近断层双脉冲型地震动潜在破坏作用谱分析

近断层双脉冲型地震动潜在破坏作用谱分析

在过去的十年中，国内外发生了巨大的城市直下性地震，如1995年日本的7.2级地震、1999年台湾的7.6级地震和2003年伊朗的6.3级地震，这造成了巨大的城市基础设施破坏、人员破坏和财产损失。这些地震比一般地震更复杂，对施工结构更敏感。近梁地震（又称近场或近源）是指震源距离较低，地震源辐射的近场和中心区域的地震波不应忽视区域内的地震波。因此，在以往的国家抗震试验中，没有考虑近梁地震的破坏特征，因此，详细分析近梁地震的破坏特征已成为各国的研究热点。在现有的研究中，由于近梁脉冲地震波没有充分考虑，因此无法充分反映近梁地震的破坏特征。因此，在本文中，我们将研究远场脉冲地震，为中国的抗震性标准的制定提供基础。1a,b,c,d,d本文选用的地震记录均来自美国太平洋地震工程研究中心强震数据库.在搜集地震记录时,遵循如下原则:(1)近断层区域到发震断层破裂面的最短距离dr≤30km,远场区域的最短距离dr≥60km;(2)峰值加速度均不小于0.05g,其中g为重力加速度;(3)根据美国地质勘探局分类法,将场地分为A,B,C和D,共4类.作者共搜集地震记录192条,包括ImperialValley,Northridge,Kobe,Chi-Chi等十余次地震记录,震级变化范围为5.3～7.6级.地震记录分布如下:近断层双脉冲型(NRWTP,near-faultrecordwithtwopulses),A+B类场地12条,C+D类场地21条;近断层多脉冲型(NRWMP,near-faultrecordwithmorepulses),A+B类场地9条,C+D类场地28条;近断层非脉冲型(NRWNP,near-faultrecordwithnopulses),A+B类场地16条,C+D类场地28条;远场脉冲型(FRWP,far-fieldrecordwithpulses),A+B类场地14条,C+D类场地18条;远场非脉冲型(FRWNP,far-fieldrecordwithnopulses),A+B类场地22条,C+D类场地24条.各类记录如图1所示.2断裂带的破坏2.1不同类型地震动的潜在破坏作用采用上述地震记录,计算了各类地震动的弹性和非弹性反应谱及相应的动力系数谱,本文中未给出非弹性反应谱和相应的动力系数谱.图2为A+B类场地的加速度、速度和位移弹性反应谱(计算)及相应的动力系数谱(标准),其中Sa(cm/s2),Sv(cm/s)和Sd(cm)分别为加速度、速度和位移反应谱;T(s)为自振周期.从反应谱(图2(a),(b),(c))可以看出:NRWTP地震动引起的谱值,在周期0～6.0s内,加速度、速度和位移反应谱均明显高于其它类型地震动,其中,最大约相差7倍,最小约相差1倍.说明在A+B类场地上,NRWTP地震动对结构的潜在破坏作用最大,当考虑这种类型地震动的潜在破坏作用后,可不再考虑其它类型的地震动.NRWMP和NRWNP地震动,仅在周期较短时(约小于0.5s),加速度和速度反应谱高于远场,超出这个范围,与远场相近;NRWMP与FRWP,NRWNP与FRWNP地震动的位移反应谱,在所有周期均比较接近,说明A+B类场地,NRWMP和NRWNP地震动仅在短周期对结构的潜在破坏作用比远场大,在中长周期则无明显差别.图2(d),(e),(f)可以看出:无论是哪种类型的近断层地震动与远场地震动相比,动力系数谱均较相近,在某些情况下,甚至较低,说明A+B类场地,近断层地震动潜在破坏作用较大的原因是地震动的加速度、速度和位移峰值高.图3为C+D类场地加速度、速度和位移弹性反应谱及相应的动力系数谱.从图中可以看出,与A+B类场地相比,主要有两点不同:(1)加速度、速度和位移反应谱,NRWMP地震动在周期0～6.0s内,均比NRWNP和FRWP地震动引起了更高的反应谱谱值,甚至接近NRWTP地震动谱值,说明C+D类场地,NRWMP地震动对结构也具有较大的潜在破坏作用;(2)加速度、速度和位移动力系数谱,在长周期(加速度动力系数谱周期约大于2.0s,速度动力系数谱周期约大于2.5s),NRWTP和NRWMP地震动引起的谱值均高于远场,说明C+D类场地,结构反应对近断层地面峰值加速度和峰值速度的放大程度高于远场,这也是引起近断层地震动潜在破坏作用大于远场的原因.2.2结构非弹性响应与弹性反应谱相比,非弹性加速度、速度和位移反应谱谱值明显降低,但反应谱和动力系数谱的变化规律与弹性反应谱相似.因此,本文仅分析非弹性反应谱谱值降低的情况,计算了非弹性(延性系数μ=i,i=2,3,4,5)与弹性(μ=1)加速度反应比值谱(Sa(μ=i)/Sa(μ=1)),即屈服强度系数谱,结果如图4所示,由于篇幅所限未列出μ=3的结果.从图中可以看出,不同类型的地震动,在延性系数相同时,比值谱接近c(c为比值谱的平均值),说明结构进入非弹性工作阶段后,在近断层与远场地震动作用下,结构非弹性反应降低的程度总体差别不大.当μ=2,3,4,5时,c分别为0.56,0.41,0.34和0.30.从c的变化可以看出,在延性系数达到4以后,随延性系数的增加,结构加速度反应值降低程度不明显.2.3我国规范对地震动的影响特征周期是抗震规范给出的地震影响系数曲线中的重要参数之一,是反映地震震级、震中距和场地类别等因素的下降段起始点的周期值.采用拟合法,本文中计算了上述地震动的特征周期,如表1所示.表2中列出了我国规范规定的不同设计地震分组和场地类别对应的特征周期.比较表1和表2可以看出:近断层与相应远场地震动对应特征周期相比,A+B类场地(接近于Ⅰ类)偏低,C+D类场地(部分接近Ⅱ类场地,全部属Ⅲ类和Ⅳ场地),NRWTP地震动引起的特征周期略高,均高于我国规范相应场地第1组所对应特征周期值.因此,当考虑近断层地震动影响时,我国规范第1组各类场地的特征周期应适当增加.3加速度反应结果分析(1)在各类地震动中,近断层双脉冲型地震动的潜在破坏作用最大,因此,在考虑近断层地震动时,如果考虑了双脉冲型地震动,可不再考虑其它类型地震动;(2)引起A+B类场地反应谱谱值较高的原因主要是地震动的高峰值,引起C+D类场地反应谱谱值较高的原因不仅是高峰值,