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关于近场地震影响的思考
RSS 打印 复制链接 发布时间:2017-12-20 14:52:22
经过几年的云南结构人的不懈努力,隔震结构设计在各设计院都已经越来越熟悉。从研究生毕业到现在笔者也一直在进行隔震结构设计,过程中笔者参与了住房和城乡建设部课题“建筑隔震设计优乐娱乐管理措施研究”、省里的地方规程《建筑工程叠层橡胶隔震支座性能要求和检测规范》、《建筑工程叠层橡胶隔震支座优乐娱乐及验收规范》、《隔震工程专用标识技术规程》等等。但是在不断的学习和工作中仍然有不少的问题会突然间冒出来,下面这个是我在有一年的云南结构年会做的一个思考,但这么多年来这个问题一直困扰着我,我也在工作中一直不断寻求更加清晰的解决方法来指导自己的设计。现在贴出来算是抛砖引玉,后面我会再把自己最近的想法做个阐述。 一、近场地震影响问题的提出 采用隔震技术能明显提高结构的抗震性能,因此隔震结构在高烈度地区的应用越来越多。昆明市东川区(设防烈度为9度,0.40g)城区内的很多房地产、学校、医院等工程都采用了隔震技术,而东川区整个城区距离小江断裂带的距离几乎均在10km范围内。国内外虽然对于近断层地震影响的研究还不够充分,但从震害及相关研究分析表明,其对结构抗震性能的影响不能忽略,尤其是对于长周期结构如隔震结构的影响很大。 我国规范、规程中对如何考虑近场影响的做了如下规定: (1)《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第3.10.3条建筑结构的抗震性能化设计应符合的要求,其中包括对处于发震断裂两侧10km以内的结构,地震动参数应计入近场影响,5km以内宜乘以增大系数1.5,5km以外宜乘以不小于1.25的增大系数。 (2)《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第12.2.2条规定,当处于发震断层10km以内时,输入地震波应考虑近场影响系数,5km以内取1.5,5km以外可取不小于1.25。条文解释中提到,当隔震结构位于发震断裂主断裂带10km以内时,要求各个设防类别的房屋均应计及地震近场效应。 (3)《建筑抗震设计规范》GB50011-2010附录L.1.3条提到近场系数的概念。其中,距发震断层5km 以内取1.5;(5~10)km 取不小于1.25。 (4)《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第5.3.4条和《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2010第4.3.14条文说明中提到,对处于发震断裂10km以内的场地,竖向反应谱的最大值可能接近水平谱,但特征周期小于水平谱。 我国规范对近场影响有相对较明确的规定且主要针对隔震结构,但如何在设计中尤其是隔震设计中执行,就是摆在我们面前的首要问题。因此,我认为需解决以下几个问题。 (1)我国规范对于近场影响仅从地震作用的大小上进行了规定,也即对水平地震作用影响系数或时程曲线的峰值加速度进行放大,这样的规定是否充分? (2)结构设计需考虑近场影响的先决条件是哪些? (3)考虑近场影响的设计方法及如何执行规范的相关规定。 二、近场地震动的特性 近场地震动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。到目前为止,近断层区域没有一个统一的具体定义,大部分研究人员将距离断层破裂面小于20km的区域看作近断层区域。 近场地震动的特性在几次地震中都有表现,如美国北岭地震、日本阪神地震、台湾集集地震,以高能量脉冲运动为特征,包含有方向性效应和竖向加速度较大的特点,使结构直接承受高能冲击,对结构的力和变形的要求都显著提高。 一般来说,近断层脉冲型地震动的加速度、速度和位移时程幅值较大;低频分量丰富,特征周期延长;持时较短;断层走向的法向分量和平行分量的地震动特征和强度差别显著。 (1)速度脉冲效应。近场记录得到的地震时程曲线可以发现,近场记录中包含明显的脉冲现象。 (2)方向性效应。近场地面运动在垂直地层断裂方向上的强度往往大于平行断裂方向的强度,越靠近震中方向性越是明显。断层在破裂过程中会不断向外辐射传播能量,在近断层范围内,当断层破裂方向朝着场地时,且断层破裂速度接近场地的剪切波速,则破裂到达场地的时候,断层在破裂的过程中向外辐射释放的能量也将同时到达场地,断层破裂速度越接近场地剪切波速累计效应也就越明显。由于前方向性效应具有明显的脉冲特点,并能对工程结构造成严重的破坏,故一般只考虑前方向性效应。 (3)竖向加速度效应。地震中一般竖向加速度比相应的水平加速度要小,峰值通常被假设为水平方向的2/3。尽管竖向加速度对大多数结构设计来说意义不是很大,但是对于近场来说并非总是如此,越来越多的近场加速度记录表明2/3这个值是偏小的。近场地震中有相当比例的房屋是因为过大的竖向作用而破坏的。对于近场地震,2/3这个传统数值是偏小的,而对于远场地震,这个数值是偏于保守的。 三、近场地震对结构的影响 在近场地震中,位移冲击对高层及基底隔震结构延性的要求远大于目前规范所规定的水平。由于具有明显的加速度,速度,位移冲击,近场地震会使结构产生较大的基底剪力,层间位移和顶层位移,从近场记录得到的非弹性位移比也远大于由远场记录所得到的值。震害表明断层附近是地震破坏最严重的区域,由于工程建设上的需要, 美国和欧洲的抗震规范都开始考虑近断层场地的地震动输入修正方法。美国统一建筑规范(UBC)按照断层的活动性分为A、B、C三类,针对这3个等级的断层修正断层距10km以内场地的地震动参数。我国和欧洲规范也有类似规定,但这只是一些初步的修正方法,没有考虑断层附近地震动的空间分布规律和时频特征。 研究分析表明,向前方向性效应脉冲主要增大高阶振型响应,从而结构中上部层间变形较大。滑冲效应脉冲主要激起结构的基本振型响应,从而结构底部层间变形较大。 在近断层地震区决定地震动强度的关键因素不完全是峰值加速度,还包括峰值速度、峰值位移、PGV/PGA、PGD/PGV、脉冲持时等其他参数。因为峰值加速度很大的地震动作用于建筑结构,其地震反应并不一定就相应地大。 四、考虑近场影响的先决条件及建议 《建筑抗震设计规范》GB50011-2010中明确规定处于发震断层10km以内考虑近场影响。 发震断层顾名思义是指发生地震的断层,又称发震断裂,是活断层中的一种。有过破坏性历史地震记录及被查明全新世以来有过中强史前地震活动的断裂。由发震断层错动而产生的地震,发震断层为地震能量的释放中心,与其距离越近的场地震害越重,具有潜在地震活动的断层通常称为发震断层,而与地震活动没有成因联系的一般断层,称为非发震断层。 距发震断层某一特定的范围内应考虑近场影响。距离发震断层的远近及是否存在发震断层,应该在地勘报告中有所体现。另,近场地震对特定的结构形式影响大如隔震结构、长周期的高层结构、大跨度的钢结构等。综合以上所述,如下建议: (1)对于隔震结构、长周期的高层结构、大跨度钢结构等应注意考虑近场影响; (2)地勘报告中应对以上结构形式的场地距发震断层的距离及是否为发震断层进行明确; (3)对一般的丙类建筑,处于10km以内时考虑近场影响;对于乙类建筑,处于20km以内时考虑近场影响。 五、近场影响的分析方法 考虑近场影响时,可以采用近场影响系数的方法,如处于发震断层10km-20km时,取1.1-1.2;5km-10km时,取1.25;5km以内时取1.5。 在近场地震动选取时,应区别于一般工程的地震动选取。即在满足于《建筑抗震设计规范》GB50011-2010的相关规定以外,对实际地震动的选取应限定其震中距、速度脉冲的持续时间、PGA与PGA的大小等进行限制。 笔者在查阅相关研究成果后建议,按下列条件选取实际地震波: (1)震中距小于20km; (2)PGA>0.20g、PGV>20cm/s、PGV/PGA>0.2; (3)速度脉冲的持时不小于0.5s。 在采用考虑近场影响系数进行计算分析时,可以按下述方法:(以隔震结构为例) (1)按照上述方法选取实际地震波及人工合成地震波; (2)将考虑了近场影响系数的地震波输入计算模型,并通过对比得到的楼层剪力比或倾覆力矩比,确定水平向减震系数; (3)通过水平向减震系数确定隔震后水平地震影响系数最大值,其中隔震后水平地震影响系数最大值应乘以近场影响系数。 六、几点疑问 (1)考虑近场影响时,竖向地震作用是否也需一并放大。如不一并放大,抗规中对于竖向地震作用不小于20%、30%、40%重力荷载代表值的规定,是否能够包罗近场影响。 (2)考虑按笔者收集汇总的方法选择得到的实际地震波进行时程分析时,是否可以不再进行近场影响系数的放大。 (3)笔者所述的隔震后水平地震影响系数最大值乘以近场影响系数是否正确。是否只需按抗规的规定在输入地震波时考虑近场影响系数即可,换算后的水平地震影响系数最大值可不再进行放大。
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