超高层建筑竖向地震响应的特点与应对方法

计算了6个不同高度和不同结构体系的超高层建筑模型的竖向自振周期和竖向地震响应;分析了超高层建筑竖向构件和水平构件的竖向地震动响应特征。研究发现,超高层建筑水平自振周期远大于场地特征周期,而竖向自振周期则与场地特征周期接近,竖向振动响应得到放大。根据设计反应谱,对于各种抗震设防烈度,结构总竖向地震作用标准值FEvk都至少是结构总水平地震作用标准值FEk的2. 44倍。进而提出描述超高层建筑受到竖向地震全过程的4个概化模型,并指出规范简化算法的局限性。提出竖向地震作用对P-Δ效应与P-δ效应的放大主要体现在P值增大,使得"重力二阶效应"变成"重力与竖向地震响应共同作用下的二阶效应"。采用时程分析法研究了水平构件振动加速度响应,提出二次振动和竖向构件错动对水平构件振动响应有显著影响。分析了采用振型分解法计算超高层建筑竖向地震响应时质量参与系数偏低的原因,并指出当结构高度超过某一数值时,竖向地震作用下的结构第一阶振型会从竖向振动转变为水平摆动。     

上海中心大厦巨型框架-核心筒结构竖向地震作用反应分析

上海中心大厦主体结构高度632 m,为带伸臂桁架的巨型框架-核心筒结构,其竖向地震作用反应大且较为复杂。巨型框架与核心筒沿高度的质量和竖向刚度分布特性差异较大,两者的相对振动将导致伸臂桁架产生较大的内力;环带桁架具有转换承重和巨柱弹性支承的特性,相对支承巨柱存在更大的竖向振动放大效应。在分析结构重力荷载的竖向分布特性以及结构自振特性的基础上,通过反应谱和时程分析,对上海中心大厦结构在竖向地震作用下巨柱和核心筒的轴重比、伸臂桁架和环带桁架的内力反应以及巨柱、核心筒和环带桁架的竖向加速度反应及分布特点进行分析。结果表明:上海中心大厦结构的竖向地震作用反应随结构高度增加而增加;处于高区的巨柱和核心筒的轴重比约为低区的2.2倍和2.3倍,高区伸臂桁架和环带桁架在竖向地震作用下的轴力占重力荷载作用下轴力的比例约为低区的2.2倍和4.3倍;高区环带桁架跨中竖向加速度反应较相应标高巨柱增大20%。     

上海中心大厦巨型框架-核心筒结构竖向地震作用反应分析

上海中心大厦主体结构高度632 m,为带伸臂桁架的巨型框架-核心筒结构,其竖向地震作用反应大且较为复杂。巨型框架与核心筒沿高度的质量和竖向刚度分布特性差异较大,两者的相对振动将导致伸臂桁架产生较大的内力;环带桁架具有转换承重和巨柱弹性支承的特性,相对支承巨柱存在更大的竖向振动放大效应。在分析结构重力荷载的竖向分布特性以及结构自振特性的基础上,通过反应谱和时程分析,对上海中心大厦结构在竖向地震作用下巨柱和核心筒的轴重比、伸臂桁架和环带桁架的内力反应以及巨柱、核心筒和环带桁架的竖向加速度反应及分布特点进行分析。结果表明：上海中心大厦结构的竖向地震作用反应随结构高度增加而增加;处于高区的巨柱和核心筒的轴重比约为低区的2.2倍和2.3倍,高区伸臂桁架和环带桁架在竖向地震作用下的轴力占重力荷载作用下轴力的比例约为低区的2.2倍和4.3倍;高区环带桁架跨中竖向加速度反应较相应标高巨柱增大20%。     

大容量机组空冷支架结构抗震设计方法研究

大容量机组空冷支架结构属质量和刚度沿竖向分布不均匀的竖向混合结构,结构的扭转效应明显,地震作用复杂。大直径钢筋混凝土薄壁管柱为结构的主要抗侧力构件和耗能构件,结构抗震防线过于单一。强烈地震作用下,混凝土管柱底部及柱顶钢桁架连接部位为抗震设计的关键部位。目前,对大容量机组空冷支架结构抗震设计缺乏系统研究,国家相关规范对这方面内容很少涉及。为了确保空冷支架结构的安全,在模型抗震性能试验和大直径薄壁管柱承载力试验的基础上,提出了大容量机组空冷支架结构抗震设计方法和抗震构造措施。     

近断层竖向强震作用下混凝土框架柱轴力分布模式研究

研究近断层竖向地震作用下混凝土框架柱轴向内力的变化规律,解析结构抗震性能衰减以及坐层倒塌的本质。采用一榀3跨10层混凝土平面框架结构作为分析对象,通过动力时程分析,探讨2种水平和6种竖向地震强度的组合工况时,混凝土框架柱轴压力增量分布模式及拉力的变化规律。结果表明,有竖向地震作用参与的工况,框架柱轴压力能达到初始值的2~3倍,竖向地震作用对结构上部框架柱以及框架边柱轴力的影响显著;竖向地震频率特征对框架柱轴力有很大影响,我国抗震规范建议通过缩放水平地震而获得竖向地震的方式进行竖向地震响应分析,可能低估竖向地震对结构动力反应的影响。     

大跨斜撑无柱地铁车站结构地震响应分析

为研究大跨斜撑无柱地铁车站地震响应特性,基于三维静-动力耦合非线性有限元模型,分析在不同地震动作用方向下的地震响应规律,揭示结构地震损伤演化过程。分析表明:设防地震和罕遇地震作用下车站结构的最大层间位移角分别为1/1 352和1/602,满足规范要求;地震作用对斜撑轴力、侧墙端部剪力和底板跨中弯矩的放大作用显著;随输入地震动强度的增加车站顶板加速度放大系数依次减小,竖向地震动对相对竖向位移的影响不可忽视;斜撑两端、墙板交界处和开窗周围区域是结构的抗震薄弱部位;强震作用下,车站结构塑形损伤积累且地震动空间效应显著,宜按空间问题进行抗震分析。研究成果可为类似结构的抗震设计与分析提供参考。     

上海中心大厦悬挂式幕墙支撑结构竖向地震作用反应分析

当悬挂结构自身的竖向振动周期与其支承结构的竖向振动周期接近,将出现二次共振现象,即产生竖向振动的"鞭梢效应",从而导致悬挂结构自身及其支承结构的竖向地震作用反应都显著增大。上海中心大厦采用分区悬挂的柔性幕墙支撑结构,每个分区悬挂的幕墙质量大、支承结构刚度弱、悬挂高度高、自振周期与主楼接近,其竖向地震作用反应不容忽视。采用反应谱和弹性时程分析方法,对上海中心悬挂式幕墙支撑结构在竖向地震作用下的结构自振特性、竖向加速度、竖向位移等反应进行了分析。结果表明:悬挂式的幕墙支撑结构竖向地震作用反应显著,幕墙支撑结构的竖向地震作用反应随结构高度增加而增大;高区吊杆轴重比较低区增大约1.2倍,高区吊点加速度反应较低区增加约1.5倍;在相同分区,由于吊杆弹性放大作用,幕墙支撑结构底部的轴重比、加速度、位移反应分别较顶部增大20%、50%、100%。     

竖向地震作用下连体结构抗震性能分析

地震作用下双塔连体结构体系的变形和内力分布较为复杂,结构中设置的连体部分在一定程度上会提高竖向地震作用对结构的影响.针对不同跨度的双塔连体结构,研究不同竖向地震对该连体结构地震反应的影响.研究表明,竖向地震作用对结构的影响不但与连体的跨度有关系,而且与构件的位置有关.8度和9度抗震设计时,竖向地震对连体结构的影响比较明显,按照目前规范的简化方法能够满足设计要求.     

剪力墙竖向不连续结构的震害与抗震设计概念

介绍在1971年美国圣费南多地震、1979年美国ElCentro地震、1995年日本阪神地震中,5个有代表性的剪力墙竖向不连续结构的震害。通过分析提出这种结构的一些抗震设计概念:部分框支剪力墙结构上部楼层的剪力墙仅部分在底部中断,转换为框架,有足够的剪力墙连续贯通落地,如设计合理,其抗震性能比较好,但如设计不当,仍难免发生严重或比较严重的震害;部分框支剪力墙结构抗震设计中需要加强的部位应包括底部及转换层以上1～2层的楼板、剪力墙和柱,结构的延性耗能机制宜呈现在加强部位以上的结构中;框架-剪力墙结构中的剪力墙一般不宜中断;框支柱设计中要注意上部刚性墙体地震倾覆力矩产生的框支柱轴向拉、压力的影响。     

上海中心大厦悬挂式幕墙支撑结构竖向地震作用反应分析

当悬挂结构自身的竖向振动周期与其支承结构的竖向振动周期接近,将出现二次共振现象,即产生竖向振动的“鞭梢效应”,从而导致悬挂结构自身及其支承结构的竖向地震作用反应都显著增大。上海中心大厦采用分区悬挂的柔性幕墙支撑结构,每个分区悬挂的幕墙质量大、支承结构刚度弱、悬挂高度高、自振周期与主楼接近,其竖向地震作用反应不容忽视。采用反应谱和弹性时程分析方法,对上海中心悬挂式幕墙支撑结构在竖向地震作用下的结构自振特性、竖向加速度、竖向位移等反应进行了分析。结果表明：悬挂式的幕墙支撑结构竖向地震作用反应显著,幕墙支撑结构的竖向地震作用反应随结构高度增加而增大;高区吊杆轴重比较低区增大约1.2倍,高区吊点加速度反应较低区增加约1.5倍;在相同分区,由于吊杆弹性放大作用,幕墙支撑结构底部的轴重比、加速度、位移反应分别较顶部增大20%、50%、100%。     

大跨隔震结构竖向地震响应的振动台试验研究

为研究大跨隔震结构竖向地震响应,首先对一大跨网架隔震结构1∶20的缩尺模型进行了振动台试验,对比研究隔震前后模型的动力特性及其在双向和三向地震动输入下的加速度及位移等动力反应,进而对大跨隔震结构的网架和一般楼层(首层和转换层)的竖向减震效果进行了分析。结果表明大跨隔震结构的网架在双向地震和三向地震输入下都具有非常明显的水平减震效果,且减震率大于一般楼层;大跨隔震结构的一般楼层基本没有竖向减震效果,而在输入地震强度比较小的情况下网架竖向加速度基本没有减小,甚至稍有放大,但随着输入地震强度的增加,网架的竖向加速度减震率逐渐提高;对于网架的竖向位移响应,基础隔震模型在罕遇地震下有较明显的减震效果。最后建立了相应大跨隔震结构与非隔震结构的有限元分析模型,并对隔震支座进行参数优化,结果表明屈重比取4%~6%时,大跨网架隔震结构具有较小的基底剪力。     

一种钢筋混凝土剪力墙的空间非线性分析模型

通过对平面垂直杆剪力墙单元模型的修正 ,推导了空间垂直杆剪力墙单元的计算模型。模型考虑了墙体平面内的非线性变形特征 ,适用于结构的空间地震反应分析。算例分析结果证明了该模型的有效性     

RC框架-剪力墙结构的框架地震层剪力分配

我国《建筑抗震设计规范》与《高层建筑混凝土结构技术规程》关于框架-剪力墙结构地震层剪力分配的规定是依据设计经验提出来的,并没有考虑框架与剪力墙各自抗侧刚度比值的影响,因而较为笼统,明显欠缺合理性。连续化分析方法中框架-剪力墙结构的刚度特征值是表征框架-剪力墙受力和变形的重要指标。本文采用静力弹塑性分析（Pushover）方法和动力弹塑性时程分析方法对刚度特征值为1.0～4.5的8栋框架-剪力墙结构进行了全过程研究,得到了多遇、基本和罕遇地震作用下不同刚度特征值的框剪结构楼层剪力分配,以及罕遇地震下剪力墙刚度退化对楼层剪力分配的影响,并给出了框架层剪力分配公式供设计参考。     

结构三维弹塑性分析方法及其在建筑物震害研究中的应用

介绍了作者研究开发的结构三维弹塑性分析方法及其在建筑物震害研究中的应用。采用杆系模型 ,包括梁、柱、墙单元、拉压杆单元、弹簧单元和阻尼单元 ,可建立各种结构计算模型 (质点系模型、平面或空间框架模型 )。对柱和墙单元等压弯杆件 ,采用了“多弹簧模型”和“纤维模型”来考虑变动轴力和双向弯曲荷载之间的耦合作用 ,能够表达压弯杆件在多轴荷载作用下的力学特性 ,从而比较真实地模拟结构弹塑性地震反应。为了表达各种荷载作用下杆件或弹簧的力和变形关系 ,作者开发和引进了多种材料恢复力模型 ,这些恢复力模型模拟了材料的非线性。在结构分析过程中也采用近似方法考虑了几何非线性。采用以上计算模型 ,作者开发了结构三维弹塑性分析计算机程序 ,用于分析遭受地震作用的建筑物 ,其结果与实际的地震破坏吻合较好 ,能够说明结构的破坏机制。     

结构三维弹塑性分析方法及计算机程序CANNY

介绍了作者研究开发的结构三维弹塑性分析方法及其在建筑物震害研究中的应用。采用杆系模型,包括梁,柱,墙单元,拉压杆单元,弹簧单元和阻尼单元,可建立各种结构计算模型（质点系模型,平面或空间框架模型）。对柱和墙单元等压湾杆件,采用了“多弹簧模型”和“纤维模型”来考虑变动轴力和双向弯曲荷载之间的耦合作用,能够表达压弯杆件在多轴荷载作用下的力学特性,从而比较真实地模拟结构弹塑性地震反应。为了表达各种荷载作用下杆件或弹簧的力和变形关系,作者开发和引进了多种恢复力模型,这些恢复力模型模拟了材料的非线性。在结构分析过程中也采用近似方法考虑了几何非线性。采用以上计算模型,作者开发了结构三维弹塑性分析计算机程序CANNY,用于分析遭受地震作用的建筑物,其结果与实际的地震破坏吻合较好,能够说明结构的破坏机制。     

高位弱连接连体桁架竖向地震作用系数研究

采用谐波合成理论,合成了与《建筑抗震设计规范》相吻合的空间相关地震波,采用空间相关地震波对某大跨度高位弱连接连体桁架进行竖向一致、行波激励下地震响应时程分析,结果表明:一致地震动激励下,大跨度高位连体桁架竖向地震作用系数比现行《建筑抗震设计规范》推荐的系数明显偏大,平均增幅达60%左右。另外,竖向行波激励能减小连体桁架的动力响应,设计时不需考虑竖向地震行波效应。     

大调谐质量比减振结构中巨梁层竖向地震响应分析

基于随机振动分析方法对大调谐质量比减振结构及普通巨型框架结构中巨梁层竖向地震响应问题进行探讨,并从实际构造的角度为解决大跨度巨梁层竖向动力响应过大问题提供设计建议。研究结果表明:巨梁层上最大竖向地震响应分布于中段附近;巨梁层于建筑上的位置越高,其竖向地震响应越大;相比其他巨梁层,大跨度巨梁层竖向地震响应同比增大;在大跨度巨梁层上设置子框架可对该巨梁层竖向地震响应起到抑制作用。     

基础隔震结构竖向地震反应试验研究

通过模拟地震振动台试验,研究了基础隔震结构的竖向地震反应特点.首先通过对不同支座的竖向力进行比较可知,基础隔震结构在遭遇水平地震波时,位于支座布置平面中非对称轴的支座处可能产生较大的竖向反应;其次对隔震结构和非隔震结构的竖向地震反应进行对比分析可知,基础隔震结构对于竖向地震动的隔震效果不明显.因此竖向地震动对结构的作用不可忽视,在进行基础隔震结构抗震设计中应加以关注.     

Verification of performance criteria using shake table testing for the vulnerability assessment of reinforced concrete buildings

Shake table experiments are conducted to support the selection of performance criteria and to verify the inelastic modeling approach for developing the fragility functions of reinforced concrete buildings. Two frames representing the lateral force‐resisting system of a preseismic code building are tested under the effect of an earthquake record with increasing severity. Shear failure is detected in columns at a PGA of 1.28g before other failure modes, which was effectively predicted by the fiber‐based numerical model, performance criteria, and shear supply approaches adopted for vulnerability assessment. Five buildings, ranging from 2 to 40 stories, are then assessed under the effect of far‐field and near‐source earthquake records, considering the experimentally verified modeling approach and shear failure prediction models that account for flexural ductility and shear‐axial force interaction. The impact of considering shear response on the vulnerability assessment results is considerable, particularly for the lower‐height wall structures when subjected to the near‐source earthquake scenario. Higher modes dominate the behavior of wall structures, principally under the latter seismic scenario, and shift their response to shear‐controlled. Therefore, seismic scenario‐structure‐based performance criteria are adopted for developing a range of analytically derived, experimentally verified fragility functions for the earthquake loss estimation of buildings with different characteristics.