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，每当地震发生时，位于极端地震区断层附近的城市都会受到严重破坏，造成大量人员伤亡和严重财产损失。因此，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兴趣。随着强震研究数字技术的迅速发展，世界上几次著名地震都获得了大量有价值的近断层地震动记录，如1989年加利福尼亚州洛马-普里塔地震、1994年加利福尼亚州北岭地震、1995年日本神户地震、，1999年土耳其科卡利地震、2008年中国汶川地震和2018年台湾花莲地震。这些数据促进了对近断层地震动特征的研究，发现近断层地震动不同于中远场地震动。

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.]：(我)许多框架结构的底层破坏严重，而上层只有轻微的破坏。（ii）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。(iii)柱子底部的混凝土结构已经脱落，钢筋也已经脱落。(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.］.由于结构具有独特的功能，用途和巨大的发展潜力，一个明智的发展道路将是发现能大大提高，同时具有其独特的使用功能的低影响建筑物的抗震能力地震系统。目前，来自世界各地的研究人员进行的，关于如何提高软第一层结构的抗震性能进行了一系列研究。这些改进包括以下几个方面：(1)提高结构本身的延性。一项研究对一层软结构的加支撑及合理的支撑配置问题进行了研究[7.]结果表明，合理的支护布置可以有效地控制下伏软弱层位移和顶点位移。采用不同掺量的硅粉和珍珠岩粉代替水泥石灰粘结剂，研究了硅粉和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，得出了不同外加剂的最佳用量[8.]. 同时，在确定支撑数量后，采用pushover方法对3层和9层支撑框架结构进行了分析，并结合试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。通过振动台试验，研究了纤维混凝土阻尼器软底层结构的抗震性能[10.］.试验结果表明，纤维-混凝土阻尼器能充分控制层间变形，在主构件之前就能达到非弹性状态，从而对整个结构起到保护作用。同时，采用基于能量的一般损伤指数法(GDI)，提出了一种带有附加粘滞阻尼器的不规则剪切框架优化设计方法，但其计算设计方法比较复杂[11.]. 钢筋混凝土（RC）阻尼器约束支撑系统也已用于加固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地消耗地震能量，提高框架结构的延性，而极限支撑可以极大地提高结构后期的承载力。在该研究中，通过拉伸和压缩试验确定了微结构、聚丙烯和混杂纤维的最佳百分比，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.］.该研究显示加载循环的最大数目，延性系数，能量吸收，并且在由聚丙烯和正弦金属纤维的组合物制成的样本的施加的力的最大量。在另一方面，已经使用ETABS工程软件执行的处理的钢筋混凝土（SRC）传输具有补充能量耗散腋托架结构的抗震性能的分析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，这种简化设计方法可以精确地控制薄弱层与目标层之间的位移。(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.］.基本隔离理论也应用于第一级列顶部隔离，并且在项目上进行了非线性动态分析[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。

目前，对于单层软框架结构的研究大多是在常规地震动作用下进行的。另一方面，在近断层地震动作用下，对一层软框架结构的地震反应分析尚不充分，如何提高一层软框架结构在近断层地震动作用下的抗地震倒塌能力还需要进一步的研究。

本研究利用SAP2000土木工程软件，建立了一个10层钢筋混凝土框架结构的有限元模型，该框架结构的底层为软土。提出了两种设置BRB阻尼器的方法，对底层软结构进行局部加固。选择两种类型的近断层地震动（有脉冲和无脉冲），研究了带和不带BRB阻尼器的第一层软结构的地震响应特性，并认识到不同支撑布置对改善第一层软结构抗震性能的影响。

2.项目概述和模型构建

2.1. 项目概述

本研究中的10层楼的增强混凝土框架结构具有第一层的高度，高度为4.3米，第10层，高度为3.3米，总高度为34米，平面尺寸为42米×15.9 m. The seismic fortification intensity was 7 degrees, the seismic level was secondary, and the design seismic acceleration was 0.15 g. The site category was Class II, and the design earthquake group was the second group. The cross section of the beam of the first floor had an area of 300 mm × 600 mm, and that of the column had an area of 650 mm × 650 mm; the beam sections of floors 2 to 10 had areas of 350 mm × 700 mm each, and the column sections had areas of 700 mm × 700 mm each. The concrete strength grade of the beams, plates, and columns was C30. The main reinforcement of the beams and columns was HRB400, and the stirrup was HRB335. The floor constant load was assumed to be 6.0 kN/m^2.，并假设活荷载为2.0 千牛/米^2.；the roof constant load was assumed to be 7.0 kN/m^2.，活荷载0.5 kN/m^2.；内、外墙荷载均假定为8.0 kN/m。结构布置如图所示1.．

２.２.模型建立

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。

在地震作用下，底层软框架结构易产生较大的层间位移变形。因此，采用两种不同的支撑布置方式对底层软框架结构进行局部加固。基于“刚度补偿”原理，设计了BRB阻尼器，参数如表所示1.．两种不同的BRB阻尼器布置如图所示2.和3.．数字2.显示底部支持结构模型。这Y-方向BRB阻尼器放置在第一层的第1、4、5和8轴的两侧跨上，而X在第一层A、D轴两侧跨上设置-方向BRB阻尼器。数字3.另一方面，显示了底部四层支撑结构模型。这个Y-方向BRB阻尼器放置在第一层的第1、4、5、8轴和第2 ~ 4层的第1、8轴的两侧跨上，而-方向BRB阻尼器放置在第1、4、5、8轴的两侧跨上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

在上述三个有限元模型上进行模态分析，即不支持的结构，底部支撑结构和底部四层 - 支撑结构，并提取前3种模式以进行比较。不支持的结构的前3种模式是= 1.204,= 1.177 s = 1.115 s; the first 3 modes of the bottom-support structure were = 1.104 s= 1.082 s = 0.989 s; and the first 3 modes of the bottom-four-layer-support structure were = 1.058 s,= 1.032 s = 0.896 s三种结构模型的前三阶振型具有相同的振动方向。第一个振型在水平方向上振动Y-方向，第二个模式是水平振动X-方向，第三种模式是围绕Z设在。

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.. 近断层地震动的主要选择原则如下[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）为了反映近断层地震动的强震特征，地震动记录的矩震级应大于5.5，各地震动的地震动峰值加速度应大于0.15 G基于JW-Baker提出的速度脉冲特征识别方法，对速度脉冲特征进行了识别。当关系脉冲指示器 =  大于0.85，原始记录的速度大于30cm / s，并且记录发生在速度历史的早期阶段，它被归类为脉冲型地面运动。

主地震动完成后，所选地震动加速度的峰值调整为310 厘米/秒^2.，相当于7度罕见地震。加速度反应谱如图所示4.．在前三阶模式的周期性控制点处分别为0.227,0.235和0.25分别为0.227,0.235和0.20的地震影响系数，以及这些系数和调节的地震影响系数之间的差异为15％，13％和11％。另一方面，在前三阶模式的周期性控制点处分别为0.266,0.271和0.290的8近故障脉冲型接地运动的地震影响系数，以及这些系数与受调节之间的差异地震影响系数均为2％。通过这种分析，这些地面运动可以满足建筑物的地震设计规范的要求，可用于时间历史分析。

5.地震反应分析

5.1。层间位移角分析

下近断层脉冲型地面运动和近断层无脉冲地面运动的不支持的结构的层间位移角的响应示于图5.（a） 及5.（b）中，分别。如可从图中可以看出，近场地面运动的作用下，在第一，第五层的层之间的层间位移需求值分别为比较大，在底部是最大的层间位移需求。下在RSN1510测得的近断层脉冲地面运动的作用下，无支撑结构的底层的层间位移角超过了弹塑性层间位移角界限在说明书中表示。上面的第6层，所述结构的层间位移小，层与层之间的位移角大多内550分之1，并且梁和柱不被损坏。于结构层间位移的响应下近断层脉冲地面运动，随后，根据接近故障无脉冲地面运动是最大。

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。平均层间位移角如图所示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.（a） 及6.（b）中，分别。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

无支撑结构、底部支撑结构和底部四层支撑结构与两种地面运动作用下最底层最大加速度值和最大位移值的结果进行了比较，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. 梁柱塑性铰的损伤分析

使用三种模型中的塑料铰链的开发说明了RSN767附近故障脉冲接地运动下横频脉冲地面运动的损伤。数字8.示出了塑性铰在开始，中间，以及地面移动加载的端部的横框的发展。

对三种模型进行了比较。对于无支撑结构，在地震动荷载的初始阶段，发现整个柱层底部都存在塑性铰。然而，对于底部支撑结构和底部四层支撑结构，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，梁柱塑性铰的发展受到了很好的抑制。

对于不支持的结构中，最在一楼塔的底部的塑料铰链的在地面移动加载的中间阶段达到其极限承载力状态。但是，在制音器BRB加入到软第一层高的框架结构，所述塑性铰在一楼塔的底部是在刚刚产生阶段和立即使用，和一个大的安全储备存在。在不支持的结构中，在地面移动加载结束时，塑性铰同时在底部出现并在第一层中，其中大部分达到极限承载力的状态下，显示出的层间破坏机理列的顶部。塑性铰也出现在第二至第四层的中柱。然而，通过添加BRB阻尼器，在列的层的底部塑料铰链的故障程度没有进一步发展，塑性铰不存在于所述第一地板上方的列。该结果表明，BRB阻尼器在软第一层高的框架结构包含能有效地抑制在梁和柱的塑料铰链的发展，并减少对主结构的损坏。

5.4. 能量分布

以RSN767近断层地震动作用为例，说明了底部支护结构和底部四层支护结构的能量分布。能量分布图如图所示9．不支持的结构的滞后能量消耗占地震输入结构的总能量的约50％。在另一方面，分别在底部支撑结构和底部四层支撑结构占39％和43％时，滞后能量，它们的地震输入结构的总能量，和的滞后能量消耗被减小的主结构。底部支撑结构和底部四层支撑结构帐户的支撑滞后能量分别为约54％和53％，其地震输入结构的总能量。BRB阻尼消能减震效果明显，证明了能够更好地保护主体结构的能力。

6.结论

根据本研究的分析，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)在将屈曲束缚的支架（BRB）阻尼器中加入到软第一楼的框架结构中，在两种类型的地面运动的作用下，返回物稳定层的位移角度，最大加速度和最大位移显着减少，有效地减少减少结构的地震反应，大大提高了地震性能，减少了地震时主要结构的损害。(3)与仅在最底层设置BRB阻尼器的结构相比，底部四层支撑结构在抗震性能方面更具优势。BRB阻尼器耗能效果明显，能更好地保护主体结构，具有良好的实用性。

数据可用性

用于支持本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度，最大加速度和位移，塑料铰链的发展，以及能量分布。

的利益冲突

作者声明他们没有利益冲突。

致谢

作者感谢山东建筑结构改造与地下空间工程重点实验室（山东建筑大学）和教育部为设备和设施的使用提供便利。这项工作得到了山东省自然科学基金（授予ZR2015EQ017和ZR2018MEE044）的支持。

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