李 旭，Carlos Estuardo Ventura，何敏娟

（1.同濟(jì)大學(xué) 建筑工程系，上海 200092；2.英屬哥倫比亞大學(xué) 土木工程學(xué)院地震工程研究中心，溫哥華V6T1Z4）

地震發(fā)生時(shí)，根據(jù)場地離開斷層距離的遠(yuǎn)近，將地震動(dòng)分為近斷層地震動(dòng)和遠(yuǎn)場地震動(dòng).通常將距離斷層不超過20～60km區(qū)域場地的地震動(dòng)稱為近斷層地震［1］，大于該范圍的地震動(dòng)統(tǒng)稱為遠(yuǎn)場地震.正是由于近斷層地震動(dòng)距離斷層較近，使得斷層本身的破裂和滑動(dòng)特性對地面運(yùn)動(dòng)影響較大，從而明顯區(qū)別于遠(yuǎn)場地震地面運(yùn)動(dòng)［2］.其中，近斷層地震最為突出的特點(diǎn)是具有速度脈沖特性，而引起速度脈沖的因素主要包括近斷層地震向前方向性效應(yīng)（forward directivity）和滑沖效應(yīng)（fling-step）［3－5］.

地震工作者從幾次世界范圍的大地震中獲得了近斷層地震動(dòng)記錄，如1992年Landers地震、1994年Northridge地震、1995年 Kobe地震、1999年Chi－Chi地震、1999年 Turkey地震和2010年Chile地震等.這為進(jìn)一步對近斷層地震動(dòng)的研究提供了寶貴的數(shù)據(jù)資料.通過分析近斷層地震地面運(yùn)動(dòng)特征，建立了諸多簡化模型［6－7］，包括簡單方形、三角模型、三角函數(shù)模型等，最被接受的是三角函數(shù)模型，如采用Type－A模型表示滑沖效應(yīng)，采用Type－B模型表示向前方向性效應(yīng)，采用Type－C模型模擬含有多個(gè)脈沖的地面運(yùn)動(dòng).

從很多震害現(xiàn)象中得出，近斷層地震對工程結(jié)構(gòu)的破壞性比遠(yuǎn)場地震來得更為嚴(yán)重，尤其是對高層建筑結(jié)構(gòu)［4，8－10］.近年來，結(jié)構(gòu)在近場地震下的響應(yīng)特性受到學(xué)者的廣泛關(guān)注，而且普遍認(rèn)為向前方向性效應(yīng)比滑沖效應(yīng)對結(jié)構(gòu)具有更大的潛在的不利影響［11］.Somerville解釋了近場地震向前方向性效應(yīng)，并對其建立了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停?2］；Hall等指出，當(dāng)向前方向性效應(yīng)的脈沖持續(xù)時(shí)間與高層結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)基本周期接近時(shí)會(huì)使其發(fā)生嚴(yán)重破壞［10］；Alavi和Krawinkler定量分析了框架結(jié)構(gòu)在具有向前方向性效應(yīng)的近場地震作用下的線性和非線性反應(yīng)特性［13］；Iwan認(rèn)為，采用剪切梁模型波傳分析的位移角譜（drift spectrum）可以更為直接地體現(xiàn)近場地震響應(yīng)［14］；Chopra等通過計(jì)算指出，當(dāng)考慮足夠數(shù)量的高階模態(tài)響應(yīng)，采用傳統(tǒng)的反應(yīng)譜分析法分析近場地震向前方向性效應(yīng)對結(jié)構(gòu)的影響可以達(dá)到工程要求的精度［15］.

相比而言，對近場地震滑沖效應(yīng)的研究相對較少.Abrahamson提出滑沖效應(yīng)的幾個(gè)特性參數(shù)，包括 幅 值、持 續(xù) 時(shí) 間 和 到 達(dá) 時(shí) 間［5］；Kalkan 和Kunnath調(diào)查了滑沖效應(yīng)和向前方向性效應(yīng)對具有不同周期特性的鋼框架結(jié)構(gòu)的影響［16］；楊迪雄等通過對短肢剪力墻高層結(jié)構(gòu)、隔震建筑結(jié)構(gòu)以及高層鋼結(jié)構(gòu)等的研究進(jìn)一步表明，脈沖型地震動(dòng)主要激發(fā)結(jié)構(gòu)基本振型的反應(yīng)，且滑沖效應(yīng)引起的速度脈沖對長周期建筑結(jié)構(gòu)的危害性尤為突出［7，17－20］.盡管如此，滑沖效應(yīng)對實(shí)際結(jié)構(gòu)的抗震性能影響還未被充分認(rèn)識，特別是高層建筑結(jié)構(gòu)在近場地震滑沖效應(yīng)作用下的非線性響應(yīng)特性.

本文選取一組典型的具有滑沖效應(yīng)的近場地震記錄，即1999年Turkey地震SKR－EW臺(tái)站地震記錄作為輸入，采用人工過濾方式獲得帶有滑沖效應(yīng)記錄（簡稱with fling record）和無滑沖效應(yīng)記錄（簡稱without fling record）.首先，通過單自由度體系彈性和彈塑性反應(yīng)譜分析總體了解滑沖效應(yīng)特性，并通過改變具有不同特征周期體系的屈服強(qiáng)度評估系統(tǒng)從線性到非線性的整個(gè)變化過程中滑沖效應(yīng)對其抗震性能的影響.最后，以某典型的高層鋼筋混凝土剪力墻結(jié)構(gòu)為例具體研究高層建筑結(jié)構(gòu)在帶有滑沖效應(yīng)的近場地震作用下的抗震性能.

1 近斷層地震動(dòng)概述

對地震機(jī)理的研究表明，近斷層地震動(dòng)產(chǎn)生于斷層的斷裂過程［4，21］.地震發(fā)生時(shí)，斷層快速滑動(dòng)并沿著斷裂方向向前發(fā)展，于是出現(xiàn)了永久性地面位移偏量，在此過程中地震能量以垂直于斷層的地震波的形式傳播.對于位于斷層破裂向前方向上的場地，當(dāng)斷層破裂速度與地震剪切波速一致時(shí)，斷層破裂能量累積達(dá)到幅值，從而引起強(qiáng)烈的地面脈沖運(yùn)動(dòng).其中，將產(chǎn)生永久性地面位移偏移的特性稱為滑沖效應(yīng)，將引起強(qiáng)烈地面脈沖運(yùn)動(dòng)的特性稱為向前方向性效應(yīng)［3，13－14］.

由上述斷層斷裂機(jī)理可知滑沖效應(yīng)的突出特點(diǎn)為較大的地面階躍式的永久位移偏移以及單方向速度脈沖；而向前方向性效應(yīng)則具有較長持時(shí)的動(dòng)力脈沖運(yùn)動(dòng)和連續(xù)的雙向速度半脈沖的特性.對于走滑斷層（strike-slip earthquake），滑沖效應(yīng)出現(xiàn)在平行斷層走向方向，向前方向性效應(yīng)則垂直于斷層走向；對于傾滑斷層（dip-slip earthquake），滑沖效應(yīng)和向前方向性效應(yīng)均垂直于斷層走向，兩者發(fā)生耦合.圖1顯示了2類斷層中滑沖效應(yīng)、向前方向性效應(yīng)與斷層方向的關(guān)系［1］.圖2展示了2類斷層中帶有滑沖效應(yīng)和向前方向性效應(yīng)的地面位移運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)［1］.由此看來，盡管滑沖效應(yīng)和向前方向性效應(yīng)均具有速度脈沖特性，但兩者具有明顯區(qū)別，對建筑結(jié)構(gòu)的抗震性能影響也不盡相同，須分別考慮.本文主要研究近斷層地震滑沖效應(yīng)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響.

2 近斷層地震滑沖效應(yīng)特性

2.1 地震記錄

為研究近斷層地震滑沖效應(yīng)對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，以具有代表性的1999年Izmit Turkey地震（震級Mw＝7.4）為例，因斷層性質(zhì)為走滑斷層，故而在近斷層區(qū)域平行斷層斷裂方向的地面運(yùn)動(dòng)中存在滑沖效應(yīng).選取距離斷層3.1km的臺(tái)站SKR東西向（即平行于斷層方向）的地震記錄，見圖3所示，其中有滑沖效應(yīng)地震記錄的峰值地面加速度（PGA）為0.399g，峰值地面速度（PGV）為80.5cm·s－1，峰值地面位移（PGD）為204.5cm.同時(shí)，圖3也列出了由英國帝國理工學(xué)院修正處理后無滑沖效應(yīng)的地震記錄，處理方法為八階橢圓帶通法（8th order elliptical band pass method），過濾頻率區(qū)間0.25～25.00Hz，PGA為0.354g，PGV為32.9cm·s－1，PGD為12.5cm.由圖3c中有滑沖效應(yīng)的位移時(shí)程數(shù)據(jù)中可以看出，位于31～36s時(shí)間段內(nèi)存在較大的永久性位移偏移，偏移量約為200cm，于是滑沖效應(yīng)持時(shí)Tp＝5s；對應(yīng)圖3b速度時(shí)程曲線時(shí)間段31～36s內(nèi)，有滑沖效應(yīng)地震記錄中帶有明顯的單方向速度半脈沖特性；盡管如此，圖3a有、無滑沖效應(yīng)的加速度時(shí)程曲線卻無明顯差別.

2.2 彈性反應(yīng)譜

取上述有、無滑沖效應(yīng)地面運(yùn)動(dòng)加速度時(shí)程作為輸入，求得單自由度體系（阻尼比為0.05）的彈性反應(yīng)譜［17］見圖4.

由圖4可以看出：①當(dāng)周期小于3s，系統(tǒng)在有、無滑沖效應(yīng)地震作用下，彈性反應(yīng)譜差別不大；②當(dāng)周期大于3s，系統(tǒng)在有滑沖效應(yīng)地震作用下的彈性反應(yīng)譜開始大于無滑沖效應(yīng)地震作用下的彈性反應(yīng)譜，且當(dāng)周期大于4s之后，滑沖效應(yīng)明顯放大系統(tǒng)的速度和位移響應(yīng)，見圖4b和c中所示；③圖4c中，當(dāng)周期大于3s，在無滑沖效應(yīng)地震作用下，系統(tǒng)位移響應(yīng)開始緩慢減小并最終趨于某個(gè)相對較小的變形量，這與通常認(rèn)識到的地震對長周期結(jié)構(gòu)影響不是很大相一致；然而，當(dāng)周期大于3s，在有滑沖效應(yīng)地震作用下，系統(tǒng)位移響應(yīng)開始單調(diào)增加，從而證實(shí)了近場地震滑沖效應(yīng)對長周期結(jié)構(gòu)影響顯著的結(jié)論.

2.3 彈塑性反應(yīng)譜

在強(qiáng)度較大的地震作用下，結(jié)構(gòu)通常會(huì)進(jìn)入非線性狀態(tài)，在此取單自由度體系彈塑性模型（阻尼比為0.05）計(jì)算非線性反應(yīng)譜［22］.圖5列出了在有、無滑沖效應(yīng)地震作用下延性系數(shù)μ＝1，2，4，6的單自由度體系彈塑性位移反應(yīng)譜，其中μ＝1表示彈性反應(yīng)譜，μ＞1表示彈塑性反應(yīng)譜.總體上看，彈塑性位移反應(yīng)譜和彈性位移反應(yīng)譜變化趨勢是一致的，即當(dāng)系統(tǒng)周期較小，在有、無滑沖效應(yīng)地震作用下位移反應(yīng)譜差別不大，當(dāng)系統(tǒng)周期較大時(shí)，滑沖效應(yīng)明顯放大了系統(tǒng)的位移響應(yīng).值得注意的是，對于彈性反應(yīng)譜，當(dāng)系統(tǒng)周期大于3s后滑沖效應(yīng)才開始影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)，然而對于彈塑性反應(yīng)譜，當(dāng)系統(tǒng)周期大于2 s，滑沖效應(yīng)便開始影響結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)，且延性系數(shù)越大，影響越大.

圖5 單自由度體系彈塑性位移反應(yīng)譜Fig.5 Elastoplastic displacement response spectrum of single-degree-of-freedom system

因此，既然實(shí)際結(jié)構(gòu)在地震作用下均會(huì)出現(xiàn)非線性變形，同時(shí)伴隨結(jié)構(gòu)剛度的退化以及對應(yīng)非線性特征周期的延長，那么近斷層地震滑沖效應(yīng)除了對較長線性特征周期結(jié)構(gòu)具有較大影響之外，對具有中、短線性特征周期結(jié)構(gòu)的影響同樣不可忽視.

3 滑沖效應(yīng)對不同周期系統(tǒng)地震響應(yīng)的影響

為了進(jìn)一步深入研究具有不同大小線性特征周期的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)從線性發(fā)展到非線性的整個(gè)過程中近斷層地震滑沖效應(yīng)對系統(tǒng)響應(yīng)的影響，本文選取線性特征周期分別為2s和5s的單自由度體系，并通過改變屈服強(qiáng)度的大小來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)從線性到非線性的變化.為方便分析，引入2個(gè)概念，歸一化強(qiáng)度R和變形放大系數(shù)D.R＝Fy／（M·PGA），式中：Fy為系統(tǒng)屈服強(qiáng)度；M為系統(tǒng)質(zhì)量；PGA為地震加速度峰值.D＝d1／d2，式中：d1，d2分別為有、無滑沖效應(yīng)地震作用下的系統(tǒng)變形.

采用修正的 Clough模型（K2／K1＝0.01，K1，K2分別為系統(tǒng)初始剛度、非線性剛度）模擬系統(tǒng)非線性滯回變形，阻尼比取0.03，考慮P－Delta效應(yīng).圖6為在有、無滑沖效應(yīng)地震作用下，周期分別為5s，2s的單自由度系統(tǒng)Um／Uy與歸一化強(qiáng)度R關(guān)系，其中Um為系統(tǒng)最大位移，Uy為系統(tǒng)屈服位移，當(dāng)Um／Uy＜1.0時(shí)系統(tǒng)處于線性階段，當(dāng)Um／Uy＞1.0時(shí)則表示系統(tǒng)進(jìn)入非線性階段.

圖6a中，對于較長周期系統(tǒng)（T＝5s），在有滑沖效應(yīng)地震作用下的系統(tǒng)變形始終大于無滑沖效應(yīng)地震作用下的系統(tǒng)變形，且隨著系統(tǒng)屈服強(qiáng)度的降低，R減小到一定程度，系統(tǒng)進(jìn)入非線性狀態(tài)（如圖6a中R＜0.3），滑沖效應(yīng)對結(jié)構(gòu)影響更為明顯.圖6b，對于較短周期系統(tǒng)（T＝2s），當(dāng)系統(tǒng)屈服強(qiáng)度較大，結(jié)構(gòu)響應(yīng)在有、無滑沖效應(yīng)地震作用下基本保持一致，滑沖效應(yīng)作用未顯現(xiàn)；隨著系統(tǒng)屈服強(qiáng)度降低，系統(tǒng)在地震作用下進(jìn)入明顯的非線性狀態(tài)（如圖6b中R＜0.2），此時(shí)，滑沖效應(yīng)極大地放大了結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)值.

圖7 不同周期單自由度系統(tǒng)變形放大系數(shù)與歸一化強(qiáng)度的關(guān)系Fig.7 Deflection amplification factor vs.normalized strength for single-degree-of-freedom system with different linear fundamental periods

由圖7知，對于較長周期系統(tǒng)（T＝5s），當(dāng)系統(tǒng)屈服強(qiáng)度較大（R＞0.3），并處于線性階段，D＝3.0，表示系統(tǒng)在有滑沖效應(yīng)的地震作用下的位移響應(yīng)為無滑沖效應(yīng)下位移響應(yīng)的3倍；當(dāng)系統(tǒng)屈服強(qiáng)度變小（R＜0.3），系統(tǒng)進(jìn)入非線性階段，D開始增大，最大值達(dá)到5.0，表明滑沖效應(yīng)作用更為顯著；對于較短周期系統(tǒng)（T＝2s），當(dāng)系統(tǒng)屈服強(qiáng)度較大（R＞0.2），此時(shí)處于線性狀態(tài)或者僅出現(xiàn)較小的非線性變形，D基本保持1.0，表明滑沖效應(yīng)尚未影響結(jié)構(gòu)響應(yīng)，但隨著系統(tǒng)屈服強(qiáng)度的進(jìn)一步減?。≧＜0.2），系統(tǒng)進(jìn)入較明顯的非線性狀態(tài)，此時(shí)D明顯增大，最大值達(dá)到4.0，表明滑沖效應(yīng)對結(jié)構(gòu)影響相當(dāng)突出.

圖8列出了周期分別為5s，2s，R＝0.1的單自由度系統(tǒng)在有、無滑沖效應(yīng)地震作用下的位移時(shí)程曲線和剪力－變形曲線.滑沖效應(yīng)對結(jié)構(gòu)影響均較大，且使2個(gè)系統(tǒng)均發(fā)生了較大的永久性位移變形.

4 近斷層地震滑沖效應(yīng)對高層結(jié)構(gòu)的影響

4.1 高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)概述

某高層鋼筋混凝土剪力墻住宅結(jié)構(gòu)高83.2m，32層，平面尺寸31.7m×24.7m，見圖9.結(jié)構(gòu)由豎向12根通長的柱和中央混凝土核心筒承擔(dān)荷載.結(jié)構(gòu)用材為：底層5～9層混凝土強(qiáng)度為30MPa，10～19層混凝土強(qiáng)度為35MPa，20～32層混凝土強(qiáng)度為40MPa；鋼筋強(qiáng)度為400MPa，結(jié)構(gòu)詳細(xì)信息見文獻(xiàn)［23］.

本文采用CANNY有限元分析軟件建模，見圖9d，抗剪采用Clough模型，抗扭采用線性模型，對于墻、柱單元采用MS模型考慮豎向荷載和雙向受彎之間的相互作用.基于鋼筋、混凝土材料特性建立其本構(gòu)關(guān)系，鋼材采用SS3滯回模型，混凝土采用三線性CS3滯回模型［24］.結(jié)構(gòu)分析時(shí)考慮P－Delta效應(yīng)，采用Newmark－β（β＝0.25）法逐步積分，時(shí)間間隔為0.005s，采用 Rayleigh阻尼，阻尼系數(shù)取0.032，此時(shí)模型線性基本周期為1.9s.

基于上述原始模型（稱之為模型①），建立了模型②和模型③，3個(gè)模型力－位移曲線相關(guān)關(guān)系見圖10所示，其中Fyi為屈服力，Dyi為屈服位移，Dm為極限位移.模型②為具有底部薄弱層結(jié)構(gòu)模型：將模型①底層混凝土屈服強(qiáng)度降低到原來的25%，此時(shí)結(jié)構(gòu)總體剛度基本不發(fā)生變化，線性基本周期約為2.2s；模型③為總剛度軟化模型，其降低模型①所用混凝土材料等級，結(jié)構(gòu)總體剛度變小，線性基本周期延長到4s.對比3個(gè)模型，模型①和②具有相對較短的線性特征周期，在等強(qiáng)度地震下，模型②產(chǎn)生更大的非線性變形，這樣可以了解近斷層地震滑沖效應(yīng)對處于不同非線性狀態(tài)的短周期高層建筑結(jié)構(gòu)的影響；模型③具有相對較長的線性基本周期，用于研究近斷層地震滑沖效應(yīng)對較長周期結(jié)構(gòu)的影響.

4.2 地震彈塑性時(shí)程分析

將SKR－EW有、無滑沖效應(yīng)地震記錄作為輸入（圖3），分別對模型①～③進(jìn)行地震彈塑性時(shí)程分析.在有滑沖效應(yīng)地震作用下結(jié)構(gòu)非線性基本周期峰值明顯大于無滑沖效應(yīng)下的峰值（圖11a），同時(shí)滑沖效應(yīng)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了永久變形（圖11b）.

由圖12可見，結(jié)構(gòu)樓層底部剪力差別不大，但滑沖效應(yīng)對層間位移角的放大作用卻很明顯.

圖13列出了模型②和模型③在有、無滑沖效應(yīng)地震作用下層間位移角峰值沿高度的變化情況.滑沖效應(yīng)對這2個(gè)結(jié)構(gòu)層間位移角的放大作用更加顯著.

表1列出了3個(gè)模型在有、無滑沖效應(yīng)地震作用下層間位移角峰值以及對應(yīng)的變形放大系數(shù).

對比模型①和②的層間位移角峰值及變形放大系數(shù)可見，對于較短周期結(jié)構(gòu)，具有底部薄弱層模型會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的非線性變形，且變形放大系數(shù)從1.54增大到3.56，滑沖效應(yīng)作用更明顯；對比模型①和③的變形峰值可見，對于具有較長周期的模型③，最大層間位移角比模型①要大，同時(shí)變形放大系數(shù)從1.54增大到2.12，滑沖效應(yīng)作用也更大.

表1 3個(gè)模型層間位移角峰值Table 1 Peak drift ratio for three models

5 結(jié)論

詳細(xì)研究了近場地震滑沖效應(yīng)的特性，取1999年Turkey地震中臺(tái)站SKR－EW有、無滑沖效應(yīng)地震記錄作為輸入，獲得單自由度體系彈性反應(yīng)譜和彈塑性反應(yīng)譜，證實(shí)了近場地震滑沖效應(yīng)對結(jié)構(gòu)抗震性能具有一定程度的影響.之后，詳細(xì)分析了具有不同大小線性特征周期的單自由度體系從線性發(fā)展到非線性的整個(gè)過程中近斷層地震滑沖效應(yīng)作用.最后以某典型高層鋼筋混凝土建筑結(jié)構(gòu)為例建立了具有底部薄弱層模型、整體剛度軟化模型，進(jìn)一步研究近斷層地震滑沖效應(yīng)對具有不同屈服強(qiáng)度、不同周期的高層建筑結(jié)構(gòu)的影響.結(jié)論如下：

（1）對于較長周期結(jié)構(gòu)，滑沖效應(yīng)始終放大結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)，尤其是當(dāng)結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度較小并出現(xiàn)較大的非線性變形時(shí)，滑沖效應(yīng)更為顯著.

（2）對于較短周期結(jié)構(gòu)：①當(dāng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度足夠大并在地震作用下處于線性階段，滑沖效應(yīng)幾乎不會(huì)影響結(jié)構(gòu)變形響應(yīng)；②隨著結(jié)構(gòu)屈服強(qiáng)度的降低并在地震作用下進(jìn)入明顯的非線性狀態(tài)，滑沖效應(yīng)對其影響便可顯現(xiàn).對于具有底部薄弱層的高層建筑結(jié)構(gòu)，滑沖效應(yīng)影響尤為突出.

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