近断层地震动下一层软框架结构地震反应分析与控制

摘要

本文提出了两种屈曲束缚支架阻尼器的布置，以在本地加强软第一层结构。选择两种类型的近断层地面运动，有没有脉冲的近脉冲，用于研究软第一层结构的地震反应特性，无屈曲束缚的支撑阻尼器，以及不同支撑布置对改善的影响识别出软第一层结构的地震性能。结果表明，与无脉冲地面运动相比，近故障脉冲地面运动导致软第一楼框架结构中更严重的地震反应，导致主要结构更严重和快速地破坏。屈曲束缚的支撑阻尼器具有明显的能量耗散效果，在保护主要结构方面发挥更好的作用，并具有良好的实用性。与仅屈曲束缚的支撑阻尼器仅布置在最底层上的结构相比，底部四层支撑结构在地震性能方面更有利。

1.介绍

根据地震灾害调查资料显示，位于极端震区断层附近的城市在地震发生时受到严重破坏，造成大量人员伤亡和严重的财产损失。工程结构近断层地震动特征及其相应的地震反应受到工程界学者的广泛关注和研究。随着数字技术的快速发展为研究强地震,由于大量的宝贵的地面运动记录取得了世界上一些著名的地震,如1989年在加州洛马普列塔地震,1994年北岭地震也在加州,1995年神户地震在日本,1999年土耳其科蔡利地震，2008年中国汶川地震，2018年台湾花莲地震。这些资料促进了对近断层地震动特征的研究，发现近断层地震动与中、远场地震动不同。

近断层地震动受场地条件、震源机制、断层破裂过程等因素影响，反映了方向性效应和跳阶效应引起的长周期速度脉冲效应，低频分量丰富，地震动振幅大[1，2］.近断层地震动的速度脉冲效应一般发生在速度时程的早期，持续时间较短;速度峰值高，能量量大，主要集中在长周期段，对长周期结构破坏严重。由于单层软框架结构自振周期较长，近断层脉冲型地震动对其影响较大。2018年台湾花莲地震和2008年中国汶川地震的地震损失揭示如下[3.，4]：（一世）许多框架结构的底层严重损坏，而上层楼层只有轻微的损坏。(2)有许多“软脚建筑”，建筑物的底层完全折叠，上层楼层直接落在坍塌的地板上。(3)柱子底部的混凝土结构已脱落，钢筋均产生。(iv)柱端铰链损坏严重，产生较大的残余变形，而梁端铰链仅轻微损坏，反映了“强梁弱柱”的破坏机制。

近年来，城市化进程迅速发展，土地建设日趋紧张。越来越多的框架结构的底层要么是车库或商业机构，而上部用作办公楼或住宅空间。这种结构的主要特点是底层空间大，层高，底层刚度远低于上层相邻层刚度，形成一种软一层结构[5，6］.由于该结构具有独特的使用功能和巨大的发展潜力，因此明智的开发路径是找到一种地震系统，可以大大提高建筑物的地震能力，同时对其独特的使用功能较低。目前，来自世界各地的研究人员已经开展了一系列关于如何提高软第一层结构的地震性能的研究。这些改进涉及以下主要方面：（1）改善结构自身的延性。在研究中研究了添加支持和合理配置的支持和合理配置的问题[7，结果表明，合理布置支护可以有效地控制下伏软弱层位移和顶点位移。采用不同掺量的硅灰和珍珠岩粉替代水泥-石灰粘结剂，研究了硅灰-珍珠岩粉对自密实混凝土抗压强度和微观结构的影响。通过对混凝土28天和90天抗压强度的分析，得到了不同添加剂的最佳掺量[8］.同时，在确定支座数量后，采用推覆法对3层和9层结构的支撑-框架结构进行了分析，并结合实验对结构体系进行了研究[9］.试验结果表明，框架-支撑体系能够减小结构的整体位移，提高结构的承载力。(2）应用减震技术。本文通过振动台试验研究了纤维混凝土阻尼器的一层软结构的抗震性能[10］.实验结果表明，纤维混凝土阻尼器可以充分控制层之间的变形，并且可以在主构件之前变得不弹性，从而保护整个结构。同时，利用基于能量的一般损伤索引方法（GDI），已经提出了具有额外粘性阻尼器的最佳设计方法，用于不规则剪切帧，但其计算设计方法复杂了[11］.钢筋混凝土(RC)阻尼限制支撑系统也被用于加强建筑物底部的大空间结构，振动台试验表明，该系统具有优越的抗震性能[12］.阻尼器的屈服可以部分消耗部分地震能量，提高框架结构的延性，而极限支撑则大大提高了结构后期的承载能力。在该研究中，通过拉伸和压缩试验确定了微结构、聚丙烯和混合纤维的最佳百分比，并研究了在屈曲约束支撑(BRB)的混凝土护套中使用最佳纤维量的效果[13］.该研究揭示了由聚丙烯和正弦金属纤维组成产生的样本中的最大装载循环，延展系数，能量吸收和施加力的最大量。另一方面，使用Etabs工程软件进行了用辅助能量耗散HUCHINCE支撑的钢筋混凝土（SRC）转移结构的抗性性能分析[14］.研究结果表明，粘性能量耗散摇头支撑对该结构具有更好的阻尼效果。还研究了使用阻尼支护控制具有弱楼层结构的设计方法[15］.研究结果表明，这种简化设计方法能够精确地控制软弱层间向目标的位移。（3）应用隔震技术。在汶川地震破坏严重的一层软框架结构中，通过在一层柱顶设置隔震支座进行加固，将软弱层改造为隔震层，使其功能得以恢复[16］.将基本隔震理论应用于一级柱顶隔震，并对某工程进行了非线性动力分析[17］.研究表明，在柱顶设置隔震支座可以提高结构的抗震性能。同时，以一个实际的五层框架结构为例，分析了有无隔震支座时结构的地震反应[18］.研究结果表明，采用柱顶隔震技术可以提高底层软框架结构的抗震性能，从而提高底层的变形能力。通过上述研究，得出在软一层结构中采用隔震技术能够有效减少地震能量输入，显著提高原有结构的抗震性能，改善第一层结构的薄弱环节。

截至目前，大多数对软第一楼框架结构的研究已经在传统地面运动的作用下进行了分析。另一方面，近端故障地面运动下的软第一层框架结构的地震反应分析不足，以及如何在近断层地面运动下提高软第一层框架结构的抗震塌陷的技术进一步的研究。

本研究采用SAP2000土木工程软件，建立了10层软底层钢筋混凝土框架结构的有限元模型。提出了两种BRB阻尼器布置方案，对底层软结构进行局部加固。由于两种类型的地面运动,没有脉冲,被选为研究soft-first-storey结构的地震反应特征并没有马上回来阻尼器,和不同的影响支撑安排改善结构的抗震性能与软第一层是公认的。

2.项目概述和模型建筑

２.１.项目概述

本研究10层钢筋混凝土框架结构，1层4.3 m, 2 - 10层3.3 m，总高34 m，平面尺寸42 m × 15.9 m。抗震设防烈度为7度，抗震设防等级为二级，设计地震加速度为0.15 g。场地类别为II类，设计地震组为第二组。首层梁截面面积为300 mm × 600 mm，柱截面面积为650 mm × 650 mm;第2层至第10层的梁截面面积为350mm × 700mm，柱截面面积为700mm × 700mm。梁、板、柱的混凝土强度等级为C30。梁柱主配筋为HRB400，箍筋为HRB335。假设楼板恒载为6.0 kN/m²，活荷载假定为2.0 kN/m²;假设屋顶恒定载荷为7.0kN / m²，现场负载0.5 kn / m²;内部和外壁载荷均匀地假设为8.0kN / m。结构布局如图所示1．

2.2。建筑模型

使用SAP2000民营软件建立了结构的有限元分析模型。通过框架单元模拟光束和柱，并且通过膜单元模拟地板。塑料铰链分别在相对位置设置，相对于梁和柱元素分别为0.1和0.9。该柱具有耦合的轴向力和双轴力矩 - （PMM-）相关铰链，并且梁设置有M3型塑料铰链。使用塑料单元和BOUC-WEN机械模型进行模拟BRB阻尼器。

在地震期间，软第一层框架结构容易产生大型层间位移变形。因此，建立了两种不同的支撑装置，以局部增强软第一层框架结构。基于“刚度补偿”的原理，BRB阻尼器设计了表中列出的参数1．两个不同的BRB阻尼器布置如图所示2和3.．数字2显示下支撑结构模型。的Y- 将BRB阻尼器定位在第一层的第1，第4，第5和第8轴的双侧跨度上，而X- 将BRB阻尼器设置在第一层A和D轴的双侧跨度上。数字3.，则给出了底层四层支撑结构模型。的Y- 向导BRB阻尼器定位在第一层的第1，第4，第5和第8轴的双侧跨度和第二到第四层的第1和第8轴的两侧跨度上，而是X-方向BRB阻尼器设置在第1 ~ 4层A、D轴的两侧跨上。

3.结构动态特性

对上述三种有限元模型，即无支撑结构、底部支撑结构和底部四层支撑结构进行模态分析，提取前3种模态进行对比。无支承结构的前3阶振型为 = 1.204 s,= 1.177 s = 1.115 s; the first 3 modes of the bottom-support structure were= 1.104,= 1.082 s= 0.989秒;下四层支撑结构的前3阶模态为= 1.058,= 1.032 s= 0.896 s。三种结构模型的前3阶振型具有相同的振动方向。第一种模式是水平振动Y-方向，第二个模式是水平振动X- 扭转，第三种模式扭曲了Z-轴。

根据分析数据，期间比率（由翻译主导的扭转主导的第一天然振动周期的比率）为0.926，超过地震设计代码中规定的0.9限制建筑物[19，扭转效应明显。在最底层增加支座后，结构周期比为0.895，低于0.9的极限，满足规定要求，扭转效应减小。另一方面，底部四层支撑结构的周期比为0.846，与底部支撑结构相比，扭转效应进一步改善。

4.近断层地震动选择

为研究一层软框架结构在近断层地震动作用下的地震反应，从美国太平洋地震工程研究中心(http://ngawest2.berkeley.edu）.地震动信息见表2．近断层地震动的初次选择原则如下[20.- - - - - -22]：（1）场地到故障面的表面投影点的距离小于20公里;（2）V30控制在260-510米/秒的范围内，对应于建筑物的地震设计代码中的II类网站[19];(3)为反映近断层地震动的强地震特征，地震动记录的力矩震级大于5.5级，每次地震动的地面峰值加速度应大于0.15 g。基于JW Baker提出的识别方法，对速度脉冲特性进行了识别。当关系脉冲指示器= > 0.85，原始记录速度大于30 cm/s，记录发生在速度史的早期阶段，属于脉冲型地震动。

在主地震动完成后，将所选地震动加速度峰值调整为310 cm/s²这相当于一场罕见的7级地震。加速度响应谱如图所示4．4种近断层无脉冲地震动在前三阶模态周期控制点的地震影响系数分别为0.227、0.235和0.25，与规则地震影响系数的差值分别为15%、13%和11%。8个近断层脉冲型地震动在前三阶模态周期控制点的地震影响系数分别为0.266、0.271和0.290，与规则地震影响系数的差异均在2%以内。通过分析，这些地震动能够满足建筑抗震设计规范的要求，可用于时程分析。

5.地震反应分析

5.1。层间位移角度分析

在附近故障脉冲型接地运动和近故障脉冲地运动下的非支撑结构的层间位移角响应如图所示5(一)和5分别(b)。从图中可以看出，在近场地面运动的动作下，第1次层中的层之间的层间位移需求相对较大，底部的层间位移需求是最大的。在RSN1510测量的近故障脉冲地面运动的作用下，无支撑结构的底层中间层位移角度超过了规范中所示的弹塑性层间位移角度。在第六层上方，结构的层间位移小，层之间的位移角度主要在1/550内，并且梁和柱未损坏。对结构中间位移的响应是在脉冲地面运动附近的脉冲地面运动中最大的，然后在脉冲地面运动下靠近故障。

为了更直观地反映两种地震动对结构层间位移响应的影响，计算并比较了结构层间位移角的平均值。层间平均位移角如图所示5(c)由图可知，近断层脉冲型地震动作用下底层位移角约为近断层无脉冲地震动作用下的两倍;这一结果充分说明，近断层脉冲型地震动会对底层软框架结构造成更严重的破坏。

近断层脉型地震动和近断层无脉型地震动作用下底支架结构层间位移角如图所示6(一)和6分别(b)。数字6(c)底部支护结构与非支护结构在这两种地震动作用下层间平均位移角的比较。图中，模型1表示无支撑结构，模型2表示底部支撑结构，模型3表示底部四层支撑结构。从图可以看出,支持添加到底层后,层间位移角底部2层之间的两种类型的地面运动作用下显著降低,第三和第六层之间的层间位移角略有增加,第6层与其上各层之间的层间位移角均不超过弹性层之间的位移角;层间最大位移角在第3层进行测量。近断层脉冲型地震动作用下，第1层与第2层间的层间位移角分别减小了73%和26%;在无脉冲地震动作用下，相同角度分别减小了57%和27%。对比结果表明，BRB阻尼器能有效减小底部弱层的层间位移反作用力;由于底层刚度的提高，第三层成为薄弱层。

近断层脉冲型地震动和近断层非脉动地震动作用下下四层支撑结构层间位移角如图所示7(一)和7（b）， 分别。数字7（c）为底部四层支护结构与非支护结构在两种地震动作用下层间平均位移角的比较。从图可以看出,在支持添加到第一个四层,3层之间的层间位移角底部明显减少,并不十分不同,第四和第六层之间的层间位移角略有增加,第7层与第7层以上各层的层间位移角均在安全范围内。近断层脉冲型地震动作用下，1 ~ 3层层间位移角分别减小68%、43%和24%;在断层附近无脉冲地面运动下，1 ~ 3层的层间位移角分别减小55%、34%和3%。这一结果充分说明，在第1层至第4层增设支座后，结构的抗震性能得到了显著提高;底层弱层被消除，但上层没有变成弱层。

数字7（d）为两种地震动下底四层支护结构与底支护结构层间平均位移角的比较。相对于仅底层支撑的结构，底层四层支撑时，层间位移角分布较为均匀，结构中除底层层间位移角略有增大外，无明显薄弱部位，第2 ~ 5层间的层间位移角明显减小，第6 ~ 10层间的层间位移角明显不变。相对于底支撑构造，在近断层脉冲型地震动作用下，底四支撑构造的第2 ~ 5层层间位移角分别减小了22%、29%、31%和12%。结果表明，在底部四层加支撑的减震效果优于只在最下面一层加支撑的减震效果。

5.2。最底层最大加速度和位移响应分析

将不受支持的结构，底部支撑结构和底部四层支持结构相对于两种地面运动的作用下的最大加速度值和最大返回层的最大位移值进行比较，如如表所示3.．表中，模型1表示无支持结构，模型2表示底部支撑结构，模型3表示底部四层支撑结构。在表3.，底部支撑结构和底部四层支撑结构的最大位移值在两种接地运动的作用下，与不支持的结构相比，明显显着降低，平均减少率达到55％以上。在近故障脉冲型接地运动的作用下，与那些相比，底部支撑结构和底部四层载体结构的最大加速度值和底部四层支撑结构的平均减小率分别为9％和3％。在接近故障的非乳液接地运动下，不受支持的结构和平均减少率分别为14％和10％。这些结果表明，当将BRB阻尼器添加到软第一层框架结构时，降低了地震激发结构的扩增效果，并且最大改善了最底层的弱化特性。接近故障地面运动下的地震性能也大大提高。

5.3。梁柱塑性铰损伤分析

利用三种模型中塑性铰的发展，说明了RSN767近断层脉冲地震动对梁和柱的损伤。数字8显示在地面运动负荷开始，中间和横向框架处的横帧中的塑料铰链的开发。

对三种模型进行了比较。对于无支撑结构，在地面运动荷载的初始阶段，在一层柱的底部普遍存在塑性铰。而对于下支撑结构和下四层支撑结构，立柱底部没有塑料铰链。此外，对于底部四层支撑结构，梁中也不存在塑性铰，很好地抑制了梁柱塑性铰的发展。

对于不受支持的结构，一楼塔底部的大部分塑料铰链达到了地面运动负荷中间阶段的最终承载能力状态。然而，在将BRB阻尼器加入到软第一层的框架结构之后，在一级柱的底部的塑料铰链处于仅产生和即时使用的阶段，并且存在大的安全储备。在不受支持的结构中，在地面运动载荷结束时，塑料铰链在第一层柱的底部和顶部同时出现，其中大部分都达到了最终承载能力的状态，呈现了层间失效机制。塑料铰链也存在于第2层至第4层的中间柱中。然而，随着BRB阻尼器的加入，没有进一步开发出柱层底部的塑料铰链的故障程度，并且在一楼之上的柱中不存在塑料铰链。该结果表明，在柔软的第一层框架结构中包含BRB阻尼器可以有效地抑制光束和柱中塑料铰链的发展，并减少主结构的损坏。

5.4。能量分布

随着RSN767的近断层地面运动的作用作为示例，示出了底部支撑结构和底部四层支撑结构的能量分布。能量分布图如图所示9．无支持结构的滞后能耗占地震投入结构总能量的约50％。另一方面，底部支撑结构和底部四层载体结构的滞后能量分别占其地震输入结构的总能量的39％和43％，以及滞后能量消耗主要结构减少。底部支撑结构和底部四层支撑结构的支撑滞后能量分别为其地震输入结构的总能量分别为约54％和53％。BRB阻尼器的能量耗散效果显而易见，展示了能够更好地保护主要结构的能力。

6.结论

基于本研究中进行的分析，本研究的结论如下：（1）在近断层脉冲型地震动作用下，底层软框架结构的地震反应明显大于非脉冲地震动作用下的反应，梁、柱塑性铰损伤更为严重，发展更为迅速。近断层脉冲型地震动作用下最底岩层的位移角约为非脉冲型地震动作用下的两倍。(2）在一层软框架结构中添加屈曲约束支撑(BRB)阻尼器后，两种地震动作用下最底层的位移角、最大加速度和最大位移均显著减小，有效降低了结构的地震反应。大大提高了抗震性能，减少了主体结构在地震时的破坏。（3）与仅在最底层设置BRB阻尼器的结构相比，底部四层支撑结构的抗震性能更优越。BRB减振器具有明显的能耗效果，能更好地保护主体结构，具有良好的实用性。

数据可用性

用于支持这项研究结果的数据包括在文章中。分析数据主要包括层间位移角、最大加速度和最大位移、塑性铰链的发展和能量分布。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

感谢建筑结构改造与地下空间工程教育部重点实验室(山东建筑大学)提供的设备和设施。山东省自然科学基金资助项目(no . ZR2015EQ017, no . ZR2018MEE044)。

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