超高層抗震反應(yīng)分析

(華北理工大學(xué) 河北 唐山 063200)

引言

截止2017年12月2日，全球己建成超過200m及以上的超高層建筑總計(jì)1407座，其中我國共計(jì)602座，占比42.8070。現(xiàn)階段我國正處于施工或封頂狀態(tài)的超高層建筑共計(jì)298座。計(jì)劃2018年完工的超高層建筑共計(jì)128座，可以預(yù)期未來中國在超高層建筑數(shù)量占比仍將進(jìn)一步提升。按照建筑高度，全球己建成超高層建筑前二十名榜單中，我國占據(jù)其中九席，我國己建成超高層建筑的第十名門檻也達(dá)到了430米以上。

一、研究背景

(一)地震長(zhǎng)周期的發(fā)現(xiàn)

地震過程中釋放巨大的能量會(huì)造成極大的破壞，而中國也飽受地震之蕩。楊格格[1]等人整理了建國以來5.0級(jí)以上地震災(zāi)害分級(jí)分布，研究表明我國地震災(zāi)害時(shí)間上存在明顯活躍和平靜交替的周期性，空間上存在分異格局顯著的特點(diǎn)。地震多發(fā)地與經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)高度重合，而超高層往往建造地區(qū)經(jīng)濟(jì)都較為繁榮，那么是否遠(yuǎn)離地震多發(fā)地就能很好地降低超高層建筑的地位危害性呢。

大地震震源由于破裂尺度較大導(dǎo)致地震波低頻成分豐富，而低頻部分地震波傳播衰減較高頻成分要低很多，倘若超高層建筑物所處地基覆蓋土層介質(zhì)松軟或厚度較厚，甚至?xí)纬煞糯笞饔肹2]。1989年美國洛馬·普里埃塔發(fā)生7級(jí)地震，引發(fā)奧克蘭海灣大橋東橋的脫落。2005年日本九州發(fā)生7級(jí)地震，在930km外的上海市，部分居住于15層以上的居民對(duì)此次地震感受明顯。2008年四川漢川8.0級(jí)地震，距震中520km的寶雞市和距震中700km的西安市的建筑震感劇烈，建筑物出現(xiàn)較大的水平位移，其中以高層建筑尤甚，多座高層建筑的填充墻出現(xiàn)較大損傷。

(二)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

近十年來我國學(xué)者對(duì)超高層結(jié)構(gòu)在富含長(zhǎng)周期成分地震中的響應(yīng)進(jìn)行了多方面的研究。研究主要從震源特性、場(chǎng)地條件地震動(dòng)數(shù)據(jù)獲取、超高層結(jié)構(gòu)響應(yīng)指標(biāo)、反應(yīng)譜特征、工程設(shè)計(jì)要求、探討了長(zhǎng)周期地震動(dòng)與普通地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)影響的區(qū)別。

2007年，楊迪雄分析近斷層地震動(dòng)的破裂方向性、脈沖效應(yīng)以及上盤效應(yīng)等對(duì)長(zhǎng)周期建筑的影響;結(jié)果表明，脈沖效應(yīng)與結(jié)構(gòu)的初始自身周期呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，尤其在長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)中，這一關(guān)系最為明顯;近斷層地震動(dòng)破裂方向性主要影響隔震建筑和大跨度斜拉橋等，此外，長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)對(duì)上盤效應(yīng)也非常敏感。

2009年，張振炫分析了普通地震波與三條長(zhǎng)周期地震波時(shí)間與頻率特點(diǎn)的區(qū)別，并利用ANSYS軟件對(duì)一高層建筑的地震響應(yīng)進(jìn)行研究，得出結(jié)論:高層建筑在長(zhǎng)周期地震動(dòng)的作用下的位移指標(biāo)和內(nèi)力指標(biāo)顯著增大，位移指標(biāo)的差異尤其突出。

2015年，肖雄以深圳某80層建筑為基礎(chǔ)，研究了影響地震剪力系數(shù)的諸多因素，發(fā)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的基底剪力隨著周期折減系數(shù)為負(fù)相關(guān)關(guān)系，而阻尼比的增大也會(huì)略微降低基底剪力;該文獻(xiàn)還指出，不同的場(chǎng)地對(duì)結(jié)構(gòu)的基底剪力、位移響應(yīng)影響甚大，其中I類場(chǎng)地的基底剪力、位移響應(yīng)僅為IV場(chǎng)地的一半左右。

如上述的學(xué)者研究，普遍規(guī)律是長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)比普通地震動(dòng)要大，并且結(jié)構(gòu)響應(yīng)還會(huì)受到場(chǎng)地條件、結(jié)構(gòu)特性等影響。

(三)針對(duì)不同規(guī)范抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜對(duì)比

2006年，李婕等[3]對(duì)中國、日本、美國三國的抗震隔震思想、設(shè)計(jì)反應(yīng)譜及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行對(duì)比，通過一個(gè)五層鋼結(jié)構(gòu)隔震結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)和時(shí)程分析法剪力加速度反應(yīng)譜，對(duì)我國加速度反應(yīng)譜長(zhǎng)周期段的修訂提出建議。

2008年，余湛等對(duì)中、美、歐抗震設(shè)計(jì)譜中平臺(tái)段值、特征周期以及衰減指數(shù)進(jìn)行比較，結(jié)果表明加速度反應(yīng)譜取值上，我國規(guī)范(GB50011-2001)隨著周期的變長(zhǎng)，逐漸接近并反超美國(NEHRP2003)歐洲(EU8-2003草案)兩國規(guī)范。

2011年，李慧等針對(duì)中國規(guī)范(GB_50011-2010)與日本規(guī)范(BSL1981)、美國抗震規(guī)范(IBC2009)、歐洲規(guī)范(EC8)中地震作用的取值和計(jì)算進(jìn)行對(duì)比，并基于底部剪力法對(duì)一鋼筋混凝土框架模型進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)底部剪力中美歐三國計(jì)算結(jié)果相近，樓層地震力分布結(jié)果四國結(jié)果相近，雖然日本規(guī)范的層間位移計(jì)算值最大，但其相應(yīng)嚴(yán)格性也是四國中最高。

可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有規(guī)范對(duì)比研究是針對(duì)體系上的對(duì)比，包括抗震隔震措施、計(jì)算取值、構(gòu)造配筋、指標(biāo)限值等，但對(duì)于長(zhǎng)周期特別是結(jié)構(gòu)基本周期在6s后的對(duì)比研究稍少，故有必要針對(duì)此利用實(shí)際算例作深入探討。

二、研究目的與研究?jī)?nèi)容

(一)研究目的

超高層結(jié)構(gòu)基于不同抗震設(shè)計(jì)譜的地震反應(yīng)比較的研究必要性可總結(jié)為幾點(diǎn):①針對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)指標(biāo)，不同算法的適用性對(duì)比研究相對(duì)較少;②針對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)周期地震動(dòng)下不同算法穩(wěn)定性的對(duì)比的研究甚少;③實(shí)際工程中由于各國規(guī)范前提不一致，對(duì)基于不同算法所得結(jié)構(gòu)指標(biāo)進(jìn)行橫向?qū)Ρ饶軌驗(yàn)槲覈?guī)范的修訂提供參照樣本。

基于不同規(guī)范譜和學(xué)者理論算法對(duì)此進(jìn)行對(duì)比研究，力圖達(dá)到以下目的:(1)對(duì)不同反應(yīng)譜對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)指標(biāo)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，從定性和定量?jī)煞矫嫣接懫溥m用性和敏感性，側(cè)重于對(duì)比各種算法結(jié)果變化規(guī)律以及其算法的穩(wěn)定性，為該類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論研究和工程實(shí)踐提供必要的數(shù)據(jù)支持。(2)研究表明超高層消能減震裝置的應(yīng)用和效果很好，針對(duì)現(xiàn)階段消能減震措施的推廣情況，本文加入高阻尼比下算法的對(duì)比，探討不同算法的應(yīng)用和工程實(shí)踐方面提供參考意見。

(二)研究?jī)?nèi)容

為研究不同算法下，長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)周期地震動(dòng)下響應(yīng)模擬的差異性和穩(wěn)定性，主要完成了如下幾個(gè)方面的工作:(1)理論對(duì)比:包括反應(yīng)譜法、時(shí)程分析法和其他控制方法進(jìn)行介紹對(duì)比，研究不同算法的理論基礎(chǔ)、設(shè)計(jì)理念和和破壞機(jī)制。(2)有限元模型的建立:基于對(duì)結(jié)構(gòu)高度的統(tǒng)計(jì)分析，選取兩個(gè)處于典型高度分界線的模型。對(duì)研究的規(guī)范算法和學(xué)者算法等進(jìn)行參數(shù)轉(zhuǎn)換，建立對(duì)比的統(tǒng)一前提。(3)多種算法結(jié)果對(duì)比:主要研究六個(gè)指標(biāo)，通過改變輸入方式、阻尼比取值等參數(shù)，利用各國規(guī)范和學(xué)者提出的理論和時(shí)程分析理論法對(duì)本文模型進(jìn)行計(jì)算，對(duì)不同算法的適用性和計(jì)算穩(wěn)定性進(jìn)行研究并提出工程設(shè)計(jì)建議。

三、本章小結(jié)

本章對(duì)超高層建筑的發(fā)展、長(zhǎng)周期地震的發(fā)現(xiàn)、長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和各抗震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜等研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。而具有長(zhǎng)周期的結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)周期地震動(dòng)下的表現(xiàn)引起了國內(nèi)外學(xué)者的相關(guān)探討并提出相關(guān)理論，部分成果寫入了規(guī)范性文件，針對(duì)選用各國規(guī)范反應(yīng)譜來計(jì)算長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下的響應(yīng)，并對(duì)結(jié)構(gòu)宏觀指標(biāo)的對(duì)比進(jìn)行研究較少，證明了本文課題的必要性。通過選取典型實(shí)際工程作為研究對(duì)象和建立統(tǒng)一前提，為對(duì)比長(zhǎng)周期的結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)周期地震動(dòng)下的表現(xiàn)實(shí)現(xiàn)了可行性。