近断层地震动运动特征对长周期结构地震响应的影响分析_杨迪雄

收稿日期: 2006-08-15;修回日期: 2006-09-22 基金项目: 国家自然科学基金 ( 10421002, 50578028)和厦门市建设管理局资助项目 作者简介: 杨迪雄 ( 1970-) ,男 ,讲师 ,博士。 主要从事结构抗震与振动控制、结构与多 学科优化研究。
Email: y ang dx@ dlut. edu. cn
∫ 为: Ei = td v ( t ) 2dt , v ( t )是所考察的地震动分量的 0
速度时程 , td 是地面运动的持时。 由于 Ei 表示地震 动输入给结构的绝对能量 ,它较好地反映了近断层 地震动的潜在破坏势 ,是一个较好的强度度量参数 (文献 [ 9] ) ,所以表 2根据 Ei 的大小对 25条近断层 地震动记录编号排序。所选记录的 P GA 和 PGV 分
动特征 ,这里选择了 25条断层法向水平分量即 EW分量的近震记录作为输入地震动 ,另外考虑方向 性效应时选取了 9条平行分量即 N-S分量的近震 记录 ,如表 1所示。由于地震动破裂方向性和脉冲效 应经常耦联在一起 ,本文所考察的破裂方向性效应 是指断层法向和平行方向两个分量地震动对结构效
应的差别。表 2给出了这 25条具有代表性的近断层 地震动记录的有关参数。地震动输入能 Ei 的表达式
脉冲 脉冲型记录 效应 非脉冲型记录
T CU068, T CU 052, T CU 102, TCU 075, C HY025, T CU 082, T CU 120, T CU 054, T CU049 T CU065, T CU 067, T CU 074, TCU 071, C HY101, T CU 072, T CU 129, T CU 070, T CU053
第DO2I7:卷10第. 1324期09 /j . cnki . jdpme . 2007. 02. 002 防 灾 减 灾 工 程 学 报
2007年 5月
Journal of Di saster Prev enti on and Miti gati on Engi neeri ng
V o l. 27 N o. 2 M ay 2007
们以前提出的模拟脉冲型近断层地震动的数学模型 省集集镇的灾难性地震 ,震级 M= 7. 3( MW= 7. 6) ,
研究单自由度体系的弹性、非弹性地震响应 ,并且指 震源位于车笼埔断层东侧 ,属逆冲型断裂 ,基本上沿
出速度脉冲周期 Tp 是近断层地震动的一个重要参 南北方向滑动。 这次地震丰富的近断层强地震动记
1 台湾集集近断层地震动记录
1. 70和 1. 34。 对于具有明显速度脉冲运动特征的 9 条记录和不具有速度脉 冲特征的 9 条记录 PGV /
PGA 均值分别为 0. 34( > 0. 2)和 0. 16( < 0. 2) ,之
事实上 ,不同的震源机制对于结构地震响应的 比为 2. 1。 需要注意 , P GV /P GA 比值大于 0. 2可以
关键词: 近断层地震动 ; 运动特征 ; 双线性单自由度体系 ; 隔 震建筑 ; 斜拉桥 ; 动力响应 中图分类号: T U 352. 1 文献标识码: A 文章编号: 1672-2132( 2007) 02-0133-08
0 引言
最近几次近断层大地震 ,即美国 No rthridg e地 震 ( 1994)、日本 Kobe地震 ( 1995)、我国台湾集集地 震 ( 1999)、土耳其 Kocaeli 地震 ( 1999)、伊朗 Ba m地 震 ( 2003)等独特的运动特征及其对工程结构的严重 影响引起了地震工程界的密切关注 [ 1～ 5]。 Somerv ille 等的研究表明 ,由于近断层地震动经常包含强烈的 动态长周期脉冲和永久地面位移 ,其运动特征与远 场地震动明显不同 (文献 [ 1, 2 ] )。这种差别来自于近 断层地震动的破裂方向性效应。 当破裂前缘向着观 测台站所在的场地传播 ,并且断层破裂速度接近或 通常略小于近震源的岩石剪切波速 ,以及断层滑动 的方向也是指向该场地时 ,就会发生破裂方向性效 应。 破裂方向性效应在走滑型断裂和倾滑型断裂中 都可以发生。 破裂方向性影响地震动的持时和长周 期能量成分 ,并且致使断层法向分量 (即破裂传播方 向 )的地震动时程幅值大于断层平行方向分量的幅 值。向前破裂方向性效应在速度、位移波形图上表现 为持时短及具有大幅值的脉冲 ,而向后方向性效应 的速度、位移波形图则具有持时长和幅值相对较小
近断层地震动运动特征对长周期结构 地震响应的影响分析
杨迪雄 , 赵 岩 , 李 刚
(大连理工大学工程力学系工业装备结构分析国家重点实验室 , 辽宁 大连 116023)
摘要: 选择台湾集集近断 层地震动记录作为 地震动输入 ,系统考察了近断层 地震动破裂方向性、上盘效应、脉冲效 应等运动特征对双线性单自由度体系、长周期隔震建筑和斜拉桥结构地震响应的影响。计 算结果表明 ,脉冲型地震 动对结构 的效应随双线性单 自由度体系的初始 自振周期增 大而变大 ,在长周 期段结构 的脉冲效应 最显著 ; 地震动 破裂方向性和上盘效应对单自由度体系位移 需求的影响与体系周期有关。对于隔震建筑和大跨度斜拉桥等长周期 结构 ,近断层地震动破裂方向性对结构的效应较显著 ;上盘效应对长 周期结构的影响明 显 ;地震动的 速度脉冲运动 特征总的来说放大了结构响应。
PGV /P GA 0. 56 0. 53 0. 17 0. 12
PGVN /PGV P RDI
1. 47 2. 05
1. 12 1. 64
5 T CU 102 6 T CU 067 7 T CU 075 8 T CU 110 9 T CU 111
2. 114 2 1. 919 4 1. 886 9 1. 637 7 1. 261 9
应的影响分析 ,考察了运动特征的结构效应对体系 大于 1 (文 献 [ 4 ] ) , 两 分量 峰 值速 度 之 比 P GVN /
自振周期的关系 ,然后研究了近断层地震动运动特 PGVP 都大于 1。 对于上盘场地和下盘场地台站上的
征对隔震建筑和大跨度斜拉桥地震响应的影响。
18条地震动记录的 P GA 和 P GV 均值之比分别为
本文首先以 25条台湾集集近断层地震动记录 别大于 100 g al和 40 cm /s; 断层距在 28 km 以内。
为基础 ,进行了地震动破裂方向性效应、上盘效应、 对于具有方向性效应的 9条地震动记录 ,其在周期
脉冲效应等运动特征对双线性单自由度体系位移响 3 s处的法向分量与平行分量谱加速度 RD I 之比都
的特点。 断层的上盘效应是由上盘场地的逆冲引起 的 ,它表现为位于上盘场地的地震动时程幅值系统 性地大于下盘场地的相同断层距的地震 动时程幅 值 ,上盘强地震的衰减相对于下盘要平缓 ,而且强地 震分布的区域要大 (文献 [ 5] ) ,从而使位于上盘场地 上的结构破坏严重 ,集集地震的震害现象证实了这 一点 (文献 [ 3] )。
13 4
防灾 减灾工程学报
第 27卷
反应的一些近断层地震动参数 ,如 PGV /P GA、谱速 型断裂 ,浅源、深源地震等 )的干扰和影响 ,选择来自
度、输入能 Ei ,指出随着这三个参数增大 ,结构最大 同一次地震事件— — 台湾集集大地震的近断层地震
层间位移角也增大 (文献 [ 9 ] )。Mav roeidi s等利用他 动记录。 1999年 9月 21日凌晨 01∶ 43发生于台湾
1. 19 1. 11 3. 38 14. 16 23. 37
D
298. 3
D
488. 6
D
325. 4
E
176. 2
E
124. 7
87. 27 97. 4 116. 2 58. 65 53. 46
0. 29 0. 2 0. 36 0. 33 0. 43
第 2期
杨迪雄等: 近断层地震动运动特征对长周期结构地震响应的影响分析
135
表 2 台湾集集近断层地震 动特性参数
Table 2 Parameters of propert ies of Taiwan Chi-Chi near-fault ground motions
台站 Ei /( m2· s- 2 ) 断层距 /km 场地类型
地震动运动特征
台站
方向性 断层法向分量 效应 断层平行分量
T CU 065, T CU 084, T CU 067, T CU 075, T CU074, T CU 120, T CU 129, T CU 079, T CU089 同上
上盘 效应
上盘场地 下盘场地
T CU 068, T CU 052, T CU 084, T CU 074, T CU071, T CU 072, T CU 079, T CU 078, T CU089 T CU065, T CU 102, T CU 067, TCU 075, T CU110, T CU 111, CHY 025, T CU 117, C HY101
影响很大。 为了避免不同震源机制 (如走滑型、倾滑 作为识别脉冲型地震动的一个指标 (文献 [ 9] , [ 12 ] )。
表 1 基于运动特征的台湾集集近断层地震动分组
Table 1 Grouping of Taiwan Chi-Chi near-f ault ground motions based on motion characteristics
近断层地震动的长周期脉冲运动主要是由破裂 方向性引起的。 这些大幅值的长周期速度和位移脉 冲、大的峰值加速度 ,在断层的法向分量表现尤其明 显 ,这种运动在地震的初始就给结构输入很高的能 量 , 从 而 引 起 结 构 严 重 损 伤 [6～ 12 ]。 Anderso n 和 Ber tero 研究了加速度脉冲持时与结构自振周期的 关系 ,表明如果脉冲持时大于结构自振周期 ,那么结 构受损更严重 (文献 [ 6] )。 Hall等指出 ,脉冲型近断 层地震动作用下结构抗震需求可能远远超过高层建 筑、 隔 震建筑等 柔性结构 的抗震能 力 (文 献 [ 7 ] )。 Malho t ra 分析了近断层脉冲型地震动的三联弹性 反应谱特征 ,表明具有高 PGV /P GA 之比的地震动 在反应谱上具有宽的加速度敏感段 ,这种现象将增 大高层建筑的基底剪力、层间变形和延性需求 (文献 [ 8 ] )。 Liao 等讨论了影响钢筋混凝土框架结构动力
数 (文献 [ 10] )。
录 (文献 [ 3 ] ) ,为地震工程科学研究提供了难得的基
相对来说 ,关于近断层地震动的方向性效应和 础资料。
上 盘 效 应 对 工 程 结 构 的影 响 分 析 还 很 少Байду номын сангаас研 究。
综合考虑破裂方向性、上盘效应、脉冲效应等运
Som ervi lle等通过加速度反应谱研究表明 ,法向分 量的反应谱值在周期长于 0. 6 s后大于平行分量的 谱值 ,并且修改了平均水平反应谱以及断层法向分 量和平行分量反应谱的比值 (文献 [ 1 ] )。 Bray 等依 据 Somerv ille 描述的地震动记录台站与震源、破裂 方向之间几何关系和在周期 3 s处地震动法向分量 与平行分量谱加速度 RDI 之比是否大于 1这两个 条件 ,识别具有向前方向性的近断层地震动记录 ,这 些记录的法向分量含有简单的速度脉冲 ,然后提出 了这些近断层地震动的 P GV 和脉冲周期的衰减规 律和经验公式 (文献 [ 4 ] )。他们的研究都未进一步讨 论方向性效应、上盘效应和脉冲效应对实际工程结 构的影响 ,这些运动特征尤其对隔震建筑和大跨度 桥梁等长周期结构影响显著 ,需要深入探讨和评估。
1 T CU 068 13. 671
3. 01
D
2 T CU 052 7. 723 9
1. 84
D
3 T CU 065 4. 819 8
2. 49
D
4 T CU 084 3. 728 1
11. 4
C
P GA /ga l 501. 5 348. 6 773. 3 989. 2
P GV /( cm· s- 1 ) 280. 5 183. 2 132. 4 116. 3