近场地震下框架剪力墙高层结构地震易损性分析

摘要：结合已有的研究成果，总结近场地震动的主要特点；根据中国规范给出结构4个性能水平定义及相应的量化指标限值；根据断层距等因素选取近场、远场各20条地震波并对地震波记录进行调幅，保证地震波平均谱在结构基本周期处与规范的一致性。考虑地震波的不确定性，对2栋不同高度框架剪力墙结构进行地震易损性分析，得到相应的地震易损性曲线，并对两结构的抗震性能进行对比。结果表明：20层结构的层间位移地震动需求大于30层结构；近场地震波将引起结构损伤且大于远场地震波。

关键词：近场地震；易损性分析；框架剪力墙；高层结构

中图分类号：TU973.31 文献标志码：A

Abstract： A comparative study was carried out to examine the seismic behavior of highrise framewall structures subjected to farfault and nearfault earthquakes. Four performance levels and corresponding quantitative damage states were defined according to the Chinese code. Two ground motion bins consisting of 20 records each were generated and classified as farfault and nearfault motions based on distance to fault rupture. The records were scaled so that the mean spectral acceleration at the fundamental period of the structures was hazardconsistent. Considering the randomness of input ground motions， seismic fragility analysis was carried out on two framewall structures with different heights， and the relative seismic fragility curve was given. The relative seismic performance of the two structures designed according to the Chinese code was compared. The results show that the 20story structure is likely to experience higher interstory drifts than the 30story structure and that nearfault ground motions are more damaging than farfault ground motions.

Key words： nearfault ground motion； fragility analysis； framewall； highrise structure

0 引 言

地震发生时，在极短时间内释放大量能量，给社会造成巨大的经济损失和人员伤亡。根据断层距离的大小，可将地震划分为近场地震和远场地震。近年来全球发生的几次著名地震（例如1995年日本阪神地震、1999年台湾集集地震以及2008年汶川地震），均发生在人口密集地区，带有明显的近场效应。针对近场地震对各类工程结构产生的影响，各国学者展开了大量的研究。Bertero等[1]发现含脉冲的近场地震将在固定基底结构中引起更大的结构反应。Anderson等[2]指出当加速度脉冲的脉冲持时大于结构固有周期时，结构的地震响应更大。Iwan[3]认为近场地震波沿建筑物高度以波的形式传播，传统的振型分解法和集中质量模型不能准确描述地震脉冲效应，持时长的地表脉冲将激发结构的高阶模态反应。Liao等[4]认为Pushover分析得出的位移需求并不能准确预测结构在近场地震作用下的反应，提出地面速度峰值与地面加速度峰值的比值、谱速度、地震的输入能量这3个参数将显著影响近场地震下结构的行为。Chopra[5]在研究近场和远场地震的谱特征时发现：相较于远场地震垂直断层方向的近场地震拥有更窄的速度敏感区和更宽的加速度敏感区及位移敏感区。

中国《建筑抗震设计规范》（GB 50011―2010）对近场地震的考虑体现在设计地震分组的震源距离条件，而另一重要参数水平地震影响系数最大值的取值并未考虑场地类型和断层距等因素的影响。目前结构工程针对近场地震的研究集中于中低层建筑，少见于高层建筑，对近场地震下高层结构易损性分析的资料则更加缺乏。

本文选取不同特点的3组地震波，对2栋相同布置不同高度的框架剪力墙高层建筑进行地震易损性分析，对比不同高度、不同特征地震波作用下结构的抗震性能，考察按照中国规范设计的高层建筑结构在近场地震作用下的安全与性能。

1 近场地震下的结构易损性分析

与远场地震相比，近场地震最显著的特点是前方向性效应和滑冲效应，它们共同表现为地面的脉冲型运动，其中以速度脉冲最为常见。图1为Loma Prieta地震和台湾ChiChi地震中2条地震波的加速度、速度、位移时程曲线，前者具有前方向性效应，后者具有滑冲效应。从图1中可观察到明显的速度脉冲以及阶跃式的永久位移。

地震易损性是指给定地震强度下结构达到或超越各损伤状态的条件概率，本文采用的易损性分析方法为解析法，以框架剪力墙高层结构为研究对象，考虑地震动的不确定性，利用弹塑性动力时程分析方法，分析结构不同性能水平下的损伤状态，获得相应的易损性曲线，从而实现对近场地震下框架剪力墙高层结构的性能研究。图2为本文的易损性分析方法。

图2中结构性能水平是指在可能遇到的特定设计地震作用下所规定的最大容许破坏[6]。FEMA 273[7]将结构性能水平划分为4个等级，即正常使用（OP）、立即使用（IO）、生命安全（LS）和防止倒塌（CP）。每种性能水平都有特定的破坏程度与之对应。参照中国规范[8]对震后结构破坏等级划分的方法，给出本文的性能水平的定义和破坏状态描述，见表1。

为了定量描述各个性能水平，易损性分析中需要进一步定义极限状态量化指标。结构的层间位移角（Interstory Drift）定义明确，计算方法简单，是一种常见的损伤参数，它能在反映结构整体损伤情况的同时识别结构的软弱层位置。在实际的震后结构修复过程中，层间位移角也可被直接运用到梁柱等构件的性能评估及修复中。本文使用层间位移角作为损伤量化指标，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011―2010）[9]条文说明推荐的不同破坏等级下层间位移角限值的计算方法，给出本文不同性能水平下的量化指标限值（表2）。由于目前中国规范并未给出倒塌的定量描述，此处防止倒塌的层间位移角限值取自文献[10]。

2 计算程序和模型验证

本文使用三维结构非线性分析及性能评估软件PERFORM 3D进行动力弹塑性分析，分析模型采用刚性楼板假定，梁使用集中塑性铰模型，柱使用包含纤维截面的塑性区模型，考虑构件挠曲二阶效应；剪力墙使用通用墙单元，一维纤维单元模拟剪力墙平面内压弯效应，通过定义非线性剪切本构模拟剪力墙的平面内非线性剪切行为，软件采用嵌入刚性连接梁的方式连接剪力墙与梁，如图3所示。材料方面，混凝土本构采用“YULRX”五折线模型，根据混凝土规范[11]附录C中的公式及指标来确定相关参数，不考虑抗拉强度；钢筋本构采用三折线模型。

20世纪80年代初，美国和日本联合进行了7层框架剪力墙结构足尺寸模型的抗震试验[12]。根据当时美国和日本现行建筑规范及预先分析的计算结构对试验模型进行构件设计。模型尺寸如图4所示，平行于加载方向有三榀三跨框架，中间中跨有一榀剪力墙，垂直加载方向为四榀两跨框架。

根据试验报告所提供的材料、荷载等信息，使用前文所述的梁柱墙单元进行建模。对模型进行模态及动力非线性分析，并与试验实测数据进行对比。表3为模态试验结果与模拟结果的对比，图5为PSD4试验的拟合对比。

对比图5中2条曲线，程序模拟与试验数据走向基本一致，最大位移及其发生的时刻都吻合较好。

3 算例分析

3.1 模型简介

为考察中国规范设计的高层结构在近场地震下的安全性，同时对比不同高度结构的地震响应特点，在PKPM中设计20层和30层2栋结构相似的框架剪力墙建筑，结构设计过程中，确保各设计参数均符合《建筑抗震设计规范》（GB 50011―2011）[9]的最低要求。模型基本设计信息如下：结构抗震设防烈度为8度，地震分组一组，Ⅱ类场地。两建筑物结构平面布置相同，平面尺寸如图6所示。结构首层均为3.6 m，其他层3.3 m，高度分别为66.3，99.6 m，结构截面尺寸见表4。结构主要的抗侧力构件剪力墙的配筋率均取0.25%。由于结构平面和竖向布置规则且结构高度小于100 m，根据规范可不进行时程分析补充计算。楼板厚度均为120 mm，程序自动计算现浇楼板自重，另取楼面恒载2.5 kPa，活载2 kPa；屋面恒载取3 kPa，活载取3.5 kPa。两结构基本周期分别为2.13 s和2.59 s。本文的材料强度均使用材料强度平均值，根据《混凝土结构设计规范》，HRB400屈服强度fy=455.7 MPa，C30～C60混凝土抗压强度分别为28，39.8，42.9，50.1 MPa。

3.2 地震波选取

本文定义断层距离小于20 km的地震波为近场地震波，利用最新版PEER强震数据库 （PEER Ground Motion Database ― Beta 2010 Version）的筛 选功能，选取近场和远场地震波，根据地震震级，

震中距的条件初选2组地震波。再根据地震记录反应谱在结构基本周期处谱值与规范反应谱的匹配程度以及峰值加速度大小再次筛选，此处峰值加速度aPGA筛选条件取aPGA>0.1g（g为重力加速度）。需要说明的是，本文所用地震记录的场地分组方法与规范有所不同，其对应关系在文献[13]中已有研究，但由于现有近场地震波数据十分有限，若根据场地分组再次筛选所剩地震波将不能满足分析的统计意义，故此处对地震波峰值加速度作归一处理，并认为归一化后各场地的近场地震记录取平均反应谱可以定性地描述结构的反应特点。

按以上方法选出近场地震波20条，远场地震波20条，表5列出了所选近场地震波的台站信息。考虑所选地震波反应谱与规范的一致性，在选取地震波后对各组反应谱分别进行调幅，使得调幅后的各组地震波反应谱平均值在结构基本周期T1处的加速度谱值等于规范设计反应谱T1处的谱值。图7为阻尼比为5%的地震波弹性反应谱（其中Sa为谱加 速度），图中反应谱按30层结构基本周期进行调幅。对比2组反应谱曲线可以看出，相较远场地震波，近场地震波加速度平台明显更宽，使得反应谱下降段曲线被抬高，下降段曲线坡度更缓。

3.3 概率地震需求分析

采用经验证的PERFORM 3D分析模型对算例结构进行动力弹塑性时程分析。分析时采用刚性楼板假定，仅考虑单向地震作用，忽略竖向地震作用。图8（a）为1045号近场地震波作用下20层结构最大层间位移角，图8（b）为首层和第16层（结构最大层间位移角发生位置）层间位移角时程曲线。从图8可以看出高阶阵型对结构反应的显著影响。

选用谱加速度Sa作为地震强度参数，最大层间位移角θmax作为地震需求参数。根据规范中的规定，对3组地震波的峰值加速度按比例调整为400 cm・s-2，对应规范8度设防罕遇地震时程分析加速度最大值。经弹塑性时程分析得到Saθmax数据分布，如图9所示。图9中水平虚线依次代表4个性能水平下的损伤指标限值，即θ2，θ3，θ4，θ5，具体取值见表2，θ6=1/100为规范中框架剪力墙结构弹塑性层间位移角限值。图9中虚线间的区域代表结构不同的损伤等级。从图9可以看出，近场地震波作的数据点总于横坐标上部，说明相同峰值加速度作用下近场地震的结构层间位移反应偏大。图9（a），（b）均有θ6以上的数据点，且全部为近场地震，其中20层结构在近场地震波作用下位移反应θ>1/100的比例达到55%，说明规范中规定无须超限审查的高层建筑在近场地震作用下结构仍有较大的不安全性。

3.4 易损性曲线

易损性曲线用来表示在给定地震强度下结构超越某一损伤状态的强度概率，可将这一超越概率Pf表示为

将ln（θmax）和ln（Sa）的线性回归方程代入到式（3），根据不同极限状态的量化指标限值，便可求出两结构给定地震动需求下各性能水平的失效概率，进而得到结构的易损性曲线，如图11所示。图11中横坐标表示地震动大小，以Sa表示，纵坐标表示超越概率Pf，不同曲线代表不同的性能水平，曲线间区域代表结构不同的损伤状态。

观察易损性曲线特征可以发现，不同性能水平下的易损性曲线陡峭程度不同，说明其随着地震强度的增长超越概率大小的增长速度不同，从正常使用（OP）到防止倒塌（CP）曲线坡度逐渐变缓。对比图11（a），（b）的20层结构2组地震波下的地震易损性曲线可知，近场地震波4个性能水平的易损性曲线较远场地震波曲线更为陡峭，说明同等地震强度条件下，近场地震引起的结构损伤更大。造成这一现象的原因可通过对图11的分析得出。图12为两模型调幅后的平均反应谱加速度，其中T1，T2，T3分别为结构前3个弹性基本周期，当结构进入非线性阶段，结构周期将变长，这2组数值右移。从图12中可以看出，在周期T>1 s时近场地震加速度谱曲线均位于远场地震之上，即近场地震作用下结构响应更大，而两数值的差别在20层结构的曲线上更为明显。

对比图11同一组地震波两结构的易损性曲线可以发现，20层结构各性能水平下的易损性曲线相较30层结构曲线更陡峭，即相同地震波作用下30层结构比20层结构损伤更小。图13为两模型近场地震波易损性曲线的对比，图中8度设防地震（0.2g）下两高度的结构模型超越概率均接近100%；20层结构立即使用和生命安全的超越概率分别为98.9%和84.2%，而30层结构这2个性能水平的超越概率分别为78.9%和30.6%，均远低于20层结构。这一结果与图12分析结果一致。

4 结 语

（1）基于本文得到的结构地震易损性曲线，可以给出框架剪力墙结构在给定地震作用下结构的破坏概率，为地震灾害损失评估提供依据。

（2）相同地震强度下，高层框架剪力墙结构在近场地震作用下各性能水平的超越概率均高于远场地震作用下的超越概率。

（3）在相同地震动作用下，30层框架剪力墙结构的易损性优于20层框架剪力墙结构。

（4）本文所设计结构平面对称规则且高度符合规范的最大高度要求，按规范中规定无须进行时程分析的补充计算，而根据本文的分析结果，当近场地震作用时，结构仍可能出现远大于规范最大变形要求的侧移，说明中国规范设计结构在近场地震作用下偏于不安全。针对近场效应，建议规范设计反应谱的形成应更全面地考虑近场地震的影响，或者单独建立近场地震设计反应谱。

（5）由于地震波数据较为有限，本文未考虑地震波场地类型的影响，另外，在反应谱调幅方法上本文仅考虑了第一周期的谱值，在进一步研究中可考虑前三阶周期处的反应谱近似，使得输入的地震波与规范设计反应谱更具一致性。

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