考慮近斷層脈沖型地震動(dòng)影響的抗震設(shè)計(jì)方法(圖文)

1、第 考慮近斷層脈沖型地震動(dòng)影響的抗震設(shè)計(jì)方法(圖文)論文導(dǎo)讀：各國(guó)規(guī)范在基于力的設(shè)計(jì)方法中，都是通過調(diào)整設(shè)計(jì)譜來加強(qiáng)對(duì)近斷層地震動(dòng)區(qū)域結(jié)構(gòu)的設(shè)防力度的，即相當(dāng)于調(diào)整了加速度反應(yīng)譜的譜值，如美國(guó)建筑統(tǒng)一規(guī)范（UBC，1997）中引入了近斷層放大因子。日本在對(duì)抗震基本法（2022）進(jìn)行修改時(shí)，在生成設(shè)計(jì)譜時(shí)選取了更多的近斷層地震記錄，這種方法本質(zhì)上是在一定條件下，在某些周期段，提高了設(shè)計(jì)譜的譜值，從而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，相應(yīng)提高了地震作用的計(jì)算值，增大了構(gòu)件的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，最終通過提高混凝土結(jié)構(gòu)的配筋或加大截面尺寸等方法來考慮近斷層脈沖型地震動(dòng)的影響。基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法，對(duì)近斷層脈沖型地震動(dòng)影響的考

2、慮，在本質(zhì)上也是提高了彈性和非彈性反應(yīng)譜譜值，增大了地震作用的計(jì)算值，最終通過提高混凝土結(jié)構(gòu)的配筋或加大截面尺寸等方法來考慮近斷層脈沖型地震動(dòng)的影響。關(guān)鍵詞：近斷層，脈沖型地震動(dòng)，抗震設(shè)計(jì)方法 近斷層（near-fault）地震動(dòng)，也稱為近場(chǎng)（near-field）或近源（near-source）地震動(dòng)，它是指當(dāng)震源距較小時(shí)，震源輻射地震波中的近場(chǎng)和中場(chǎng)項(xiàng)不能忽略的區(qū)域的地震動(dòng)。對(duì)近斷層地震動(dòng)，雖然早在1957年人們就已經(jīng)有所認(rèn)識(shí),大多數(shù)研究人員也認(rèn)同近斷層地震動(dòng)是強(qiáng)烈依賴于斷層破裂機(jī)制、包含明顯的破裂方向性效應(yīng)(rupturedirectivityeffect)和滑沖效應(yīng)(permanent

3、displacement也經(jīng)常使用術(shù)語(yǔ)fling-step)的地震動(dòng)，并針對(duì)近斷層地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理展開了大量的研究13。大部分研究者認(rèn)為近斷層地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用與其速度脈沖有關(guān),這種速度脈沖型地震動(dòng)具有類似脈沖的波形、較長(zhǎng)的脈沖周期和豐富的中長(zhǎng)周期分量，含有較高的能量，會(huì)引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大位移，從而造成結(jié)構(gòu)的破壞，甚至倒塌。因此，如何在抗震設(shè)計(jì)方法中考慮近斷層脈沖型地震動(dòng)影響成為各國(guó)學(xué)者研究的熱點(diǎn)。 1.基于力的設(shè)計(jì)方法 基于力的設(shè)計(jì)方法可分為靜力法和反應(yīng)譜法4。靜力法產(chǎn)生于二十世紀(jì)初期，是最早的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方法。上世紀(jì)初前后的幾次大地震，使人們認(rèn)識(shí)到地震對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用與其引起的結(jié)構(gòu)

4、的水平慣性力有關(guān)，因此提出把地震作用看成作用在建筑物上的一個(gè)總水平力，其大小為建筑物總重量與地震系數(shù)的乘積。該方法認(rèn)為結(jié)構(gòu)在地震作用下，隨地基作整體水平剛體移動(dòng)，結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)加速度等于地面運(yùn)動(dòng)加速度，且慣性力沿建筑高度均勻分布，沒有考慮結(jié)構(gòu)的動(dòng)力效應(yīng)。反應(yīng)譜法依據(jù)地震加速度反應(yīng)譜計(jì)算地震作用引起的結(jié)構(gòu)的水平慣性力，其中，地震加速度反應(yīng)譜為一系列自振周期，阻尼不同的單自由度體系在給定輸入地震動(dòng)作用下的最大加速度反應(yīng)，該方法考慮了結(jié)構(gòu)的自振特性，比靜力法更加合理，是當(dāng)代結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)采用的主要方法。 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法都是基于力的，其實(shí)現(xiàn)過程為：初步估算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的截面尺寸；依據(jù)底部剪力法、振型分解反應(yīng)譜法或

5、時(shí)程分析法等計(jì)算結(jié)構(gòu)的水平地震作用，在計(jì)算水平地震作用時(shí)，需要依據(jù)設(shè)計(jì)譜（我國(guó)規(guī)范為地震影響系數(shù)曲線），然后求出各結(jié)構(gòu)構(gòu)件的內(nèi)力，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的彈性變形和彈塑性變形；計(jì)算恒載和活載作用下的結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力；荷載組合，進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計(jì)。免費(fèi)論文。各國(guó)規(guī)范在基于力的設(shè)計(jì)方法中，都是通過調(diào)整設(shè)計(jì)譜來加強(qiáng)對(duì)近斷層地震動(dòng)區(qū)域結(jié)構(gòu)的設(shè)防力度的，即相當(dāng)于調(diào)整了加速度反應(yīng)譜的譜值，如美國(guó)建筑統(tǒng)一規(guī)范（UBC，1997）中引入了近斷層放大因子；日本在對(duì)抗震基本法（2022）進(jìn)行修改時(shí)，在生成設(shè)計(jì)譜時(shí)選取了更多的近斷層地震記錄，這種方法本質(zhì)上是在一定條件下，在某些周期段，提高了設(shè)計(jì)譜的譜值，從而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，相應(yīng)提高了

6、地震作用的計(jì)算值，增大了構(gòu)件的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果，最終通過提高混凝土結(jié)構(gòu)的配筋或加大截面尺寸等方法來考慮近斷層脈沖型地震動(dòng)的影響。 這種通過提高設(shè)計(jì)譜值考慮近斷層脈沖型地震動(dòng)影響的方法，工程設(shè)計(jì)人員容易接受，具有很好的實(shí)用性，同時(shí)通過增大地震作用計(jì)算值，提高混凝土結(jié)構(gòu)的配筋或截面尺寸等，使結(jié)構(gòu)具有更高的抗震能力，對(duì)抵御近斷層脈沖型地震動(dòng)的也有一定的作用，具有一定的有效性。 2.基于位移的設(shè)計(jì)方法 震害、試驗(yàn)和理論分析均表明，在大震作用下，結(jié)構(gòu)倒塌的主要原因在于結(jié)構(gòu)重要構(gòu)件的變形和耗能能力不足，認(rèn)為在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，控制結(jié)構(gòu)在大震作用下的變形小于目標(biāo)位移更合理。而基于力的設(shè)計(jì)方法是首先計(jì)算結(jié)構(gòu)的受力，然后

7、再驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的位移是否滿足規(guī)定的限值，不能實(shí)現(xiàn)在設(shè)計(jì)前控制結(jié)構(gòu)的位移，因此，出現(xiàn)了基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法，這種方法可以在設(shè)計(jì)前控制結(jié)構(gòu)的位移，較基于力的設(shè)計(jì)方法更容易實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)的性態(tài)控制5-8。 基于位移的實(shí)際方法，對(duì)于單自由度體系其具體設(shè)計(jì)過程為：指定目標(biāo)位移，假定第二屈服剛度比和目標(biāo)延性，計(jì)算屈服位移；求出需求譜和能力譜的交點(diǎn)，即性態(tài)點(diǎn)，跟據(jù)性態(tài)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的譜加速度值可以求出結(jié)構(gòu)屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的譜加速度；跟據(jù)結(jié)構(gòu)屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的譜加速度和結(jié)構(gòu)質(zhì)量，可求出結(jié)構(gòu)受到的水平地震作用；其余設(shè)計(jì)過程同基于力的設(shè)計(jì)方法。多自由度體系的設(shè)計(jì)過程為：指定多自由度體系的初始位移向量；計(jì)算等效單自由度體系的位移；跟據(jù)單自

8、由度體系計(jì)算地震作用的方法，計(jì)算多自由度體系受到的總地震作用；將總地震作用分配到各樓層，得到各樓層的地震作用；其余設(shè)計(jì)過程同基于力的設(shè)計(jì)方法。 在基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法中，對(duì)于近斷層脈沖效應(yīng)的考慮，主要體現(xiàn)于對(duì)非彈性需求譜的調(diào)整。免費(fèi)論文。需求譜的建立過程為：首先建立擬加速度譜；然后求出強(qiáng)度折減系數(shù)譜；最后跟據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系，如式（1）和（2）5，將擬加速度譜轉(zhuǎn)換為需求譜，即轉(zhuǎn)換為擬加速度和位移的關(guān)系曲線。這種方法對(duì)近斷層脈沖型地震動(dòng)的考慮，是通過調(diào)整擬加速度譜和強(qiáng)度折減系數(shù)譜實(shí)現(xiàn)的。 （1） （2） 式中，為對(duì)應(yīng)于周期為T、阻尼比為的彈性加速度反應(yīng)譜的偽加速度值；單自由度體系的峰值位移，單自由度體

9、系的的屈服位移，為延性系數(shù)。 基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法，對(duì)近斷層脈沖型地震動(dòng)影響的考慮，在本質(zhì)上也是提高了彈性和非彈性反應(yīng)譜譜值，增大了地震作用的計(jì)算值，最終通過提高混凝土結(jié)構(gòu)的配筋或加大截面尺寸等方法來考慮近斷層脈沖型地震動(dòng)的影響。這種考慮近斷層脈沖型地震動(dòng)方法的合理性還需要進(jìn)一步研究，因?yàn)楫?dāng)峰值加速度相同時(shí)，近斷層脈沖型地震動(dòng)與一般遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)引起的樓層位移分布模式不同，這對(duì)于多自由度體系初始位移向量的指定和將總的地震作用分配于各樓層的分配方法都有影響，即如果采用與一般遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)相同的位移向量和總地震作用分配方法，相當(dāng)于認(rèn)為近斷層脈沖型地震動(dòng)與一般遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)引起的樓層位移具有相同的分布模式，與

10、實(shí)際情況不一致。而在目前的考慮近斷層脈沖型地震動(dòng)影響的基于位移的抗震設(shè)計(jì)研究中，均未考慮這種影響。另外，即使是針對(duì)近斷層脈沖型地震動(dòng)，提出了初始位移向量的指定方法和總的地震作用分配于各樓層方法，但在近斷層脈沖型地震動(dòng)存在的區(qū)域，也可能存在非脈沖型地震動(dòng)，如何同時(shí)考慮二者對(duì)初始位移向量和總的地震作用分配方法也可能不是容易解決的問題。因此，當(dāng)考慮近斷層脈沖型地震動(dòng)影響時(shí)，目前還不能采用基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。 3.基于能量的設(shè)計(jì)方法 震害和試驗(yàn)結(jié)果均表明，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)首次超越最大位移或最大承載能力的單一破壞準(zhǔn)則，對(duì)許多實(shí)際震害現(xiàn)象都無法作出合理的解釋，如1976年7月28日的唐山地震，南開大

11、學(xué)主樓塔樓，在主震中雖然遭到嚴(yán)重破壞卻沒有倒塌，在余震中反而倒塌；1966年6月27日，發(fā)生于美國(guó)Parkfield的地震，地震動(dòng)的峰值加速度很高，由于地震動(dòng)持時(shí)很短，只有幾秒，震害卻不嚴(yán)重。合理的解釋這些震害現(xiàn)象，需要考慮地震動(dòng)持時(shí)引起的結(jié)構(gòu)積累損傷破壞?；诹突谖灰频脑O(shè)計(jì)方法，都不能反應(yīng)結(jié)構(gòu)的塑性累計(jì)損傷，僅能反應(yīng)首次超越引起的結(jié)構(gòu)破壞，因此出現(xiàn)了基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法9-11。 對(duì)單自由度體系其實(shí)現(xiàn)過程為：計(jì)算已知結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和周期；跟據(jù)輸入能量設(shè)計(jì)譜，計(jì)算結(jié)構(gòu)的總彈性輸入能量和總彈塑性輸入能量；采用Pushover方法，計(jì)算結(jié)構(gòu)的滯回耗能能力；如果結(jié)構(gòu)的總彈塑性輸入能量小于結(jié)構(gòu)的滯回

12、耗能能力，則設(shè)計(jì)滿足要求，否則需要調(diào)整結(jié)構(gòu)的截面尺寸等重新計(jì)算。對(duì)于多自由度體系其實(shí)現(xiàn)過程為：將多自由度體系等效為單自由度體系，計(jì)算結(jié)構(gòu)的總彈性輸入能量和總彈塑性輸入能量；將總的彈塑性輸入能量分配到各樓層；采用Pushover方法，計(jì)算結(jié)構(gòu)各層的滯回耗能能力；判別各層的滯回耗能能力是否滿足設(shè)計(jì)需求。在基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法中，對(duì)于近斷層脈沖效應(yīng)的考慮，主要體現(xiàn)在構(gòu)建輸入能量譜時(shí)，考慮了脈沖型地震動(dòng)。在本質(zhì)上也是通過抬高輸入能量譜的譜值，從而增大總的輸入能量，最終提高混凝土結(jié)構(gòu)的配筋或加大截面尺寸等方法來實(shí)現(xiàn)的。 事實(shí)上，近斷層脈沖型地震動(dòng)與一般遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)引起的輸入能量在結(jié)構(gòu)中的分布可能不同，因

13、此在基于能量的抗震設(shè)計(jì)中，僅針對(duì)輸入能量譜來考慮近斷層脈沖型地震動(dòng)的影響也不充分。另外，目前基于能量的設(shè)計(jì)方法，還存在很多問題，僅在日本和西班牙規(guī)范中有所體現(xiàn)，主要用于抗震評(píng)估驗(yàn)算，還未能應(yīng)用于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此，在考慮近斷層脈沖型地震動(dòng)影響時(shí)，還不能采用基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法。 4結(jié)語(yǔ) 從以上綜述可以看出，當(dāng)考慮近斷層脈沖型地震動(dòng)影響時(shí)： （1）基于力的設(shè)計(jì)方法通過提高設(shè)計(jì)譜譜值，增大地震作用計(jì)算值，工程設(shè)計(jì)人員容易接受，具有很好的實(shí)用性，對(duì)抵御近斷層脈沖型地震動(dòng)的也有一定的作用； （2）基于位移的抗震設(shè)計(jì)方法，在本質(zhì)上也是提高了彈性和非彈性反應(yīng)譜譜值，但對(duì)于多自由度體系，初始位移向量的

14、指定和總的地震作用的分配仍需深入研究； （3）基于能量的抗震設(shè)計(jì)方法，在考慮近斷層脈沖型地震動(dòng)影響時(shí)主要體現(xiàn)于輸入能量譜，而輸入能量在如何結(jié)構(gòu)中進(jìn)行分配仍需深入研究。免費(fèi)論文。 （4）在當(dāng)代進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)，只能采用基于力的設(shè)計(jì)方法。基于位移和基于能量的設(shè)計(jì)方法還存在較多問題，需要進(jìn)一步研究才可能應(yīng)用于工程實(shí)際。 1.劉啟方,袁一凡,金星,丁海平.近斷層地震動(dòng)的基本特征J.地震工程與工程振動(dòng),2022,26(1):1-10. 2.JohnHall.Seismicresponseofsteelframebuildingstonear-sourcegroundmotionsD.Dalifonia

15、InstituteofTechonologyEarthquakeEngineeringResearchLaboratoryfortheDegreeofDoctorofMaster,1997. 3.李爽,謝禮立.近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)影響J.沈陽(yáng)建筑大學(xué)學(xué)報(bào)2022,22(3):406-410. 4.胡聿賢著.地震工程學(xué)(第二版)M.地震出版社,北京:2022. 5.李爽.近場(chǎng)脈沖型地震動(dòng)對(duì)鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)影響D.哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,哈爾濱,2022. 6.ChandlerAM,LamNTK.Preformace-BasedDesigninEarthquakeEngineering:AMuti-DisciplinaryReviewJ.EngineeringStructures,2022,23(12):1525-1543. 7.SullivanTJ,Calvi,GM,PriestleyMJN.InitialstiffnessversussecantstiffnessindisplacementbaseddesignC.13WCEE,2022,No.2888. 8.辛力,梁興文,童岳生.基于位移的抗震設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承載力的取值研究J.地震工程與工程振動(dòng)