技术周刊 | 近场效应考虑地震波脉冲对结构影响的分析探讨

随着我国经济社会的发展，在建筑设计中近场效应越来越引起重视。根据以往的研究发现近场地震动一般具有速度脉冲效应、 方向性效应（垂直断层的地震动幅值大于平行断层幅值）和竖向加速度较大的特点， 使结构直接承受高能冲击，对结构的承载力与变形的要求都显著提高。这些特性在美国北岭地震、日本阪神地震、中国台湾集地地震、汶川地震和土耳其地震中都有表现，地震中倒塌或受到严重破坏的建筑物大多位于距断层20km范围内。我国是一个多震的国家，在华北、西北、西南和东南沿海等地区存在许多可能发生地震的活性断层，如河北唐山、陕西西安、内蒙古包头等地高烈度区在近断层处需考虑近场效应的影响。

我国规范对如何考虑近场效应做了规定。

《建筑抗震设计规范》GB50011-2010第3.10.3条针对建筑结构的抗震性能化设计应符合以下要求，对处于发震断裂两侧10km以内的结构，地震动参数应计入近场影响，5km以内宜乘以增大系数1.5，5km以外宜乘以不小于1.25的增大系数。第12.2.2条规定的放大系数与此相同。

《建筑与市政工程抗震通用规范》GB55002-2021第4.1.1条1款明确规定：当工程结构处于发震断裂两侧10km以内时，应计峰设土木网入近场效应对设计地震动参数的影响。

《建筑隔震设计标准》GB/T51408-2021第4.1.4条规定：当处于发震断层10km以内时，隔震结构地震作用计算应考虑近场影响，乘以增大系数，5km及以内宜取1.25，5km以外可取不小于1.15。

在第11届地震工程大会上，《建筑与市政工程抗震通用规范》主要编制成员罗开海老师给出了近场效应调整方案：

1、6度和7度区不考虑近场效应调整。

2、8度及以上地区，按GB50011相关要求调整罕遇地震加速度幅值。

3、大震时程分析选波，应注意脉冲效应、竖向效应。

4、对竖向地震敏感的结构 (大跨、超高层、隔震等)，竖向分量也应调整，且应进行竖向为主的分析与验算。

5、大震防倒塌验算：包括变形验算、损伤与屈服机制控制等内容。

6、不满足时可适当调整小震设计（构件选型或参数）或加强薄弱、关键部位的构造等。

图1 某框架剪力墙结构三维模型图

4.1 地震波的选取

目前一般认为速度脉冲是指在速度时程中包含长周期、高能量的脉冲运动，且PGV/PGA（速度峰值/加速度峰值）较大。赵晓芬在《近断层速度脉冲型地震动识别方法研究综述》文章中系统总结并详细介绍了目前国内外常用的三类定量速度脉冲识别方法， 即基于连续小波变换的速度脉冲识别方法、 基于能量的速度脉冲识别方法以及多速度脉冲定量识别方法，感兴趣的小伙伴可以阅读研究一下。

采用SUASG选波工具可以便利地选取满足规范要求的地震波组合，然而地震波库中并未表明哪些是脉冲波，哪些是非脉冲波，许多小伙伴在选波过程中识别脉冲波有所疑惑。这里笔者给您提供两种思路：1.斯坦福大学Shrey K.Shahi和Jack W.Baker教授整理了NGA West2 数据库中被确定为脉冲波的地震动表格并上传至以下网站：https://www.jackwbaker.com/pulse_classification_v2/，您可以在SAUSG中先不考虑脉冲效应选波，再根据编号和波名从已选波中挑选出脉冲波。2.提前爆料即将发布的2024.2版本SAUSG支持用户导入的地震波参与选波，您可以在PEER网站中下载脉冲波库，导入到SAUSG中参与选波。

本文选取的模型为10层混凝土框架剪力墙结构，抗震设防类别丙类，抗震设防烈度8度（0.20g），设防地震分组第二组，场地类别Ⅱ类，特征周期0.40s。选择的三条脉冲波为CHI-CHI TAIWAN-03 TCU065、Coyote Lake Gilroy Array #3和Kobe, Japan Takarazuka，选择的两条非脉冲波为CHI-CHI TAIWAN-02 CHY034和Kobe, Japan MZH。假设建设地位于断层附近5-10km内，根据规范需对地震效应放大1.25倍，因此主方向地震加速度峰值由400cm/s²放大为500cm/s²。采用三向加载，主方向、次方向、竖直方向峰值加速度之比为1:0.85:0.65。下图2为选取主方向地震动谱与规范谱的对比，表1为时程分析与反应谱基底剪力对比，符合《建筑抗震设计规范》GB50011-2010选波规定。

图2 地震波与规范反应谱曲线对比

表1 时程分析与反应谱基底剪力对比

表2 地震波信息表

图3 脉冲波与非脉冲波层间位移角对比

表3 脉冲波与非脉冲波层间位移角最大值

图4 脉冲波与非脉冲波构件性能对比

图5 脉冲波与非脉冲波构件性能统计对比

结构在脉冲波与非脉冲波作用下的构件性能如图4所示，性能统计如图5所示。在脉冲波作用下构件损伤更为严重，其中框架梁损坏基本在轻度损坏以下，两种波造成的梁损坏差距较小，而框架柱两者有较大差距，框架柱严重损坏由非脉冲波2.3%提高到脉冲波8.5%，剪力墙损坏程度差距不大，然而底部剪力墙在非脉冲波作用下未达到严重损坏，但在脉冲波作用下0.9%构件达到严重损坏。

本文对考虑近场效应的规范和进行时程分析的选波流程进行介绍，并以一个10层混凝土框架剪力墙结构为例，探究具有脉冲效应的近场地震与不具有脉冲效应的远场地震下结构的响应。主要结论如下：

（1）建于8度及以上地区近断层10km内建筑考虑近场效应，小震设计时不放大地震，需进行大震弹塑性分析时按规范放大，并考虑脉冲和竖向地震，不满足位移角、损伤等要求时进一步加强，避免了小震设计放大地震动导致截面过大、造价过高的问题。

（2）关于如何选出具有脉冲效应的地震波，可查看文中提到的脉冲地震动表或在PEER中筛选出脉冲波导入SAUSG中，通过即将发布的用户自定义波选波功能选出满足规范要求的地震波。

（3）通过对脉冲波和非脉冲波峰设土木网的计算结果对比发现，两种波作用下竖向构件的损伤程度有一定区别，抗震设计的基本目标是大震防倒塌，保障人民生命财产安全，因此工程师在设计考虑近场效应的建筑时请不要忽略脉冲效应的影响。

（4）本文仅针对本案例进行分析，对于其他结构在脉冲波下和非脉冲波下的响应，还需针对具体工程进行分析。

参考文献：

[1] GB 50011-2010 建筑抗震设计规范规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2016.

[2] GB 55002-2021 建筑与市政工程抗震通用规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2021.

[3]赵攀宇,吴勇,战祖弘,等.速度脉冲型近场地震作用下某混合减震结构动力响应特性研究[J].建筑结构,2024,54(09):126-133.

[4]赵晓芬,温增平.近断层速度脉冲型地震动识别方法研究综述[J].地球与行星物理论评(中英文),2023,54(05):532-540.