近断层地震动特征参数对基础隔震结构地震响应的影响分析
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Influence of characteristics parameters of near-fault ground motions on the seismic responses of base-isolated structures
Han Miao Duan Yanling Sun Huan Sheng Wen
（ 1） 根据大多数学者公认的近断层地震定义，在 PEER 数据库中检索断层距不大于 20km 的地震记录；
（ 2） 为突出近断层地震异于远场的强度特征，在 PEER 数 据 库 中 检 索 矩 震 级 不 小 于 5． 5 级 的 地 震 记录；
（ 3） 为突出近断层地震动的强地面运动特性，在 PEER 数据库 中 检 索 峰 值 加 速 度 大 于 0． 1g 的 地 震 记录。
但是这些按照远场地震动设计的基础隔震结构 一旦遭遇近断层地震动，易导致隔震层变形超过设计 变形极限，造 成 隔 震 失 效、结 构 破 坏。 如 何 考 虑 近 断 层地震作用下基础隔震结构的设计也被越来越多的 学者所关注，但由于目前能够收集到的实际工程破坏 资料很少，所 以 这 方 面 的 研 究 成 果 较 少，还 需 要 进 行 更多探索。
第 46 卷第 6 期 2 0 1 3 年6月
土木工程学报
CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNAL
Vol． 46 Jun．
No． 6 2013
近断层地震动特征参数对基础隔震结构 地震响应的影响分析
韩 淼 段燕玲 孙 欢 绳 雯
（ 北京建筑工程学院，北京 100044）
摘要： 近断层地震动有着不同于远场地震动的特征。对两个具有典型代表意义的不同自振周期的钢框架基础隔震 结构分别输入 120 条近断层地震波，分析隔震结构的隔震支座位移、上部结构顶层最大位移、顶层最大加速度、层间 最大剪力等动力响应参数，与近断层地震动 8 个特征参数（ 断层距、地面峰值加速度、地面峰值速度、地面峰值位 移、峰值速度与峰值加速度的比值、地震动持时、输入能、脉冲周期与自振周期的比值的相关性，比选出相关性强的 能表征近断层地震动破坏作用的主要参数，为基础隔震结构设计选用近断层地震动提供依据。 关键词： 近断层； 地震动特征参数； 基础隔震； 地震响应； 相关性 中图分类号： TU352． 1 + 2 TU435 文献标识码： A 文章编号： 1000-131X（ 2013） 06-0008-06
· 10 ·
wk.baidu.com土木工程学报
2013 年
框架基础隔震结构进行时程分析，研究不同自振周期 的基础 隔 震 结 构 在 水 平 单 向 地 震 动 作 用 下 的 地 震 响应。
地震动的输入方向为 X 向，即沿建筑的 长 边 方 向。两个钢框架模型采用相同的结构平面布置： X 向 3 跨，每 跨 6m； Y 向 2 跨，每 跨 6m。底 层 层 高 均 为 4． 2m，其他层层高均为 3． 5m，每个柱底设置一个隔震
表 2 隔震支座参数 Table2 Parameters of the isolation bearing
产品型号
剪切模量 （ MPa）
有效直径 （ mm）
总高度 （ mm）
RB600-1
0． 6
600
152
RB600-2
0． 6
根据上述原则所选择的 19 次典型地震如表 1 所 示。因为加速度峰值的数值差别是近断层地震动与 远场地震动的不同特征之一，故不对地震动记录加速 度峰值调幅。
表 1 选用的近断层地震记录 Table1 Earthquake records utilized in this study
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
支座，每个框架采用 12 个隔震支座。以自振周期为控 制目标，两个钢框架采用不同的构件尺寸及隔震 支 座，三层钢框架的自振周期为 T1 = 1． 496s，六层钢框 架的自振周期为 T1 = 2． 214s。隔震支座的具体参数 如表 2 所示，通过模态分析得到两栋隔震结构的第一 阶振型图如图 1 所示，由图可看到，隔震上部结构第一 振型为平动。
基金项目： 北京市教育委员会科技计划重点项目、北京市自然科学基金 重点项目（ KZ201110016020）
作者简介： 韩淼，博士，教授 收稿日期： 2012-04-19
度作为地震动强弱衡量标准［1-2］。 显然，对于地震动这种复杂的随机振动过程采用
少数参数来描述是远远不够的，近年来国内外几次破 坏力空前的大地震（ 如日本 Kobe 地震、中国台湾 ChiChi 地震、中国四川汶川大地震） 都证实了这一点。由 此，采用更多的地震动参数（ 如地震动输入能量、频谱 周期、峰值速度等） 来衡量和估计地震动对结构的破 坏作用势在必行。至今为止各国学者对此都做出了 大量研究，但尚未得到统一的结论［3-8］。
（ Beijing University of Civil Engineering ＆ Architecture，Beijing 100044，China）
Abstract： The characteristics of near-fault ground motion differ from those of far-field ground motion． The correlation coefficient between the dynamic responses of base-isolated structures and the parameters of near-fault ground motions were studied． Dynamic responses of base-isolated structures may include the displacement of isolation bearing，the maximum displacement and the maximum acceleration at the top level of superstructure and the maximum inter-story shear，while the parameters of near-fault ground motions include fault distance，peak ground acceleration，peak ground velocity，peak ground displacement，the ratio of peak ground velocity and peak ground acceleration，seismic duration， input energy，the ratio of pulse period and natural period of vibration． 120 near-fault seismic waves and two base-isolated structures with their own natural periods were employed in this study． The main parameters which can effectively characterize the damaging effects of near-fault ground motion are compared and selected for the base-isolation design in near-fault area． Keywords： near-fault； seismic characteristic parameter； base-isolation； seismic response； correlation coefficient E-mail： yolanda456@ 126． com
地震事件 San Fernando Coyote Lake Imperial Valley Mammoth Lakes Morgan Hill Nahanni，Canand N． Palm Springs Chalfant Valley San Salvador Whittier Narrows
发生时间 1971 1979 1979 1980 1984 1985 1986 1986 1986 1987
结构地震响应的分析不仅取决于对地震动输入 特性的认 识，同 时 也 取 决 于 对 结 构 系 统 特 性 的 认 识。 基础隔震结构通过在建筑的基础与上部结构之间设 置隔震层，增大结构自振周期以避开地震动的特征周 期，从而减小地震作用。因其优良性能在经过理论与 实践的不断检验后，近些年在世界范围内发展势 头 迅猛。
条数 5 13 2 3 2 21 5 2 19
2 结构分析模型
由于主要研究近断层地震动特征参数与基础隔 震结构的地震响应参数之间的相关关系，对结构分析 模型采用两个基本假设： 上部结构反应在弹塑性范围 内； 楼板平面内刚度无限大，平面外刚度为零。
我国抗震规范（ GB 50011—2010） 规定： 对于多层 砌体结构及与砌体结构周期相当的结构采用隔震设 计时，隔震后体系的基本周期，不应大于 2． 0s 和 5 倍 特征周期的较大值。考虑到一部分隔震结构的自振 周期 小 于 2． 0s，本 文 采 用 有 限 元 结 构 分 析 软 件 SAP2000 分别对一栋自振周期小于 2． 0s 的三层钢框 架基础隔震结构和一栋自振周期大于 2． 0s 的六层钢
移、上部结构顶层最大位移、顶层最大加速度、层间最 大剪力等动力响应参数与近断层地震动特征参数之 间的相关关系。
1 近断层地震动记录选择
选择全球 19 次典型近断层地震的 120 条地震记 录，作为输入结构的地震荷载。120 条近断层地震动 记录选自美国太平洋地震工程研究中心（ PEER） 数据 库，选择原则如下：
Landers Northridge Kobe，Japan Kocaeli，Turkey Chi-Chi，Taiwan
发生时间 1987 1989 1992 1992 1992 1994 1995 1999 1999
震级 6． 54 6． 93 6． 93 7． 01 7． 28 6． 69 6． 90 7． 51 7． 62
基于以往学者的研究成果，本文选择近断层地震 动的 8 个特征参数（ 断层距、地面峰值加速度（ PGA） 、 地面峰值速度（ PGV） 、地面峰值位移（ PGD） 、峰值速 度与峰值加速度的比值（ PGV / PGA） 、地震动持时、输 入能、脉冲周期与自振周期的比值（ Tp / T1 ） ） ，选取 120 条近断层地震波，分析基础隔震结构的隔震支座 位
引言
长期以来，考 虑 工 程 设 计 的 实 用 性，包 括 我 国 在 内的多数国家抗震规范采用的主要方法依然是以弹 性理论为基础，通过由远场地震动统计得出的反 应 谱，考虑地震动幅值和频谱特性以及结构的部分动力 特性的反应谱理论。这一方法在我国抗震规范中的 反映即是通过烈度和场地类别的区分最终仅以加速
近断层地震动作为近年来倍受工程界关注的地 震类型，与远场地震动有着显著不同的特点。其表现 出的强地震动集中性、滑冲效应、上盘效应、方向性效 应以及长周期脉冲等特点［9-10］必然使得结构在近断层
第 46 卷 第 6 期
韩 淼等·近断层地震动特征参数对基础隔震结构地震响应的影响分析
·9·
地震作用下的地震响应与远场不同，这对于近断层地 震作用下的结构抗震设计输入地震动参数的筛选提 出了新的要求。
震级 6． 61 5． 74 6． 53 6． 06 6． 19 6． 76 6． 06 6． 19 5． 80 5． 99
条数 1 1 17 3 4 1 3 2 3 13
编号 11 12 13 14 15 16 17 18 19
地震事件 Superstition Hills
Loma Prieta Erzican ，Turkey Cape Mendocino
Han Miao Duan Yanling Sun Huan Sheng Wen
（ 1） 根据大多数学者公认的近断层地震定义，在 PEER 数据库中检索断层距不大于 20km 的地震记录；
（ 2） 为突出近断层地震异于远场的强度特征，在 PEER 数 据 库 中 检 索 矩 震 级 不 小 于 5． 5 级 的 地 震 记录；
（ 3） 为突出近断层地震动的强地面运动特性，在 PEER 数据库 中 检 索 峰 值 加 速 度 大 于 0． 1g 的 地 震 记录。
但是这些按照远场地震动设计的基础隔震结构 一旦遭遇近断层地震动，易导致隔震层变形超过设计 变形极限，造 成 隔 震 失 效、结 构 破 坏。 如 何 考 虑 近 断 层地震作用下基础隔震结构的设计也被越来越多的 学者所关注，但由于目前能够收集到的实际工程破坏 资料很少，所 以 这 方 面 的 研 究 成 果 较 少，还 需 要 进 行 更多探索。
第 46 卷第 6 期 2 0 1 3 年6月
土木工程学报
CHINA CIVIL ENGINEERING JOURNAL
Vol． 46 Jun．
No． 6 2013
近断层地震动特征参数对基础隔震结构 地震响应的影响分析
韩 淼 段燕玲 孙 欢 绳 雯
（ 北京建筑工程学院，北京 100044）
摘要： 近断层地震动有着不同于远场地震动的特征。对两个具有典型代表意义的不同自振周期的钢框架基础隔震 结构分别输入 120 条近断层地震波，分析隔震结构的隔震支座位移、上部结构顶层最大位移、顶层最大加速度、层间 最大剪力等动力响应参数，与近断层地震动 8 个特征参数（ 断层距、地面峰值加速度、地面峰值速度、地面峰值位 移、峰值速度与峰值加速度的比值、地震动持时、输入能、脉冲周期与自振周期的比值的相关性，比选出相关性强的 能表征近断层地震动破坏作用的主要参数，为基础隔震结构设计选用近断层地震动提供依据。 关键词： 近断层； 地震动特征参数； 基础隔震； 地震响应； 相关性 中图分类号： TU352． 1 + 2 TU435 文献标识码： A 文章编号： 1000-131X（ 2013） 06-0008-06
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wk.baidu.com土木工程学报
2013 年
框架基础隔震结构进行时程分析，研究不同自振周期 的基础 隔 震 结 构 在 水 平 单 向 地 震 动 作 用 下 的 地 震 响应。
地震动的输入方向为 X 向，即沿建筑的 长 边 方 向。两个钢框架模型采用相同的结构平面布置： X 向 3 跨，每 跨 6m； Y 向 2 跨，每 跨 6m。底 层 层 高 均 为 4． 2m，其他层层高均为 3． 5m，每个柱底设置一个隔震
表 2 隔震支座参数 Table2 Parameters of the isolation bearing
产品型号
剪切模量 （ MPa）
有效直径 （ mm）
总高度 （ mm）
RB600-1
0． 6
600
152
RB600-2
0． 6
根据上述原则所选择的 19 次典型地震如表 1 所 示。因为加速度峰值的数值差别是近断层地震动与 远场地震动的不同特征之一，故不对地震动记录加速 度峰值调幅。
表 1 选用的近断层地震记录 Table1 Earthquake records utilized in this study
编号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
支座，每个框架采用 12 个隔震支座。以自振周期为控 制目标，两个钢框架采用不同的构件尺寸及隔震 支 座，三层钢框架的自振周期为 T1 = 1． 496s，六层钢框 架的自振周期为 T1 = 2． 214s。隔震支座的具体参数 如表 2 所示，通过模态分析得到两栋隔震结构的第一 阶振型图如图 1 所示，由图可看到，隔震上部结构第一 振型为平动。
基金项目： 北京市教育委员会科技计划重点项目、北京市自然科学基金 重点项目（ KZ201110016020）
作者简介： 韩淼，博士，教授 收稿日期： 2012-04-19
度作为地震动强弱衡量标准［1-2］。 显然，对于地震动这种复杂的随机振动过程采用
少数参数来描述是远远不够的，近年来国内外几次破 坏力空前的大地震（ 如日本 Kobe 地震、中国台湾 ChiChi 地震、中国四川汶川大地震） 都证实了这一点。由 此，采用更多的地震动参数（ 如地震动输入能量、频谱 周期、峰值速度等） 来衡量和估计地震动对结构的破 坏作用势在必行。至今为止各国学者对此都做出了 大量研究，但尚未得到统一的结论［3-8］。
（ Beijing University of Civil Engineering ＆ Architecture，Beijing 100044，China）
Abstract： The characteristics of near-fault ground motion differ from those of far-field ground motion． The correlation coefficient between the dynamic responses of base-isolated structures and the parameters of near-fault ground motions were studied． Dynamic responses of base-isolated structures may include the displacement of isolation bearing，the maximum displacement and the maximum acceleration at the top level of superstructure and the maximum inter-story shear，while the parameters of near-fault ground motions include fault distance，peak ground acceleration，peak ground velocity，peak ground displacement，the ratio of peak ground velocity and peak ground acceleration，seismic duration， input energy，the ratio of pulse period and natural period of vibration． 120 near-fault seismic waves and two base-isolated structures with their own natural periods were employed in this study． The main parameters which can effectively characterize the damaging effects of near-fault ground motion are compared and selected for the base-isolation design in near-fault area． Keywords： near-fault； seismic characteristic parameter； base-isolation； seismic response； correlation coefficient E-mail： yolanda456@ 126． com
地震事件 San Fernando Coyote Lake Imperial Valley Mammoth Lakes Morgan Hill Nahanni，Canand N． Palm Springs Chalfant Valley San Salvador Whittier Narrows
发生时间 1971 1979 1979 1980 1984 1985 1986 1986 1986 1987
结构地震响应的分析不仅取决于对地震动输入 特性的认 识，同 时 也 取 决 于 对 结 构 系 统 特 性 的 认 识。 基础隔震结构通过在建筑的基础与上部结构之间设 置隔震层，增大结构自振周期以避开地震动的特征周 期，从而减小地震作用。因其优良性能在经过理论与 实践的不断检验后，近些年在世界范围内发展势 头 迅猛。
条数 5 13 2 3 2 21 5 2 19
2 结构分析模型
由于主要研究近断层地震动特征参数与基础隔 震结构的地震响应参数之间的相关关系，对结构分析 模型采用两个基本假设： 上部结构反应在弹塑性范围 内； 楼板平面内刚度无限大，平面外刚度为零。
我国抗震规范（ GB 50011—2010） 规定： 对于多层 砌体结构及与砌体结构周期相当的结构采用隔震设 计时，隔震后体系的基本周期，不应大于 2． 0s 和 5 倍 特征周期的较大值。考虑到一部分隔震结构的自振 周期 小 于 2． 0s，本 文 采 用 有 限 元 结 构 分 析 软 件 SAP2000 分别对一栋自振周期小于 2． 0s 的三层钢框 架基础隔震结构和一栋自振周期大于 2． 0s 的六层钢
移、上部结构顶层最大位移、顶层最大加速度、层间最 大剪力等动力响应参数与近断层地震动特征参数之 间的相关关系。
1 近断层地震动记录选择
选择全球 19 次典型近断层地震的 120 条地震记 录，作为输入结构的地震荷载。120 条近断层地震动 记录选自美国太平洋地震工程研究中心（ PEER） 数据 库，选择原则如下：
Landers Northridge Kobe，Japan Kocaeli，Turkey Chi-Chi，Taiwan
发生时间 1987 1989 1992 1992 1992 1994 1995 1999 1999
震级 6． 54 6． 93 6． 93 7． 01 7． 28 6． 69 6． 90 7． 51 7． 62
基于以往学者的研究成果，本文选择近断层地震 动的 8 个特征参数（ 断层距、地面峰值加速度（ PGA） 、 地面峰值速度（ PGV） 、地面峰值位移（ PGD） 、峰值速 度与峰值加速度的比值（ PGV / PGA） 、地震动持时、输 入能、脉冲周期与自振周期的比值（ Tp / T1 ） ） ，选取 120 条近断层地震波，分析基础隔震结构的隔震支座 位
引言
长期以来，考 虑 工 程 设 计 的 实 用 性，包 括 我 国 在 内的多数国家抗震规范采用的主要方法依然是以弹 性理论为基础，通过由远场地震动统计得出的反 应 谱，考虑地震动幅值和频谱特性以及结构的部分动力 特性的反应谱理论。这一方法在我国抗震规范中的 反映即是通过烈度和场地类别的区分最终仅以加速
近断层地震动作为近年来倍受工程界关注的地 震类型，与远场地震动有着显著不同的特点。其表现 出的强地震动集中性、滑冲效应、上盘效应、方向性效 应以及长周期脉冲等特点［9-10］必然使得结构在近断层
第 46 卷 第 6 期
韩 淼等·近断层地震动特征参数对基础隔震结构地震响应的影响分析
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地震作用下的地震响应与远场不同，这对于近断层地 震作用下的结构抗震设计输入地震动参数的筛选提 出了新的要求。
震级 6． 61 5． 74 6． 53 6． 06 6． 19 6． 76 6． 06 6． 19 5． 80 5． 99
条数 1 1 17 3 4 1 3 2 3 13
编号 11 12 13 14 15 16 17 18 19
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Loma Prieta Erzican ，Turkey Cape Mendocino