近断层地震加速度设计反应谱

收稿日期 :2007201204 基金项目 :国家自然科学基金资助项目 (50478063) ;北京交通大学科技基金资助项目 (2006XM024) 通讯作者 :卢明奇 (1978 - ) ,男 ,讲师 ,博士 ,主要研究方向为结构抗震以及钢 - 混凝土组合结构.
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三 峡 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 2007 年 2 月
本. 其中 ,震源机制分为 A 、B 、C 3 类 : A 类为震级 M ≥7 ,断层滑移速率 S R ≥5 ; C 类为震级 M ≤6. 5 , S R ≤2 ;B 类介于 A 、C 类之间. 所选地震记录均为水平 加速度时程 ,断层距均在 0～15 km 范围内. 由于部分 地震记录没有更为详细的场地资料 ,难以按照我国现 行的抗震设计规范给出精确的分类 ,在此采用台湾中 央气象局 (CWB) 场地分类标准将这些近断层记录台 站场地分为 3 类场地 :硬场地 、中等场地和软土场地. 其中硬场地 42 组 ,中等场地 35 组 ,软土场地 55 组.
Acceleration Design Response Spectra of Near2Fault Ground Motion
L u Mingqi
( School of Civil Engineering & Architect ure , Beijing J iaoto ng U niv. , Beijing 100044 , China)
0. 92.
表 1 参数 a、λ取值
震源机制
a
λ
A
3. 375
1. 333
B
2. 925
1. 231
C
2. 250
1. 000
震源机制
表 2 T1 取值( s) 场地土类型
硬场地 中等场地 软土场地
A
0. 212
0. 243
0. 287
B
0. 111
0. 129
0. 156
C
0. 063
2 近断层地震弹性加速度设计谱
为建立近断层地震弹性加速度设计谱 ,从美国地 震记录数据 库 ht tp :/ / peer . berkeley. edu/ smcat 选 择了 30 次地震 ,132 组近断层地震记录作为统计样
图 1 No rt hridge/ RRS228 加速度 、速度 、位移时程曲线
(ηa - 1) T + 1
T1
0 ≤ T < T1
ηa
T 1 ≤ T < T2
Sa =
ηa ( T2 ) n
T
T2 ≤ T < T3 (1)
ηa ( T2 T3 ) n
T2
T ≥ T3
式中 , S a 为加速度反应谱谱值 ; T 为结构周期 ;η为阻
尼调整 系 数
,η=
1
+
0
0. 05 . 06 +
王东升 、Michael J . Wesolow sky[223] 对桥梁结构在近 断层地震下的地震反应进行了分析 ;朱 等[4] 应用统 计分析方法对近断层地震动的峰值加速度 、峰值比 、 特征比值及特定周期处的反应谱的衰减关系进行了 研究 ,并和 Chi2Chi 地震得到的结果进行了比较 ,发 现场地和震源机制的共同作用对近断层地震动的影 响是很显著的. 冯启民等[526] 研究了近断层地震动位 移 、速度 、加速度峰值衰减规律. 倪永军等[7] 通过对竖 向加速度与水平向加速度记录的峰值比的统计分析 表明 ,近断层实际地震记录的加速度峰值比的统计结 果大于我国现行抗震规范的取值 ;对水平加速度记录 的反应谱统计分析表明 ,我国现行规范的设计谱应用
第 29 卷 第 1 期 2007 年 2 月
三峡大学学报 (自然科学版) J of China Three Gorges U niv. (Nat ural Sciences)
Vol. 29 No . 1 Feb. 2007
近断层地震加速度设计反应谱
卢明奇
(北京交通大学 土木建筑工程学院 ,北京 100044)
随着我国城市建设的快速发展 ,高架桥 、大跨桥 梁以及高层建筑和特殊构筑物将不可避免的位于发 震断层附近 ,甚至跨越发震断层 ,建于近断层地区的 结构 ,其抗震设防问题迫切需要解决 ,而我国的《建筑 抗震设计规范》( GB50011 - 2001) 还没有完全考虑近 断层地震的特点 ,为此 ,对近断层地震的加速度设计 反应谱进行了研究.
近年来几次主要的大地震 ,例如 1992 年美国的 Lander s 地震 ,1994 年 Nort hridge 地震 ,1995 年日本 Ko be 地震 ,1999 年土耳其 Kocaeli 地震 ,1999 年台湾 Chi2Chi 地震等 ,对建筑物造成了严重破坏 ,同时也使 人们获得了大量的近断层地震记录. 这几次地震的最 显著特点是 ,地震动表现为具有明显的长周期速度和 位移脉冲 ,使结构直接承受高能量的冲击 ,建筑物产 生较大的位移和变形. 关于近断层地震的研究 ,目前 已逐渐引起了国内外建筑工程界的关注. Lo h C H 等[1] 指出 , 峰值地面 速度与 峰值 地面加 速度之 比 ( P GV/ P GA) 是识别近断层地震效应的主要特征 , P GV/ P GA > 0. 2 s ,近断层地震对结构的效应明显.
于近断层地区的硬场和中等场可能偏于不来自百度文库全. Ma2 vroeidis G P[8] 认为速度脉冲持续时间是近断层地震 动的重要参数 ,与断层破裂的上升时间以及地震震级 有直接关系. 谢礼立[9] 给出了近断层地区岩石和土层 场地上考虑方向性效应影响的设计谱 ,与规范设计谱 的比较结果表明 ,我国规范设计谱的取值偏低 ,尚需 考虑近断层脉冲型地震动的影响. 文献 [ 10211 ]分别 对钢筋混凝土框架和钢结构框架在近断层地震作用 下的地震响应进行了研究. 杨迪雄 ,李刚[12] 研究了近 断层脉冲型地震作用下隔震结构的地震反应. 刘启方 等[13] 分析了近断层地震动的基本特征.
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三 峡 大 学 学 报 (自 然 科 学 版) 2007 年 2 月
对所选定的地震波首先根据 A 、B 、C 3 类震源机 制分为 3 部分 ,对于每一部分 ,再按照场地土的类型 分为 3 组 ,然后再对每一组地震波进行调幅 ,统一成 相同幅值后分别计算其阻尼比ξ为 0. 5 % ,1 % ,2 % , 3 % ,5 % ,7 % ,10 % ,20 %时的弹性加速度反应谱 ,对 每组相同阻尼比的各地震波弹性加速度反应谱取其 平均值 ,根据得到的平均弹性加速度反应谱 ,给出了 近断层地震设计弹性加速度反应谱表达式为
0. 074
0. 085
震源机制
表 3 T3 取值( s) 场地土类型
硬场地 中等场地 软土场地
A
5. 965
6. 172
6. 470
B
1. 866
2. 150
2. 570
C
0. 879
1. 075
1. 258
图 3～5 给出了 3 种场地土类型下 ,按照式 (1) 计 算得到的近断层地震设计弹性加速度反应谱与实际 地震波平均弹性加速度反应谱对比 (图中虚线为提出 的近断层地震设计弹性加速度反应谱 ,实线为实际地 震波平均弹性加速度反应谱) ,图中阻尼比ξ取 5 % , 加速度设计值 a 取 0. 4 g. 由图 3～5 可见 ,建议的近 断层地震设计弹性加速度反应谱计算公式与实际地 震波平均弹性加速度反应谱较为接近.
Abstract Acceleratio n design respo nse spect ra of near2fault gro und motio ns are st udied ; and 30 eart hquakes and 132 near2fault gro und motio n records are selected as statistical samples. Fro m t he statistical average elas2 tic acceleratio n respo nse spect ra , an elastic acceleratio n respo nse spect ra formula of near2fault gro und motio ns is p ropo sed ; and based o n it t he inelastic acceleratio n respo nse spect ra formula is suggested too . It is shown t hat t he elastic acceleratio n respo nse spect ra of near2fault gro und motio ns p ropo sed is clo se to t he average e2 lastic acceleratio n respo nse spect ra of act ual eart hquake waves ; and t he acceleratio n design respo nse spect ra of near2fault gro und motio ns suggested are simple. Keywords near2fault ground motion ; acceleratio n respo nse spect ra ; seismic design ; st rengt h reductio n facto r
A 类震源机制
B 类震源机制
C 类震源机制
图 2 硬场地的近断层地震设计弹性加速度反应谱与实际地震波平均弹性加速度反应谱
A 类震源机制
B 类震源机制
C 类震源机制
图 3 中等场地的近断层地震设计弹性加速度反应谱与实际地震波平均弹性加速度移反应谱
A 类震源机制
B 类震源机制
C 类震源机制
图 4 软土场地的近断层地震设计弹性加速度反应谱与实际地震波平均弹性加速度反应谱
摘要 :研究了近断层地震的加速度设计反应谱 ,选择了 30 次地震 ,132 组近断层地震记录作为统计 样本 ,根据得到的实际地震波的平均弹性加速度反应谱 ,给出了近断层地震设计弹性加速度反应 谱表达式 ,并在此基础上 ,给出了近断层地震设计非弹性加速度反应谱计算公式. 研究结果表明 : 提出的近断层地震设计弹性加速度反应谱与实际地震波平均弹性加速度反应谱较为接近 ,所建议 的近断层地震加速度设计反应谱形式较为简单. 关键词 :近断层地震 ; 加速度反应谱 ; 抗震设计 ; 强度折减系数 中图分类号 : TU311. 3 文献标识码 :A 文章编号 :16722948X(2007) 0120033204
1 近断层地震地面运动特征
大量的观测资料表明[13214 ] :近断层地区的地震地 面运动明显不同于远离震源地区的地震地面运动. 如 果工程场址位于近断层范围 (断层距为 0 ～ 15 km) 内 ,当断裂扩展方向和断层滑移方向均指向工程场址 时 ,地面运动具有显著的向前方向性效应 ,即造成断 裂传播的向前方向的地震动有大幅值速度或位移脉 冲 ,而在背向于场地方向则观察不到明显的脉冲. 此 时 ,断裂速度接近于 (一般略小于) 剪切波的速度. 垂 直断层方向的水平地面运动表现为强脉冲的运动形 式 ,具有大幅值 、长周期 、短持时的特点. 图 1 给出了 Nort hridge 地震中站点 RRS228 (距震源 7. 1 km) 测 得的地面运动加速度 、速度 、位移时程曲线. 由图 1 可 以看出 ,在近断层地面运动的速度和位移时程曲线 中 ,均表现出具有长周期速度脉冲和位移脉冲 ,并且 脉冲的幅值大 、持时短 (与地震波的总持时相比) ;在 图 1 所示的 Nort hridge/ RRS228 加速度时程曲线中 , 则表现为具有较大的幅值.
-1ξ. 7ξ,
当 η<
0.
55
时取
0. 55 ; a、λ为参数 ,其值与震源机制有关 ,取值见表 1 ;
第 29 卷 第 1 期 卢明奇 近断层地震加速度设计反应谱
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T1 、T3 与震源机制以及场地土类型有关 ,取值见表
2 、3 ;
T2
=4
T1λ-
1 n
; n 为常数 , n =