淺談超高層建筑地震反應觀測及研究

袁新星

摘 要：隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，城市人口的增加，土地資源的緊張，全世界掀起了高層建筑建造的高潮，可以使人口集中、節(jié)約土地的超高層建筑被越來越多地投入建造和使用。然而這類建筑結(jié)構(gòu)的層高較高，平立面布置較復雜，缺乏實際震害經(jīng)驗，抗震設計沒有充分依據(jù)，因此，較之普通的規(guī)則結(jié)構(gòu)在地震下的破壞情況更復雜。該文主要從研究超高層建筑結(jié)構(gòu)在地震力作用下的響應情況，并對該類建筑的抗震性能的研究方法進行了簡要的總結(jié)綜述。

關(guān)鍵詞：超高層結(jié)構(gòu) 地震反應 強震觀測臺陣 振動臺試驗 數(shù)值模擬

中圖分類號：TU97 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）01（c）-0157-02

地震災害發(fā)生后，造成人員傷亡的主要原因之一就是建筑結(jié)構(gòu)的倒塌。超高層建筑作為經(jīng)濟社會發(fā)展的標志，正在不斷的改變我國城市的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)與城市景觀，成為現(xiàn)代經(jīng)濟社會建筑業(yè)發(fā)展的一大主流，目前我國已成為世界上超高層建筑發(fā)展的中心之一。經(jīng)過幾十年的開發(fā)建設，我國超高層的發(fā)展在理論和實踐兩方面都取得了不錯的成績，從現(xiàn)在國內(nèi)超高層建筑的建設來看，當今的超高層建筑已經(jīng)不再是單純地追求高度，而是更多地考慮到空間造型、城市環(huán)境、長效使用以及與超高層建筑相關(guān)的技術(shù)等問題。而對于超高層建筑結(jié)構(gòu)震害方面的研究，在我國雖然有前人做過一定的探索，但仍是方興未艾。尤其是世界上的超高層建筑普遍缺乏實際震害經(jīng)驗，在抗震設計方面無法找到充分的依據(jù)，我國的抗震規(guī)范中尚未能給出合理安全的相關(guān)設計規(guī)定，都屬于超限設計。如何超高層建筑結(jié)構(gòu)在地震動作用下的倒塌機理，保證超高層建筑的安全可靠性，成為亟待解決的難題。

研究表明，根據(jù)地震動資料來對工程建筑結(jié)構(gòu)進行抗震設計可以有效減輕地震對建筑物的破壞；此外，對復雜超高層建筑結(jié)構(gòu)進行縮比的振動臺模擬試驗可以研究此類建筑的動力特性，并據(jù)此進行合理的結(jié)構(gòu)設計；同時，通過有限元軟件對超高層建筑進行數(shù)值模擬，可以更為直觀地模擬出超高層建筑的倒塌機理和抗震性能。

1 研究方法

目前，主要通過強震觀測、振動臺模擬試驗和數(shù)值模擬這三種方法來最大限度地減輕超高層建筑結(jié)構(gòu)的地震災害。強震觀測是組成地震觀測的重要部分，其主要目的是獲取強震發(fā)生時地面震動的記錄，為及時有效地組織抗震救災及建立大震應急系統(tǒng)提供科學依據(jù)。振動臺試驗主要研究復雜超高層結(jié)構(gòu)體系在多遇地震和罕遇地震下的動力反應特性，并據(jù)此對工程結(jié)構(gòu)進行合理的抗震設計。事實上，對于超高層建筑結(jié)構(gòu)，利用振動臺試驗研究其抗倒塌性能難度很大，且花費巨大。因此，求解全面且速度快、成本低廉的數(shù)值模擬方法逐漸成為研究建筑結(jié)構(gòu)抗震性能和抗倒塌性能的重要手段。

1.1 強震觀測

強震觀測資料可以作為城市高層建筑抗震設計的依據(jù)，為城市的抗震設防事業(yè)提供可靠的數(shù)據(jù)支持。目前，強震觀測已被廣泛應用到工程中，如在一些大跨橋梁和高層建筑中安裝強震觀測儀，以便記錄地震動數(shù)據(jù)來分析結(jié)構(gòu)的抗震性能，更準確地對超高層建筑結(jié)構(gòu)進行抗震設計和抗震加固。

目前，世界上的強震儀已經(jīng)被廣泛應用，如：美國、日本早在20世紀90年代就已經(jīng)利用強震儀在地震中獲得了寶貴的主震加速度記錄。我國的強震觀測事業(yè)起步較晚，不管是數(shù)量上還是觀測技術(shù)上都遠遠低于世界平均水平。我國最早建立的數(shù)字強震網(wǎng)是上海數(shù)字強震觀測網(wǎng)，它的建立對上海乃至全國的防震減災、抗震救災起著積極作用。目前國內(nèi)很多發(fā)達的地區(qū)或者城市都開始注重強震觀測網(wǎng)和強震觀測臺站的建設，也取得了相當一部分有價值的記錄。

我國已建的超高層建筑結(jié)構(gòu)都屬于超限設計，震害經(jīng)驗缺乏，設計依據(jù)不充分，通過對這些超高層建筑結(jié)構(gòu)的地震觀測網(wǎng)絡的布設，得到了在強震作用下的結(jié)構(gòu)動力響應，以建立正確的結(jié)構(gòu)反應模型，對此類建筑物進行合理的抗震設計。

1.2 縮比振動臺試驗

目前我國很多超高層建筑的高度已超過《鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設計與施工規(guī)程》的規(guī)定，設計時沒有現(xiàn)成的規(guī)范可遵循，為確保結(jié)構(gòu)設計的安全可靠，研究人員對部分超高層建筑結(jié)構(gòu)進行了縮比振動臺試驗。

2001年，蔣歡軍，呂西林等人對廣州南航大廈進行了1∶25比例的微?；炷琳w模型的地震模擬振動臺試驗，研究了該模型的地震動力反應，并根據(jù)試驗結(jié)果按相似理論推出原型結(jié)構(gòu)在地震作用下的反應。在結(jié)構(gòu)設計時應采取比較嚴格的要求，保證主要構(gòu)件有較大的強度和延性儲截本結(jié)構(gòu)的設計較好地體現(xiàn)了這一思想，設計合理有效。之后國內(nèi)外學者陸華綱、朱彤、鄒昀、Li&Lam等人對上海和香港的地標性超高層大廈進行了縮比振動臺試驗。結(jié)果表明這些超高層建筑結(jié)構(gòu)體系在不同地震輸入下都能保持不倒塌的工作狀態(tài)，滿足三水準的抗震設防要求。但同時，這些試驗也說明通過振動臺試驗的方法很難對超高層建筑的倒塌機理有深入的認識。

事實上，目前的超高層建筑結(jié)構(gòu)在地震中抗倒塌能力表現(xiàn)較好，尚無相應實際震害經(jīng)驗。但是超高層建筑結(jié)構(gòu)的建設和試驗研究從未停止過。

1.3 數(shù)值模擬和有限元分析

一般對高度超過100 m或25層以上的建筑物定義為“超高層建筑”，對于這類建筑結(jié)構(gòu)，采用振動臺試驗其抗塌陷性能是非常困難和昂貴的。因此，數(shù)值模擬已成為研究結(jié)構(gòu)和建筑物倒塌性能、抗震性能的一個重要手段。為了研究超高層建筑結(jié)構(gòu)地震響應特點，一般可使用有限元軟件比如SAP2000、Etabs等建模對其進行多遇地震下的地震響應計算。有限元軟件簡潔易行地對超高層結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)靜力分析、模態(tài)分析、地震加速度反應譜分析和彈性動力時程分析。具體工作如下：（1）動力特性分析，分析了結(jié)構(gòu)的自振特性及振型，對結(jié)構(gòu)的振動扭轉(zhuǎn)效應和地震計算時振型個數(shù)的選擇做出了評價；（2）常遇地震下彈性時程分析：比較振型分解法和直接積分法下地震響應的差別，彈性樓板和剛性樓板假定對結(jié)構(gòu)周期和一些特殊構(gòu)件內(nèi)力的影響。同時按規(guī)范要求分析例如在EL-Centro波、Taft波和人工波作用下超高層建筑結(jié)構(gòu)無板相連的角柱內(nèi)力和結(jié)構(gòu)位移響應的特點。

2 結(jié)語

改革開放以來，我國高層建筑的建設事業(yè)突飛猛進。據(jù)統(tǒng)計，截至2010年，我國在建的或已建成的超過300 m的超高層建筑有47棟。高層建筑建設的速度之快、數(shù)量之多更是在世界上少有。隨著社會需求的多樣化，除了高層辦公樓，高層住宅、高層旅館和高層醫(yī)院等新型高層建筑也相繼出現(xiàn)且蓬勃發(fā)展。

超高層建筑的發(fā)展，也促進了新的建筑結(jié)構(gòu)體系和新的大規(guī)模結(jié)構(gòu)構(gòu)件的發(fā)展。同時，由于傳統(tǒng)常規(guī)方法難以進行試驗研究，高層建筑抗震安全，特別是在地震作用下的抗震性能研究是一個重要課題。有學者提出，復雜結(jié)構(gòu)建模、強非線性分析、超大規(guī)模計算等問題都是超高層建筑結(jié)構(gòu)倒塌模擬需要解決的重要問題。近年來，環(huán)境問題、能源問題的提出，也都對超高層建筑界產(chǎn)生了很大的影響，但是人們對建設高層建筑的熱情不會消減，超高層建筑的建設不會停止。

參考文獻

[1] 盧嘯，陸新征，張萬開，等.特大地震下超高層建筑的倒塌模擬[J].中國科學：技術(shù)科學，2011，41（11）：1405-1416.

[2] 陸華綱.超高層筒體結(jié)構(gòu)模型地震模擬振動臺試驗研究[D].大連理工大學，2002：7-22.

[3] 李國強，周向明，丁翔.高層建筑鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)模型模擬地震振動臺試驗研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2001，22（2）：3-7.

[4] 鄒昀，呂西林，錢江.上海環(huán)球金融中心大廈結(jié)構(gòu)抗震性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學報，2006，27（6）：74-87.

[5] 崔建文，趙永慶，付正新，等.隔震及超高層建筑的地震[J].地震研究，2002，25（2）：174-185.

[6] 龐驄驄，丁海平.基于地震觀測的二維與三維高層框剪結(jié)構(gòu)模型的地震響應對比[J].工程抗震與加固改造，2013，35（6）：18-23.

[7] 黃思凝，郭迅，張敏政，等.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)小比例尺模型設計方法及相似性研究[J].土木工程學報，2012，45（7）：31-38.

[8] 蔣歡軍，呂西林，盧文勝，等.廣州南航大廈模型地震模擬振動臺試驗研究[J].四川建筑科學研究，2001，27（1）：31-44.

[9] 張敏政.地震模擬試驗中相似率應用的若干問題[J].地震工程與工程振動，1997，17（2）：52-58.