软弱夹层场地高层框架结构地震输入及地震响应分析

张日新，杨笑梅，陈宇庭

（广东工业大学土木与交通工程学院，广东广州510006）

[摘要]高层结构地震输入的合理性对结构抗震设计及地震反应产生重要影响。本文以一典型高层框架结构及其所处场地为参考，建立有软弱夹层场地模型及具有同一卓越周期均匀场地模型，研究该软夹层基础对结构地震输入的影响。由于软弱夹层的存在本文采用了有别于传统的分段等效线性化方法预测地震输入，并与传统的等效线性化方法预测的地震输入对比，研究两种等效线性模型地震输入的差异及软弱夹层存在对地震输入的影响。进一步基于预测地震动分别计算了有无软弱夹层存在下该典型高层框架结构反应，研究软弱夹层存在对结构地震反应的影响。本文结果显示虽然软弱夹层存在会使结构地震动输入时程峰值变低，但结构反应却加剧。分段等效线性化输入模型的地震动加速度峰值普遍大于传统等效线性化模型，但传统等效线性方法预测的地震动计算所得的结构反应更加剧烈。

[关键词]软弱夹层；分段等效线性化；高层建筑；地震响应[中图分类号]TU352 

0 引言

 《建筑抗震设计规范》中建筑场地的类别的划分只是简单依据场地覆盖土厚度和土层等效剪切波速两个指标。依靠这两个指标划分的场地类型，无法体现均匀土层与各类复杂场地类型的差异。随着我国城市建设用地日趋紧张，填海工程大范围出现，新建于此的结构多为高耸或大跨的长周期结构。因此，近些年来研究软弱夹层对高层结构地震动输入地震反应的影响成为备受关注的问题，并获得了一些重要的成果。目前研究表明，含软夹层的软弱场地与常规类别场地对加速度放大系数、加速度峰值、频谱特性均产生一定影响。软弱夹层存在

一定程度上改变结构设计地震输入的特征已达成一定共识。

 对含软弱夹层土层场地地震反应的合理分析是预测结构设计地震输入的关键问题。等效线性方法仍然是场地非线性地震反应分析采用的主流方法，因为其原理简单，在广大工程实践中被普遍应用。但是，随着该方法在实际工程中被广泛使用，其局限性也逐渐被大家发现：等效非线性方法不能反应土层中真实的运动过程，当地震动输入较大时，计算误差较大，在计算软弱土层或软土场地时，会出现一些不合理现象。通过一些工程实例再现了该方法存在的这些不足之处。为了提高等效线性化方法的适用性，很多学者对等效线性方法提出了不少宝贵的改进意见。特别是王伟、周正华等人提出的分段等效线性化分析方法，该方法从不同程度上考虑了土体的非线性特征：将地震动的时程记录分为三段，前、后分段因地震动强度较低，产生剪应变较小，土体利用线性方法计算；中间一段地震动强度高，促使土体产生较大的剪应变，场地非线性效应明显，故该段地震动用等效线性化方法。这样的处理使得地震动的输入符合土体在地震波作用下的真实反应，使得等效线性化方法更趋于合理。

 高层建筑抗震分析，应考虑建筑选址为软弱夹层时有可能带来的不利作用，但多数学者对软弱夹层的研究基本局限于其对场地设计地震动参数的影响。当前，人们对具有软弱夹层场地的结构反应分析大多限于地下结构或者水利工程，如洞室工程、水利水电工程重力坝工程，而软弱夹层场地对高层建筑的影响探讨的比较少，通常只是依据地震动的特征定性地指出某些软弱夹层的场地的存在，对特定结构或长周期结构反应产生影响。可见，定量研究软弱夹层的场地对高层建筑的地震反应的特征将有利于提高这类结构的抗震设计水平，有较大的工程意义。

 基于上述分析，本文以某一典型高层框架结构为参考，对基础部分分别建立软弱夹层场地及具有同一特征周期均匀场地，研究该软夹层场地存在对结构地震输入的影响。由于软弱夹层的存在，本文采用相对于传统等效线性化更合理的分段等效线性化方法分析软弱夹层场地地震动，为了比较同时给出了传统等效线性化方法预测的地震动。基于预测的均匀及软夹层场地下的地震输入，进一步建立高层框架结构模型，计算结构地震反应，主要研究软夹层场地存在对结构反应的影响。

1  场地及结构分析模型及参数

 本文结构位于常见的Ⅱ类典型场地，依据实际工况，场地土模型尺寸总厚度取为60m，土分层层数见表1。典型场地中土体的剪切模量比及阻尼比随剪应变变化的土工试验曲线

，见表2。

 本文所建立的高层建筑结构模型为双轴对称框架结构模型，楼高46. 2m，层高3.3m，14层，楼板附加恒荷载取值为2．0k N/m2，活荷载取值为3. 0kN/m2，其余模型参数见表3。

 对结构进行模态分析时，需考虑附加恒荷载和活荷载对结构质量的增加作用。本工程自振特性分析采用了ETABS 9.7.4和PKPM进行对比分析，其分析结果较为接近，周期比见表4，结构第一扭转周期与第一平动周期的比1. 046/1. 217为0.859，低于《建筑抗震设计规范》要求的0.9限值，保证了后续分析结果的可靠性。图1为结构平面图，图2为ETABS模型三维图。

2  地震动输入的确定

 为了研究软弱夹层场地的影响，本文并未采用抗震规范的目标谱人工合成结构地震输入的方法获得地震输入，而是依据《工程场地地震安全性评价》的思路，采用统一的基岩输入。通过计算场地土层反应后，获得结构的地震输入，下面简要说明本文采用的基岩地震输入及分析土层反应的方法。

2.1  基岩地震记录的选取

 场地地震动可视为考虑了震源运动和传播路径的基岩地震动与局部场地地质条件共同作用的结果。不同地震动的场地反应和结构反应差异很大，选取的地震记录应满足地震动三要素。控制结构主要周期点与目标谱相符(差异不宜大于10%~20%)是工程常用方法，该法能使选出的地震波较好符合目标谱频谱特征。本文首先根据规范结合本文工况，选取考虑了在传播路径中产生的非弹性能量衰减和几何衰减的基岩目标谱，从太平洋地区地震工程研究中心地震动基础数据库中，选取满足其频谱特性的地震波。本文建筑物工程选址假设为广州，从《建筑抗震设计规范》（附录A）可查出该地抗震设防烈度为7 (0. 10g)，设计地震分组为第一组。选取《建筑抗震设计规范》（条文5.1.5）中衰减模型，参数为：特征周期根据I0类场地及地震分组定为0. 2s，建筑结构阻尼比为0.05，水平地震影响系数根据设防烈度及超越概率10%取为0.5。考虑实际选波的可操作性，本次选波控制周期点见表4。主峰值按《建筑抗震设计规范》中7度中震的加速度峰值规定统一调为220cm/s2，有效持时约为36. 68s~ 39. 99s。反应谱图见图3。加速度时程曲线见图4。

2.2  场地土层反应计算方法

 1)传统等效线性化方法

 土层地震反应分析是工程地震安全性评价中至关重要的一部分，将为上部结构提供地震动参数。当前，在我国工程场地地震安全性评价工作常采用一维等效线性化波动方法来进行土层地震反应分析。本文计算一维等效线性化模型是基于的频域等效线性化波动分析方法编制等效线性化程序LSSRLI-1，时间步矩设为△t =1 x10-3s。

  2)分段输入等效线性化方法

  为了使等效剪应变水平接近实际剪应变，减小等效剪应变与实际剪应变水平之间的差异，王伟等在等效线性化的基础上，提出了地震动的分段输入的方法，即利用等效线性化方法进行一维场地的土层反应计算时，对基底地震动时程采取分段输入，首先设定一阈值，在地震动时程第一次和最后一次超过该阈值的两个时间点处，将其分为3段，各取一半分别输入计算，将各分段计算结果叠加得到总的地震反应。

3  场地计算结果与分析

 综合考虑场地非线性分析，选用上节3条地震波作计算输入，计算了传统等效线性化模型和分段等效输入模型。需要说明分段等效线性化原理根据土层非线性效应随输入地震动强度增加越来越明显，当地震动小于某一阀值时，各类场地在等效剪切波速变化率小于20%时，场地土非线性对地震反应的影响可以忽略，结合本文所建立场地为II类场地，分段等效输入模型的阀值设为140cm／s2。

3.1  地震输入时程的对比

 选用其中一条地震记录Am-2-B-BPL160作为典型地震波场地反应分析，加速度时程如图5所示。

 由图5可知，整体上，均匀场地模型相对于软弱夹层场地模型，对地震动峰值有更为突出的放大作用。分段等效线性化反应相对于传统等效线性化反应对地震动峰值的放大作用更为明显，见图5(a)和图5(b)。对于地震峰值过后的小震，传统等效输入有较为突出的放大作用，而分段等效输入放大作用并不明显，这一点从图5(b)可明显看出。对于加速度时程反应，均匀场地的放大作用比软弱夹层场地明显，见图5(c)。

 将计算结果归类总结，不同工况、不同输入分析方法的加速度时程峰值见表6。

 从表6可知，均匀场地对地震动峰值的放大作用比较明显，而软弱夹层场地对地震动峰值放大作用不突出甚至有削弱作用，从场地加速度时程反应方面，建议建筑选址应适当考虑软弱夹层对地震动耗能带来的有利影响。整体上，对于加速度时程峰值，分段等效线性化反应比传统等效线性反应大，传统等效线性化方法计算的加速度是偏小的，场地分析应考虑采用分段等效线性化模型。

3.2  结构地震输入反应谱对比

 经过场地反应得到加速度时程，再求出加速度时程的动力放大系数反应谱，见图6。

 传统等效线性化反应在中高频段相对于分段等效线性化反应，有较为突出的放大作用，见图6(a)和图6(b)。从图6(c)中可知，同一地震记录中两种工况的反应谱形状相似，但与基岩反应谱相比，在不同频段两者却有着不同反应情况，这与场地土以及输入时程的频谱特性有关。在高频段(<0.1 s)，基岩地震波大于两种场地反应，说明场地对地震波在该频段耗能明显；在中高频段（0. 2s<T<0.8s），软弱夹层场地较均匀场地耗能作用明显；在中低频段，均匀场地有较为明显削弱作用，而软弱夹层场地确有明显的放大作用，软弱夹层场地可以包络均匀场地和基岩地震动反应谱；在低频段，三者趋于一致，场地对地震动在此频段放大或缩小作用几乎没有。总体上地震动分析呈现稳定趋势，但不能忽视不同模型在某些特定频段反应谱波峰交替出现情况。

 将不同场地类型、不同预测地震动输入模型归类总结，在场地卓越周期点(0. 467s)的动力放大系数见表7。

 从表7可知，在场地卓越周期点附近，软弱夹层场地的放大作用较均匀场地放大作用明显，场地分析应该考虑软弱土层对地震动在场地卓越周期附近较为突出的放大作用，同时建筑结构自振周期应该尽量避免软弱夹层场地的卓越周期，以免在此处动力放大明显带来的不利影响。整体上，传统等效线性化模型的动力放大系数比分段等效线性化方法大，而基岩波的动力放大系数最小，这说明传统等效线性化分析模型反应结果较为保守，场地分析应适当用分段等效线性化模型来考虑场地放大作用的影响。

4  高层建筑地震响应分析

 本文所建立高层建筑模型为双轴对称、竖向规则结构，时程分析为X为方向，分别输入上一节经过场地反应计算得出的地表的加速度时程，另加本文所选用的基岩地震记录共18种工况，本节结构响应输出结果方向均为X向。

4.1  结构加速度时程反应

 高层建筑模型时程分析中，其中一条地震记录Am-2-B-BPL160时程分析中结构最高点的加速度时程反应见图7。

 对比图7(a)和图7(b)，可明显看出均匀场地高层建筑顶点加速度时程整体上大于软弱夹层场地。软弱夹层场地中传统等效输入模型及分段等效输入模型的结构顶点加速度峰值分别为655. 30cm/s2和643. 39cm/s2，均匀场地中传统等效输入模型及分段等效输入模型的结构顶点加速度峰值分别为680. 93 cm/s2和692. 57 cm/s2，均匀场地顶点加速度峰值大于软弱夹层场地顶点加速度峰值。将结构顶点加速度峰值比上对应的地震输入的加速度峰值，见表8，软弱夹层场地放大倍数均值为2. 02，而均匀场地传统的比值均值为1.81，可知经过结构反应后，软弱夹层场地的加速度峰值放大倍数大于均匀场地加速度放大倍数，即软弱夹层更容

易使建筑结构具有不安全因素。

4.2顶点反应

结构顶点最大位移见表9。

 整体上，软弱夹层场地的结构顶点位移大于均匀场地的顶点位移，结合表6地震输入的加速度峰值，可知结构响应中的顶点最大位移并不简单地随地震输入的加速度峰值变大而增大；两种地震输入分析方法中，等效线性化模型输入结果比分段等效线性化模型输入结果大。

4.3  层间位移、剪力、弯矩的对比

 将均匀场地和软弱夹层场地按预测地震波输入模型的不同分为等效线性输入、分段等效线性输入两种模型，每种模型的分析数据取3条输入波结构对应反应的平均值，共三组图：层间位移角见图8，层间弯矩见图9，层间剪力见图10。

 从图8可知，对于同一种场地，传统等效输入模型的层间位移大于分段等效线性模型，同时分段等效输入和传统等效输入在建筑结构的顶层和底层的层间位移角差异较小，而在中部楼层间差异大，见图8(a)和图8(b)，传统等效线性输入会对地震波的造成楼层变形能力估计比较保守。整体上，软弱夹层场地中的结构响应比均匀场地结构响应大，见图8(c)和图9(c)，这说明地震波经过软弱夹层场地传播后，结构反应将更加加剧，破坏可能更加严重，建筑场地选址建议尽量避免在具有软弱夹层的场地。

5  结论

 本文以高层建筑结构和软弱夹层场地为研究对象，场地运用了传统等效线性化、分段等效线性化两种分析模型，进一步计算和分析了不同预测地震动输入模型下，软弱夹层对高层建筑地震响应的影响。通过上述分析，得到结论如下：

 1)传统等效线性化模型在中高频段放大作用更为明显，综合考虑，场地分析建议使用分段等效线性化模型。

 2)场地对地震波在不同频段有不同的放大或缩小作用，特别应注意的是在中低频段，均匀场地有更为明显的削弱作用；在场地卓越周期段，软弱夹层场地放大作用更为明显。

 3)在场地分析中，均匀场地对地震动加速度峰值有较为明显的放大作用，而软弱夹层场地对地震动峰值有较小放大甚至有削弱影响。

 4)在结构地震反应分析中，软弱夹层模型的结构顶点处的峰值加速度相对于地震输入的峰值加速度的放大率大于均匀场地模型对应放大率，即软弱夹层场地更易给高层建筑带来潜在安全问题。

 5)对于软弱夹层场地，建筑结构的地震反应其层间位移角、层间剪力等建筑结构主要抗震分析指标大于均匀场地，这说明地震波经过软弱夹层场地土层传播后，结构地震反应将加剧，破坏更加严重。

 6)两种地震输入模型对高层建筑结构地震响应有不同，整体上分段等效线性化结果相对传统等效线性化结构小。