超高层建筑场地地震反应分析及长周期设计反应谱研究

建筑抗震设计规范中的标准设计反应谱不能满足基本自振周期大于6 s的超高层建筑抗震设计需要。今结合某超高层建筑,讨论了场地地震反应特性及其长周期设计反应谱,并根据拟建场地长周期设计反应谱选择了天然地震动记录,为工程抗震验算提供数据,可为同类型超限高层结构设计提供经验参考。     

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。     

不同地震记录选择方法下某超高层巨型框架结构能量反应分析

通过三种地震记录选择方法,对某超高层巨型框架结构进行了大震作用下的弹塑性时程分析,研究了不同地震记录选择方法对巨型框架结构能量反应的影响。依据结构地震能量反应结果,分析了拟合设计加速度谱和拟合能量谱这两种地震记录选择方法对结构能量反应的影响及区别。可知谱匹配法生成地震记录在保持天然记录诸多特性的同时,可很好地反映结构设计加速度谱的特点。建议分别采用拟合能量谱法和谱匹配法选择天然记录和人工记录。算例分析表明,由于设计加速度谱在长周期段有所放大,因而长周期段基于拟合设计加速度谱选择记录会带来过大的结构能量反应,为按能量谱拟合结果的10倍左右,超高层结构设计与大震作用下分析时需予以重视。     

某超高层场地地震反应及设计反应谱研究

场地地震安全性评价是规范对超高层结构设计的强制要求,场地地震反应特性及设计反应谱是超高层结构设计的重要计算依据。本文结合某不规则超高层建筑,讨论了场地地震反应特性及设计反应谱,在对场地进行安全性评价的基础上,比较了天然地震波与设计反应谱的统计误差,不仅证明了设计反应谱的准确性,还为结构抗震验算提供了可靠的天然地震加速度时程波,本文的研究可为同类型超高层结构设计提供经验参考。     

关于设计反应谱、时程法和能量方法的探讨

强震地面运动长周期分量对超高层建筑和大跨巨型结构具有重要影响,而现行的振型分解反 应谱法所采用的设计反应谱具有明显的局限性,基于地震加速度的结构动力方程式亦无法正确地估 计这种影响。本文探讨了采用速度反应谱和位移反应谱分析的可行性;对结构时程分析法的工程应 用价值和可操作性提出看法。讨论了能量方法的理论意义和实用价值,建立瞬时能量与结构最大地 震位移反应的关系,从而为结构地震反应分析和破坏准则,提供具有工程实用意义的新途径。     

某超高层建筑场地地震设计反应谱研究

场地地震设计反应谱是超高层结构抗震设计的重要依据,关系着结构设计的安全性和成本。结合某超高层设计案例,分析了不同超越概率对场地地震设计反应谱和水平加速度峰值的地震危险性概率贡献分布的影响,比较了场地地震设计反应谱与天然波平均反应谱的取值,验证了场地地震设计反应谱的可靠性。结果表明,对于超高层结构的抗震设计除考虑近场地震影响外,还应考虑远场大震影响,利用本文所述方法获得的天然波反应谱可用于结构抗震设计验算并能提高结构设计安全性。     

长周期地震动及其在超高层建筑抗震校验中的应用

长周期地震动是由长周期面波叠加放大所形成的长持时地面运动,其孕育条件为大型沉积盆地和远距离大震级地震。长周期地震动作用下的超高层建筑震害明显。简要介绍长周期地震动的震害特点以及国内地震带、大型沉积盆地的分布特点。梳理国内外长周期地震动研究成果和关注热点。给出适用于国内的长周期地震动应对思路。探讨校验长周期地震动的形成、应用,以及超高层建筑响应控制流程。结果表明：国内较多城市有长周期地震动的孕育条件;国内工程界对长周期地震动的研究主要集中在地震动的长周期分量,而不是长周期地震动本身;对按照现行规范设计后的超高层建筑补充长周期地震动的校验分析是较为可行的思路;国内部分区域的超高层建筑有针对长周期地震动进行校验的必要。     

长周期结构地震反应的特点与反应谱

讨论长周期结构地震反应的特点,分析我国建筑抗震设计规范中反应谱存在的主要缺陷。对反应谱进行人为的改变,会导致地震动特性的失真。我国规范反应谱的长周期段由于人为的调整,改变了地震动的统计特性,导致加速度反应谱对应的功率谱在长周期段异常,也导致长周期结构在地震作用下的计算位移偏大。抗震规范所规定的最小地震剪力系数仅与地震影响系数的最大值α_max相关,而与场地类别无关,有悖于软土场地上结构地震反应大于硬土场地上地震反应的一般规律。由加速度谱S_a、拟速度谱S _v和位移谱Sd之间的拟谱关系,给出了具有较长周期段(T延长至约10 s)的反应谱建议,可供规范修订时参考。工程算例表明,依据建议的反应谱进行结构的位移验算是可行的。     

时程分析与场地类别对长周期结构地震剪力系数的影响

影响建筑结构在水平地震作用下所承受地震剪力的因素主要有结构的总质量和总刚度及分布、场地类别和设计地震分组。文中通过对某超高层建筑在反应谱计算下地震剪力的分析,分析了场地类别对于结构剪重比的具体影响规律,同时还采用时程分析方法,通过大量实际的地震波,分析了结构在不同场地类别下剪重比的变化规律,并提出了在高层或超高层建筑设计中剪重比不满足时的各种处理方法。     

Probe into several important concepts in Chinese current seismic response spectra

在使用规范反应谱时常将绝对加速度谱、拟加速度谱、伪加速度谱概念等同或者混乱使用,尤其对于大阻尼比且长周期的结构,采用“拟谱关系”能够获得相应谱的谱值却换算不了相应谱的频谱特性。也有认为利用“拟谱关系” 所导出的相对位移谱不符合结构动力学原理及强震反应谱统计特征。基于此,对我国现行抗震规范地震反应谱所涉及到的绝对加速度反应谱、伪加速度反应谱和拟反应谱等作了较为详细的对比,重点阐明了伪谱与拟谱,绝对加速度谱与伪加速度谱在概念上的区别与联系。鉴于我国现行《建筑抗震设计规范》反应谱是由绝对加速度反应谱标定,利用“拟谱关系”仅是一种数值近似手段,并不具有频谱特性的转换功能,分析了绝对加速度反应谱和伪加速度反应谱在抗震设计过程中的差异。基于绝对加速度反应谱进行标定的规范反应谱,总结了其在目前建筑结构抗震设计中所存在的问题,尤其是在针对超高层结构消能减震结构分析中存在不足：长周期且大阻尼比结构所受设计地震作用与其弹性内力相比明显偏大,设计偏保守;用“拟谱关系”所得换算谱的频谱特性混乱且用于设计缺乏可靠性验证。为此,提出了应分类构建反应谱的建议。     

对我国现行抗震规范反应谱若干概念的探讨

在使用规范反应谱时常将绝对加速度谱、拟加速度谱、伪加速度谱概念等同或者混乱使用,尤其对于大阻尼比且长周期的结构,采用"拟谱关系"能够获得相应谱的谱值却换算不了相应谱的频谱特性。也有认为利用"拟谱关系"所导出的相对位移谱不符合结构动力学原理及强震反应谱统计特征。基于此,对我国现行抗震规范地震反应谱所涉及到的绝对加速度反应谱、伪加速度反应谱和拟反应谱等作了较为详细的对比,重点阐明了伪谱与拟谱,绝对加速度谱与伪加速度谱在概念上的区别与联系。鉴于我国现行《建筑抗震设计规范》反应谱是由绝对加速度反应谱标定,利用"拟谱关系"仅是一种数值近似手段,并不具有频谱特性的转换功能,分析了绝对加速度反应谱和伪加速度反应谱在抗震设计过程中的差异。基于绝对加速度反应谱进行标定的规范反应谱,总结了其在目前建筑结构抗震设计中所存在的问题,尤其是在针对超高层结构消能减震结构分析中存在不足:长周期且大阻尼比结构所受设计地震作用与其弹性内力相比明显偏大,设计偏保守;用"拟谱关系"所得换算谱的频谱特性混乱且用于设计缺乏可靠性验证。为此,提出了应分类构建反应谱的建议。     

基于汶川地震记录及遗传算法的加速度设计反应谱

现行加速度反应谱的长周期段太短且其取值出现需要抬高和降低两种大相径庭的研究结论;反应谱的特征周期(T_g)与动力放大系数(b)取值也存在争议。该文从中国国家强震动台网中心（CSMNC）数据库中筛选汶川地震主震记录421条,根据地面运动峰值加速度、场地和地震分组对地震记录进行分类,计算常规地震记录与长周期地震动记录的反应谱,与规范反应谱对比。同时,基于遗传算法和a_max-T_g四阶段拟合模型,利用得到的地震记录进行设计反应谱拟合,并对设计反应谱拟合模型的各种参数进行标定和校验,对规范设计谱的主要特征参数给出修正建议。研究结果表明：常规地震动计算得到的反应谱长周期段的值比规范设计反应谱要低,而长周期地震动反应谱的长周期段的值比规范设计谱要高,揭示了两种不同研究结论的根源;拟合得到的加速度设计谱与实际反应谱吻合程度要好于规范设计谱;说明了补充长周期地震动设计反应谱的必要性,为规范设计反应谱的修订提供参考。      

基于总输入能量谱与瞬时输入能量谱的设计谱修正

地震动中的长周期成分对长周期结构的影响不容忽视,现行的设计反应谱为了保证长周期结构抗震设计具备保守性,人为增大了特定频段和特定场地条件的谱值。针对目前设计谱的不足,依据线性单自由度体系的地震动总输入能量谱和瞬时输入能量谱,对规范反应谱5Tg～6s直线下降段提出调整方法。从具有速度 脉冲特征的长周期地震记录中选出能量谱值最大的地震记录加以说明,得到修正后的加速度谱与相应的拟速度谱和位移谱。建议的反应谱修正方法综合体现了总输入能量与瞬时输入能量的特征,对于工程结构设计具有重要的理论意义和实用价值。     

长周期地震动参数拟合研究

对集集地震长周期地震动的选取标准和长周期地震动设计反应谱形状进行了分析,从场地分类和记录分组方面进行了论述,提出了用遗传算法解决拟合过程参数太多的方法,解决了长周期地震设计反应谱拟合过程中参数太多的问题。     

长周期超高层建筑三维稳定设计及其扭转屈曲因子

讨论了长周期超高层钢筋混凝土建筑的三维稳定设计。以巨型框架-核心筒结构体系为背景,对15个案例进行弹性屈曲和地震反应分析。所有案例的扭转屈曲均为第一扭转模态,与收集到的8个工程实例的屈曲性能基本一致。弯矩作用平面内的P-Δ效应仍是重力二阶效应的主要表现形式。但是,5%偶然偏心的计入对于偏心明显的长周期超高层建筑而言,P-Δ,θ效应会进一步放大构件的变形,导致配筋的增加。典型工程实例的推覆分析表明,P-Δ,θ效应对结构整体的抗倾覆能力也许不会产生实质性的影响。另外,由于屈曲分析与自由振动分析微分方程的一致性,对于长周期超高层建筑,推荐使用扭转屈曲因子λt cr替代周期比作为控制抗扭刚度的指标。     

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。     

地震震源机制对长周期地震动的影响研究

长周期地震动特性的研究对自振周期较长的大型结构的抗震设计具有重要意义。利用1997年新疆伽师强震群的宽频带数字地震记录,研究了震级大小和震源机制对长周期地震动特性的影响。结果表明:地震震级对长周期地震动的影响较为明显,震级越大,长周期地震动的成分越多;与走滑型地震相比,倾滑型地震的垂直向长周期成分更为丰富;走滑型地震的水平向长周期加速度反应谱值高于正断层型地震的水平向长周期加速度反应谱值。     

长周期地震动作用下消能伸臂结构的反应分析

为了比较超高层结构和消能伸臂结构在普通地震动和长周期地震动作用下的反应差异性,使用天津某超高层结构,将其设计成固定结构和消能伸臂结构,选取3条普通地震记录和3条长周期地震记录,比较了两者的特性,然后将两类地震记录从两类结构的x向输入进行时程分析。通过对比响应结果可知,两类结构的地震反应在长周期地震动作用下时都要比普通地震动时大,原结构层间位移角在长周期地震动作用时超出规范值,但是消能伸臂结构有效将它控制在限值之下,消能伸臂结构对顶点加速度和楼层最大水平位移也有一定的减震效果。说明消能伸臂可以应用于实际工程。     

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。     

规范反应谱长周期部分修正方法的探讨

为将反应谱方法应用于长周期大跨度桥梁结构的抗震设计,本文探讨了对现有公路工程抗震设计规范中地震反应谱的长周期段进行修正的方法.数字化强震记录反应谱的计算结果表明,地震动水平分量的位移反应谱可以有一个明显的峰点.同时当周期无限长时,地震动相对位移反应谱应等于地面运动位移最大值.以此为基础,增加了表达长周期地震动反应谱特性的参数.经过修正和补充的规范化反应谱可用于长周期大跨度桥梁结构的抗震设计.