀分布,没有考虑结构的动力效应。反应谱法依据地震加速度反应谱计算地震作用引起的结构的水平惯性力,其中,地震加速度反应谱为一系列自振周期,阻尼不同的单自由度体系在给定输入地震动作用下的最大加速度反应,该方法考虑了结构的自振特性,比静力法更加合理,是当代结构抗震设计采用的主要方法。

  传统的设计方法都是基于力的,其实现过程为:①初步估算结构构件的截面尺寸;②依据底部剪力法、振型分解反应谱法或时程分析法等计算结构的水平地震作用,在计算水平地震作用时,需要依据设计谱(我国规范为地震影响系数曲线),然后求出各结构构件的内力,验算结构的弹性变形和弹塑性变形;③计算恒载和活载作用下的结构构件内力;④荷载组合,进行结构构件的设计。免费论文。各国规范在基于力的设计方法中,都是通过调整设计谱来加强对近断层地震动区域结构的设防力度的,即相当于调整了加速度反应谱的谱值,如美国建筑统一规范(UBC,1997)中引入了近断层放大因子;日本在对抗震基本法(2002)进行修改时,在生成设计谱时选取了更多的近断层地震记录,这种方法本质上是在一定条件下,在某些周期段,提高了设计谱的谱值,从而在结构设计中,相应提高了地震作用的计算值,增大了构件的内力计算结果,最终通过提高混凝土结构的配筋或加大截面尺寸等方法来考虑近断层脉冲型地震动的影响。

  这种通过提高设计谱值考虑近断层脉冲型地震动影响的方法,工程设计人员容易接受,具有很好的实用性,同时通过增大地震作用计算值,提高混凝土结构的配筋或截面尺寸等,使结构具有更高的抗震能力,对抵御近断层脉冲型地震动的也有一定的作用,具有一定的有效性。

  2. 基于位移的设计方法

  震害、试验和理论分析均表明,在大震作用下,结构倒塌的主要原因在于结构重要构件的变形和耗能能力不足,认为在结构设计时,控制结构在大震作用下的变形小于目标位移更合理。而基于力的设计方法是首先计算结构的受力,然后再验算结构的位移是否满足规定的限值,不能实现在设计前控制结构的位移,因此,出现了基于位移的抗震设计方法,这种方法可以在设计前控制结构的位移,较基于力的设计方法更容易实现对结构的性态控制[5-8]。

  基于位移的实际方法,对于单自由度体系其具体设计过程为:①指定目标位移,假定第二屈服刚度比和目标延性,计算屈服位移;②求出需求谱和能力谱的交点,即性态点,跟据性态点所对应的谱加速度值可以求出结构屈服时对应的谱加速度;③跟据结构屈服时对应的谱加速度和结构质量,可求出结构受到的水平地震作用;④其余设计过程同基于力的设计方法。多自由度体系的设计过程为:①指定多自由度体系的初始位移向量;②计算等效单自由度体系的位移;③跟据单自由度体系计算地震作用的方法,计算多自由度体系受到的总地震作用;④将总地震作用分配到各楼层,得到各楼层的地震作用;⑤其余设计过程同基于力的设计方法。

  在基于位移的抗震设计方法中,对于近断层脉冲效应的考虑,主要体现于对非弹性需求谱的调整。免费论文。需求谱的建立过程为:首先建立拟加速度谱;然后求出强度折减系数谱;最后跟据转换关系,如式(1)和(2)[5],将拟加速度谱转换为需求谱,即转换为拟加速度和位移的关系曲线。这种方法对近断层脉冲型地震动的考虑,是通过调整拟加速度谱和强度折减系数谱实现的。

  (1)

  (2)

  式中, 为对应于周期为T 、阻尼比为ζ的弹性加速度反应谱的伪加速度值; 单自由度体系的峰值位移, 单自由度体系的的屈服位移,μ为延性系数。

  基于位移的抗震设计方法,对近断层脉冲型地震动影响的考虑,在本质上也是提高了弹性和非弹性反应谱谱值,增大了地震作用的计算值,最终通过提高混凝土结构的配筋或加大截面尺寸等方法来考虑近断层脉冲型地震动的影响。这种考虑近断层脉冲型地震动方法的合理性还需要进一步研究,因为当峰值加速度相同时,近断层脉冲型地震动与一般远场地震动引起的楼层位移分布模式不同,这对于多自由度体系初始位移向量的指定和将总的地震作用分配于各楼层的分配方法都有影响,即如果采用与一般远场地震动相同的位移向量和总地震作用分配方法,相当于认为近断层脉冲型地震动与一般远场地震动引起的楼层位移具有相同的分布模式,与实际情况不一致。而在目前的考虑近断层脉冲型地震动影响的基于位移的抗震设计研究中,均未考虑这种影响。另外,即使是针对近断层脉冲型地震动,提出了初始位移向量的指定方法和总的地震作用分配于各楼层方法,但在近断层脉冲型地震动存在的区域,也可能存在非脉冲型地震动,如何同时考虑二者对初始位移向量和总的地震作用分配方法也可能不是容易解决的问题。因此,当考虑近断层脉冲型地震动影响时,目前还不能采用基于位移的抗震设计方法进行设计。

  3. 基于能量的设计方法

  震害和试验结果均表明,结构的响应首次超越最大位移或最大承载能力的单一破坏准则,对许多实际震害现象都无法作出合理的解释,如1976年7月28日的唐山地震,南开大学主楼塔楼,在主震中虽然遭到严重破坏却没有倒塌,在余震中反而倒塌;1966年6月27日,发生于美国Parkfield的地震,地震动的峰值加速度很高,由于地震动持时很短,只有几秒,震害却不严重。合理的解释这些震害现象,需要考虑地震动持时引起的结构积累损伤破坏。基于力和基于位移的设计方法,都不能反应结构的塑性累计损伤,仅能反应首次超越引起的结构破坏,因此出现了基于能量的抗震设计方法[9-11]。

  对单自由度体系其实现过程为:①计算已知结构的质量和周期;②跟据输入能量设计谱,计算结构的总弹性输入能量和总弹塑性输入能量;③采用Pushover方法,计算结构的滞回耗能能力;④如果结构的总弹塑性输入能量小于结构的滞回耗能能力,则设计满足要求,否则需要调整结构的截面尺寸等重新计算。对于多自由度体系其实现过程为:①将多自由度体系等效为单自由度体系,计算结构的总弹性输入能量和总弹塑性输入能量;②将总的弹塑性输入能量分配到各楼层;③采用Pushover方法,计算结构各层的滞回耗能能力;④判别各层的滞回耗能能力是否满足设计需求。在基于能量的抗震设计方法中,对于近断层脉冲效应的考虑,主要体现在构建输入能量谱时,考虑了脉冲型地震动。在本质上也是通过抬高输入能量谱的谱值,从而增大总的输入能量,最终提高混凝土结构的配筋或加大截面尺寸等方法来实现的。

  事实上,近断层脉冲型地震动与一般远场地震动引起的输入能量在结构中的分布可能不同,因此在基于能量的抗震设计中,仅针对输入能量谱来考虑近断层脉冲型地震动的影响也不充分。另外,目前基于能量的设计方法,还存在很多问题,仅在日本和西班牙规范中有所体现,主要用于抗震评估验算,还未能应用于实际工程结构设计。因此,在考虑近断层脉冲型地震动影响时,还不能采用基于能量的抗震设计方法。

  4 结语

  从以上综述可以看出,当考虑近断层脉冲型地震动影响时:

  (1)基于力的设计方法通过提高设计谱谱值,增大地震作用计算值,工程设计人员容易接受,具有很好的实用性,对抵御近断层脉冲型地震动的也有一定的作用;

  (2)基于位移的抗震设计方法,在本质上也是提高了弹性和非弹性反应谱谱值,但对于多自由度体系,初始位移向量的指定和总的地震作用的分配仍需深入研究;

  (3)基于能量的抗震设计方法,在考虑近断层脉冲型地震动影响时主要体现于输入能量谱,而输入能量在如何结构中进行分配仍需深入研究。免费论文。

  (4)在当代进行结构抗震设计时,只能采用基于力的设计方法。基于位移和基于能量的设计方法还存在较多问题,需要进一步研究才可能应用于工程实际。

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