Displacement response analysis of base-isolated buildings subjected to near-fault ground motions with velocity pulse

Abstract

In order to study the influence of the velocity pulse to seismic displacement response of base-isolated buildings and the differences of the influent of the two types of near-fault ground motions with velocity pulse to seismic response of base-isolated buildings, the seismic responses were analyzed by three dimensional finite element models for three base-isolated buildings, 4 stories, 9 stories and 14 stories. In this study, comparative analyses were done for the seismic displacement responses of the base-isolated structures under 6 near-fault ground motion records with velocity pulse and no velocity pulse, in which, 6 artificial ground motion time histories with same elastic response spectrum as the 6 near-fault ground motion records were used as the ground motion with no velocity pulse. This study indicates that under the ground motions with velocity pulse the seismic displacement response of base-isolated buildings is significantly increased than the ground motions with no velocity pulse. To the median-low base-isolated buildings, the impact of forward directivity pulses is bigger than fling-step pulses. To the high base-isolated buildings, the impact of fling-step pulses is bigger than forward directivity pulses. The fling-step pulses lead to large displacement response in the lower stories.

Full text

书书书
文章编号：1005-0930（2014）01-0001-013 中图分类号：TU352． 1 文献标识码：A
doi：10． 3969 / j． issn． 1005 -0930． 2014． 01． 001
收稿日期：2013-03-20；修订日期：2013-08-30
基金项目：国家重点基础研究发展计划（2011CB013601） ； 国家科技重大专项（2011 ZX06002-010-15） ； 中央级公益性
科研院所基本科研业务专项（DQJBDB28）
作者简介：贺秋梅（1978—） ，
女，
助理研究员． E-mail：heqiumei06@ 126 ． com
近断层速度脉冲型地震动作用基础
隔震建筑位移反应分析
贺秋梅
1
，李小军
1，2
，杨 宇
3
（1． 中国地震局地球物理研究所，
北京 100081；2 ． 北京工业大学建筑工程学院，
北京 100022；3． 环境保护部核
与辐射安全中心，
北京 100082）
摘要：以4层、9层和 14 层3个基础隔震结构为计算模型，
选取了3条向前方向
性效应速度脉冲及3条滑冲效应速度脉冲地震动记录，
并以这些速度脉冲型地
震动的弹性反应谱作为目标谱分别合成 6条无速度脉冲的地震动时程样本，
对
比分析了在有、
无速度脉冲的地震动激励下基础隔震结构的位移反应．探讨了地
震动的速度脉冲对基础隔震结构位移反应的影响，
并详细分析了两类不同产生
机制的速度脉冲对基础隔震建筑结构地震位移反应的影响差异．研究结果表明，
速度脉冲使基础隔震结构位移反应明显增大，
对于中低层基础隔震建筑的位移
反应滑冲效应速度脉冲的影响更大一些，
而向前方向性速度脉冲对高层建筑位
移反应影响更大，
滑冲效应速度脉冲使得结构底部变形更大，
导致结构可能发生
底层倒塌破坏．
关键词：近断层；速度脉冲；地震动记录；基础隔震建筑；位移反应
近几十年来的多次大地震，
如Kobe 地震（1995，Mw7． 2）、Kocaeli 地震（1999，Mw7． 4）、
集
集地震（1999，Mw7． 6 级）和汶川地震（2008，Mw7． 9）等，
在断层附近都产生了严重的
震害．这些地震之所以对周围工程结构产生如此严重的破坏，
与近断层区域的地震动
强烈有关，
更与近断层地震动所具有的长周期、
大位移和速度脉冲等特性有关，
因此，
这些特性对工程结构反应影响的探讨成为目前相关研究的热点问题．已有研究表明，
断层的破裂向前方向性效应和滑冲效应都可致使近断层地震动具有明显的速度脉冲，
从而在振幅、
频谱和持时3方面与远场地震动有明显的差别，
速度脉冲加重了对工程结
构的破坏［1-5］．然而，
目前很多学者研究速度脉冲地震动作用下工程结构的动力响应
时，
并没有区分两种不同产生机制的速度脉冲运动对结构动力响应产生何种不同的不
利影响［4-5］．直到最近，Kalkan 等分析了这两种不同速度脉冲对 3座高度分别为 4层、6
层和 13 层的钢框架建筑结构地震响应的影响［6］．杨迪雄等利用广义层间位移谱方法，
第22 卷1期
2014 年2月应用基础与工程科学学报
JOUＲNAL OF BASIC SCIENCE AND ENGINEEＲING
Vol． 22，No． 1
February 2014

将高层建筑等效化为一个弯剪型悬臂梁，
从地面输入理想的简单脉冲，
以及含破裂向
前方向性效应脉冲、
滑冲效应脉冲和无脉冲3组近断层地震动记录，
对弯剪组合梁进行
了层间变形分析［7］．以上研究结果表明，
滑冲效应脉冲主要激起抗弯框架体系的基本
振型响应，
导致结构的最大层间变形发生在较低楼层；破裂向前方向性效应脉冲能够
激起框架结构高阶振型的响应．
中国许多重要的城市如北京、
成都、
西安、
乌鲁木齐和昆明等有大型活动断层穿越
或位于附近［8］，
在这些近断层地区，
采用基础隔震等减震措施已经修建了一些体育场
馆以及多层、
中高层民用建筑．基础隔震结构通过在建筑物或构筑物基底设置控制机
构来隔离地震能量向上部结构传输，
使结构振动减轻，
避免地震破坏．基础隔震结构在
中远震场地减震效果良好，
但近断层地震动明显的长周期速度和位移脉冲运动可能对
隔震建筑的抗震性能和设计带来不利影响，
这种不利影响究竟有多严重，
还需要深入
探讨． Jangid 等的研究表明，EDF（Electricite-de-France）隔震系统可能是近断层基底隔
震设计的最佳选择［9］．杨迪雄等的研究表明，
经参数优化设计的考虑近断层速度脉冲
型地震动作用的隔震结构，
能同时满足近断层速度脉冲型和非速度脉冲型地震动作用
下的结构设计需求［10］．然而，
相比传统的抗震结构而言，
两种产生机制不同的速度脉冲
型地震动对基础隔震建筑结构位移反应的影响差异研究还较少开展，
且两种速度脉冲
对基础隔震建筑结构位移反应的影响差异究竟多大，
还需要进行更详细的量化分析．
另外，
在分析速度脉冲对结构动力反应的影响时，
很多学者一般采用有、
无速度脉冲的
两组实际地震动记录作为输入，
但无论怎样挑选地震记录，
这些记录的反应谱特性之
间仍将存在很大的差异，
地震动反应谱之间的差异对结构反应必定会带来影响，
计算
结果的差异将不能真实反映地震动的速度脉冲等特殊特性的影响，
从而会影响到研究
结果的可信程度［3，11］．
本文结合 3栋基础隔震建筑，
选取多条不同产生机制的速度脉冲型地震动记录，
以这
些实际的含有速度脉冲的地震动记录作为地震动输入，
同时以人工模拟的具有相同加速
度反应谱而具有不同峰值速度的无速度脉冲地震动时程作为地震动输入进行比较，
对3
栋基础隔震建筑进行不同地震动输入下的地震位移反应计算，
探讨地震动的速度脉冲对
基础隔震建筑位移反应的影响，
以及两类不同产生机制的速度脉冲对基础隔震建筑地震
位移反应的影响差异．
1计算模型概况
1． 1 上部结构模型
采用框架结构，
采用 C30 混凝土，
计算模型参数见表 1，
房屋柱、
梁布置见图1． 标准
层平面如图 1所示．基于以下两个应用广泛的假定进行隔震建筑结构的动力分析：上部
结构处于弹性范围；楼板平面内无限刚，
平面外刚度为零．将钢筋混凝土梁、
柱等效为均质
的杆单元，
将楼板等效为均质的壳单元，
其材料特性以混凝土特性为主；考虑了梁单元的
弯曲变形、
剪切变形，
柱单元的弯曲变形、
剪切变形和轴向变形；假设楼板在自身平面内为
绝对刚性，
在平面外的刚度忽略不计．
2应用基础与工程科学学报 Vol． 22

表1计算模型参数
Table 1 Parameters of calculation model
模型 梁宽 ×高/mm 柱截面/ mm 楼板厚/ mm 层高/ m 总层数
模型一 350 × 500 550 × 550 100 3． 6 4
模型二 400 × 600 650 × 650 100 3． 6 9
模型三 400 × 700 700 × 700 150 3． 6 14
图1某办公楼标准层平面图（单位：mm）
Fig． 1 An office building standard floor plan（unit：mm）
1． 2 铅芯橡胶隔震支座模型
计算模型采用的铅芯橡胶隔震支座，
在非线性分析中采用双轴非线性滞回单元来模
拟，
它对于两个剪切变形的自由度有耦合的塑性属性，
而对于其它4个变形自由度有线性
的有效刚度和有效阻尼属性［12-13］． 3 个模型分别采用 35 个铅芯橡胶隔震支座，
框架结构
每个柱基础与柱之间设置一个隔震垫形成隔震支座，
布置见图 1． 表3为设置隔震支座前
后模型自振周期．
表2铅芯橡胶支座参数
Table 2 Parameters of leader rubber bearing
模型 支座型号 参数
竖向刚度
/ kN /m 等效刚度
/ kN /m 屈服前刚度
/ kN /m 屈服后刚度
/ kN /m 屈服力/kN 等效阻尼比
/%
模型一 GZY400 1629000 1325 4647 715 41． 9 27． 2
模型二 GZY600 2614000 1859 6519 1003 94． 2 27． 2
模型三 GZY700 4065000 2531 8873 1365 128． 2 27． 2
表3设置隔震支座前后模型自振周期
Table 3 The natural vibration period of before and after setting leader rubber bearing
模型 自振周期/ s
1 2 3
模型一 设置隔震支座前 0 ． 518 0． 505 0． 468
设置隔震支座后 1 ． 431 1． 348 1． 244
3
No． 1 贺秋梅等：近断层速度脉冲型地震动作用基础隔震建筑位移反应分析

续表 3
模型 自振周期/ s
1 2 3
模型二 设置隔震支座前 1 ． 066 1． 034 0． 962
设置隔震支座后 1 ． 980 1． 712 1． 593
模型三 设置隔震支座前 1 ． 477 1． 422 1． 311
设置隔震支座后 2 ． 498 2． 465 1． 877
2基础输入地震动的选取
目前对于速度脉冲型地震动似乎没有明确、
统一的定义，
本文倾向于以下判断速度脉
冲的标准：如果速度时程中具有急剧的“
突起”，
并满足，（ 1）速度脉冲持时在0． 5s 以上；
（2）速度时程中最大峰值是第二大峰值的两倍以上； （ 3）如果有两个峰值较为接近，
则二
者中峰值稍小者是其余最大峰值的两倍以上．
根据速度脉冲产生的机理不同，
可以将速度脉冲分为以下两类．
（1）由于破裂传播的多普勒效应引起的方向性速度脉冲．即当满足以下条件：①断层
破裂方向朝向场地（或夹角较小） ； ②断层破裂速度接近场地剪切波速．方向性效应使能
量在短时间内累积，
进而引起冲击型的地面运动，
反映在时程上表现为大的幅值、
明显的
脉冲波形和短的地震动持时．这个速度脉冲多表现为一个双向速度脉冲；
（2）由滑冲效应引起的速度脉冲．滑冲效应的产生原因是断层两盘的相对运动，
地
面出现阶跃式的不可恢复的永久位移．滑冲效应引起的速度脉冲与永久位移的大小和
产生永久位移的时 间有关，
它主要表现在平行于断层滑动方向的分量上，
呈单向
脉冲．
参照以上要求，
本文选择6条地震动加速度记录作为脉冲型地震动记录输入，
所选地
震动记录参数见表4，
加速度时程与速度时程见图2．
表4近断层速度脉冲型地震动记录参数
Table 4 Parameters of the near-fault ground motions with velocity pulse
产生机制 代号 地震名称 震级 台站 分量 场地 持时/s
方向性效应
A1 Northridge（1994）7． 1 Newhall-W． Pico Canyon Ｒd comp046 B/ C 20． 48
A2 Imperial Valley（1979）6． 5 E07 compSN B / C 20． 48
A3 Imperial Valley（1979）6． 5 E04 compSN B / C 20． 48
滑冲效应
B1 CHI-CHI（1999）7． 6 TCU75 compEW D 40 ． 96
B2 CHI-CHI（1999）7． 6 TCU76 compEW D 40 ． 96
B3 CHI-CHI（1999）7． 6 TCU129 compEW D 40 ． 96
针对每一条带有速度脉冲的实际地震动记录，
根据记录的计算加速度反应谱分别拟
合反应谱合成6条人工地震动时程，
地震动记录 A1 对应的人工地震动记为 aa11、aa12、
aa13、aa14、aa15 和aa16，
地震动记录 A2 对应的人工地震动记为 aa21、aa22、aa23、aa24、
aa25 和aa26，
地震动记录 A3 对应的人工地震动记为 aa31、aa32、aa33、aa34、aa35 和aa36，
地震动记录 B1 对应的人工地震动记为 bb11、bb12、bb13、bb14、bb15 和bb16，
地震动记录
B2 对应的人工地震动记为 bb21、bb22、bb23、bb24、bb25 和bb26，
地震动记录 B3 对应的人
4应用基础与工程科学学报 Vol． 22

图2速度脉冲型地震动记录加速度时程与速度时程
Fig． 2 Acceleration and velocity time histories of
the ground motions with velocity pulse
工地震动记为 bb31、bb32、bb33、bb34、bb35 和bb36． 人工地震动加速度和速度时程的部
分样本如图3所示．这些人工地震动时程不再具有速度脉冲特性，
但具有相同的加速度反
应谱和相近的时程强度包络．将人工地震动时程和原地震动记录一起作为输入地震动，
用
以排除不同反应谱的影响作用而分析速度脉冲是否会对基础结构建筑地震反应产生影
响，
从而考察近断层地震动的两类速度脉冲特性对基础隔震建筑结构位移反应的影响
差异．
5
No． 1 贺秋梅等：近断层速度脉冲型地震动作用基础隔震建筑位移反应分析

图3人工地震动的加速度和速度时程
Fig． 3 Acceleration and velocity time histories of the artificial ground motion
3计算过程与结果分析
输入表1的各地震动时程及人工地震动时程进行结构动力反应分析，
上部结构的模
态阻尼比取为0． 05． 计算时，X向加速度峰值分别调整为220cm / s2，
相当于7°罕遇地震的
大小，
时间步长为0． 01s，
计算结构的前30 个模态．基础隔震结构的非线性时程分析采用
快速非线性分析法（FNA） ，FNA 方法是一种非线性分析的有效方法，
在这种方法中，
非线
性被作为外部荷载处理，
形成考虑非线性荷载并进行修正的模态方程．
为了衡量速度脉冲对基础隔震结构位移反应的影响效果，
引入位移反应脉冲影响系
数，
其值根据基础隔震结构各层位移反应的最大值定义
kc
ij =dc
imax
dc
ij max
6应用基础与工程科学学报 Vol． 22

式中，dc
ij 和dc
i分别为速度脉冲型地震动时程 Ai（或Bi）和合成地震动 Aij（或Bij）引起的
基础隔震结构第 c层的最大位移反应，kc
ij 为第 c层的位移反应脉冲影响系数．
计算 6组地震动作用下各模型的各层最大位移反应，
并计算其位移反应脉冲影响系
数．以模型二各层最大位移反应及脉冲影响系数计算结果为示例，
见表 5—表10． 因篇幅
所限，
模型一及模型三的计算结果不再一一展示．
表5 A1 组地震动时程作用下各层最大位移（模型二）
Table 5 Maximum displacement of each layer under A1 group of earthquake ground motions（model 2）
时程 位移/cm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 均值
A1 d116． 06 17 ． 27 18． 59 19 ． 82 20． 90 21 ． 80 22． 52 23 ． 06 23． 44 23 ． 66 /
A11 d11 17． 68 18 ． 86 20． 13 21 ． 30 22． 32 23 ． 18 23． 87 24 ． 39 24． 74 24 ． 96 /
k11 0． 91 0． 92 0． 92 0． 93 0． 94 0． 94 0 ． 94 0． 95 0． 95 0． 95 0． 93
A12 d12 16． 12 17 ． 38 18． 76 20 ． 03 21． 14 22 ． 07 22． 82 23 ． 39 23． 78 24 ． 01 /
k12 1． 00 0． 99 0． 99 0． 99 0． 99 0． 99 0 ． 99 0． 99 0． 99 0． 99 0． 99
A13 d13 14． 23 15 ． 31 16． 57 17 ． 78 18． 85 19 ． 74 20． 46 21 ． 00 21． 37 21 ． 59 /
k13 1． 13 1． 13 1． 12 1． 11 1． 11 1． 10 1 ． 10 1． 10 1． 10 1． 10 1． 11
A14 d14 15． 29 16 ． 51 17． 83 19 ． 05 20． 11 21 ． 00 21． 72 22 ． 26 22． 63 22 ． 85 /
k14 1． 05 1． 05 1． 04 1． 04 1． 04 1． 04 1 ． 04 1． 04 1． 04 1． 04 1． 04
A15 d15 10． 77 11 ． 59 12． 49 13 ． 33 14． 07 14 ． 69 15． 20 15 ． 58 15． 84 16 ． 00 /
k15 1． 49 1． 49 1． 49 1． 49 1． 49 1． 48 1 ． 48 1． 48 1． 48 1． 48 1． 48
A16 d16 12． 99 13 ． 83 14． 74 15 ． 58 16． 31 16 ． 93 17． 43 17 ． 81 18． 07 18 ． 22 /
k16 1． 24 1． 25 1． 26 1． 27 1． 28 1． 29 1 ． 29 1． 29 1． 30 1． 30 1． 28
均值 k1． 14 1． 14 1． 14 1． 14 1． 14 1． 14 1． 14 1． 14 1 ． 14 1． 14 1 ． 14
归一化 k’1． 00 1． 00 1． 00 1 ． 00 1． 00 1． 00 1． 00 1． 00 1 ． 00 1． 00 /
表6 A2 组地震动时程作用下各层最大位移（模型二）
Table 6 Maximum displacement of each layer under A2 group of earthquake ground motions（model 2）
时程 位移/cm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 均值
A2 d210． 19 10 ． 72 11． 29 11 ． 82 12． 29 12 ． 68 12． 99 13 ． 24 13． 41 13 ． 51 /
A21 d21 6． 39 6． 97 7． 62 8 ． 23 8． 78 9． 26 9． 64 9． 94 10． 14 10． 26 /
k21 1． 60 1． 54 1． 48 1． 44 1． 40 1． 37 1 ． 35 1． 33 1． 32 1． 32 1． 41
A22 d22 11． 23 11 ． 97 12． 80 13 ． 59 14． 32 14 ． 94 15． 45 15 ． 84 16． 11 16 ． 27 /
k22 0． 91 0． 90 0． 88 0． 87 0． 86 0． 85 0 ． 84 0． 84 0． 83 0． 83 0． 86
A23 d23 7． 11 7 ． 74 8． 44 9． 08 9． 64 10． 11 10． 48 10． 77 10． 97 11． 08 /
k23 1． 43 1． 38 1． 34 1． 30 1． 28 1． 25 1 ． 24 1． 23 1． 22 1． 22 1． 29
A24 d24 8． 49 9 ． 07 9． 71 10 ． 32 11． 02 11 ． 62 12． 11 12 ． 48 12． 73 12． 88 /
k24 1． 20 1． 18 1． 16 1． 15 1． 11 1． 09 1 ． 07 1． 06 1． 05 1． 05 1． 11
A25 d25 8． 77 9 ． 41 10 ． 11 10． 75 11 ． 32 11． 80 12 ． 18 12． 47 12 ． 67 12． 79 /
k25 1． 16 1． 14 1． 12 1． 10 1． 09 1． 07 1 ． 07 1． 06 1． 06 1． 06 1． 09
A26 d26 6． 25 6． 76 7． 34 7 ． 91 8． 45 8． 93 9． 32 9． 62 9 ． 82 9． 94 /
k26 1． 63 1． 59 1． 54 1． 49 1． 45 1． 42 1 ． 39 1． 38 1． 37 1． 36 1． 46
均值 k1． 32 1． 29 1． 25 1． 23 1． 20 1． 18 1． 16 1． 15 1 ． 14 1． 14 1 ． 20
归一化 k’1． 16 1． 13 1． 10 1 ． 07 1． 05 1． 03 1． 02 1． 01 1 ． 00 1． 00 /
7
No． 1 贺秋梅等：近断层速度脉冲型地震动作用基础隔震建筑位移反应分析

表7 A3 组地震动时程作用下各层最大位移（模型二）
Table 7 Maximum displacement of each layer under A3 group of earthquake ground motions（model 2）
时程 位移/cm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 均值
A3 d311． 21 12 ． 11 13． 27 14 ． 34 15． 27 16 ． 05 16． 67 17 ． 15 17． 47 17 ． 66 /
A31 d31 7． 73 8 ． 47 9． 30 10 ． 08 10． 78 11 ． 36 11． 83 12 ． 18 12． 43 12． 57 /
k31 1． 45 1． 43 1． 43 1． 42 1． 42 1． 41 1 ． 41 1． 41 1． 41 1． 40 1． 42
A32 d32 8． 61 9 ． 28 10 ． 00 10． 66 11 ． 24 11． 73 12 ． 12 12． 42 12 ． 62 12． 74 /
k32 1． 30 1． 31 1． 33 1． 34 1． 36 1． 37 1 ． 38 1． 38 1． 38 1． 39 1． 35
A33 d33 7． 14 7 ． 87 8． 69 9． 46 10 ． 13 10． 70 11． 16 11． 51 11． 75 11． 89 /
k33 1． 57 1． 54 1． 53 1． 52 1． 51 1． 50 1 ． 49 1． 49 1． 49 1． 49 1． 51
A34 d34 7． 54 7 ． 97 8． 45 8． 90 9． 34 9 ． 82 10 ． 20 10． 49 10 ． 69 10． 81 /
k34 1． 49 1． 52 1． 57 1． 61 1． 63 1． 63 1 ． 63 1． 63 1． 63 1． 63 1． 60
A35 d35 7． 95 8 ． 74 9． 62 10 ． 45 11． 17 11 ． 78 12． 27 12 ． 64 12． 90 13． 05 /
k35 1． 41 1． 39 1． 38 1． 37 1． 37 1． 36 1 ． 36 1． 36 1． 35 1． 35 1． 37
A36 d36 10． 12 10 ． 67 11． 27 11 ． 86 12． 42 12 ． 92 13． 33 13 ． 66 13． 88 14 ． 02 /
k36 1． 11 1． 14 1． 18 1． 21 1． 23 1． 24 1 ． 25 1． 26 1． 26 1． 26 1． 21
均值 k1． 39 1． 39 1． 40 1． 41 1． 42 1． 42 1． 42 1． 42 1 ． 42 1． 42 1． 41
归一化 k’1． 00 1． 00 1． 01 1 ． 02 1． 02 1． 02 1． 02 1． 02 1 ． 02 1． 02 /
表8 B1 组地震动时程作用下各层最大位移（模型二）
Table 8 Maximum displacement of each layer under B1 group of earthquake ground motions（model 2）
时程 位移/cm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 均值
B1 d116． 42 17 ． 39 18． 46 19 ． 46 20． 33 21 ． 07 21． 66 22 ． 11 22． 42 22 ． 61 /
B11 d11 8． 28 8 ． 92 9． 62 10． 29 10． 87 11． 37 11 ． 78 12． 09 12 ． 30 12． 43 /
k11 1． 98 1． 95 1． 92 1． 89 1． 87 1． 85 1 ． 84 1． 83 1． 82 1． 82 1． 88
B12 d12 16． 51 17 ． 45 18． 47 19 ． 42 20． 27 20 ． 99 21． 59 22 ． 05 22． 36 22 ． 55 /
k12 0． 99 1． 00 1． 00 1． 00 1． 00 1． 00 1 ． 00 1． 00 1． 00 1． 00 1． 00
B13 d13 8． 65 9 ． 29 9． 98 10． 61 11． 17 11． 63 12 ． 00 12． 28 12 ． 48 12． 59 /
k13 1． 90 1． 87 1． 85 1． 83 1． 82 1． 81 1 ． 80 1． 80 1． 80 1． 80 1． 83
B14 d14 11． 00 11 ． 79 12． 65 13 ． 44 14． 14 14 ． 72 15． 19 15 ． 54 15． 78 15 ． 93 /
k14 1． 49 1． 48 1． 46 1． 45 1． 44 1． 43 1 ． 43 1． 42 1． 42 1． 42 1． 44
B15 d15 7． 16 7 ． 84 8． 59 9． 29 9 ． 90 10 ． 42 10． 83 11 ． 14 11． 36 11 ． 48 /
k15 2． 29 2． 22 2． 15 2． 09 2． 05 2． 02 2 ． 00 1． 98 1． 97 1． 97 2． 08
B16 d16 8． 85 9 ． 56 10 ． 33 11． 04 11 ． 66 12． 18 12 ． 59 12． 91 13 ． 12 13． 25 /
k16 1． 86 1． 82 1． 79 1． 76 1． 74 1． 73 1 ． 72 1． 71 1． 71 1． 71 1． 76
均值 k1． 75 1． 72 1． 70 1． 67 1． 65 1． 64 1． 63 1． 62 1 ． 62 1． 62 1 ． 67
归一化 k’1． 08 1． 06 1． 05 1 ． 03 1． 02 1． 01 1． 01 1． 00 1 ． 00 1． 00 /
表9 B2 组地震动时程作用下各层最大位移（模型二）
Table 9 Maximum displacement of each layer under B2 group of earthquake ground motions（model 2）
时程 位移/cm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 均值
B2 d24． 76 5． 26 5． 84 6． 43 6 ． 95 7． 39 7． 75 8． 02 8． 20 8 ． 31 /
B21 d21 5． 08 5． 51 6． 06 6 ． 58 7． 02 7． 40 7． 71 7． 94 8． 10 8 ． 19 /
k21 0． 94 0． 95 0． 96 0． 98 0． 99 1． 00 1 ． 00 1． 01 1． 01 1． 01 0． 99
B22 d22 5． 20 5． 75 6． 36 6 ． 91 7． 40 7． 81 8． 14 8． 39 8． 55 8 ． 66 /
k22 0． 92 0． 91 0． 92 0． 93 0． 94 0． 95 0 ． 95 0． 96 0． 96 0． 96 0． 94
B23 d23 5． 46 5． 78 6． 12 6 ． 44 6． 74 7． 00 7． 23 7． 42 7． 55 7 ． 64 /
k23 0． 87 0． 91 0． 95 1． 00 1． 03 1． 06 1 ． 07 1． 08 1． 09 1． 09 1． 01
8应用基础与工程科学学报 Vol． 22

续表 9
时程 位移/cm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 均值
B24 d24 3． 86 4． 23 4． 64 5 ． 02 5． 43 5． 85 6． 19 6． 45 6． 63 6 ． 74 /
k24 1． 23 1． 24 1． 26 1． 28 1． 28 1． 26 1 ． 25 1． 24 1． 24 1． 23 1． 25
B25 d25 3． 85 4． 28 4． 74 5 ． 17 5． 55 5． 87 6． 12 6． 32 6． 45 6 ． 53 /
k25 1． 24 1． 23 1． 23 1． 24 1． 25 1． 26 1 ． 26 1． 27 1． 27 1． 27 1． 25
B26 d26 3． 06 3． 27 3． 54 3 ． 93 4． 27 4． 55 4． 79 4． 96 5． 08 5 ． 16 /
k26 1． 55 1． 61 1． 65 1． 64 1． 63 1． 62 1 ． 62 1． 61 1． 61 1． 61 1． 62
均值 k1． 13 1． 14 1． 16 1． 18 1． 19 1． 19 1． 19 1． 20 1 ． 20 1． 20 1 ． 18
归一化 k’1． 00 1． 01 1． 03 1 ． 05 1． 05 1． 06 1． 06 1． 06 1 ． 06 1． 06 /
表10 B3 组地震动时程作用下各层最大位移（模型二）
Table 10 Maximum displacement of each layer under B3 group of earthquake ground motions（model 2）
时程 位移/cm 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 均值
B3 d34． 63 5． 02 5． 46 5． 86 6 ． 21 6． 52 6． 76 6． 95 7． 08 7 ． 16 /
B31 d31 3． 46 3． 99 4． 61 5 ． 19 5． 72 6． 17 6． 54 6． 81 7． 00 7 ． 12 /
k31 1． 34 1． 26 1． 18 1． 13 1． 09 1． 06 1 ． 03 1． 02 1． 01 1． 01 1． 11
B32 d32 3． 68 3． 98 4． 30 4 ． 77 5． 19 5． 55 5． 86 6． 10 6． 27 6 ． 38 /
k32 1． 26 1． 26 1． 27 1． 23 1． 20 1． 17 1 ． 15 1． 14 1． 13 1． 12 1． 19
B33 d33 4． 36 4． 70 5． 10 5 ． 48 5． 85 6． 19 6． 49 6． 81 7． 03 7 ． 16 /
k33 1． 06 1． 07 1． 07 1． 07 1． 06 1． 05 1 ． 04 1． 02 1． 01 1． 00 1． 05
B34 d34 3． 41 3． 79 4． 21 4 ． 60 4． 94 5． 38 5． 74 6． 01 6． 19 6 ． 30 /
k34 1． 36 1． 32 1． 30 1． 27 1． 26 1． 21 1 ． 18 1． 16 1． 14 1． 14 1． 23
B35 d35 3． 36 3． 72 4． 17 4 ． 60 4． 97 5． 28 5． 53 5． 72 5． 85 5 ． 93 /
k35 1． 38 1． 35 1． 31 1． 27 1． 25 1． 23 1 ． 22 1． 21 1． 21 1． 21 1． 26
B36 d36 3． 45 3． 86 4． 32 4 ． 75 5． 12 5． 43 5． 67 5． 86 5． 99 6 ． 07 /
k36 1． 34 1． 30 1． 26 1． 23 1． 21 1． 20 1 ． 19 1． 19 1． 18 1． 18 1． 23
均值 k1． 29 1． 26 1． 23 1． 20 1． 18 1． 15 1． 14 1． 12 1 ． 11 1． 11 1 ． 18
归一化 k’1． 16 1． 14 1． 11 1 ． 08 1． 06 1． 04 1． 02 1． 01 1 ． 00 1． 00 /
3． 1 速度脉冲对基础隔震结构各层最大位移反应的影响
由表 5—表10 可以看出，
在6组地震动作用下模型二的位移反应均为由隔震层开始
逐渐变大，
顶层位移最大． 6 条速度脉冲地震动的平均位移反应脉冲影响系数分别为
1． 14、1． 21、1． 41、1． 67、1． 18 和1． 18，
以上 6条地震动时程速度脉冲影响系数的总平均值
为1． 30，
即在本文所选的6条速度脉冲地震动作用下模型二的位移反应比无速度脉冲人
工地震动作用下增大1． 30 倍．
同理，
模型一的速度脉冲影响系数总平均值为 1． 45，
模型三的速度脉冲影响系数总
平均值为1． 31．
由此可见，
在加速度反应谱、
峰值加速度、
持时及强度包络函数等参数都近似相等
（误差 10% ）的情况下，
有、
无速度脉冲是影响基础隔震结构位移反应大小的重要因素，
速
度脉冲对结构位移反应有一定的不利影响，
对于本文所选的3个模型，
速度脉冲使基础隔
震结构的位移反应分别增大1． 30、1． 45 及1． 31 倍．
3． 2 两类速度脉冲对基础隔震结构各层最大位移反应的影响差异分析
为了对比两类速度脉冲对基础隔震结构位移反应的影响差异，
现将两类速度脉冲地
震动分别讨论．由表 5—表10 可以看出，A1、A2 及A3 三条向前方向性速度脉冲地震动的
9
No． 1 贺秋梅等：近断层速度脉冲型地震动作用基础隔震建筑位移反应分析

位移反应脉冲影响系数均值为 1． 25，B1、B2 及B3 三条滑移效应脉冲地震动的位移反应
脉冲影响系数均值为1． 34，
因此，
滑移效应速度脉冲地震动时程作用下模型二的位移反
应脉冲影响系数略大于向前方向性速度脉冲地震动时程的影响系数，
略大 7% ．
图4为两类速度脉冲地震动对模型二位移反应脉冲影响系数各层均值．由图可以看
出，
滑冲效应速度脉冲地震动作用下的各层脉冲影响系数均大于向前方向性速度脉冲地
震动作用，
与上部结构相比，
隔震层位移影响系数较大，6条速度脉冲地震动的隔震层位
移脉冲影响系数平均值分别为 1． 14、1． 32、1． 39、1． 72、1． 13、1． 29，
其中，3条向前方向性
速度脉冲地震动的影响系数均值为1． 28，
而3条滑冲效应速度脉冲地震动的影响系数均
值为 1． 38，
因此，
滑冲效应速度脉冲对模型二的隔震层位移影响更大些，
略大 8% ．
为了更直观地表现速度脉冲对结构各层变形的影响程度，
本文中将两类速度脉冲地
震动对模型二每层（共10 层，
含隔震层）的平均位移反应影响系数进行“
归1化”
处理，
具
体为
“
各层归1化脉冲影响系数 =该层位移反应脉冲影响系数/10 层中最小位移反应影
响系数”．计算结果如图5所示．从图中可以看出，
两类速度脉冲对模型二位移反应的影
响均由隔震层开始逐渐减小，
速度脉冲对顶部位移反应的影响最小，
且对顶部3—4层位
移反应的影响大小相同．相对于顶部的 3层，
滑冲效应速度脉冲对隔震层及底部3层位移
反应的影响更大一些，
向前方向性速度脉冲对顶部与底部的影响差别没有滑冲效应速度
脉冲明显．
综上所述，
相比无速度脉冲地震动作用，
速度脉冲地震动使模型二各层的位移反应明
显增大，
两类速度脉冲均对隔震层位移的影响最大．相比向前方向性速度脉冲而言，
滑冲
效应速度脉冲对该结构位移反应的影响更大，
略大 7% ，
且对该结构底部 3层位移反应的
影响明显大于对上部结构的影响，
即滑冲效应速度脉冲使得结构底部变形更大，
导致结构
可能发生底部倒塌破坏．
模型一的计算结果如图6和图 7所示，
滑冲效应速度脉冲地震动时程的位移反应脉
冲影响系数略大于向前方向性速度脉冲地震动时程的影响系数，
略大 3% ． 相比于顶部 3
层，
滑冲效应速度脉冲对隔震层及底层位移反应的影响更大些，
向前方向性速度脉冲对顶
01 应用基础与工程科学学报 Vol． 22

部与底部的影响差别没有滑冲效应速度脉冲明显．
模型三的计算结果如图8和图 9所示，
向前方向性速度脉冲地震动作用下模型三的
位移反应脉冲影响系数略大于滑移效应速度脉冲地震动，
略大 7% ，
这一结果与前两个模
型的计算结果相反．但是，
滑冲效应对该结构底部4层位移反应的影响明显大于对上部结
构的影响，
这一结果与模型一和模型二的结果一致，
即滑冲效应速度脉冲使得结构底部变
形更大．
4结论
以实际的近断层速度脉冲地震动记录和相应的人工合成的无速度脉冲地震动时程作
为地震动输入，
通过对比4层、9层和 14 层3个基础隔震结构在有、
无速度脉冲地震动激
励下的反应，
分析了速度脉冲对基础隔震结构位移反应的影响，
并详细分析了向前方向性
及滑冲效应两种不同机制引起的速度脉冲对基础隔震结构地震反应影响的差异．结果
表明：
11
No． 1 贺秋梅等：近断层速度脉冲型地震动作用基础隔震建筑位移反应分析

（1）速度脉冲对基础隔震结构的位移反应有显著影响，3个基础隔震模型在速度脉冲
型地震动激励下，
位移反应均比无速度脉冲地震动大，3个模型的平均位移反应脉冲影响
系数分别为1． 45、1． 30 和1． 31． 因此，
在近断层区域的基础隔震结构应充分考虑速度脉
冲的影响，
防止构件和结构产生过得的变形而影响结构的正常使用；
（2）两种不同机制的速度脉冲对基础隔震结构的位移反应也有差异．对于 4层和 9
层基础隔震结构，
滑移效应脉冲引起的位移反应略大于向前方向性速度脉冲，
而对于14
层基础隔震结构，
向前方向性速度脉冲对位移反应的影响更大些．因此，
对于中低层基础
隔震建筑的位移反应滑冲效应脉冲的影响更大一些，
而向前方向性速度脉冲对高层建筑
位移反应影响更大；
（3）为了更直观地表现速度脉冲对结构各层变形的影响程度，
将两类速度脉冲地震
动对模型每层的平均位移反应影响系数进行
“
归1化”
处理． 3 个模型的结果表明，
速度脉
冲对基础隔震结构的隔震层位移反应的影响明显大于对上部结构的影响，
且滑冲效应速
度脉冲使得基础隔震结构底部变形更大，
导致结构可能发生底层倒塌破坏．
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Displacement Ｒesponse Analysis of Base-isolated Buildings
Subjected to Near-fault Ground Motions with
Velocity Pulse
HE Qiumei1，LI Xiaojun1，2，YANG Yu3
（1． Institute of Geophysics，China Earthquake Administration，Beijing 100081，China；2． The College of Architecture and
Civil Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100022，China；3． Nuclear and Ｒadiation Safety Center，
Ministry of Environmental Protection，Beijing 100082，China）
Abstract
In order to study the influence of the velocity pulse to seismic displacement response of
base-isolated buildings and the differences of the influent of the two types of near-fault ground
motions with velocity pulse to seismic response of base-isolated buildings，the seismic responses
were analyzed by three dimensional finite element models for three base-isolated buildings，4
stories，9 stories and 14 stories． In this study，comparative analyses were done for the seismic
displacement responses of the base-isolated structures under 6 near-fault ground motion records
with velocity pulse and no velocity pulse，in which，6 artificial ground motion time histories with
same elastic response spectrum as the 6 near-fault ground motion records were used as the
ground motion with no velocity pulse． This study indicates that under the ground motions with
velocity pulse the seismic displacement response of base-isolated buildings is significantly
increased than the ground motions with no velocity pulse． To the median-low base-isolated
buildings，the impact of forward directivity pulses is bigger than fling-step pulses． To the high
base-isolated buildings，the impact of fling-step pulses is bigger than forward directivity pulses．
The fling-step pulses lead to large displacement response in the lower stories．
Keywords：near fault；velocity pulse；strong motion record；base-isolated building；
displacement response
31
No． 1 贺秋梅等：近断层速度脉冲型地震动作用基础隔震建筑位移反应分析