长周期地震动对超高层结构抗震性能的影响

历次大地震中,长周期结构在长周期地震动作用下响应剧烈。本文着重对超高层建筑进行长周期地震激励下的抗震性能分析,选取了远场类谐和地震动、近断层向前方向性地震动和近断层滑冲型地震动3类典型长周期地震动记录各3条,为进行比较,同时选了3条普通地震动作为输入样本,采用ABAQUS有限元软件对一54层超高层结构分别进行多遇地震下的弹性时程分析和罕遇地震下的弹塑性时程分析,并将4类地震动输入下的结构响应特征进行对比研究。由结果可知:长周期地震动作用下结构的位移、位移角及损伤均大于普通地震动的响应,尤其是低频成分更丰富的远场类谐和地震动;长周期地震动输入下结构的最大层间位移角接近甚至超出限值。因此,长周期地震动对超高层结构抗震性能的影响不可忽视。     

某超高层结构在长周期地震动下的结构响应分析

已有震害研究表明,超高层建筑在长周期地震动作用下易出现"共振"现象,而目前国内规范对此的涉及较少,给结构安全带来一定的隐患。本文选取日本十胜冲地震和台湾集集地震中长周期分量明显的2条地震动记录以及2条普通地震动记录作为输入,以某拟建超高层结构为研究对象,运用Perform-3D软件进行了6度多遇和罕遇地震下的弹性和弹塑性时程分析,对比分析了结构在长周期地震动与普通地震动作用下的主要响应。结果表明,长周期地震动造成的结构响应如结构顶点位移峰值、层间位移角峰值等相比普通地震动更为显著,对于该超高层结构应该考虑长周期地震动带来的不利影响。     

长周期地震波作用下超高层框架-核心筒减震结构动力响应分析

选取长周期分量明显的2组地震动记录作为输入,以一超高层框架-核心筒结构为背景,进行了7度多遇地震作用下的弹性分析,并与相应水准普通地震动记录输入下的地震响应分析结果进行了比较。结果表明:长周期地震动输入下结构的地震响应指标如基底剪力、层间位移角和加速度放大系数远比普通地震动的大,采用常规阻尼器已很难满足减震设计要求。基于黏滞阻尼器力学特性,提出了高性能位移放大型阻尼器,建立了理论公式,并对附加位移放大型阻尼器和普通阻尼器的超高层结构在长周期地震动作用下的地震响应进行对比分析。研究结果显示,位移放大型阻尼器对结构内力、位移和加速度的减震效果要明显优于普通阻尼器,能更有效地降低超高层结构在长周期地震动作用下的动力响应。     

高层建筑结构长周期地震反应的比较研究

目前,对长周期地震动衰减关系和长周期反应谱的研究尚不成熟,对长周期地震动作用下高层建筑结构的地震响应研究还比较少.从地震记录库中寻找出三条比较典型的长周期地震波,对比分析了长周期地震波与普通地震波的时、频特征;在此基础上,利用有限元计算分析软件并采用时程分析法对一个高层建筑结构模型在这两类地震波作用下的地震响应进行了比较研究.结果表明,长周期地震波作用下高层建筑结构的基底剪力、位移响应值和加速度响应值均大于普通地震波作用下的结果,而且长周期的高层结构是受位移控制的.     

不同类型地震波作用下超高层结构动力响应分析

目前,由于长周期地震动的缺乏,国内外对于长周期地震动特性及在长周期地震动作用下的超高层结构地震响应的研究尚不成熟。该文选取长周期地震动Tom波、地表反应波LS-R波、普通地震动El Centro波作为输入,对在不同类型地震波作用下的超高层结构进行了模型振动台试验,并对试验结果进行了分析。通过对三条不同类型地震波作用下超高层结构的动力响应分析,以时频分析的角度分析了超高层结构地震反应与输入地震动特性之间的关系及超高层结构在长周期地震动作用下与普通地震动作用下的地震反应差异等。     

长周期地震动作用下超高层建筑结构响应研究

超高层建筑结构自振周期相对较长,易受长周期地震动影响,是抗震设计时值得关注的问题。从PEER强震记录库中选取了Ⅱ类、Ⅲ类、Ⅳ类场地共410条工程中常用的强震记录,以一栋高250m、自振周期为6s的超高层建筑结构为例,从输入与输出两个层面对长周期地震动作用下的结构响应进行研究。输入层面,以规范设计反应谱为比较基准,通过分析地震动加速度反应谱,了解不同场地地震动的频谱特征;输出层面,以规范设计反应谱作用下的基底剪力为基准,通过分析超高层建筑结构在各类场地地震动作用下的基底剪力,获得不同场地地震动作用下的结构响应水平;同时,引用日本国土交通省公布的长周期设计地震动进行横向比较,通过弹塑性时程分析得到的不同时刻下结构塑性转角分布情况及发展规律,揭露长周期地震动作用下结构的响应特征与控制因素。     

超高层错层隔震体系地震响应研究

超高层错层隔震体系是层间隔震体系基础上发展而来的一种隔震结构。建立了某超高层错层隔震结构有限元模型,分别输入普通地震动、远场类谐和长周期地震动和近断层脉冲型长周期地震动3种不同类型的地震动,分析错层隔震结构在3种地震动作用下的响应,并与层间隔震结构响应进行分区比较。结果表明：错层隔震结构和层间隔震结构在3类地震动作用下层间位移较小,基底剪力较小,塑性铰少,两种结构均具有良好的减震效果;在普通地震动作用下,错层隔震结构相比于层间隔震结构层间位移减小、基底剪力减小,其减震性能较层间隔震结构更优;错层隔震结构在不同长周期地震动作用下减震效果具有一定差异性,在近断层脉冲型地震动作用下的减震效果稍优于层间隔震结构的,在远场类谐和长周期地震动作用下的减震效果稍劣于层间隔震结构的。在受远场类谐和长周期地震动影响的区域,错层隔震结构在设计时需对中部隔震层附近的核心筒予以充分关注。     

长周期地震动输入下某超限高层结构反应分析——以汶川地震和日本东北地震记录为例

由于长周期地震动记录相对缺乏,国内外对长周期地震动作用下高层结构的地震响应研究尚不充分。选取2008年汶川地震和2011年日本东北地震中长周期分量明显的3组地震动记录,首先对其绝对加速度放大系数谱和相对位移反应谱的特性进行研究;进一步以某超限高层结构为研究对象,同时以这3组地震动记录为输入,分别进行了8度多遇地震作用下的弹性分析和罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,提取了结构的主要地震响应指标,并与相应水准El Centro地震动记录输入下的分析结果进行了比较。对比结果表明,长周期地震动输入下结构的地震响应指标如水平最大位移和最大层间位移角明显大于普通地震动记录输入下的响应指标,因此长周期地震动对超限高层结构的影响应引起足够的重视。     

特殊长周期地震动作用下超限高层建筑结构地震响应分析北大核心CSCD

近断层脉冲型地震动和远场类谐和地震动是两类特殊的长周期地震动,对这两类地震动作用下长周期结构特别是超限结构响应的对比研究还很少。以集集地震动记录为数据基础,各选取10条具有代表性的近断层脉冲型地震动记录和远场类谐和地震动记录,首先对两类地震动的频谱特性进行了对比研究,分析了两类地震动的特点,在此基础上,以所选取的这两类地震动分别作为输入,对一个超限高层结构分别进行了8度(0.2g)多遇水准地震作用下的弹性时程分析和罕遇水准地震作用下的弹塑性时程分析,并对两类特殊长周期地震动作用下的结构位移响应和加速度响应结果做了比较研究。结果表明,近断层脉冲型地震动和远场类谐和地震动作用下结构的最大层间位移角都接近规范限值甚至超出限值,远场类谐和地震动作用下的结构位移响应和加速度响应都大于近断层脉冲型地震动输入下的相应响应。因此,对长周期结构进行抗震性能分析时,选择远场类谐和地震动更加偏于安全。     

特殊长周期地震动作用下超限高层建筑结构地震响应分析

近断层脉冲型地震动和远场类谐和地震动是两类特殊的长周期地震动,对这两类地震动作用下长周期结构特别是超限结构响应的对比研究还很少。以集集地震动记录为数据基础,各选取10条具有代表性的近断层脉冲型地震动记录和远场类谐和地震动记录,首先对两类地震动的频谱特性进行了对比研究,分析了两类地震动的特点,在此基础上,以所选取的这两类地震动分别作为输入,对一个超限高层结构分别进行了8度(0.2g)多遇水准地震作用下的弹性时程分析和罕遇水准地震作用下的弹塑性时程分析,并对两类特殊长周期地震动作用下的结构位移响应和加速度响应结果做了比较研究。结果表明,近断层脉冲型地震动和远场类谐和地震动作用下结构的最大层间位移角都接近规范限值甚至超出限值,远场类谐和地震动作用下的结构位移响应和加速度响应都大于近断层脉冲型地震动输入下的相应响应。因此,对长周期结构进行抗震性能分析时,选择远场类谐和地震动更加偏于安全。     

不同基岩地震波作用下深覆盖场地的反应特征分析

由于长周期地震动实测记录的缺乏,目前国内外对长周期地震动特性的研究尚不成熟。首先从1999年集集地震记录库中选取三条Ⅰ类场地上较为典型的长周期实测地震记录,进行长周期地震动时、频特性分析。在此基础上,以上述三条长周期实测地震记录作为基岩地震动输入,采用场地等效线性化的频域分析方法,对某深覆盖场地进行了地震反应分析,并同普通地震波(包括IZT090波和IZT180波)作用下的场地反应进行了比较,探讨了不同强度地震波作用下深覆盖场地的长周期地震反应特征,得到了有工程参考价值的结果。     

高层隔震结构在长周期地震动作用下的响应分析

将地震波进行经验模态分解(EMD)求得固有模态函数(IMF)并做希尔伯特-黄变换,求得地震动记录的累积能量谱以及边际谱。通过边际谱的平均特征周期或β谱2~10 s的加权平均值的定量方式区分出普通地震动和长周期地震动。为了考察高层隔震结构在长周期地震作用下的响应,建立一有实际工程背景的基础隔震的高层建筑模型;输入经过长周期地震波和反应谱与规范反应谱相符的地震波进行时程分析,比较两者作用下结构响应的异同。分析结果表明:定量的方式可以区分长周期地震动和普通地震动,将经过区分的长周期地震波作为输入,算例在长周期多遇地震及罕遇地震作用下,底部固定高层结构和高层隔震结构的楼层剪力平均值、层间位移角以及高层隔震结构的隔震层位移均较与反应谱相符的地震作用下大,隔震层位移的增大尤其明显。从隔震系数和层间位移角而言,长周期地震作用下的隔震效果较差。符合规范反应谱的时程分析表明该高层隔震结构本身隔震性能良好,上部结构性能接近大震弹性。因此高层隔震结构在等值PGA的输入下,长周期地震作用下,高层隔震结构在小震和大震下都很难满足设计要求,对于存在长周期地震动风险的情况下,需要开发适合于高层隔震结构的隔震体系。同时,拟输入地震动为长周期地震动时,等值PGA不是一个合理的指标。     

长周期地震动作用下高层结构地震反应的对比研究

从1999年台湾集集地震记录中分别选取4条远场长周期地震动和4条近场长周期地震动作为输入,在其能量特性分析的基础上,对比研究了某32层高层结构弹性地震反应的变化规律和差异。结果表明:随着地震动的Hilbert能量平均周期Tm E逐渐接近结构的基本周期,结构的层间剪力、楼层位移和层间位移角逐渐增大;近场长周期地震动作用下结构的层间剪力、楼层位移和层间位移角普遍大于远场长周期地震动作用下的结果,且楼层的层间位移角明显超出了1/800的限值要求,设计时应关注长周期地震动作用下结构的变形问题。     

高层框架结构长周期地震反应分析

由于缺乏可靠的长周期地震动记录,目前国内外对长周期地震动的研究尚不成熟,对长周期地震动作用下高层建筑结构的地震反应研究也较少。以美国喜来登酒店20层钢筋混凝土框架结构为背景,建立三维有限元分析模型,并以该结构底部的实测地震波NR24464作为输入,进行了高层框架结构的地震反应分析。在此基础上,分别从1999年我国台湾省集集地震中选取长周期TCU115地震波和2003年日本十胜冲地震中选取长周期HKD054波作为输入,对该高层框架结构进行了长周期地震反应分析,并同NR24464地震波作用下的反应结果做了比较。通过对不同类型地震波作用下的结构内力反应、位移反应和加速度反应结果的比较研究,探讨了高层钢筋混凝土框架结构的长周期地震反应特征。     

考虑场地条件的高层建筑长周期地震反应特征分析

长周期地震动与长周期结构的地震反应是近年工程中研究的热点。本文首先选取了一个典型的含有软弱夹层的II类场地模型,分别输入普通与长周期的基岩记录,计算场地表面地震动及反应谱,并与标准Ⅱ类场地反应谱进行了对比,研究这类场地条件对长周期地震动的影响。再以某一典型长周期高层框架-核心筒结构为背景,分别以这三种地震动作为结构输入,采用SAP2000有限元分析软件,进行结构地震反应分析。研究结果表明:软弱夹层场地减弱了输入的普通地震波加速度峰值,但对其作用下的长周期建筑结构存在不利影响;此外,软弱夹层场地放大了长周期地震动的长周期成分,与上部结构发生共振,使得上部结构的地震反应剧烈。     

长短周期地震作用下超高层结构减震控制研究

以某高度为299.3m的框架-核心筒结构为对象,采用防屈曲约束支撑(BRB)和粘滞阻尼器(VD)联合减震方案,选取短周期、中周期、中长周期、长周期和普通共35条地震动对结构进行了弹性及弹塑性时程分析,从内力、位移以及能量耗散等方面对比分析了有控超高层结构在不同周期地震动作用下的动力响应及其减震效果。结果表明,随着地震动周期增长,有控结构在普通、短周期、中周期和中长周期地震动作用下都有较好的减震效果,然而在长周期地震动作用下减震效果较差,同时在罕遇地震动作用下,结构核心构件仍出现中度破坏,结构趋向不安全。     

脉冲型地震作用下 RC 框架结构抗倒塌性能研究

为研究脉冲型地震动特性对RC框架结构抗倒塌性能的影响,采用小波分解的方法并结合脉冲指标在PEER数据库中选取脉冲型地震记录和普通无脉冲地震记录各10条,对比分析两类地震动的加速度谱、有效峰值、90%持时及相对累积能量特性,进而对1个10层RC框架结构进行地震易损性分析。结果表明:脉冲型地震动加速度反应谱右移较为明显,脉冲型地震动的平均谱谱值在中长周期段内明显大于普通无脉冲地震动平均谱谱值;脉冲型地震动的累积能量在较短的时间内释放可能会对结构抗震性能产生较大影响;普通无脉冲地震动和脉冲型地震动作用下结构抗倒塌储备系数分别为4.59和1.93,与普通无脉冲地震动作用下结构的抗倒塌能力相比,脉冲型地震动作用下结构的抗倒塌能力降低58%,该RC框架结构在脉冲型地震动作用下更容易倒塌。     

远场长周期地震动有效峰值对高层RC框架结构 弹塑性响应的影响

为研究远场长周期地震动对高层结构地震响应的影响机理,分别选取10条长周期地震动与10条普通地震动,并根据中国现行抗震设计规范设计某高层RC框架结构,采用ABAQUS软件建立有限元模型进行计算分析。首先,对比分析长周期地震动与普通地震动作用下的结构响应特征; 然后,基于经验模态分解(EMD),将长周期地震动分解为包含不同频域信息的本征模态函数(IMF)分量,并依次去掉各IMF分量后将剩余分量叠加重构成新的地震动,通过对比每条新地震动与原始地震动作用下的结构响应,分析各IMF分量对结构弹塑性地震响应的影响程度。结果表明:长周期地震动作用下高层结构的各地震响应均大于普通地震动; 与结构自振周期接近且峰值较大的IMF分量对地震响应影响较大,第1个高频IMF分量具有降低结构响应的有利干扰作用; 长周期地震动的有效峰值和有效峰值率显著大于普通地震动,从而初步揭示了长周期地震动作用下高层结构的地震响应大于普通地震动的内在机理。     

远场长周期地震动作用下超高层建筑响应特性

已有震害研究表明超高层建筑在远场长周期地震动作用下易出现长时间晃动的共振现象,国内超高层建筑在不同概率水平的远场长周期地震动作用下的响应特性有待验证。为此,参考实际工程建立超高层结构模型,利用已有方法确定不同概率水平的校验远场长周期地震动,对比分析超高层建筑在远场长周期地震动和规范设计地震动作用下的结构响应特性、非结构响应特性,以及居住者感受程度。分析结果表明：在结构响应方面,相较于同概率水平的规范设计地震动,远场长周期地震动作用下结构的层间位移角增大约15%,楼层累积滞回耗能提高约100%;在非结构响应方面,相较于同概率水平的规范设计地震动,远场长周期地震动作用下的中部楼层的位移敏感构件损坏、顶部楼层的长周期附属设备加速度响应、家具滑动和居住者不安度相对显著。超高层建筑主要应通过提高结构耗能能力和控制非结构响应来应对远场长周期地震动。     

长周期地震动作用下大跨径斜拉桥响应分析

为研究长周期地震动对大跨径桥梁地震响应的影响,分别选取了若干长周期地震波和普通地震波进行频谱特性对比;以某特大跨径斜拉桥为例,建立了有限元模型,采用非线性时程分析方法对比分析了2类地震动作用下该桥的地震响应。为控制大跨径斜拉桥在2类地震动激励下梁端的位移响应,选用了弹性连接装置和液体粘滞阻尼器2种措施对比研究了其减震效果。结果表明:长周期地震动对大跨径桥梁的位移及内力响应影响显著;在长周期地震动作用下,弹性连接装置的位移控制效率较低,并会导致结构内力的大幅增加;参数合理的液体粘滞阻尼器的控制效果具有较好的广谱性,即在普通地震动和长周期地震动作用下均有较好的减震效果。