軟弱夾層場地高層框架結(jié)構(gòu)地震輸入及地震響應(yīng)分析
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張日新，楊笑梅，陳宇庭
（廣東工業(yè)大學土木與交通工程學院，廣東廣州510006）
[摘要]高層結(jié)構(gòu)地震輸入的合理性對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計及地震反應(yīng)產(chǎn)生重要影響。本文以一典型高層框架結(jié)構(gòu)及其所處場地為參考，建立有軟弱夾層場地模型及具有同一卓越周期均勻場地模型，研究該軟夾層基礎(chǔ)對結(jié)構(gòu)地震輸入的影響。由于軟弱夾層的存在本文采用了有別于傳統(tǒng)的分段等效線性化方法預(yù)測地震輸入，并與傳統(tǒng)的等效線性化方法預(yù)測的地震輸入對比，研究兩種等效線性模型地震輸入的差異及軟弱夾層存在對地震輸入的影響。進一步基于預(yù)測地震動分別計算了有無軟弱夾層存在下該典型高層框架結(jié)構(gòu)反應(yīng)，研究軟弱夾層存在對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響。本文結(jié)果顯示雖然軟弱夾層存在會使結(jié)構(gòu)地震動輸入時程峰值變低，但結(jié)構(gòu)反應(yīng)卻加劇。分段等效線性化輸入模型的地震動加速度峰值普遍大于傳統(tǒng)等效線性化模型，但傳統(tǒng)等效線性方法預(yù)測的地震動計算所得的結(jié)構(gòu)反應(yīng)更加劇烈。
[關(guān)鍵詞]軟弱夾層；分段等效線性化；高層建筑；地震響應(yīng)[中圖分類號]TU352
0 引言
《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中建筑場地的類別的劃分只是簡單依據(jù)場地覆蓋土厚度和土層等效剪切波速兩個指標。依靠這兩個指標劃分的場地類型，無法體現(xiàn)均勻土層與各類復(fù)雜場地類型的差異。隨著我國城市建設(shè)用地日趨緊張，填海工程大范圍出現(xiàn)，新建于此的結(jié)構(gòu)多為高聳或大跨的長周期結(jié)構(gòu)。因此，近些年來研究軟弱夾層對高層結(jié)構(gòu)地震動輸入地震反應(yīng)的影響成為備受關(guān)注的問題，并獲得了一些重要的成果。目前研究表明，含軟夾層的軟弱場地與常規(guī)類別場地對加速度放大系數(shù)、加速度峰值、頻譜特性均產(chǎn)生一定影響。軟弱夾層存在
一定程度上改變結(jié)構(gòu)設(shè)計地震輸入的特征已達成一定共識。
對含軟弱夾層土層場地地震反應(yīng)的合理分析是預(yù)測結(jié)構(gòu)設(shè)計地震輸入的關(guān)鍵問題。等效線性方法仍然是場地非線性地震反應(yīng)分析采用的主流方法，因為其原理簡單，在廣大工程實踐中被普遍應(yīng)用。但是，隨著該方法在實際工程中被廣泛使用，其局限性也逐漸被大家發(fā)現(xiàn)：等效非線性方法不能反應(yīng)土層中真實的運動過程，當?shù)卣饎虞斎胼^大時，計算誤差較大，在計算軟弱土層或軟土場地時，會出現(xiàn)一些不合理現(xiàn)象。通過一些工程實例再現(xiàn)了該方法存在的這些不足之處。為了提高等效線性化方法的適用性，很多學者對等效線性方法提出了不少寶貴的改進意見。特別是王偉、周正華等人提出的分段等效線性化分析方法，該方法從不同程度上考慮了土體的非線性特征：將地震動的時程記錄分為三段，前、后分段因地震動強度較低，產(chǎn)生剪應(yīng)變較小，土體利用線性方法計算；中間一段地震動強度高，促使土體產(chǎn)生較大的剪應(yīng)變，場地非線性效應(yīng)明顯，故該段地震動用等效線性化方法。這樣的處理使得地震動的輸入符合土體在地震波作用下的真實反應(yīng)，使得等效線性化方法更趨于合理。
高層建筑抗震分析，應(yīng)考慮建筑選址為軟弱夾層時有可能帶來的不利作用，但多數(shù)學者對軟弱夾層的研究基本局限于其對場地設(shè)計地震動參數(shù)的影響。當前，人們對具有軟弱夾層場地的結(jié)構(gòu)反應(yīng)分析大多限于地下結(jié)構(gòu)或者水利工程，如洞室工程、水利水電工程重力壩工程，而軟弱夾層場地對高層建筑的影響探討的比較少，通常只是依據(jù)地震動的特征定性地指出某些軟弱夾層的場地的存在，對特定結(jié)構(gòu)或長周期結(jié)構(gòu)反應(yīng)產(chǎn)生影響。可見，定量研究軟弱夾層的場地對高層建筑的地震反應(yīng)的特征將有利于提高這類結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計水平，有較大的工程意義。
基于上述分析，本文以某一典型高層框架結(jié)構(gòu)為參考，對基礎(chǔ)部分分別建立軟弱夾層場地及具有同一特征周期均勻場地，研究該軟夾層場地存在對結(jié)構(gòu)地震輸入的影響。由于軟弱夾層的存在，本文采用相對于傳統(tǒng)等效線性化更合理的分段等效線性化方法分析軟弱夾層場地地震動，為了比較同時給出了傳統(tǒng)等效線性化方法預(yù)測的地震動。基于預(yù)測的均勻及軟夾層場地下的地震輸入，進一步建立高層框架結(jié)構(gòu)模型，計算結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，主要研究軟夾層場地存在對結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響。
1 場地及結(jié)構(gòu)分析模型及參數(shù)
本文結(jié)構(gòu)位于常見的Ⅱ類典型場地，依據(jù)實際工況，場地土模型尺寸總厚度取為60m，土分層層數(shù)見表1。典型場地中土體的剪切模量比及阻尼比隨剪應(yīng)變變化的土工試驗曲線
，見表2。
本文所建立的高層建筑結(jié)構(gòu)模型為雙軸對稱框架結(jié)構(gòu)模型，樓高46. 2m，層高3.3m，14層，樓板附加恒荷載取值為2．0k N/m2，活荷載取值為3. 0kN/m2，其余模型參數(shù)見表3。
對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析時，需考慮附加恒荷載和活荷載對結(jié)構(gòu)質(zhì)量的增加作用。本工程自振特性分析采用了ETABS 9.7.4和PKPM進行對比分析，其分析結(jié)果較為接近，周期比見表4，結(jié)構(gòu)第一扭轉(zhuǎn)周期與第一平動周期的比1. 046/1. 217為0.859，低于《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》要求的0.9限值，保證了后續(xù)分析結(jié)果的可靠性。圖1為結(jié)構(gòu)平面圖，圖2為ETABS模型三維圖。
2 地震動輸入的確定
為了研究軟弱夾層場地的影響，本文并未采用抗震規(guī)范的目標譜人工合成結(jié)構(gòu)地震輸入的方法獲得地震輸入，而是依據(jù)《工程場地地震安全性評價》的思路，采用統(tǒng)一的基巖輸入。通過計算場地土層反應(yīng)后，獲得結(jié)構(gòu)的地震輸入，下面簡要說明本文采用的基巖地震輸入及分析土層反應(yīng)的方法。
2.1 基巖地震記錄的選取
場地地震動可視為考慮了震源運動和傳播路徑的基巖地震動與局部場地地質(zhì)條件共同作用的結(jié)果。不同地震動的場地反應(yīng)和結(jié)構(gòu)反應(yīng)差異很大，選取的地震記錄應(yīng)滿足地震動三要素�？刂平Y(jié)構(gòu)主要周期點與目標譜相符(差異不宜大于10%~20%)是工程常用方法，該法能使選出的地震波較好符合目標譜頻譜特征。本文首先根據(jù)規(guī)范結(jié)合本文工況，選取考慮了在傳播路徑中產(chǎn)生的非彈性能量衰減和幾何衰減的基巖目標譜，從太平洋地區(qū)地震工程研究中心地震動基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫中，選取滿足其頻譜特性的地震波。本文建筑物工程選址假設(shè)為廣州，從《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（附錄A）可查出該地抗震設(shè)防烈度為7 (0. 10g)，設(shè)計地震分組為第一組。選取《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（條文5.1.5）中衰減模型，參數(shù)為：特征周期根據(jù)I0類場地及地震分組定為0. 2s，建筑結(jié)構(gòu)阻尼比為0.05，水平地震影響系數(shù)根據(jù)設(shè)防烈度及超越概率10%取為0.5�？紤]實際選波的可操作性，本次選波控制周期點見表4。主峰值按《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》中7度中震的加速度峰值規(guī)定統(tǒng)一調(diào)為220cm/s2，有效持時約為36. 68s~ 39. 99s。反應(yīng)譜圖見圖3。加速度時程曲線見圖4。
2.2 場地土層反應(yīng)計算方法
1)傳統(tǒng)等效線性化方法
土層地震反應(yīng)分析是工程地震安全性評價中至關(guān)重要的一部分，將為上部結(jié)構(gòu)提供地震動參數(shù)。當前，在我國工程場地地震安全性評價工作常采用一維等效線性化波動方法來進行土層地震反應(yīng)分析。本文計算一維等效線性化模型是基于的頻域等效線性化波動分析方法編制等效線性化程序LSSRLI-1，時間步矩設(shè)為△t =1 x10-3s。
2)分段輸入等效線性化方法
為了使等效剪應(yīng)變水平接近實際剪應(yīng)變，減小等效剪應(yīng)變與實際剪應(yīng)變水平之間的差異，王偉等在等效線性化的基礎(chǔ)上，提出了地震動的分段輸入的方法，即利用等效線性化方法進行一維場地的土層反應(yīng)計算時，對基底地震動時程采取分段輸入，首先設(shè)定一閾值，在地震動時程第一次和最后一次超過該閾值的兩個時間點處，將其分為3段，各取一半分別輸入計算，將各分段計算結(jié)果疊加得到總的地震反應(yīng)。
3 場地計算結(jié)果與分析
綜合考慮場地非線性分析，選用上節(jié)3條地震波作計算輸入，計算了傳統(tǒng)等效線性化模型和分段等效輸入模型。需要說明分段等效線性化原理根據(jù)土層非線性效應(yīng)隨輸入地震動強度增加越來越明顯，當?shù)卣饎有∮谀骋婚y值時，各類場地在等效剪切波速變化率小于20%時，場地土非線性對地震反應(yīng)的影響可以忽略，結(jié)合本文所建立場地為II類場地，分段等效輸入模型的閥值設(shè)為140cm／s2。
3.1 地震輸入時程的對比
選用其中一條地震記錄Am-2-B-BPL160作為典型地震波場地反應(yīng)分析，加速度時程如圖5所示。
由圖5可知，整體上，均勻場地模型相對于軟弱夾層場地模型，對地震動峰值有更為突出的放大作用。分段等效線性化反應(yīng)相對于傳統(tǒng)等效線性化反應(yīng)對地震動峰值的放大作用更為明顯，見圖5(a)和圖5(b)。對于地震峰值過后的小震，傳統(tǒng)等效輸入有較為突出的放大作用，而分段等效輸入放大作用并不明顯，這一點從圖5(b)可明顯看出。對于加速度時程反應(yīng)，均勻場地的放大作用比軟弱夾層場地明顯，見圖5(c)。
將計算結(jié)果歸類總結(jié)，不同工況、不同輸入分析方法的加速度時程峰值見表6。
從表6可知，均勻場地對地震動峰值的放大作用比較明顯，而軟弱夾層場地對地震動峰值放大作用不突出甚至有削弱作用，從場地加速度時程反應(yīng)方面，建議建筑選址應(yīng)適當考慮軟弱夾層對地震動耗能帶來的有利影響。整體上，對于加速度時程峰值，分段等效線性化反應(yīng)比傳統(tǒng)等效線性反應(yīng)大，傳統(tǒng)等效線性化方法計算的加速度是偏小的，場地分析應(yīng)考慮采用分段等效線性化模型。
3.2 結(jié)構(gòu)地震輸入反應(yīng)譜對比
經(jīng)過場地反應(yīng)得到加速度時程，再求出加速度時程的動力放大系數(shù)反應(yīng)譜，見圖6。
傳統(tǒng)等效線性化反應(yīng)在中高頻段相對于分段等效線性化反應(yīng)，有較為突出的放大作用，見圖6(a)和圖6(b)。從圖6(c)中可知，同一地震記錄中兩種工況的反應(yīng)譜形狀相似，但與基巖反應(yīng)譜相比，在不同頻段兩者卻有著不同反應(yīng)情況，這與場地土以及輸入時程的頻譜特性有關(guān)。在高頻段(<0.1 s)，基巖地震波大于兩種場地反應(yīng)，說明場地對地震波在該頻段耗能明顯；在中高頻段（0. 2s<T<0.8s），軟弱夾層場地較均勻場地耗能作用明顯；在中低頻段，均勻場地有較為明顯削弱作用，而軟弱夾層場地確有明顯的放大作用，軟弱夾層場地可以包絡(luò)均勻場地和基巖地震動反應(yīng)譜；在低頻段，三者趨于一致，場地對地震動在此頻段放大或縮小作用幾乎沒有�？傮w上地震動分析呈現(xiàn)穩(wěn)定趨勢，但不能忽視不同模型在某些特定頻段反應(yīng)譜波峰交替出現(xiàn)情況。
將不同場地類型、不同預(yù)測地震動輸入模型歸類總結(jié)，在場地卓越周期點(0. 467s)的動力放大系數(shù)見表7。
從表7可知，在場地卓越周期點附近，軟弱夾層場地的放大作用較均勻場地放大作用明顯，場地分析應(yīng)該考慮軟弱土層對地震動在場地卓越周期附近較為突出的放大作用，同時建筑結(jié)構(gòu)自振周期應(yīng)該盡量避免軟弱夾層場地的卓越周期，以免在此處動力放大明顯帶來的不利影響。整體上，傳統(tǒng)等效線性化模型的動力放大系數(shù)比分段等效線性化方法大，而基巖波的動力放大系數(shù)最小，這說明傳統(tǒng)等效線性化分析模型反應(yīng)結(jié)果較為保守，場地分析應(yīng)適當用分段等效線性化模型來考慮場地放大作用的影響。
4 高層建筑地震響應(yīng)分析
本文所建立高層建筑模型為雙軸對稱、豎向規(guī)則結(jié)構(gòu)，時程分析為X為方向，分別輸入上一節(jié)經(jīng)過場地反應(yīng)計算得出的地表的加速度時程，另加本文所選用的基巖地震記錄共18種工況，本節(jié)結(jié)構(gòu)響應(yīng)輸出結(jié)果方向均為X向。
4.1 結(jié)構(gòu)加速度時程反應(yīng)
高層建筑模型時程分析中，其中一條地震記錄Am-2-B-BPL160時程分析中結(jié)構(gòu)最高點的加速度時程反應(yīng)見圖7。
對比圖7(a)和圖7(b)，可明顯看出均勻場地高層建筑頂點加速度時程整體上大于軟弱夾層場地。軟弱夾層場地中傳統(tǒng)等效輸入模型及分段等效輸入模型的結(jié)構(gòu)頂點加速度峰值分別為655. 30cm/s2和643. 39cm/s2，均勻場地中傳統(tǒng)等效輸入模型及分段等效輸入模型的結(jié)構(gòu)頂點加速度峰值分別為680. 93 cm/s2和692. 57 cm/s2，均勻場地頂點加速度峰值大于軟弱夾層場地頂點加速度峰值。將結(jié)構(gòu)頂點加速度峰值比上對應(yīng)的地震輸入的加速度峰值，見表8，軟弱夾層場地放大倍數(shù)均值為2. 02，而均勻場地傳統(tǒng)的比值均值為1.81，可知經(jīng)過結(jié)構(gòu)反應(yīng)后，軟弱夾層場地的加速度峰值放大倍數(shù)大于均勻場地加速度放大倍數(shù)，即軟弱夾層更容
易使建筑結(jié)構(gòu)具有不安全因素。
4.2頂點反應(yīng)
結(jié)構(gòu)頂點最大位移見表9。
整體上，軟弱夾層場地的結(jié)構(gòu)頂點位移大于均勻場地的頂點位移，結(jié)合表6地震輸入的加速度峰值，可知結(jié)構(gòu)響應(yīng)中的頂點最大位移并不簡單地隨地震輸入的加速度峰值變大而增大；兩種地震輸入分析方法中，等效線性化模型輸入結(jié)果比分段等效線性化模型輸入結(jié)果大。
4.3 層間位移、剪力、彎矩的對比
將均勻場地和軟弱夾層場地按預(yù)測地震波輸入模型的不同分為等效線性輸入、分段等效線性輸入兩種模型，每種模型的分析數(shù)據(jù)取3條輸入波結(jié)構(gòu)對應(yīng)反應(yīng)的平均值，共三組圖：層間位移角見圖8，層間彎矩見圖9，層間剪力見圖10。
從圖8可知，對于同一種場地，傳統(tǒng)等效輸入模型的層間位移大于分段等效線性模型，同時分段等效輸入和傳統(tǒng)等效輸入在建筑結(jié)構(gòu)的頂層和底層的層間位移角差異較小，而在中部樓層間差異大，見圖8(a)和圖8(b)，傳統(tǒng)等效線性輸入會對地震波的造成樓層變形能力估計比較保守。整體上，軟弱夾層場地中的結(jié)構(gòu)響應(yīng)比均勻場地結(jié)構(gòu)響應(yīng)大，見圖8(c)和圖9(c)，這說明地震波經(jīng)過軟弱夾層場地傳播后，結(jié)構(gòu)反應(yīng)將更加加劇，破壞可能更加嚴重，建筑場地選址建議盡量避免在具有軟弱夾層的場地。
5 結(jié)論
本文以高層建筑結(jié)構(gòu)和軟弱夾層場地為研究對象，場地運用了傳統(tǒng)等效線性化、分段等效線性化兩種分析模型，進一步計算和分析了不同預(yù)測地震動輸入模型下，軟弱夾層對高層建筑地震響應(yīng)的影響。通過上述分析，得到結(jié)論如下：
1)傳統(tǒng)等效線性化模型在中高頻段放大作用更為明顯，綜合考慮，場地分析建議使用分段等效線性化模型。
2)場地對地震波在不同頻段有不同的放大或縮小作用，特別應(yīng)注意的是在中低頻段，均勻場地有更為明顯的削弱作用；在場地卓越周期段，軟弱夾層場地放大作用更為明顯。
3)在場地分析中，均勻場地對地震動加速度峰值有較為明顯的放大作用，而軟弱夾層場地對地震動峰值有較小放大甚至有削弱影響。
4)在結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析中，軟弱夾層模型的結(jié)構(gòu)頂點處的峰值加速度相對于地震輸入的峰值加速度的放大率大于均勻場地模型對應(yīng)放大率，即軟弱夾層場地更易給高層建筑帶來潛在安全問題。
5)對于軟弱夾層場地，建筑結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)其層間位移角、層間剪力等建筑結(jié)構(gòu)主要抗震分析指標大于均勻場地，這說明地震波經(jīng)過軟弱夾層場地土層傳播后，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)將加劇，破壞更加嚴重。
6)兩種地震輸入模型對高層建筑結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)有不同，整體上分段等效線性化結(jié)果相對傳統(tǒng)等效線性化結(jié)構(gòu)小。
