近断层地震动反应谱特性与强度指标分析
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当结构的自振周期小于 0畅6 s 时,近断层向前 方向性地震动对体系的速度响应和位移响应均较接 近普通地震动;当基本周期大于 0畅6 s 后,普通地震 动对体系的速度响应和位移响应逐渐减小,最终趋 于平缓,而近断层向前方向性地震动则一直快速增 长,直至 7 s 后才开始缓慢下降直至平稳。 由此得 出,在中长周期区段,近断层向前方向性地震动对体 系的速度响应和位移响应均较普通地震动大得多。 3畅1畅2 近断层滑冲型地震动与普通地震动作用 下 弹性反应谱对比分析
Abstract: The characteristics of elastic response spectra and hysteretic energy spectra for two kinds of near-fault ground motions were analyzied whose results were compared with the ones for general ground motions.It was concluded that the effects of the said two motions on the acceleration response,dynamic response,velocity response, displacement response and hysteretic energy influence of medium-to-long period structures were all greater than those of general ground motions.And the displacement response for fling-step-type ground motions is significantly greater than the forward directivity ground motions.Finally, a correlation analysis of 20 intensity indices for two kinds of near- fault ground motions were separately conducted.It was recognized that the peak ground acceleration(PGA) index was advised to analyze short-period structures,and the peak ground velocity(PGV) index was advised to analyze medium- to-long period structures. Keywords: near-fault ground motions; forward directivity effect; fling-step effect; spectra characteristics; intensity indices
已有研究在分析近断层地震动时,大多只研究 向前方向性效应或者未明确区分向前方向性效应和
倡国家自然科学基金项目(51308446) 。 第一作者:董尧荣,男,1988 年出生,硕士研究生。 电 子 信 箱 :460536728 @qq .com 收稿日期:2014 -01 -05
1 02 Industrial Construction Vol畅45,No畅7,2015
应谱,近断层滑冲型地震动与普通地震动的对比分 析结果,和近断层向前方向性地震动与普通地震动 的对比分析结果相同。 即对于自振周期较短的结 构,二者产生 的 响 应 差 别 不 大; 而 对 于 中 长 周 期 结 构,近断层滑冲型地震动产生的加速度响应、动力响 应和速度响应均较普通地震动大。
2 地震动基本信息 目前实际 记 录 到 的 近 断 层 地 震 动 数 据 十 分 有
限,本文地震动系从美国太平洋地震工程研究中心 数据库选取的近断层向前方向性地震动、近断层滑 冲型地震动和普通地震动各 15 条。 地震动的基本 信息见表 1。
3 近断层地震动反应谱特性分析 3畅1 近断层地震动弹性反应谱特性分析
求 3 类地震动 7 度设防下的弹性反应谱时,单
近断层地震动反应谱特性与强度指标分析———董尧荣,等
表 1 地震动基本信息
Table 1 Basic information of ground motions
近断层向前方向性 地震动
近断层滑冲型 地震动
普通地震动
wk.baidu.com
Sylmar convertor Sylmar convertor east TCU049 -EW TCU049 -NS TCU051 -NS TCU094 -NS TCU103 -EW TCU103 -NS TCU116 -EW TCU116 -NS TCU122 -EW TCU122 -NS Yarimca Erzincan-EW Erzincan-NS
近断层地震动反应谱特性与强度指标分析 倡
董尧荣 成 羽 白国良
(西安建筑科技大学土木工程学院, 西安 710055)
摘 要: 通过对两类近断层地震动的弹性反应谱和滞回耗能谱特性进行分析,并与普通地震动的反应谱 进行对比,得出两类近断层地震动对中长周期结构的加速度响应、动力响应、速度响应、位移响应以及滞回耗 能的影响均比普通地震动大,且滑冲型地震动的位移响应明显比向前方向性地震动大。 分别对两类近断层 地震动的 20 个强度指标进行相关性分析,得出对于短周期结构,建议选择地面峰值加速度(PGA)作为分析用 强度指标;对于中长周期结构,建议选择地面峰值速度(PGV) 作为分析用强度指标。 关键词: 近断层地震动; 向前方向性效应; 滑冲效应; 反应谱特性; 强度指标
应[3] ;代慧娟等专门研究了近断层滑冲型地震动的 频谱特性,结果表明,近断层滑冲型地震动的平均加 速度反应谱、速度反应谱、位移反应谱、输入能量谱与 滞回耗能谱均明显大于普通地震动[4] 。 相对于中远 场地震动,含有长周期速度脉冲的近场地震动会显著 改变结构的响应特点,使结构产生较大的内力和速度 及位移冲击,引起结构破坏,甚至倒塌[5] 。 故有必要 对近断层地震动的特性进行具体的研究分析。
El Centro Chalfantb-BEN270 Coalinga ELC270 Gra074 Kern County Kobe Northridge Petrolia Santa Monica Smart133007 EW Taft Tabas Whittiber Narrows 天津波
自由度体系的自振周期取 0畅1 ~20 s,周期间隔取 0畅1 s,阻尼比取 0畅05,3 类地震动地面峰值加速度统 一调整到 35 cm /s2 。 为了能够清晰对比两类近断层 地震动与普通地震动弹性反应谱间的差异,求得 3 类 各 15 条地震动的平均弹性加速度反应谱、动力放大 系数谱、速度反应谱与位移反应谱如图 1 所示。
近几年来,近断层地震,如 1994 年美国的加州 北岭(Northridge) 地震( M6畅7)、1995 年日本的神户 (Kobe)地震(M7畅2),1999 年我国台湾的集集( Chi- Chi) 地 震 ( M7畅6 ), 1999 年 土 耳 其 的 科 贾 埃 利 (Kocaeli)地震(M7畅4)和 2008 年我国四川的汶川地 震( M8畅0 ) 中,独特的运动特征和对工程结构的严重 破坏引起了地震学家和结构工程师们的密切关注。 Somerville 等的研究表明,由于近断层地震动的破裂 方向性效应,其经常包含有强烈的长周期脉冲和永 久地面位移,致使运动特征明显不同于普通地震动 和远场地震动[1 -2] ;刘启方等对近断层地震动的基 本特征作了详细分析,这些基本特征主要包括近断 层强地震动的集中性、地表破裂、地面永久变形、破 裂的方 向 性 效 应、 近 断 层 速 度 大 脉 冲 和 上 盘 效
当断层破裂前锋朝着观测点传播,并且断层滑 动方向也指向该点时,断层破裂就会发生向前方向 性效应。 向前方向性效应引起的速度脉冲主要发生 在垂直于断层面的方向,通常呈现双向往复形式,造 成的地震危害性较大。 同时,近断层地震中某一方 向的位移时程由于断层滑动突然升高或降低而形成 台阶,即永久地面位移,就称为滑冲效应。 滑冲效应 引起的速度脉冲表现在平行于断层滑动的方向,且 呈单向形式,也会对结构造成严重的破坏作用。
尽管近断层向前方向性效应和滑冲效应均具有 速度脉冲特性,但两者具有明显区别,对建筑结构的 抗震性能影响也不尽相同,须分别考虑。 故本文分 别研究近断层向前方向性地震动( 即含有因向前方 向性效应而引起速度脉冲的地震动) 和近断层滑冲 型地震动( 即含有因滑冲效应而引起速度脉冲的地 震动) 的反 应 谱 特 征, 包 括 弹 性 反 应 谱 和 滞 回 耗 能 谱,对比其与普通地震动( 即不含有明显速度脉冲 和永久地面位移的地震动) 的反应谱特性及其衰减 规律。 并分别对两类近断层地震动进行了强度指标 分析,通过计算强度指标与响应之间的相关性规律, 给出适用于两类近断层地震动在各周期范围内的强 度指标。
Lucerne Valley TCU051 -EW TCU052 -EW TCU052 -NS TCU054 -EW TCU065 -EW TCU067 -EW TCU068 -EW TCU068 -NS TCU071 -EW TCU075 -EW TCU076 -EW TCU082 -EW TCU102 -EW TCU120 -EW
对于加速度反应谱、动力放大系数谱和速度反
1 03
a—加速度反应谱; b—动力放大系数谱; c—速度反应谱; d—位移反应谱。 普通地震动; —△—近断层向前方向性地震动; —○—近断层滑冲型地震动。 图 1 反应谱特性比较 Fig.1 The comparison of response spectrum characteristics
由图 1 对比可知,在加速度峰值相同条件下,两 类近断层地震动对中长周期结构的响应值均比普通 地震动大。 而且对于不同类型近断层地震动,反应 谱形状的差异也较明显。 3畅1畅1 近断层向前方向性地震动与普通地震动 作 用下弹性反应谱对比分析
当结构的自振周期小于 0畅3 s 时,近断层向前 方向性地震动引起体系的加速度响应峰值和动力放 大系数谱值与普通地震动均较接近;随着体系基本 周期的增加,二者的加速度响应和动力放大系数差 值均逐渐增大。 由此看出,近断层向前方向性地震 动对中长周期体系的加速度响应和动力响应均较普 通地震动大。
工业建筑 2015 年第 45 卷第 7 期
滑冲效应。 鉴于此,本文明确区分近断层地震动的 向前方向性效应与滑冲效应,分别对其进行反应谱 特性探讨,然后分析近断层地震动的典型强度指标。
1 近断层地震动概述 地震发生时,根据场地与断层距离的远近,将地
震动分为近断层地震动和远场地震动。 通常将距离 断层不超过 60 km 区域场地的地震动称为近断层地 震动[6] ,大于该范围的地震动统称为远场地震动。 与远场地震动相比,近断层地震动具有明显的速度 脉冲特性,而引起速度脉冲的因素主要是近断层向 前方向性效应和近断层滑冲效应。
DOI: 10畅13204 /j.gyjz201507021
ANALYSIS OF SPECTRAL CHARACTERISTICS AND INTENSITY INDICES FOR NEAR-FAULT GROUND MOTIONS
Dong Yaorong Cheng Yu Bai Guoliang (College of Civil Engineering, Xi摧an University of Architecture and Technologgy, Xi摧an 710055, China)
Abstract: The characteristics of elastic response spectra and hysteretic energy spectra for two kinds of near-fault ground motions were analyzied whose results were compared with the ones for general ground motions.It was concluded that the effects of the said two motions on the acceleration response,dynamic response,velocity response, displacement response and hysteretic energy influence of medium-to-long period structures were all greater than those of general ground motions.And the displacement response for fling-step-type ground motions is significantly greater than the forward directivity ground motions.Finally, a correlation analysis of 20 intensity indices for two kinds of near- fault ground motions were separately conducted.It was recognized that the peak ground acceleration(PGA) index was advised to analyze short-period structures,and the peak ground velocity(PGV) index was advised to analyze medium- to-long period structures. Keywords: near-fault ground motions; forward directivity effect; fling-step effect; spectra characteristics; intensity indices
已有研究在分析近断层地震动时,大多只研究 向前方向性效应或者未明确区分向前方向性效应和
倡国家自然科学基金项目(51308446) 。 第一作者:董尧荣,男,1988 年出生,硕士研究生。 电 子 信 箱 :460536728 @qq .com 收稿日期:2014 -01 -05
1 02 Industrial Construction Vol畅45,No畅7,2015
应谱,近断层滑冲型地震动与普通地震动的对比分 析结果,和近断层向前方向性地震动与普通地震动 的对比分析结果相同。 即对于自振周期较短的结 构,二者产生 的 响 应 差 别 不 大; 而 对 于 中 长 周 期 结 构,近断层滑冲型地震动产生的加速度响应、动力响 应和速度响应均较普通地震动大。
2 地震动基本信息 目前实际 记 录 到 的 近 断 层 地 震 动 数 据 十 分 有
限,本文地震动系从美国太平洋地震工程研究中心 数据库选取的近断层向前方向性地震动、近断层滑 冲型地震动和普通地震动各 15 条。 地震动的基本 信息见表 1。
3 近断层地震动反应谱特性分析 3畅1 近断层地震动弹性反应谱特性分析
求 3 类地震动 7 度设防下的弹性反应谱时,单
近断层地震动反应谱特性与强度指标分析———董尧荣,等
表 1 地震动基本信息
Table 1 Basic information of ground motions
近断层向前方向性 地震动
近断层滑冲型 地震动
普通地震动
wk.baidu.com
Sylmar convertor Sylmar convertor east TCU049 -EW TCU049 -NS TCU051 -NS TCU094 -NS TCU103 -EW TCU103 -NS TCU116 -EW TCU116 -NS TCU122 -EW TCU122 -NS Yarimca Erzincan-EW Erzincan-NS
近断层地震动反应谱特性与强度指标分析 倡
董尧荣 成 羽 白国良
(西安建筑科技大学土木工程学院, 西安 710055)
摘 要: 通过对两类近断层地震动的弹性反应谱和滞回耗能谱特性进行分析,并与普通地震动的反应谱 进行对比,得出两类近断层地震动对中长周期结构的加速度响应、动力响应、速度响应、位移响应以及滞回耗 能的影响均比普通地震动大,且滑冲型地震动的位移响应明显比向前方向性地震动大。 分别对两类近断层 地震动的 20 个强度指标进行相关性分析,得出对于短周期结构,建议选择地面峰值加速度(PGA)作为分析用 强度指标;对于中长周期结构,建议选择地面峰值速度(PGV) 作为分析用强度指标。 关键词: 近断层地震动; 向前方向性效应; 滑冲效应; 反应谱特性; 强度指标
应[3] ;代慧娟等专门研究了近断层滑冲型地震动的 频谱特性,结果表明,近断层滑冲型地震动的平均加 速度反应谱、速度反应谱、位移反应谱、输入能量谱与 滞回耗能谱均明显大于普通地震动[4] 。 相对于中远 场地震动,含有长周期速度脉冲的近场地震动会显著 改变结构的响应特点,使结构产生较大的内力和速度 及位移冲击,引起结构破坏,甚至倒塌[5] 。 故有必要 对近断层地震动的特性进行具体的研究分析。
El Centro Chalfantb-BEN270 Coalinga ELC270 Gra074 Kern County Kobe Northridge Petrolia Santa Monica Smart133007 EW Taft Tabas Whittiber Narrows 天津波
自由度体系的自振周期取 0畅1 ~20 s,周期间隔取 0畅1 s,阻尼比取 0畅05,3 类地震动地面峰值加速度统 一调整到 35 cm /s2 。 为了能够清晰对比两类近断层 地震动与普通地震动弹性反应谱间的差异,求得 3 类 各 15 条地震动的平均弹性加速度反应谱、动力放大 系数谱、速度反应谱与位移反应谱如图 1 所示。
近几年来,近断层地震,如 1994 年美国的加州 北岭(Northridge) 地震( M6畅7)、1995 年日本的神户 (Kobe)地震(M7畅2),1999 年我国台湾的集集( Chi- Chi) 地 震 ( M7畅6 ), 1999 年 土 耳 其 的 科 贾 埃 利 (Kocaeli)地震(M7畅4)和 2008 年我国四川的汶川地 震( M8畅0 ) 中,独特的运动特征和对工程结构的严重 破坏引起了地震学家和结构工程师们的密切关注。 Somerville 等的研究表明,由于近断层地震动的破裂 方向性效应,其经常包含有强烈的长周期脉冲和永 久地面位移,致使运动特征明显不同于普通地震动 和远场地震动[1 -2] ;刘启方等对近断层地震动的基 本特征作了详细分析,这些基本特征主要包括近断 层强地震动的集中性、地表破裂、地面永久变形、破 裂的方 向 性 效 应、 近 断 层 速 度 大 脉 冲 和 上 盘 效
当断层破裂前锋朝着观测点传播,并且断层滑 动方向也指向该点时,断层破裂就会发生向前方向 性效应。 向前方向性效应引起的速度脉冲主要发生 在垂直于断层面的方向,通常呈现双向往复形式,造 成的地震危害性较大。 同时,近断层地震中某一方 向的位移时程由于断层滑动突然升高或降低而形成 台阶,即永久地面位移,就称为滑冲效应。 滑冲效应 引起的速度脉冲表现在平行于断层滑动的方向,且 呈单向形式,也会对结构造成严重的破坏作用。
尽管近断层向前方向性效应和滑冲效应均具有 速度脉冲特性,但两者具有明显区别,对建筑结构的 抗震性能影响也不尽相同,须分别考虑。 故本文分 别研究近断层向前方向性地震动( 即含有因向前方 向性效应而引起速度脉冲的地震动) 和近断层滑冲 型地震动( 即含有因滑冲效应而引起速度脉冲的地 震动) 的反 应 谱 特 征, 包 括 弹 性 反 应 谱 和 滞 回 耗 能 谱,对比其与普通地震动( 即不含有明显速度脉冲 和永久地面位移的地震动) 的反应谱特性及其衰减 规律。 并分别对两类近断层地震动进行了强度指标 分析,通过计算强度指标与响应之间的相关性规律, 给出适用于两类近断层地震动在各周期范围内的强 度指标。
Lucerne Valley TCU051 -EW TCU052 -EW TCU052 -NS TCU054 -EW TCU065 -EW TCU067 -EW TCU068 -EW TCU068 -NS TCU071 -EW TCU075 -EW TCU076 -EW TCU082 -EW TCU102 -EW TCU120 -EW
对于加速度反应谱、动力放大系数谱和速度反
1 03
a—加速度反应谱; b—动力放大系数谱; c—速度反应谱; d—位移反应谱。 普通地震动; —△—近断层向前方向性地震动; —○—近断层滑冲型地震动。 图 1 反应谱特性比较 Fig.1 The comparison of response spectrum characteristics
由图 1 对比可知,在加速度峰值相同条件下,两 类近断层地震动对中长周期结构的响应值均比普通 地震动大。 而且对于不同类型近断层地震动,反应 谱形状的差异也较明显。 3畅1畅1 近断层向前方向性地震动与普通地震动 作 用下弹性反应谱对比分析
当结构的自振周期小于 0畅3 s 时,近断层向前 方向性地震动引起体系的加速度响应峰值和动力放 大系数谱值与普通地震动均较接近;随着体系基本 周期的增加,二者的加速度响应和动力放大系数差 值均逐渐增大。 由此看出,近断层向前方向性地震 动对中长周期体系的加速度响应和动力响应均较普 通地震动大。
工业建筑 2015 年第 45 卷第 7 期
滑冲效应。 鉴于此,本文明确区分近断层地震动的 向前方向性效应与滑冲效应,分别对其进行反应谱 特性探讨,然后分析近断层地震动的典型强度指标。
1 近断层地震动概述 地震发生时,根据场地与断层距离的远近,将地
震动分为近断层地震动和远场地震动。 通常将距离 断层不超过 60 km 区域场地的地震动称为近断层地 震动[6] ,大于该范围的地震动统称为远场地震动。 与远场地震动相比,近断层地震动具有明显的速度 脉冲特性,而引起速度脉冲的因素主要是近断层向 前方向性效应和近断层滑冲效应。
DOI: 10畅13204 /j.gyjz201507021
ANALYSIS OF SPECTRAL CHARACTERISTICS AND INTENSITY INDICES FOR NEAR-FAULT GROUND MOTIONS
Dong Yaorong Cheng Yu Bai Guoliang (College of Civil Engineering, Xi摧an University of Architecture and Technologgy, Xi摧an 710055, China)