近斷層雙脈沖型地震動(dòng)潛在破壞作用譜分析

近斷層雙脈沖型地震動(dòng)潛在破壞作用譜分析

在過(guò)去的十年中，國(guó)內(nèi)外發(fā)生了巨大的城市直下性地震，如1995年日本的7.2級(jí)地震、1999年臺(tái)灣的7.6級(jí)地震和2003年伊朗的6.3級(jí)地震，這造成了巨大的城市基礎(chǔ)設(shè)施破壞、人員破壞和財(cái)產(chǎn)損失。這些地震比一般地震更復(fù)雜，對(duì)施工結(jié)構(gòu)更敏感。近梁地震（又稱近場(chǎng)或近源）是指震源距離較低，地震源輻射的近場(chǎng)和中心區(qū)域的地震波不應(yīng)忽視區(qū)域內(nèi)的地震波。因此，在以往的國(guó)家抗震試驗(yàn)中，沒(méi)有考慮近梁地震的破壞特征，因此，詳細(xì)分析近梁地震的破壞特征已成為各國(guó)的研究熱點(diǎn)。在現(xiàn)有的研究中，由于近梁脈沖地震波沒(méi)有充分考慮，因此無(wú)法充分反映近梁地震的破壞特征。因此，在本文中，我們將研究遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖地震，為中國(guó)的抗震性標(biāo)準(zhǔn)的制定提供基礎(chǔ)。1a,b,c,d,d本文選用的地震記錄均來(lái)自美國(guó)太平洋地震工程研究中心強(qiáng)震數(shù)據(jù)庫(kù).在搜集地震記錄時(shí),遵循如下原則:(1)近斷層區(qū)域到發(fā)震斷層破裂面的最短距離dr≤30km,遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域的最短距離dr≥60km;(2)峰值加速度均不小于0.05g,其中g(shù)為重力加速度;(3)根據(jù)美國(guó)地質(zhì)勘探局分類(lèi)法,將場(chǎng)地分為A,B,C和D,共4類(lèi).作者共搜集地震記錄192條,包括ImperialValley,Northridge,Kobe,Chi-Chi等十余次地震記錄,震級(jí)變化范圍為5.3～7.6級(jí).地震記錄分布如下:近斷層雙脈沖型(NRWTP,near-faultrecordwithtwopulses),A+B類(lèi)場(chǎng)地12條,C+D類(lèi)場(chǎng)地21條;近斷層多脈沖型(NRWMP,near-faultrecordwithmorepulses),A+B類(lèi)場(chǎng)地9條,C+D類(lèi)場(chǎng)地28條;近斷層非脈沖型(NRWNP,near-faultrecordwithnopulses),A+B類(lèi)場(chǎng)地16條,C+D類(lèi)場(chǎng)地28條;遠(yuǎn)場(chǎng)脈沖型(FRWP,far-fieldrecordwithpulses),A+B類(lèi)場(chǎng)地14條,C+D類(lèi)場(chǎng)地18條;遠(yuǎn)場(chǎng)非脈沖型(FRWNP,far-fieldrecordwithnopulses),A+B類(lèi)場(chǎng)地22條,C+D類(lèi)場(chǎng)地24條.各類(lèi)記錄如圖1所示.2斷裂帶的破壞2.1不同類(lèi)型地震動(dòng)的潛在破壞作用采用上述地震記錄,計(jì)算了各類(lèi)地震動(dòng)的彈性和非彈性反應(yīng)譜及相應(yīng)的動(dòng)力系數(shù)譜,本文中未給出非彈性反應(yīng)譜和相應(yīng)的動(dòng)力系數(shù)譜.圖2為A+B類(lèi)場(chǎng)地的加速度、速度和位移彈性反應(yīng)譜(計(jì)算)及相應(yīng)的動(dòng)力系數(shù)譜(標(biāo)準(zhǔn)),其中Sa(cm/s2),Sv(cm/s)和Sd(cm)分別為加速度、速度和位移反應(yīng)譜;T(s)為自振周期.從反應(yīng)譜(圖2(a),(b),(c))可以看出:NRWTP地震動(dòng)引起的譜值,在周期0～6.0s內(nèi),加速度、速度和位移反應(yīng)譜均明顯高于其它類(lèi)型地震動(dòng),其中,最大約相差7倍,最小約相差1倍.說(shuō)明在A+B類(lèi)場(chǎng)地上,NRWTP地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)的潛在破壞作用最大,當(dāng)考慮這種類(lèi)型地震動(dòng)的潛在破壞作用后,可不再考慮其它類(lèi)型的地震動(dòng).NRWMP和NRWNP地震動(dòng),僅在周期較短時(shí)(約小于0.5s),加速度和速度反應(yīng)譜高于遠(yuǎn)場(chǎng),超出這個(gè)范圍,與遠(yuǎn)場(chǎng)相近;NRWMP與FRWP,NRWNP與FRWNP地震動(dòng)的位移反應(yīng)譜,在所有周期均比較接近,說(shuō)明A+B類(lèi)場(chǎng)地,NRWMP和NRWNP地震動(dòng)僅在短周期對(duì)結(jié)構(gòu)的潛在破壞作用比遠(yuǎn)場(chǎng)大,在中長(zhǎng)周期則無(wú)明顯差別.圖2(d),(e),(f)可以看出:無(wú)論是哪種類(lèi)型的近斷層地震動(dòng)與遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)相比,動(dòng)力系數(shù)譜均較相近,在某些情況下,甚至較低,說(shuō)明A+B類(lèi)場(chǎng)地,近斷層地震動(dòng)潛在破壞作用較大的原因是地震動(dòng)的加速度、速度和位移峰值高.圖3為C+D類(lèi)場(chǎng)地加速度、速度和位移彈性反應(yīng)譜及相應(yīng)的動(dòng)力系數(shù)譜.從圖中可以看出,與A+B類(lèi)場(chǎng)地相比,主要有兩點(diǎn)不同:(1)加速度、速度和位移反應(yīng)譜,NRWMP地震動(dòng)在周期0～6.0s內(nèi),均比NRWNP和FRWP地震動(dòng)引起了更高的反應(yīng)譜譜值,甚至接近NRWTP地震動(dòng)譜值,說(shuō)明C+D類(lèi)場(chǎng)地,NRWMP地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)也具有較大的潛在破壞作用;(2)加速度、速度和位移動(dòng)力系數(shù)譜,在長(zhǎng)周期(加速度動(dòng)力系數(shù)譜周期約大于2.0s,速度動(dòng)力系數(shù)譜周期約大于2.5s),NRWTP和NRWMP地震動(dòng)引起的譜值均高于遠(yuǎn)場(chǎng),說(shuō)明C+D類(lèi)場(chǎng)地,結(jié)構(gòu)反應(yīng)對(duì)近斷層地面峰值加速度和峰值速度的放大程度高于遠(yuǎn)場(chǎng),這也是引起近斷層地震動(dòng)潛在破壞作用大于遠(yuǎn)場(chǎng)的原因.2.2結(jié)構(gòu)非彈性響應(yīng)與彈性反應(yīng)譜相比,非彈性加速度、速度和位移反應(yīng)譜譜值明顯降低,但反應(yīng)譜和動(dòng)力系數(shù)譜的變化規(guī)律與彈性反應(yīng)譜相似.因此,本文僅分析非彈性反應(yīng)譜譜值降低的情況,計(jì)算了非彈性(延性系數(shù)μ=i,i=2,3,4,5)與彈性(μ=1)加速度反應(yīng)比值譜(Sa(μ=i)/Sa(μ=1)),即屈服強(qiáng)度系數(shù)譜,結(jié)果如圖4所示,由于篇幅所限未列出μ=3的結(jié)果.從圖中可以看出,不同類(lèi)型的地震動(dòng),在延性系數(shù)相同時(shí),比值譜接近c(diǎn)(c為比值譜的平均值),說(shuō)明結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性工作階段后,在近斷層與遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)作用下,結(jié)構(gòu)非彈性反應(yīng)降低的程度總體差別不大.當(dāng)μ=2,3,4,5時(shí),c分別為0.56,0.41,0.34和0.30.從c的變化可以看出,在延性系數(shù)達(dá)到4以后,隨延性系數(shù)的增加,結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)值降低程度不明顯.2.3我國(guó)規(guī)范對(duì)地震動(dòng)的影響特征周期是抗震規(guī)范給出的地震影響系數(shù)曲線中的重要參數(shù)之一,是反映地震震級(jí)、震中距和場(chǎng)地類(lèi)別等因素的下降段起始點(diǎn)的周期值.采用擬合法,本文中計(jì)算了上述地震動(dòng)的特征周期,如表1所示.表2中列出了我國(guó)規(guī)范規(guī)定的不同設(shè)計(jì)地震分組和場(chǎng)地類(lèi)別對(duì)應(yīng)的特征周期.比較表1和表2可以看出:近斷層與相應(yīng)遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)對(duì)應(yīng)特征周期相比,A+B類(lèi)場(chǎng)地(接近于Ⅰ類(lèi))偏低,C+D類(lèi)場(chǎng)地(部分接近Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地,全部屬Ⅲ類(lèi)和Ⅳ場(chǎng)地),NRWTP地震動(dòng)引起的特征周期略高,均高于我國(guó)規(guī)范相應(yīng)場(chǎng)地第1組所對(duì)應(yīng)特征周期值.因此,當(dāng)考慮近斷層地震動(dòng)影響時(shí),我國(guó)規(guī)范第1組各類(lèi)場(chǎng)地的特征周期應(yīng)適當(dāng)增加.3加速度反應(yīng)結(jié)果分析(1)在各類(lèi)地震動(dòng)中,近斷層雙脈沖型地震動(dòng)的潛在破壞作用最大,因此,在考慮近斷層地震動(dòng)時(shí),如果考慮了雙脈沖型地震動(dòng),可不再考慮其它類(lèi)型地震動(dòng);(2)引起A+B類(lèi)場(chǎng)地反應(yīng)譜譜值較高的原因主要是地震動(dòng)的高峰值,引起C+D類(lèi)場(chǎng)地反應(yīng)譜譜值較高的原因不僅是高峰值,