超高層抗震反應分析

(華北理工大學 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1407座，其中我國共計602座，占比42.8070?，F(xiàn)階段我國正處于施工或封頂狀態(tài)的超高層建筑共計298座。計劃2018年完工的超高層建筑共計128座，可以預期未來中國在超高層建筑數(shù)量占比仍將進一步提升。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到了430米以上。

一、研究背景

(一)地震長周期的發(fā)現(xiàn)

地震過程中釋放巨大的能量會造成極大的破壞，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級以上地震災害分級分布，研究表明我國地震災害時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。地震多發(fā)地與經(jīng)濟欠發(fā)達地區(qū)高度重合，而超高層往往建造地區(qū)經(jīng)濟都較為繁榮，那么是否遠離地震多發(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，甚至會形成放大作用[2]。1989年美國洛馬·普里埃塔發(fā)生7級地震，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級地震，在930km外的上海市，部分居住于15層以上的居民對此次地震感受明顯。2008年四川漢川8.0級地震，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)長周期結(jié)構(gòu)設計研究

近十年來我國學者對超高層結(jié)構(gòu)在富含長周期成分地震中的響應進行了多方面的研究。研究主要從震源特性、場地條件地震動數(shù)據(jù)獲取、超高層結(jié)構(gòu)響應指標、反應譜特征、工程設計要求、探討了長周期地震動與普通地震動對結(jié)構(gòu)影響的區(qū)別。

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

2009年，張振炫分析了普通地震波與三條長周期地震波時間與頻率特點的區(qū)別，并利用ANSYS軟件對一高層建筑的地震響應進行研究，得出結(jié)論:高層建筑在長周期地震動的作用下的位移指標和內(nèi)力指標顯著增大，位移指標的差異尤其突出。

2015年，肖雄以深圳某80層建筑為基礎，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)為負相關(guān)關(guān)系，而阻尼比的增大也會略微降低基底剪力;該文獻還指出，不同的場地對結(jié)構(gòu)的基底剪力、位移響應影響甚大，其中I類場地的基底剪力、位移響應僅為IV場地的一半左右。

如上述的學者研究，普遍規(guī)律是長周期地震動作用下結(jié)構(gòu)響應比普通地震動要大，并且結(jié)構(gòu)響應還會受到場地條件、結(jié)構(gòu)特性等影響。

(三)針對不同規(guī)范抗震設計反應譜對比

2006年，李婕等[3]對中國、日本、美國三國的抗震隔震思想、設計反應譜及設計方法進行對比，通過一個五層鋼結(jié)構(gòu)隔震結(jié)構(gòu)振動臺試驗和時程分析法剪力加速度反應譜，對我國加速度反應譜長周期段的修訂提出建議。

2008年，余湛等對中、美、歐抗震設計譜中平臺段值、特征周期以及衰減指數(shù)進行比較，結(jié)果表明加速度反應譜取值上，我國規(guī)范(GB50011-2001)隨著周期的變長，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算進行對比，并基于底部剪力法對一鋼筋混凝土框架模型進行計算，發(fā)現(xiàn)底部剪力中美歐三國計算結(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)范的層間位移計算值最大，但其相應嚴格性也是四國中最高。

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

二、研究目的與研究內(nèi)容

(一)研究目的

超高層結(jié)構(gòu)基于不同抗震設計譜的地震反應比較的研究必要性可總結(jié)為幾點:①針對長周期結(jié)構(gòu)評價指標，不同算法的適用性對比研究相對較少;②針對長周期結(jié)構(gòu)在長周期地震動下不同算法穩(wěn)定性的對比的研究甚少;③實際工程中由于各國規(guī)范前提不一致，對基于不同算法所得結(jié)構(gòu)指標進行橫向?qū)Ρ饶軌驗槲覈?guī)范的修訂提供參照樣本。

基于不同規(guī)范譜和學者理論算法對此進行對比研究，力圖達到以下目的:(1)對不同反應譜對長周期結(jié)構(gòu)指標計算結(jié)果進行對比分析，從定性和定量兩方面探討其適用性和敏感性，側(cè)重于對比各種算法結(jié)果變化規(guī)律以及其算法的穩(wěn)定性，為該類結(jié)構(gòu)設計的理論研究和工程實踐提供必要的數(shù)據(jù)支持。(2)研究表明超高層消能減震裝置的應用和效果很好，針對現(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比，探討不同算法的應用和工程實踐方面提供參考意見。

(二)研究內(nèi)容

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

三、本章小結(jié)

本章對超高層建筑的發(fā)展、長周期地震的發(fā)現(xiàn)、長周期結(jié)構(gòu)設計和各抗震設計反應譜等研究現(xiàn)狀進行綜述。而具有長周期的結(jié)構(gòu)在長周期地震動下的表現(xiàn)引起了國內(nèi)外學者的相關(guān)探討并提出相關(guān)理論，部分成果寫入了規(guī)范性文件，針對選用各國規(guī)范反應譜來計算長周期結(jié)構(gòu)在長周期地震動作用下的響應，并對結(jié)構(gòu)宏觀指標的對比進行研究較少，證明了本文課題的必要性。通過選取典型實際工程作為研究對象和建立統(tǒng)一前提，為對比長周期的結(jié)構(gòu)在長周期地震動下的表現(xiàn)實現(xiàn)了可行性。