地震动参数对混合结构破坏的影响

【摘要】：本文主要针对高层钢—混凝土混合结构模型进行了地震作用下的能量反应分析，选取不同的地震动参数对混合结构的总输入能及其分配情况以及混合结构的滞回耗能分布情况进行了研究。

【关键词】：地震动参数；混合结构；能量反应

Abstract: This article is mainly for high-rise steel - concrete hybrid structure model, the energy response analysis under earthquake effect, select a different ground motion parameters, the total input of the hybrid structure and its distribution and stagnation of the hybrid structure back to the energy consumption distribution to conduct research.Key words: ground motion parameters; hybrid structure; energy response

中图分类号：P315.9文献标识码： A 文章编号：2095-2104（2012）07-0020-02

1、前言

钢一混凝土混合结构是一种新兴的结构体系，目前，在我国的高层建筑结构中，被大量应用。而我国是多地震国家，但是目前国内外对这种结构的抗震性能的理论及试验研究还不够充分与完善，对其在地震作用下的反应特征知之甚少，到目前为止还没有一套这类结构的抗震设计方法与安全保障指标和构造体系。因此，为了适应我国这种新兴结构形式的建设速度，对混合结构的抗震性的研究是目前亟待解决的问题。

2、地震动参数

地震动是由震源释放出来的地震波引起的地面运动，它是由不同频率、不同幅值（或强度）在一个有限时间范围内的集合。所以通常以地震动的幅值、频谱和持时三个参数来表达地震动的特性。

2.1、地震动的幅值特性

对于地震动的认识首先源于其强度水平，并采用幅值参数来衡量。地震动幅值是指加速度、速度或位移等物理量任何一种的峰值、最大值或某种意义下的等代值。它具有多种定义形式，如峰值、有效峰值、平均振幅、谱强度等，各幅值定义的区别在于他们分别刻画了地震动强度水平的不同侧面，除此之外，其它幅值均具有有效或等效的意义。

2.2、地震动的频谱特性

不同的地震动过程具有不相同的频谱组成，地震工程中常用反应谱、傅氏谱和功率谱来描述。其中，反应谱通过不同自振特性的单自由度结构的最大地震反应建立了结构反应与地震动频谱特性之间的直接关系，在工程抗震分析中应用最广；傅氏谱和功率谱是随机振动分析中用以描述随机过程频谱特性之间的主要工具，更为直接地反映了振动过程中不同频率成分的能量贡献或者说能量在各频率上的分布，更便于随机过程的模拟，在地震中的应用较为广泛。

2.3、 地震动的持时特性

地震学中所指的地震持时通常指绝对持时，即由初至波到达时至可见记录消失并出现脉动信号的时间间隔。地震动持时对结构的破坏的影响主要发生在结构进入非线形阶段之后，对结构的累积滞回耗能有显著而直接的影响。

其中峰值加速度(A)，地震波峰值速度与峰值加速度的比值(V／A)、以及强震持时(Δt)是描述地震波对混合结构破坏的3个重要参数,峰值加速度是结构抗震分析与设计中最常用的指标，因为其与结构所受到的惯性力相关；V／A反映了场地条件对地震波的影响；强震持时反映了地震波中能量输入最为集中部分所占据的时间段，定义。其中式中为地震波加速度。

3、伤指数模型

近年来国际地震工程界提出的最有代表性的考虑结构累积损伤特点的损伤指数模型是Park YJ和Ang AHS等人提出的一个由变形和能量线性组合表达的破坏指数，它能在变形分析的基础上考虑滞回耗能的累积：式中：δm为地震作用下的最大位移；δu为单调加载下的极限变形；Qy为屈服强度；β为一非负常数；为地震过程中累积的滞回耗能。Kunnath等人针对结构的塑性变形常以塑性铰的形式集中出现在某些区域的现象，在前人的基础上提出了结构构件塑性铰区域的破坏指数计算公式:

式中：θm为地震作用下的最大转角；θu为单调加载下的极限转角；θr为卸载后可恢复转角；My为屈服弯矩；Eh为累积的滞回耗能．

4、混合结构分析模型

结构模型为15层钢-混凝土混合结构，各层层高4m，结构平面尺寸为20.4m × 20.4m，混凝土核心筒面积占11.1％。钢框架构件均采用方钢管，材料为Q235 钢，混凝土弹性模量取为3.15×104MPa ，阻尼比取0.04；钢管柱和钢管梁的截面尺寸分别为500mm×500mm×30mm ，400mm×300mm×２0mm ，混凝土剪力墙厚200mm，钢框架采用双线型恢复力模型，剪力墙弯曲弹簧采用退化三线型恢复力模型，剪力墙弯曲弹簧采用退化三线型恢复力模型，剪切弹簧采用原点指向三线型恢复力模型，剪力墙单向开洞，门洞口尺寸为2000mm×2800mm 。动力分析采用瑞雷阻尼模型，取10，12，14层作为时程分析对象．为了研究混合结构的破坏情况，对结构采用以下破坏准则：

（1)某层的弹塑性层间位移角超过1/80；（2)出现一定数量的塑性铰并导致结构向可变体系转化．结构平面布置如图１ 所示，结构的三维透视图如图2所示。

图1 结构平面图布置图

图2 结构三维透视图

4.1、A对D的影响

图中的每条曲线代表每条地震波在其加速度峰值提高的情况下，A与D之间的关系．通过观察图中曲线可以发现以下规律：①随着A的增加，曲线在开始的时间处于较为陡直的上升段，当混合结构达到某一损伤程度后，曲线会趋于平缓；②不同地震波的曲线由上升段趋于平缓的折点所对应的D值较为接近；③混合结构的自振周期越大，前述2条规律的离散程度越大．

图33个结构的A-D关系曲线图

4.2、V／A对D的影响

图中的4条曲线分别代表每条地震波在不同加速度峰值下的V／A—D关系．从图4可以看出对于不同周期的结构以及不同地震波加速度峰值，V／A值大的地震波对混合结构产生的破坏力会越强．对图4中的各个图比较可知，长周期结构在高幅值地震作用下，V／A与D之间将难以保持增函数关系。

图43个结构的V/A-D关系图（15条波）

为了研究强震持时t对V/A-D关系的影响，选取t值相近的地震波来进行研究，图5为相应的关系曲线．与图4相比，图5中的曲线趋于平缓，V／A与D之间能够保持更加稳定的增函数关系．这说明地震波强震持时t对V／A与D之间的增函数关系有着干扰．从图4可以看出结构的自振周期越大，曲线的跳跃性越明显，这说明t对长周期混合结构的影响要强于短周期混合结构．

图5 3个结构的V/A-D关系图（8条波）

5、结论：

对于钢框架一混凝土混合结构体系：

1) 混合结构破坏的程度随着地震波峰值加速度A的增大不断提高，提高的速度先急后缓．

2)长周期结构在高幅值地震作用下，V／A与D之间将难以保持增函数关系。

3)地震波强震持时对混合结构破坏的影响随结构自振周期的增大而增大．

4)本文中地震波的幅值、频谱特性对不同周期结构破坏的影响，可以利用结构破损计算公式利用它较为准确地表现出来．【参考文献】

[1]《复杂高层建筑结构抗震理论与应用》吕西林等，科学出版社

[2] 《高层结构设计》包世华等，清华大学出版社

[3] 《现代高层建筑结构设计》赵西安等，科学出版社

[4] 《地震工程学》胡律贤等，地震出版社

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。