V型偏心支撑钢框架近场地震反应

王华飞，顾 强

（苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011）

V型偏心支撑钢框架近场地震反应

王华飞，顾 强

（苏州科技大学 土木工程学院，江苏 苏州 215011）

以位于发震断裂两侧5 km以内的V型偏心支撑钢框架为研究对象，依据现行 《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）考虑近场地震作用，将地震动参数乘以放大系数1.5，设计了10层、15层和20层3个V型偏心支撑钢框架。为评价规范近场地震作用放大系数的合理性，根据场地条件和近场地震动特征选取了9条地震波，对所设计结构进行了弹塑性时程分析，得到结构的层剪力和层间位移角。结果表明，多遇地震下，3个结构的层剪力均大于规范近场设计地震作用，层间位移角均超过规范弹性限值1/250；罕遇地震下，3个结构的层间位移角均超过弹塑性限值1/50，不满足“大震不倒”的要求。

近场地震；V型偏心支撑钢框架；层剪力；层间位移角；弹塑性时程分析

近年来一些强烈地震，如1994年美国Northridge地震、1995年日本Kobe地震、1999年台湾Chi-Chi地震、1999年土耳其Izmit地震和2008年汶川地震都对建筑结构造成了严重的破坏。震害资料[1]表明，损毁严重的结构主要位于断层附近。Somerville等[2]研究发现，由于近断层地震动的破裂方向性效应，在速度时程的开始阶段形成一个持时相对较短、峰值较大的速度脉冲并产生永久性地面位移。刘启方等[3]详细分析了近场地震动的特征，对速度脉冲和永久性地面位移特性也做了阐述。

很多学者对近场地震动反应谱的研究表明，近场地震动反应谱与远场地震反应谱有明显不同。反应谱加速度敏感区宽度与PGV/PGA比值密切相关（PGV-地震波峰值速度、PGA-地震波峰值加速度）。PGV/PGA越大，加速度敏感区的宽度越大[4]。反应谱位移敏感区出现的周期与PGD/PGV比值密切相关（PGD-地震波峰值位移）。PGD/PGV值越小，位移敏感区出现的越早。含有速度脉冲的近场地面运动有较大的PGV/PGA值，会在反应谱中产生较宽的加速度敏感区，对刚性结构的延性要求增加，如果同时具有较小的PGD/PGV值，将会增加对长周期结构的延性需求，使结构产生较大的内力和位移。

李明等[5]基于反应谱对近场地震动潜在的破坏性进行了分析，结果表明：双脉冲型近场地震动反应谱的谱值最大，与其他类型的地震动相比，高出7倍左右，潜在破坏作用最大。

弹性反应谱理论仍是现阶段抗震设计的最基本理论。极少数国家、地区的抗震设计规范已考虑近场脉冲型地震的影响，构建了近场地震反应谱，用于近断层区结构设计。我国现行 《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）[6]（以下简称《抗规》）的设计反应谱是根据大量远场地震记录统计得出的，没有考虑近场地震的影响。但《抗规》第3.10.3条规定，对于发震断裂两侧10 km以内的结构，地震动参数应计入近场影响，5 km以内宜乘以增大系数1.5，5 km以外宜乘以不小于1.25的增大系数。此规定没有考虑近场地震动反应谱形状的变化，采用同步放大了远场地震反应谱的谱值来提高近场设计地震作用，在条文说明中也未提出依据，其放大系数法及放大系数的合理性有待研究。

文中以V型偏心支撑钢框架为研究对象，基于所设计结构的近场地震反应评价《抗规》5 km以内近场地震作用放大系数1.5的合理性。

1 结构设计

1.1 设计信息及构件截面

依据《抗规》的近场地震作用，将地震动反应谱参数乘以放大系数1.5，设计了位于发震断裂两侧5 km以内的10层、15层和20层3个V型偏心支撑钢框架结构（以下简称V-EBF结构）。结构平面布置如图1所示，5-5轴线剖面如图2所示，支撑杆强轴位于框架平面内。

图1 V-EBF结构平面图

图2 V型偏心支撑钢框架

3个结构均位于发震断裂两侧5 km以内区域，抗震设防烈度为8度（0.3g），场地为II类，设计地震分组为第二组。屋面恒载为5.6 kN/m2，屋面不上人，活载为0.5 kN/m2；楼面恒载为4.0 kN/m2，活载为2.0 kN/m2；屋顶女儿墙线荷载为4.0 kN/m，外墙线荷载为8.3 kN/m，雪荷载为0.5 kN/m2，基本风压为0.45 kN/m2。梁、柱自重取1.1 kN/m。

钢材均用Q345，根据《抗规》条文说明第8.2.7条规定，支撑与耗能梁端的连接设计成刚接。

3个结构层高均为3.3m，跨度均为7.8m，耗能梁段长度为0.8m。假定水平地震作用全部由带偏心支撑榀框架承担，则每榀带偏心支撑框架承担结构全部水平地震作用的一半。

采用SAP2000软件对3个V-EBF结构进行设计，最终构件截面如表1～3所示。

表1 10层V-EBF构件截面

表2 15层V-EBF构件截面

表3 20层V-EBF构件截面

1.2 结构动力特性

各结构顶层重力荷载代表值为3 501.36 kN，标准层及底层重力荷载代表值为3 154.59 kN。对结构进行模态分析，得到了前3阶自振周期，如表4所示。

表4 V-EBF结构自振周期

2 近场地震波选取

考虑以下四个因素选取近场地震波。

（1）场地条件。所选地震动记录的场地条件应与结构所在场地相似[7]。我国《抗规》的场地类别是根据等效剪切波速和场地覆盖层厚度来划分的，分为I、II、III、IV类。美国抗震设计规范以地表土以下30m范围内的土层等效剪切波速Vs,30作为场地划分标准。吕红山、赵凤新[8]对中美两国场地分类指标进行了对比，给出了两国场地分类的联系，我国四类场地对应的地表土以下30m剪切波平均波速如表5所示。

表5 我国场地类别与Vs,30对照表

文中结构所属场地类别为II类，则所选近场地震波的地表土以下30m，剪切波平均波速应在260～510 m/s之间。

（2）震中距，所选地震波的震中距为0～5 km。

（3）震级，震级大于5.0级。

（4）近场地震特征。冯启明等[9]统计了震级M＞6.0，震中距在0～5 km范围近场地震动的地面峰值速度（PGV）特性，当 6.0＜M＜6.5，PGV 为 19.1m/s；6.5＜M＜7.0，PGV 为 63.6m/s；M＞7.0，PGV 为 85.1 m/s。 文中所选地震动记录地面峰值速度PGV＞50 cm/s。邵广彪等[10]统计了近断层地震动的峰值加速度，震中距在0～5 km以内，震级M为6.0～6.5时，地面峰值加速度PGA为271.7 Gal（0.28g）；震级M为6.5～7.0时，地面峰值加速度PGA为477.4 Gal（0.49g）；震级M大于7.0时，地面峰值加速度PGA为546.8 Gal（0.56g）。文中所选地震动记录的地面峰值加速度PGA＞0.2g。Chin-Hsiung L等[11]讨论了近断层地震动有无脉冲的标准，指出PGV/PGA值是识别近断层地震脉冲效应的主要特征，当PGV/PGA＞0.2 s时，可以认为地震波含有明显的速度脉冲。

根据以上选波条件，从美国太平洋工程地震研究中心（PEER）筛选了9条天然地震波，具体信息见表6。图3为ULO090地震波的加速度和速度时程，速度时程中含有明显的强脉冲。

表6 地震波信息

图3 ULO090地震波加速度和速度时程

3 近场地震波放大系数谱

以地震动峰值地面加速度PGA为基准对所选的9条近场地震波加速度反应谱的谱值进行标准化处理，将标准化β谱的平均值，与《抗规》中的远场标准β谱进行比较，如图4所示。

从图4看出，近场地震波的β谱平台段明显比《抗规》标准β谱宽，说明落在加速度敏感区的周期变长。对处于发震断裂两侧5 km以内的短周期结构，按抗震规范设计是安全的；对于中长周期结构，特别是周期在1～3 s之间，近场地震波的β谱值比标准β谱值大很多。当周期T=2 s时，《抗规》标准值约为0.5，乘以近场地震作用放大系数1.5后为0.75，而文中近场谱值约为1.20，比《抗规》值大出很多。

图4 动力放大系数谱

4 近场多遇地震下V-EBF结构层剪力

多遇地震水准下，对3个V-EBF结构分别进行动力弹塑性时程分析，得到各结构的层剪力，如图5所示，图中《抗规》计算值已计入放大系数1.5。

图5 近场多遇地震下V-EBF结构层剪力

由图5（a）可知，10层V-EBF结构在各地震波作用下的层剪力几乎全部大于《抗规》振型分解反应谱法计算值。在结构上部，动力弹塑性时程分析所得层剪力与《抗规》地震作用计算值差异较小；在结构下部，二者差异较大。在地震波ULO090和PTS225作用下，结构底层剪力分别为6 846 kN和7 641 kN，分别是《抗规》层剪力（3 571 kN）的1.9倍和2.1倍，而在其他地震波作用下，结构层剪力相对较小。地震波ULO090和PTS225的脉冲周期分别为1.62 s和1.86 s，与10层结构基本自振周期1.41 s较为接近，易与结构第一阶振型发生共振，放大结构地震响应，故在这两条地震波作用下结构层剪力最大。说明了地震波的脉冲周期对结构层剪力影响显著。

从图5（b）和图5（c）可以看出，地震波的脉冲周期对15层和20层结构层剪力的影响亦相当显著。地震波PS10 047的脉冲周期2.5 s，与15层和20层结构的基本自振周期均较为接近，由于共振效应，在此地震波作用下，两个结构中下部的层剪力均比其他地震波大。

各结构动力弹塑性时程分析所得层剪力与《抗规》计算值比较，在结构上部二者差异较小，在结构下部，二者差异较大。对于结构底层剪力，10层结构动力弹塑性时程分析所得底层剪力平均值5 581 kN，《抗规》计算值为3 571 kN，前者为后者1.56倍；对于15层结构，弹塑性分析所得底层层剪力平均值为5 913 kN，是《抗规》计算值3 684 kN的1.61倍；对于20层结构，弹塑性分析所得到的底层剪力平均值为8 030 kN，是《抗规》计算值4 493 kN的1.79倍。多遇地震下3个结构动力时程分析所得的层剪力平均值均远大于《抗规》计算值，说明依据《抗规》考虑近场地震作用放大系数1.5，计算处于发震断裂两侧5 km以内V-EBF结构的水平地震作用不能满足结构抗震需求。

5 V-EBF结构层间位移角

在《抗规》中，结构层间位移角是判断结构变形是否超限的重要指标。本节分析了各结构在多遇及罕遇地震下的层间位移角，评价了《抗规》近场地震作用放大系数1.5的合理性。

5.1 近场多遇地震下结构层间位移角

近场多遇地震下，各结构的层间位移角如图6和图7所示。

图6 近场多遇地震下V-EBF结构层间位移角

图7 近场多遇地震下V-EBF结构层间位移角（平均值）

从图6可以看出，在各条地震波作用下，V-EBF结构层间位移角曲线的离散性较大，但其变化趋势大致相同，在结构顶部和底部，层间位移角较小，在结构中部，层间位移角较大，说明地震波激发了结构高阶振型的响应。地震波的脉冲周期与结构自振周期接近时，结构地震反应显著增大。地震波PTS225的脉冲周期为1.86 s，与10层和15层结构的基本自振周期较为接近，激发了结构第一振型的响应，在此地震波作用下，两结构的层间位移角均较大。地震波PS10 047的脉冲周期为2.5 s，与15层20层结构的基本自振周期较为接近，由于共振，两结构在此地震波作用下的层间位移角显著大于其他地震波。

图7为3个结构动力弹塑性时程分析所得层间位移角的平均值，除底部和顶部少数楼层外，大部分层间位移角均远超过《抗规》弹性层间位移角限值1/250，说明对处于发震断裂两侧5 km以内的V-EBF结构，按《抗规》考虑近场效应的影响，将地震动参数乘以放大系数1.5对结构进行设计，在多遇地震下，结构的大部分楼层位移不满足变形要求。

5.2 近场罕遇地震下结构层间位移角

近场罕遇地震下，各结构的层间位移角如图8和图9所示。

图8 近场罕遇地震下V-EBF结构层间位移角

图9 近场罕遇地震下V-EBF结构层间位移角（平均值）

近场罕遇地震下，结构进入弹塑性状态，抗侧刚度降低，自振周期增加。从图8可以看出，引起各结构地震反应较大的地震波与多遇地震下稍有不同。从结构整体变形趋势分析，罕遇地震下，层间位移较大的楼层明显下移。图9为各结构动力弹塑性时程分析结果的平均值，3个结构的最大层间位移角均超过《抗规》弹塑性层间位移角限值1/50，不满足"大震不倒"的要求。

6 结论

（1）地震波脉冲周期对结构地震反应的影响显著，当其与结构自振周期接近时，由于共振效应，结构地震反应较大。（2）近场多遇地震下，3个V-EBF结构动力弹塑性时程分析所得层剪力平均值均远超过《抗规》的设计层剪力。在结构底层，二者差异最大，10层结构，动力弹塑性时程分析结果是《抗规》设计值的1.56倍，对于15层和20层结构，底层剪力分别是《抗规》设计值的1.61和1.79倍，表明按《抗规》计算的结构设计地震作用不能满足结构抗震需求。（3）近场多遇地震下，3个V-EBF结构的层间位移角均远超过《抗规》弹性层间位移角限值1/250，不满足结构在多遇地震下的层间位移要求。（4）近场罕遇地震下，各结构的层间位移角均超过《抗规》弹塑性层间位移角限值1/50，不满足"大震不倒"的要求。

综上所述，《抗规》对处于发震断裂两侧5 km以内的结构，考虑近场地震作用的影响，将远场地震作用乘以放大系数1.5，不能满足近断层区结构抗震需求。

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Seismic behavior of V-eccentrically braced steel frames under near-fault earthquake

WANGHuafei,GU Qiang
（School of Civil Engineering,SUST,Suzhou 215011,China）

V-eccentrically braced steel frames located on both sides of causative fault within 5km were studied.According to the current Code for Seismic Design of Buildings （GB50011-2010）,the near-fault earthquake action was considered and the ground motion parameter was multiplied by the amplification factor 1.5,and then 10-story,15-story and 20-story V-eccentrically braced steel frames were designed.In order to evaluate the rationality of amplification coefficient of the near-fault earthquake action in the seismic code,according to the site condition and the characteristics of near-fault records,9 seismic waveswere selected and the nonlinear time history analysiswas carried out,the story shear and inter-story drift of V-eccentrically braced steel frameswere obtained.The average story shear obtained through nonlinear time historymethod was larger than the design seismic action.The result shows that the inter-story drift of the three structures overtopped the limited value 1/250 and 1/50 under the frequent and rare earthquakes respectively,and the structures cannotmeet “no collapse under strong earthquake”under the rare earthquake.

near-fault earthquake;V-eccentrically braced steel frames;story shear;inter-story drift;nonlinear time history analysis

TU391

：A

：2096-3270（2017）03-0001-06

（责任编辑：秦中悦）

2016－11-28

国家自然科学基金项目（51278320）

王华飞（1991-），女，山东菏泽人，硕士研究生。

顾 强（1953-），男，教授，博士，从事钢结构教学与科研工作，Email：guqiang383@163.com。