林國(guó)良 傅磊 崔建文 趙昆 楊黎薇 王幫治

摘要：對(duì)建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中的意義進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述，介紹了大理經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)管理委員會(huì)框架剪力墻大樓內(nèi)的地震觀測(cè)臺(tái)陣測(cè)點(diǎn)布設(shè)，概述了該臺(tái)陣在2021年云南漾濞MS6.4地震中獲取的強(qiáng)震記錄情況，并從峰值加速度和頻譜等方面對(duì)主震及5.0級(jí)以上地震的觀測(cè)記錄進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：水平和豎向峰值加速度隨著樓層的增加均存在放大現(xiàn)象，震級(jí)越大，樓層的水平振動(dòng)放大效果越明顯;該結(jié)構(gòu)的第一振型和第二振型的自振頻率分別為0.48 Hz和1.86 Hz。

關(guān)鍵詞：漾濞地震;結(jié)構(gòu)反應(yīng)臺(tái)陣;反應(yīng)譜;地震震害

中圖分類(lèi)號(hào)：P315.914?? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?? 文章編號(hào)：1000-0666（2021）03-0446-06

0 引言

強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)是利用儀器記錄地震發(fā)生時(shí)產(chǎn)生的強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)和工程結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)情況，是認(rèn)識(shí)強(qiáng)地震動(dòng)特性（強(qiáng)度、頻譜和持時(shí)等）和工程結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)特性的主要手段（謝禮立，于雙久，1982）。我國(guó)自1962年在廣東新豐江大壩上布設(shè)第一個(gè)強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)結(jié)構(gòu)臺(tái)陣以來(lái)，強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)事業(yè)飛速發(fā)展，自由場(chǎng)地強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站密度也越來(lái)越高。

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，在地震活動(dòng)性較高的地區(qū)，高層、超高層建筑也如雨后春筍般涌現(xiàn)。雖然這些建筑都經(jīng)過(guò)了嚴(yán)格的抗震設(shè)計(jì)，但因我國(guó)出現(xiàn)高層、超高層建筑的時(shí)間不長(zhǎng)，都未經(jīng)歷過(guò)強(qiáng)烈地震的沖擊，其抗震性能并未得到檢驗(yàn)，大震或遠(yuǎn)震作用下的地震反應(yīng)觀測(cè)數(shù)據(jù)相當(dāng)匱乏。另一方面，僅僅依靠理論分析和結(jié)構(gòu)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)很難圓滿完成對(duì)于工程結(jié)構(gòu)合理的抗震設(shè)計(jì)，特別是一些新型、大型或復(fù)雜結(jié)構(gòu)在建立理論分析計(jì)算模型時(shí)都做了一些假設(shè)，這些假設(shè)和計(jì)算模型是否合理也需要實(shí)際結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)來(lái)進(jìn)行驗(yàn)證和改進(jìn)（周雍年，2011）。故需在地震多發(fā)區(qū)高層、超高層建筑上布設(shè)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣，獲取地震時(shí)真實(shí)的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)數(shù)據(jù)，這就相當(dāng)于對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一次原型結(jié)構(gòu)振動(dòng)試驗(yàn)，記錄數(shù)據(jù)中包含著大量結(jié)構(gòu)特性和結(jié)構(gòu)抗震性能方面的信息（Mehmet et al，1987;李鴻晶等，2003）。近些年，廣州虎門(mén)大橋出現(xiàn)抖動(dòng)和深圳華強(qiáng)北賽格大廈出現(xiàn)晃動(dòng)等事件讓結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣建設(shè)顯得尤為必要。

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)高層和超高層建筑物的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣尚不多，僅在北京、上海等地布設(shè)了一些強(qiáng)震動(dòng)觀測(cè)臺(tái)陣（周寶峰等，2017;趙鵬等，2018），由于這些地區(qū)地處地震低發(fā)區(qū)，至今未獲取較為豐富有效的地震反應(yīng)觀測(cè)數(shù)據(jù)。云南省現(xiàn)有昆明同德廣場(chǎng)悅中心（Todoravska et al，2020）和大理經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)管理委員會(huì)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“大理經(jīng)開(kāi)區(qū)管委會(huì)”）大樓地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣。2021年5月21日，云南省大理州漾濞縣發(fā)生MS6.4地震，震中位于（25.67°N，99.87°E），震源深度8 km。對(duì)此次地震的前震、主震和余震，距震中約41 km的大理經(jīng)開(kāi)區(qū)管委會(huì)大樓地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣獲取了大量的建筑地震反應(yīng)觀測(cè)數(shù)據(jù)，本文對(duì)該結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣獲取的強(qiáng)震動(dòng)記錄進(jìn)行分析。

1 建筑結(jié)構(gòu)特征

大理市結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“結(jié)構(gòu)臺(tái)陣”）位于大理經(jīng)開(kāi)區(qū)管委會(huì)大樓內(nèi)，地理坐標(biāo)為（25.618°N，100.279°E）。該地區(qū)位于紅河斷裂帶上，其西側(cè)為蒼山山前斷裂，東側(cè)為洱源—彌渡斷裂，40 km范圍內(nèi)曾發(fā)生多次破壞性地震（圖1）。1925年大理7級(jí)地震就發(fā)生在洱源—彌渡斷裂北段的鳳儀—定西嶺斷裂上，震中距離結(jié)構(gòu)臺(tái)陣不到5 km。

大理經(jīng)開(kāi)區(qū)管委會(huì)大樓是由A座和B座二幢連廊的雙子樓組成，結(jié)構(gòu)臺(tái)陣位于B座（圖2）。大樓建筑形式為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地下1層、地上26層，建筑高度99 m，標(biāo)準(zhǔn)層平面布局為近似矩形（圖3），平面尺寸為長(zhǎng)61.6 m、寬18.6 m。

2 結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣布設(shè)

在布設(shè)結(jié)構(gòu)臺(tái)陣時(shí)主要根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，并在經(jīng)濟(jì)合理的條件下，盡量將測(cè)點(diǎn)布設(shè)在能夠反應(yīng)主體結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的位置上（王飛等，2006）。我們選擇在-1、3、6、9、12、15、18、21、24及26層共10個(gè)平面20個(gè)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。每層在東側(cè)的弱電井和西側(cè)的強(qiáng)電井各布設(shè)1個(gè)測(cè)點(diǎn)（圖3）。除26、15和-1層采用三分量的一體化強(qiáng)震儀外（6個(gè)三分量加速度測(cè)點(diǎn)），其它測(cè)點(diǎn)僅有2個(gè)相互正交的水平分量（14個(gè)水平分量加速度測(cè)點(diǎn)），共計(jì)46通道（圖4），傳感器X軸與建筑的長(zhǎng)軸方向平行、Y軸與建筑的短軸方向（北偏東22°）平行。

為進(jìn)行建筑結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析提供地震動(dòng)輸入，需在建筑物附近布設(shè)自由場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)。為防止土-結(jié)構(gòu)相互作用，自由場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)與建筑物的距離通常應(yīng)為結(jié)構(gòu)高度的1.5～2倍（周正華等，2004;王衛(wèi)爭(zhēng)，2007）。受經(jīng)費(fèi)限制，該結(jié)構(gòu)臺(tái)陣未布設(shè)自由場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)，但在臺(tái)陣周邊1.3 km范圍內(nèi)有大理州政府強(qiáng)震臺(tái)可作為參考。

3 觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

2021年5月21日21時(shí)48分，大理州漾濞縣發(fā)生MS6.4地震。漾濞地震序列包含多次前震和余震，其中5.0～5.9級(jí)地震3次，4.0～4.9級(jí)地震13次，3.0～3.9級(jí)地震33次。受震級(jí)、震源深度和地震破裂方向的影響，33次3.0～3.9級(jí)地震中僅獲取其中22次地震的強(qiáng)震動(dòng)記錄，4.0～4.9級(jí)和5.0～5.9級(jí)地震均計(jì)強(qiáng)震動(dòng)記錄，共計(jì)605組、1 374條加速度記錄（表1）。

3.1 峰值加速度

表2為漾濞地震序列中4次5級(jí)以上地震時(shí)各樓層記錄的峰值加速度，其中最大峰值加速度為MS6.4主震時(shí)在26層獲取的，其值為長(zhǎng)軸向82.74 cm/s2、短軸向-91.41 cm/s2、豎向-36.4 cm/s2。MS6.4主震時(shí)地下一層長(zhǎng)軸向和短軸向峰值加速度分別為-34.1 cm/s2和32.46 cm/s2，與距臺(tái)陣1.3 km的大理州政府強(qiáng)震動(dòng)臺(tái)站的峰值加速度（東西向-39.3 cm/s2、南北向25.7 cm/s2）較為相近。

圖5為MS6.4主震時(shí)各樓層記錄的長(zhǎng)軸向和短軸向的加速度時(shí)程曲線。從圖中可看出波形記錄質(zhì)量較好，不同樓層的波形形狀高度一致。圖6為4次5.0級(jí)以上地震時(shí)各樓層強(qiáng)震動(dòng)記錄峰值加速度。從圖中可見(jiàn)，伴隨樓層的增加，無(wú)論長(zhǎng)軸向還是短軸向，總體呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)振動(dòng)變大的趨勢(shì)。但也存在伴隨樓層的增加振動(dòng)減弱的現(xiàn)象，如MS6.4和MS5.2地震時(shí)12～18層、MS5.6地震時(shí)6～18層，這些現(xiàn)象與地震時(shí)的結(jié)構(gòu)振型密切相關(guān)。

漾濞MS6.4主震時(shí)，大樓結(jié)構(gòu)的中間層12層的峰值加速度約為地下一層的2倍，26層的峰值加速度約為地下一層的3倍;MS5.6和MS5.2地震時(shí)，頂層的峰值加速度約為地下一層的1.5～2倍;MS5.0地震時(shí)，各樓層的峰值加速度較為接近，放大效果不明顯。整個(gè)臺(tái)陣僅在地下一層、15層和26層有豎向通道，總體幅值約為水平向的一半，但也存在伴隨樓層的增加峰值加速度變大的現(xiàn)象（表2）。

3.2 頻譜特性

經(jīng)傅立葉變換后，得到MS6.4主震時(shí)的各樓層長(zhǎng)、短軸向傅立葉幅值譜（圖7）。從圖7中可以看出，長(zhǎng)軸向傅立葉幅值譜在0.54 Hz、1.86 Hz處出現(xiàn)明顯峰值;短軸向傅立葉幅值譜在0.48 Hz處出現(xiàn)峰值，在更高頻未見(jiàn)明顯峰值。長(zhǎng)、短軸向有傅立葉幅值譜分別在0.54 Hz和0.48 Hz處出現(xiàn)峰值，這是由受長(zhǎng)、短軸的不同剛度影響所致。

由于結(jié)構(gòu)第一振型所需能量低，頻率較低，但振動(dòng)幅度大，故0.48 Hz對(duì)應(yīng)該結(jié)構(gòu)的第一振型頻率，1.86 Hz對(duì)應(yīng)結(jié)構(gòu)第二振型頻率。

3.3 震害情況

震后現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，大理經(jīng)開(kāi)區(qū)管委會(huì)大樓從頂層往下，多數(shù)樓層的填充墻中出現(xiàn)細(xì)微裂縫。尤其是5層以下，在填充墻與梁柱接觸部位出現(xiàn)水平和豎向貫通裂縫。圖8a為2～3層樓梯間墻面出現(xiàn)水平和豎向的裂縫，圖8b為3層靠近連廊處的地面瓷磚開(kāi)裂。此外，大樓還出現(xiàn)多處低樓層走廊墻面瓷磚掉落的震害現(xiàn)象。振動(dòng)幅值更大的高樓層反而未見(jiàn)明顯的破壞，主要是因?yàn)楦邔咏ㄖ艿降卣鹱饔脮r(shí)最大剪力和彎矩都發(fā)生在底層，故產(chǎn)生的破壞更為嚴(yán)重。另外由于大樓振動(dòng)時(shí)可能有多個(gè)振型，不同的振型導(dǎo)致產(chǎn)生破壞的位置不同，這就解釋了為什么某些樓層未見(jiàn)裂縫。

4 結(jié)論

在2021年云南大理漾濞MS6.4地震序列中，大理經(jīng)開(kāi)區(qū)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)觀測(cè)臺(tái)陣獲取到多次該地震序列的前震、主震和余震的加速度時(shí)程。通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析處理，得到以下結(jié)論：

（1）隨著樓層的增加，水平和豎向峰值加速度均存在放大現(xiàn)象，震級(jí)越大、樓層的振動(dòng)水平放大效應(yīng)越明顯。MS6.4主震時(shí)樓頂?shù)姆逯导铀俣燃s為地下一層的3倍。但因受結(jié)構(gòu)振型的影響，隨著樓層的增加，振動(dòng)水平減弱。

（2）該結(jié)構(gòu)的第一振型和第二振型的自振頻率分別為0.48 Hz和1.86 Hz。

（3）現(xiàn)場(chǎng)震害調(diào)查顯示低樓層的破壞較高樓層更為嚴(yán)重，這與地震時(shí)結(jié)構(gòu)的最大剪力和彎矩都發(fā)生在底層的理論相吻合。

（4）該臺(tái)陣缺少自由場(chǎng)地觀測(cè)點(diǎn)，將1.3 km外的強(qiáng)震臺(tái)或地下一層測(cè)點(diǎn)的觀測(cè)記錄作為結(jié)構(gòu)地震動(dòng)輸入，在今后的研究中，選擇建筑物外合適距離布設(shè)自由場(chǎng)地測(cè)點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)抗震分析十分必要。

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Study on the Response of the Structural Seismic Response Array in Dali Cityto the 2021 Yangbi，Yunnan MS6.4 Earthquake

LIN Guoliang1，2，F(xiàn)U Lei1，CUI Jianwen2，ZHAO Kun2，YANG Liwei2，WANG Bangzhi2

（1.Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China）

（2.Yunnan Earthquake Agency，Kunming 650224，Yunnan，China）

Abstract

In this paper，the significance of the structural seismic response array for the earthquake-resistant design of structure is briefly discussed，and the layout of the measuring points of the structural seismic response array in the building of the Management Committee of Dali Economic and Technological Development Zone is introduced.In addition，the strong-motion records obtained in the MS6.4 Yangbi earthquake event on May 21，2021 is summarized.The peak ground acceleration and the frequency spectrum of the strong motion records of the main shock and the MS≥5.0 after shocks are processed and analysed.The results show that the motions are amplified both in the horizontal and the vertical direction with the ascending of the buildings floor.And as the magnitude increases，the amplification of the motions is more obvious.Meanwhile the natural frequency of the first vibration mode and the second vibration mode is respectively 0.48 Hz and 1.86 Hz.

Keywords：the Yangbi Earthquake;the structural seismic response array;response spectrum;earthquake damage