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近断层地震动下抗弯框架结构响应
Babak Alavi1和 Helmut Krawinkler2
（1.失效分析指数协会，美国门洛帕克市149英联邦车道 CA94025-1133；2土木与环境工程科研室， 美国斯坦福斯坦福大学CA94305-4020）
概要：近断层地震动相比于“普通”地震动会将大量需求强加于结构上。记录说明，向前方向性近场地震动在垂直于该断层方向上会有一个大脉冲的特征。这项研究的目的是在近断层地震动作用下提供定量数据求弹性和无弹性框架结构的重要结构响应特征。用一般框架模型表示多自由度结构。在结构响应上，近场地震动的等效脉冲会有一个差不多的影响。等效脉冲是由少量的参数定义。结果表明，在结构响应上固有周期比脉冲周期长的结构与固有周期更短的结构会有很大的不同。对于前者，早期屈服会发生在较高的楼层中但当地面运动变得更加严重时高延性需求迁移到底部楼层。对于后者，最大塑性需求总是发生在底部楼层。初步回归方程提出以幅度和周期作为相关的等效脉冲的参数。等效脉冲概念被用于估计基础剪切强度的特定限定值来限制楼层的层塑性需求。
关键词：近断层;近场;近源，脉冲;框架结构;抗震要求
1 介绍
地震动记录提供了越来越多的证据表明，近断层破裂处附近地面震动会有一个大的长周期脉冲特征，会引起严重的结构损坏。这特别是指在近断层破裂后地震脉冲在以接近剪切波速的速度在场地传播时的向前方向性效应。，结果是，从近断层破裂产生的大部分地震能量会在在地震纪录开始后短时间内到达场地 [1]。围绕近断层的剪切错位方向的辐射格局引起典型的断层垂直分量比断层平行分量[2]更严重。这种现象会影响与地震源相距10到15公里的近断层区域结构的响应属性从[3]，所以它需要考虑在设计过程中。
最近的结构设计规范，例如1997年统一建筑规范[4]，已经认识到近断层通过引入震源类型和距离有关的近断层因素对传统设计反应谱进行影响。然而，这些因素被认为是不充分的，对结构提供一定的保护，因为他们不太重视近断层地震动下的物理响应特性。此外，基于性能的抗震新概念，
设计需要从近弹性行为到高度非弹性行为的响应范围下的定量理解。大量工作需要去确定并定量分析近场地震动场地相关特征和处理在这些近场地震动下不同类型的结构响应。
本文总结了一项研究的结果，旨在提供在近断层地震下近断层区域框架结构的结构响应定量分析。其研究的目的是确定显著的响应特性，通过简单的等效脉冲来描述近断层地震动，并使用脉冲响应特性，以表示在近断层地震动下结构的响应属性。人们认识到，在近场地震动下的问题是非常复杂的，并且在全面了解的问题所有重要方面将完成时需要更多的研究和数据。在这里对工作进行总结，试图解决地面运动及其响应等这些有关近场地震动最重要的属性问题， 为了形成基于未来的研究和设计发展的指导方针的一个基础。
2 本文中使用的研究地面运动
一组15条向前方向性近断层地震记录是用来评估单自由度和多自由度的弹性结构和非弹性结构的需求。这些地面运动来源于国资委钢结构项目[5]和强震仪器仪表计划[2]，要么记录在硬土或在已被修改为以NEHRP[6]土壤类型D条件下。表1列出了使用的地面运动记录的名称及记录运动的基本属性。这些运动包括了震级范围从6.2到7.3的地震片段记录和从0.0到8.9公里的范围内破裂的距离（最近距离从站点到断层破裂面）。为了增加相对较小的记录集，一套模拟地面运动也被用于这个研究中，研究中的地面运动覆盖了系统范围内的矩震级（6.5，7.0和7.5）和两个台站（F6和F8）在一个滑断层的前进方向破裂的距离（3,5和10公里）。生成这些记录是用于由CDMG强震仪器仪表计划[2]资助的一个项目。向后方向性地震记录通常不太严重，并没有表现出脉冲式的特点[1];因此。这项研究只关注于向前方向性地震运动。
表1 在这项研究中使用的地面运动记录的名称和基本属性
图1 NR94rrs地面运动位移速度和加速度时程记录 图2 NR94rrs加速（弹性强度系数下），速度和位移谱记录
图1表现出一个典型的向前方向性近断层地面运动的地面断层方向垂直分量加速度，速度，位移时程的曲线（NR94rrs=Northridge94里纳尔迪接收站）。正如速度和位移曲线特别说明，该记录在该时间范围内含有约2至3秒的大脉冲。图2显示相同的地面运动下断层垂直分量、断层平行分量和两个45度旋转分量的加速度（弹性力要求），速度和位移谱。该图表示该断层垂直分量比断层平行分量是更严重。当这两个分量旋转45度，在反应谱的差异会变小，但两个旋转分量中的一个的反应谱的值将仍然加强至那些断层垂直方向相近（有时甚至高于）。定位效应的一个更全面的研究证实了这一点预测[7]。因此，当在两个垂直方向框架构成的结构体在受到近断层地运动时，在这两个方向中的一个框架将受到以断层的垂直分量几乎相同程度的激励。出于这个原因，这个研究关注于近断层地面震动的垂直分量。
为了体现出近断层地面运动的严重程度和地面的严重性之间的实质关系，由目前的研究和一套供参考的15普通的记录（近断层区域外记录）用于比较。这些在过去的研究中[8]使用的记录，为了最少的误差，使用UBC大学97土壤类型SD谱和0.6到4.0秒范围（等速范围）的离散时间，经过缩放使得每个单独的记录频谱相匹配。15条缩放后的地震记录的平均加速度光谱，被称为15-D （平均），在图3中与UBC大学97光谱地震4区（不带近断层因子）一起展出。因此，在平均15-D*时程合理地代表了UBC大学设计水平。
图4表示出的15-D*记录的平均速度谱叠加于近断层时程的速度谱的几个记录。该图中提出了二个目的：第一，为了说明在近断层反应谱的大变化；第二，看清近断层地面运动的严重程度与现有研究中的地面运动之间的关系。图中表明，考虑到本研究过程，近断层记录仍然处于非常大的需求。从近断层光谱一个重要发现（图2和4）是在大部分的近断层速度谱记录中存在主要峰值的，虽然一些记录有一个以上的速度明显的高峰。速度谱的主要峰值是为了稍后估算包含在近断层脉冲记录的周期。
图3 15-D *参考记录集的平均加速度谱（弹性强度系数） 图4近断层地震动和参考地震动速度反应谱
3 这项研究中所使用的多自由度系统
为了量化抗震要求，多自由度结构用一个通用的20层单跨框架表示，单跨框架的基本弹性周期和基础剪切强度是变化的。基础剪切强度定义为系数 ，其中 是基剪切强度和 是结构的重量。该模型中刚度和剪切强度是由所得层剪切力的等速反应谱对应的SRSS组合模态响应表示的横向载荷模式确定，例如，对于 的UBC大学设计谱[4]。此负载模式被称为`SRSS模式，是与当前的抗震设计负载模式一致。框架构件的惯性矩的变化随着高度而被调整，使得框架的线性静态分析受到SRSS负载模式导致出现偏离直线的形状。结构构件的抗弯强度被调整，使得在SRSS摸式下，所有塑料铰链只允许在梁的端部，柱的基础上同时形成。因此，这个框架结构的剪切强度形态如下，为每个框架施加同样的设计SRSS模式，这意味着每一个框架会有一个恒定的超强系数。一个3％的应变强化率下的双线性无压损迟滞模型适用于所有塑性铰的地方。在时程分析上，瑞利阻尼用于在第一阵型周期T和在0.1T下得到2％的阻尼比。低阻尼被使用，因为表现明显的钢框架结构响应，以及由于在脉冲式激励下结构的最大响应对阻尼比[9]不敏感。本文不涉及P-△效应。然而，必须强调的是，这项研究的其它结果表明，P-△效应由于可能对近断层地面运动的结构响应产生一个显著的效果，一般值得认真考虑。二阶效应可能是重要的，甚至在目前的设计规定不要求任何措施考虑P-△效应[7] 情况下。
4近断层地震动响应
图5. 数条近断层和参考地震动层延性需求， 秒：（a） 和
图6 在NR94rrs记录基剪切强度下层延性需求分布 (a） 秒;和 (b) 秒
层延性比，定义为通过层屈服偏移得到的最大层位移归一化， 。 用于定量分析近断层地震地面运动下多自由度结构的响应。图5表示出多自由度结构层延性需求随高度的分布，此前推出经受近断层记录的速度反应谱示于图4。研究计算出一个基本周期 秒的多自由度系统的需求量。其中，和 基剪切强度系数分别对应于相对较强和相对较弱的结构。选择相对长的2.0秒周期，因为在后面将要示出部分中，大部分的近场地震动记录包含的脉冲周期比2.0秒短。为了比较的目的，从叠加的15-D *参考记录中获得平均层延性需求。
一个重要的发现是，大多数延性需求（大Y）发生在上部。然而，延性需求发生处朝向基部迁移时，结构变弱（小y）。在基于平均层间剪切强度下相同SRSS层高加载导致结构相对均匀的延展性分布的普通的地面运动（15-D *）的平均结果中，个别近断层记录中层延性需求的非均匀性可用一个正确的均值表示。图5也表明近断层地面运动的严重程度和调整后的普通的地面运动的UBC频谱的平均需求进行比较。
图7 NR94rrs记录下层剪力规范弹性需求 图8 NR94rrs记录下基剪切强度与最大层延性需求对比
层延性分布随强度和周期的变化如图6所示，作记录NR94rrs。分布图中表示为基剪切强度系数，y是逐步多样化的，相对短的（T =0.5秒）和相对长的（T =2.0秒）期周期的结构，。正如图5所示，结构的固有周期为T =2.0秒。（周期为明显超过1.0秒的有效脉冲周期。对于NR94rrs），当结构是稳定时，最大延性需求发生在结构上部。随基抗剪强度的降低，在上部的延展需求向基底方向保持稳定，不会增加。这种现象在T =0.5秒，一个周期比所述有效脉冲周期短的结构中是观察不到。不管基部剪切强度大小，这些结构的最大延性需求发生在靠近基部处。
图9 基本脉冲的加速度，速度和位移时程：（a）P2脉冲;和（b）P3脉冲
对于早期非弹性行为出现在长周期的顶部的原因，强结构在于弹性层的剪切需求的分布。图7表示出在各个时期，随结构的高度变化，该NR94rrs记录分布。叠加也是用来设计多自由度系统（表示为设计）的SRSS层剪切强度分布。所有的层的对应的基底剪力值标准化。虽然短周期系统（ ）的剪切分布相对平滑和类似于设计分布，它们的长周期系统对应显示出波行进方向上对结构的影响，从而引起与设计切变分布相比偏离相当大的分布 [7]。在长周期结构（ ）的上部，其中剪切需求达到第一个层对应的抗剪能力，弹性层剪力需求是特别大，从而上部楼层早期屈服。
一个最大层延性需求（最高超过所有的层）的综合评估为在图8中提出了各种结构周期曲线的近断层NR94rrs记录下的标准多自由度谱。值得注意的是，他们是 和 秒系统下的曲线。其中包括在的非常陡峭的斜坡范围，其对应于从上部楼层到底部层的延性需求（参见图6（B））。 陡坡意味着，对于基剪切强度（用y表示）的最大层延展性需求的一个显著范围仍然大致相同。
5 脉冲输入响应
如在引言中指出的那样，正向方向性近场地震动区域振荡破裂的特征是由早期时程中的一个大脉冲决定的。如果简单的脉冲模型可以被用来合理、准确的代表近断层地震动， 设计和响应评估的过程将极大地便利，因为结构的普通模式下，基本周期T为具有特定关系的脉冲周期Tp。
图10 基本脉冲下加速，速度和位移光谱（弹性强度需求）
图11. P2脉冲下与基抗剪强度相关的层延性需求分布
本研究着重于研究三个基本的脉冲响应的比较：半脉冲（P1），全脉冲（P2）和多脉冲（P3）。脉冲P2和P3的地面加速度，速度，位移时程画于图9中，脉冲P1的时程图未给出，仅由脉冲P2的前半部分组成。这些脉冲被脉冲形状和两个参数：脉冲周期Tp（一个完整的速度循环的持续时间）和幅值完全定义，幅值可以是最大脉冲加速度 ，或者是最大速度值， 。
作者已经表明，这些矩形波加速度脉冲能够充分代表其他脉冲形状，如三角形加速度脉冲[7]。其他研究人员还调查了各种脉冲形状如正弦波加速度脉冲来表示两个向前方向性的近场地震垂直和平行分量 [10-12]。矩形波脉冲的巨大优势是最大加速度的明确定义和最大加速度和最大速度之间的简单关系。三个基本脉冲的弹性反应谱呈现在图10中。该周期轴是根据脉冲周期Tp被标准化，光谱坐标根据其对应的时程周期峰值被标准化。速度谱P2和P3的峰值在 出现，这表明了这些脉冲的最大频谱速度发生在与脉冲周期相一致的同一个时期。这个性质可以被用来估计近断层记录的脉冲周期的大致值。频谱也显示脉冲P3比其它两个脉冲更大的频谱峰值，特别是在位移域中。但在此域中，必须考虑到给定的脉冲的幅值（例如 ），用于标准化的位移谱的峰值地面位移，P3脉冲仅是为P2脉冲的一半（见图9）。然而，显而易见的是，所述P3多脉冲比单脉冲更具有破坏性。
图12 P2脉冲下.基剪切强度与各种T/Tp值下的最大层延性需求对比
图13. 求结构最大层延性下的单自由度基剪切强度需求谱
先前介绍过一般的单自由度框架，用于当结构受到基本脉冲的影响时层延性需求分布的研究。在这种情况下，基础剪切强度由系数定义 ，其基底剪力由其中的脉冲强度决定。图11图示了在脉冲P2下，周期比 和的结构层延展需求分布，这两种结构的基本周期显然具有比脉冲周期较短和较长的情况。该分布可以直接与图6中的其Tp呈现为1.0秒的近断层NR94rrs记录相比较。这种对比揭示了NR94rrs记录响应和脉冲P2响应之间细微差别。前向方向性近断层地震动的多自由度之间和基本脉冲之间的响应特性基本一致，这表明近断层记录的确可以通过等效脉冲来表示的观点。
最大层延性需求的全面评估（最高超过所有层），可以由图12中的
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资料编号：[154099]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
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