王 瑤， 譚 平*， 李祥秀， 楊 奎

(1.廣州大學 工程抗震研究中心， 廣東 廣州 510405； 2.中國地震局地球物理研究所， 北京 100081)

從二十世紀五十年代起，近場地震由于其對結構產生的強大破壞力而引起地震工程界的關注.近年來，近斷層速度脈沖型地震動在其產生機理上取得了重要的研究成果.一些學者們分別從能量疊加[1]、脈沖與相位差[2]、震源[3]等角度探討了速度脈沖的產生機理，這些研究表明：地震斷層的破裂速度與橫波的傳播速度相同或接近時，會引起波形疊加從而產生速度脈沖效應.劉啟方等[4]提出將速度脈沖型地震動分為由破裂傳播的多普勒效應引起的地震動向前方向性速度脈沖和由斷層的滑沖效應引起的地震動滑沖效應速度脈沖兩類.向前方向性效應速度脈沖主要發(fā)生于垂直于斷層面的方向，而滑沖效應速度脈沖發(fā)生在斷層的滑動方向[5]；滑沖效應一般使地震動速度時程中出現(xiàn)單向脈沖，而向前方向效應一般表現(xiàn)為雙向或者多向速度脈沖[6].因此，這兩種產生機制的速度脈沖效應也可能會對不同形式的結構產生不同的破壞效果.

巨-子結構控制體系，即在巨型框架結構的基礎上將子結構頂部與主結構底部的連接斷開，放松主結構和子結構的側向連接，使主、子結構之間產生相對運動從而形成的一種新型結構體系[7]，其整體性好、抗側能力強，適用于高層或超高層建筑，是未來發(fā)展的一個重要方向.近年來，隨著近斷層地震動記錄的增加以及高層或超高層建筑需求的增多，一些學者開始將目光投向了近斷層地震動對巨-子結構體系的動力性能影響.顏學淵等[8]通過振動臺試驗對比分析了巨-子結構抗震體系和隔震體系在近場和遠場地震動作用下的地震反應，結果表明主結構和子結構在近場地震作用下的位移反應均大于相同場地的遠場地震作用；李祥秀等[9]以抗震、隔震及智能隔震這三種不同控制策略的巨-子結構體系為對象，采用數(shù)值分析分別計算了這三種體系在近斷層速度脈沖地震動作用下的地震響應，結果表明速度脈沖效應對三種結構體系在地震下的響應均有不利的影響，其中采用SMA-壓電阻尼器的智能隔震體系最為敏感.以上研究成果均表明近斷層地震動會對巨-子結構體系產生更加不利的影響.然而，兩種不同產生機制的近斷層速度脈沖型地震動對巨-子結構體系的位移反應有何影響差異、差異有多大以及會對結構產生何種破壞效果還未進行過全面詳細的量化分析.

本文以巨-子結構抗震體系和隔震體系為研究對象，在基于加速度反應譜一致的情況下，選取具有向前方向性和滑沖效應兩種不同速度脈沖特性的實際地震動和人工合成不含速度脈沖的地震動作為輸入，采用大型有限元軟件SAP2000開展結構地震反應計算，定量地分析近斷層速度脈沖地震動作用下巨-子結構體系的地震響應，探究兩組不同產生機制的速度脈沖地震動對巨-子結構體系的影響差異.

1 巨-子結構分析模型和運動方程

1.1 分析模型

巨-子抗震結構的各層主結構和子結構之間為固接，巨-子隔震結構的各層主結構和子結構底部通過設置隔震裝置連接.其簡化模型如圖1所示.

圖1 分析模型Fig.1 Analysis model

1.2 運動方程

根據D’Alembert原理，建立巨-子隔震結構體系的運動方程如下：

(1)對于子結構：

(1)

(2)對于主結構:

(2)

聯(lián)立方程(1)與方程(2)，可得結構的整體運動方程：

(3)

其中,{z}=[{x}T{y}T]T、{x}、{y}分別為子結構與主結構與地面的相對位移，巨-子結構體系的整體質量矩陣、剛度矩陣、阻尼矩陣如下方式組裝：

(4)

其中，

[mi]=diag[m1,m2,…,mi]

(5)

[ki]=diag[k1,k2,…,ki]

(6)

[ci]=diag[c1,c2,…,ci]

(7)

ki與ci為隔震裝置的剛度與阻尼.

巨-子隔震結構的運動方程即可用上述方法求得，而巨-子抗震結構則按子結構單元與主結構相固結求得.

2 地震動的選取

目前，近斷層地震動速度脈沖還沒有一個嚴謹?shù)亩x，因此對這種脈沖型地震動的識別也還沒有一個統(tǒng)一的標準[10].一般來說，速度脈沖型地震動具有急劇突起的波形、特征周期延長、中長周期分量豐富，且地面速度峰值與地面加速度峰值的比值(PGV/PGA)較大.本文參考韋韜[11]提出的判別標準來選取輸入的速度脈沖地震動：①速度脈沖持續(xù)時間在0.5 s以上；②速度時程中最大峰值是第二大峰值的二倍以上，若有兩個峰值比較接近，則峰值較小者是其余最大峰值的兩倍以上.此外，近斷層速度脈沖地震波根據其產生機理可以分為向前方向性效應和滑沖效應兩類，這兩種效應會導致近斷層地震動產生兩種不同的長周期速度脈沖，使結構在地震初始就被輸入很高的能量，從而引起強烈的結構破壞.向前方向性效應在時程上主要表現(xiàn)為大幅值、脈沖波形明顯、持時短，多呈現(xiàn)為一個雙向速度脈沖；滑沖效應主要表現(xiàn)在與斷層滑動方向平行的分量上，多呈現(xiàn)為一個單向脈沖.

按照上述判別標準并結合巨-子結構體系的基本特性，選取了不同產生機理的天然速度脈沖型地震動，包括向前方向性效應和滑沖效應各兩條對上文的兩種結構體系進行結構動力分析.由于地震動反應譜特性的差異會引起結構地震響應的差異，因此在對比有無速度脈沖地震動對結構響應造成的影響差異時，應該盡可能排除反應譜差異對其的影響，使兩組地震動的加速度反應譜差異控制在某個值以內.賀秋梅等[12]提出了一種以地震動加速度反應譜和峰值加速度為目標，同時控制峰值速度和位移的人工合成地震動的方法.這種方法合成的地震動與實際地震動具有相同的加速度峰值、彈性反應譜和持時，但是不再具備速度脈沖特性.本文采用該方法分別對每一條實際地震動進行擬合，表1為所選地震動記錄的相關參數(shù)以及對應的人工合成地震動的代號，圖2和圖3為天然速度脈沖地震動和人工合成地震動加速度和速度時程的部分樣本.在進行動力時程分析時，將峰值加速度調整至7度(0.15 g)罕遇地震所對應的值.

表1 近斷層速度脈沖型地震動記錄參數(shù)Table 1 Recording parameters of near-fault velocity pulsed ground motion

圖2 速度脈沖地震動記錄的加速度和速度時程Fig.2 Acceleration and velocity time history of velocity pulsed ground motion

圖3 部分人工合成地震動記錄的加速度和速度時程Fig.3 Part of acceleration and velocity time history of artificial ground motion

3 脈沖影響系數(shù)

為了衡量兩種不同產生機制的速度脈沖地震動對巨-子結構體系位移反應的影響結果，引入方向性脈沖影響系數(shù)α和滑沖脈沖影響系數(shù)β，分別定義為

(8)

4 算例分析

采用有限元分析軟件SAP2000建立鋼框架巨-子抗震結構和隔震結構.其主結構為三層，每層主結構上設置七層子結構，結構所用鋼材均為Q235，采用彈性的本構關系.兩個模型的三維圖相同，如圖4所示.

圖4 有限元分析模型三維圖Fig.4 3D diagram of finite element analysis model

圖4中，抗震結構中子結構與主結構底部固結，隔震結構中子結構與主結構采用Rubber Isolator和Damper連接單元連接，阻尼取值為1.417，阻尼指數(shù)為0.275.

對結構進行模態(tài)分析，得到巨-子抗震結構和隔震結構前3階模態(tài)的自振周期如表2所示.可以看到子結構加入隔震裝置隔震后較抗震結構的自振周期有所延長.

表2 模型周期Table 2 Period of the model

4.1 主結構層間位移響應

圖5給出了X向巨-子抗震結構和巨-子隔震結構在向前方向性效應和滑沖效應速度脈沖地震動下主結構各層最大位移和脈沖影響系數(shù).由于結構對稱，扭轉作用影響較小，且隔震裝置各向同性，結構力學性能雙向對稱，Y向的計算結果與X向結果相似，因此不再一一展示.

由圖5可知，巨-子抗震結構在兩組向前方向性效應速度脈沖地震動下的脈沖影響系數(shù)均值為1.04，在兩組滑沖效應速度脈沖地震動下的脈沖影響系數(shù)均值為1.01.巨-子隔震結構在兩組向前方向性速度脈沖地震動下的脈沖影響系數(shù)均值為1.43，在兩組滑沖速度脈沖地震動下的脈沖影響系數(shù)均值為1.47.因此，兩類速度脈沖地震動對巨-子抗震結構主結構各層位移影響較小，方向性脈沖影響系數(shù)略大于滑沖脈沖影響系數(shù)，略大3%；而巨-子隔震結構的主結構各層位移在兩類速度脈沖天然地震動作用下相比于無速度脈沖人工地震動作用下分別增大了1.43倍和1.47倍，滑沖效應速度脈沖影響系數(shù)略大于向前方向性效應速度脈沖影響系數(shù)，略增大3%.

圖5 速度脈沖地震動作用下的主結構各層位移和脈沖影響系數(shù)Fig.5 Displacement and pulse influence coefficient of each layer of the megastructure under the action of velocity pulse ground motion

4.2 子結構層間位移響應

圖6給出了X向巨-子抗震結構和巨-子隔震結構在向前方向性效應和滑沖效應速度脈沖地震動下子結構各層最大位移和脈沖影響系數(shù).由圖6可知巨-子抗震結構的方向性脈沖影響系數(shù)均值為1.07，滑沖脈沖影響系數(shù)均值為1.02；巨-子隔震結構方向性脈沖影響系數(shù)均值和滑沖脈沖影響系數(shù)均值都為1.44.因此，兩類速度脈沖地震動對巨-子抗震結構子結構各層位移影響較小，方向性脈沖影響系數(shù)略大于滑沖脈沖影響系數(shù)，略增大5%；而巨-子隔震結構的主結構各層位移在兩類速度脈沖天然地震動作用下相比于無速度脈沖人工地震動作用下均增大了1.44倍，方向性脈沖影響系數(shù)均值與滑沖脈沖影響系數(shù)相等，即兩類速度脈沖地震動對子結構位移的影響相當.

圖6 速度脈沖地震動作用下的子結構各層位移和脈沖影響系數(shù)Fig.6 Displacement and pulse influence coefficient of each layer of the substructure under the action of velocity pulse ground motion

4.3 隔震層位移響應

表3給出了X向巨-子隔震結構在向前方向性效應和滑沖效應速度脈沖地震動下隔震層最大位移和脈沖影響系數(shù).由此可知，方向性脈沖影響系數(shù)均值為1.44，滑沖脈沖影響系數(shù)為1.41，因此向前方向性效應比滑沖效應對隔震層位移的影響更大，增大2.1%.

表3 巨-子隔震結構隔震層最大位移和脈沖影響系數(shù)Table 3 Maximum displacement and pulse influence coefficient of the isolation layer of the mega-sub isolation structure

4.4 歸一化脈沖影響系數(shù)

為了更直觀地展現(xiàn)兩類速度脈沖地震動對巨-子結構體系各層變形的影響程度，對結構各層的位移脈沖影響系數(shù)進行歸一化，并繪制曲線如圖7～圖11所示.其中歸一化系數(shù)=各層位移脈沖影響系數(shù)/最小位移脈沖影響系數(shù).

巨-子抗震結構主結構和子結構各層的歸一化脈沖影響系數(shù)分別如圖7和圖8所示.由圖可知，向前方向性效應和滑沖效應均對主結構的底部變形影響最大，對主結構的頂部變形影響最??；且均對中部子結構影響最大，對底部子結構影響最小.

圖7 巨-子抗震結構主結構各層脈沖影響系數(shù)Fig.7 Pulse influence coefficient of each layer of the megastructure of mega-sub seismic structure

圖8 巨-子抗震結構子結構各層脈沖影響系數(shù)Fig.8 Pulse influence coefficient of each layer of the substructure of mega-sub seismic structure

巨-子隔震結構主結構和子結構各層的歸一化脈沖影響系數(shù)分別如圖9和圖10所示.由圖可知，向前方向性效應和滑沖效應均對主結構中間層的變形影響最大，對主結構頂部變形影響最??；且均對頂部子結構變形影響最大.圖11為巨-子隔震結構隔震層歸一化脈沖影響系數(shù).由圖可知，向前方向性效應速度脈沖對結構底部隔震層位移影響最大，滑沖效應速度脈沖對結構底部和頂部隔震層位移影響都很大.

圖9 巨-子隔震結構主結構各層脈沖影響系數(shù)Fig.9 Pulse influence coefficient of each layer of the megastructure of mega-sub isolation structure

圖10 巨-子隔震結構子結構各層脈沖影響系數(shù)Fig.10 Pulse influence coefficient of each layer of the substructure of mega-sub isolation structure

圖11 巨-子隔震結構隔震層位移脈沖影響系數(shù)Fig.11 Pulse influence coefficient of the isolation layer of the mega-sub isolation structure

5 結 論

本文以巨-子結構抗震體系和隔震體系為研究對象，定量地分析了兩組不同產生機制的速度脈沖地震動對巨-子結構體系的影響差異.在本文所選用的地震動記錄作用下，得到以下結論：

(1)向前方向性效應速度脈沖地震動使巨-子抗震結構的主結構位移反應和子結構位移反應分別增大了1.04倍、1.07倍；滑沖效應速度脈沖地震動使巨-子抗震結構的主結構位移反應和子結構位移反應分別增大了1.01倍、1.02倍.向前方向性效應速度脈沖地震動使巨-子隔震結構的主結構位移反應、子結構位移反應和隔震層位移反應分別增大了1.43倍、1.44倍和1.44倍；滑沖效應速度脈沖地震動使巨-子隔震結構的主結構位移反應、子結構位移反應和隔震層位移反應分別增大了1.47倍、1.44倍和1.41倍.因此，相比于巨-子抗震結構，在近斷層區(qū)域內的巨-子隔震結構更應該考慮速度脈沖對結構的影響，防止結構出現(xiàn)大變形而影響其正常使用.

(2)向前方向性效應速度脈沖對巨-子抗震結構在主結構和子結構位移反應的影響上均大于滑沖效應速度脈沖，分別增大3%和5%；而對于巨-子隔震結構，向前方向性效應對隔震層位移的影響更大，增大2.1%，滑沖效應對主結構位移的影響更大，增大3%.可見，不同產生機制的速度脈沖對巨-子結構體系不同部位的位移反應影響存在差異，應分別考慮設計重點.

(3)在巨-子抗震結構中，兩類速度脈沖地震動均對主結構底部變形的影響大于上部結構，對子結構中上部的影響大于底部；而在巨-子隔震結構中，兩類速度脈沖地震動均對主結構中間層和子結構頂層的影響最大，向前方向性效應速度脈沖更容易影響巨-子隔震結構底部隔震層位移，滑沖效應速度脈沖對結構頂部隔震層位移影響最大.