近斷層地震動(dòng)作用下多塔超高層建筑地震易損性分析

蔣 莉,劉 震,馬興亮

(1.常州工學(xué)院 土木建筑工程學(xué)院,江蘇 常州 213032; 2.山東工商學(xué)院 管理學(xué)科與工程學(xué)院,山東 煙臺(tái) 264005)

現(xiàn)今,由于城市人口的快速增長(zhǎng)以及土地資源的稀缺使得許多大城市興建了眾多群體排列的高層與超高層建筑,其中多塔相鄰的情況就是常用的排布形式。例如高度為530 m的廣州雙塔、452 m的馬來(lái)西亞國(guó)家石油大廈以及345 m的阿聯(lián)酋大廈等。這種結(jié)構(gòu)可以分為兩個(gè)部分,底部的大底盤(pán)和上部的高塔。與單一高塔相比單塔形式,多塔結(jié)構(gòu)在地震作用下的受力更加復(fù)雜,各塔之間與底盤(pán)之間可能存在多種相互作用[1]。

此類(lèi)結(jié)構(gòu)應(yīng)參照可能發(fā)生的地震等級(jí),避讓斷層一定距離,但由于技術(shù)的局限性,斷層的展布線可能與預(yù)測(cè)并不一致。這就造成部分高層多塔結(jié)構(gòu)會(huì)面臨近斷層地震動(dòng)的沖擊,且多塔結(jié)構(gòu)周期更長(zhǎng),可能與地震中的長(zhǎng)周期脈沖發(fā)生耦合,使地震能量更易輸入結(jié)構(gòu)。而在多塔擺動(dòng)時(shí),疊加效應(yīng)可能加劇建筑某些部位的位移。因此,如何保證多塔高層建筑在近斷層地震動(dòng)中的安全,成為工程師和地震研究工作者所共同關(guān)注的關(guān)鍵問(wèn)題。

針對(duì)這一問(wèn)題,部分專(zhuān)家學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展相關(guān)研究,并取得一定成果。王世振等[2]以近斷層滑沖型地震動(dòng)為樣本,利用Perform-3D對(duì)一個(gè)30層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行增量動(dòng)力分析,結(jié)果表明:當(dāng)結(jié)構(gòu)遭遇罕遇地震時(shí),結(jié)構(gòu)不能滿(mǎn)足“大震不倒”的準(zhǔn)則。潘欽鋒等[3]針對(duì)近斷層地震動(dòng)對(duì)高層建筑隔震結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響,提出一種將滑板支座、復(fù)位裝置相結(jié)合的隔震系統(tǒng),研究表明:這類(lèi)能有效保證近斷層脈沖作用下隔震系統(tǒng)的有效性。張亞飛等[4]則研究超高層錯(cuò)層隔震體系對(duì)近斷層地震動(dòng)中長(zhǎng)周期脈沖隔震作用。潘毅等[5]量化分析近斷層地震動(dòng)對(duì)基礎(chǔ)隔震結(jié)構(gòu)的地震放大效應(yīng)。類(lèi)似的研究還有吳小賓等[6-8]多位專(zhuān)家學(xué)者。

從以上研究中不難發(fā)現(xiàn),針對(duì)高層結(jié)構(gòu)在近斷層地震動(dòng)作用下的結(jié)構(gòu)損傷,大多學(xué)者偏重研究減隔震裝置在近斷層脈沖的作用下的表現(xiàn)以及近斷層地震動(dòng)中的高能速度脈沖對(duì)于多塔結(jié)構(gòu)的損傷,而較少利用地震易損曲線定量的研究近斷層地震動(dòng)以及高能速度脈沖對(duì)的多塔結(jié)構(gòu)的損傷。針對(duì)以上問(wèn)題,本文以典型近斷層地震動(dòng)以及非近斷層地震動(dòng)為地震動(dòng)輸入,研究多塔結(jié)構(gòu)在近斷層地震動(dòng)沖擊下的地震響應(yīng),并提取近斷層地震動(dòng)中的高能速度脈沖以研究其對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞作用,并利用地震易損性量化這種損傷。

1 近斷層地震動(dòng)及高能速度脈沖

一般認(rèn)為距離斷層小于60 km的區(qū)域?yàn)榻鼣鄬訁^(qū)域,其中采集到的地震動(dòng)就是近斷層地震動(dòng)[9-11]。相關(guān)研究均表明近斷層地震動(dòng)有著不同于遠(yuǎn)場(chǎng)地震動(dòng)的一系列特征[12-14]:能量高、破壞性強(qiáng)、時(shí)空非平穩(wěn)性顯著。

本文以基于小波技術(shù)的Baker識(shí)別方法[15]對(duì)1999年中國(guó)臺(tái)灣集集地震、2004年美國(guó)加利福尼亞州帕克菲爾德地震,以及2010年新西蘭達(dá)菲爾德地震進(jìn)行識(shí)別,如圖1所示。Baker識(shí)別方法是一種利用小波獲取速度脈沖,從而進(jìn)行定量的分析與識(shí)別的方法,具體判斷標(biāo)準(zhǔn)有三條:第一,速度脈沖指數(shù)要大于0.85

(1)

圖1 1503號(hào)地震動(dòng)近斷層脈沖識(shí)別

式中:PGV ratio是指提取速度脈沖后的殘差記錄中的地震峰值速度(peak ground velocity,PGV)除以原始記錄的PGV;energy ratio是指殘差記錄的能量除以原始記錄能量,能量以速度信號(hào)的累積平方速度(accumulated square velocity,CSV)計(jì)算,速度脈沖指數(shù)體現(xiàn)了地震速度脈沖的顯著性,只有速度脈沖含有較多能量且幅值較高才可以達(dá)到0.85的閾值。

(2)

式中:CSV(t)為到t的積累平方速度值;V(u)為u時(shí)刻的速度。第二,速度脈沖的CSV達(dá)到速度脈沖整體CSV10%的時(shí)間一定要早于原始記錄中速度脈沖的CSV達(dá)到其整體CSV20%的時(shí)間,這保證了速度脈沖是在記錄的早期出現(xiàn),從而剔除掉了部分由于其他原因產(chǎn)生的速度脈沖。第三,原始地震動(dòng)的PGV,要大于30 cm/s,這保證了近斷層地震動(dòng)有一定的強(qiáng)度,從而剔除了距離斷層過(guò)遠(yuǎn)由其他因素產(chǎn)生的速度脈沖。

從近斷層地震動(dòng)中選擇30組作為近斷層樣本,在對(duì)應(yīng)地震中選擇30非近斷層地震動(dòng)作為遠(yuǎn)場(chǎng)地震樣本,如表1所示。將1503地震動(dòng)進(jìn)行提取可以發(fā)現(xiàn),其中速度脈沖明顯,且周期較大。

表1 地震動(dòng)樣本

觀察表1可以發(fā)現(xiàn),近斷層地震動(dòng)中的斷層距離更小,PGV也相應(yīng)更大,在相似斷層距離的條件下,近斷層地震動(dòng)樣本中的PGV也相應(yīng)更大;近斷層組PGV平均為71.03 cm/s,對(duì)應(yīng)的非近斷層組PGV平均為31.57 cm/s,且近斷層地震動(dòng)中PGV最大值可以達(dá)到342.1 cm/s。

2 結(jié)構(gòu)信息

本文以四川某超高層商業(yè)中心為結(jié)構(gòu)案例,該商業(yè)中心設(shè)有一座主塔兩座副塔,并以大底盤(pán)相連,如圖2所示。底盤(pán)平面尺寸為210 m×151 m,高度30 m,地下四層,地上兩層。主塔為82層302 m超高層建筑,層高3.8 m,截面近似為八邊形,外接圓半徑為31 m;兩副塔均為52層194 m超高層建筑,層高3.8 m,截面為42 m×25 m矩形。主塔與一號(hào)副塔凈距為30 m,一號(hào)與二號(hào)副塔之間的南北和東西凈距均為25 m。該建筑總高度較大,且各個(gè)塔樓之間相距較近,極易受近斷層地震動(dòng)沖擊發(fā)生損傷。

圖2 建筑結(jié)構(gòu)模型

主塔結(jié)構(gòu)為:鋼筋混凝土核心筒+外框架+伸臂桁架,核心筒的尺寸約為28 m×28 m,核心筒翼墻底部厚度為1.0 m,到頂部逐漸減少為0.6 m,混凝土等級(jí)為C50;外框架以鋼骨柱、框架梁組成框架,其中鋼骨柱直徑為2 m,其中核心為Q345工字鋼,整體含鋼率約為3.5%,混凝土等級(jí)為C50,利用機(jī)電層設(shè)置伸臂桁架,分別位于27層、54層以及78層附近,使用外伸臂鋼桁架將鋼骨柱與核心筒相連;外伸臂鋼桁架采用Q345工字鋼。這種結(jié)構(gòu)形式能充分發(fā)揮混凝土和鋼材的各自?xún)?yōu)勢(shì),可以高效的抵抗建筑的所受的側(cè)向力,進(jìn)而減少結(jié)構(gòu)在遭受近斷層地震動(dòng)沖擊作用下的結(jié)構(gòu)損傷。兩座副塔結(jié)構(gòu)形式為:框架核心筒,鋼筋混凝土核心筒尺寸為25 m×9 m的長(zhǎng)方形,墻厚為0.6 m混凝土等級(jí)C50;外圍框架為混凝土框架,在25層、50層左右設(shè)置加強(qiáng)層,典型柱間距約為8 m,柱尺寸為1.3 m×1.3 m、1.1 m×1.3 m幾種,典型主梁為0.6 m×0.8 m;混凝土類(lèi)型C45,樓板厚度為0.18 m,混凝土類(lèi)型C40,樓板活載取2 kN/m2。

建筑安全等級(jí)二級(jí),建筑抗震設(shè)防類(lèi)別乙類(lèi),建筑設(shè)防烈度7度(0.10g),場(chǎng)地類(lèi)別:II 類(lèi)設(shè)計(jì)地震分組第三組,特征周期為0.45 s。

3 有限元模型的建立

分析中使用大型有限元分析軟件midas building進(jìn)行動(dòng)力分析,使用柱單元模擬框架柱,巨型框架柱單元模擬外框架以鋼骨柱,使用梁?jiǎn)卧M框架梁,以核心筒墻單元模擬剪力墻,由于本文需要進(jìn)行大量動(dòng)力計(jì)算,對(duì)模型進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化,選用剛性板模擬樓板,并不考慮樁土效應(yīng)的影響,采用瑞利阻尼,阻尼比取為0.045。

在材料方面,考慮到計(jì)算量將鋼筋混凝土中的鋼筋看作是對(duì)混凝土的加強(qiáng),按照鋼筋與混凝土的彈性模量比值,將鋼筋換算為混凝土。結(jié)構(gòu)中的Q345工字鋼則使用線性強(qiáng)化模型模擬材料的本構(gòu)關(guān)系,屈服前本構(gòu)關(guān)系為一條平緩的斜線,屈服后彈性模型可以取為屈服前彈性模量的1%,如下

(3)

式中:fs和εs分別為鋼材應(yīng)力和應(yīng)變;εy和εsh分別為鋼材的屈服應(yīng)變和強(qiáng)化應(yīng)變;Es為彈性模量。Q345工字鋼屈服前彈性模量取為206 GPa,屈服強(qiáng)度取為345 MPa,屈服后彈性模量取為屈服前1%,極限抗拉應(yīng)變偏安全的取為0.01。對(duì)于本文使用的C40和C50混凝土本文則利用Hognestad模型進(jìn)行仿真,該模型可以利用式(4)進(jìn)行表述。

(4)

式中:fc和ε分別為混凝土材料的應(yīng)力和應(yīng)變;本工程選用的C50和C40混凝土的峰值應(yīng)力f0分別取為50 MPa和40 MPa,峰值應(yīng)變?chǔ)?取為0.001 4,最大壓應(yīng)變?nèi)棣舥取為0.003 3。

為獲得更準(zhǔn)確的混凝土結(jié)構(gòu)損傷,本文使用程序中自帶的修正武田三折線滯回模型模擬混凝土結(jié)構(gòu)的損傷,該模型可以在充分考慮混凝土損傷的前提下最大限度地減少所需的計(jì)算資源。

為獲得結(jié)構(gòu)的動(dòng)力基本特征,利用有限元軟件Lanczos 方法進(jìn)行模態(tài)分析,獲得結(jié)構(gòu)的前30階模態(tài),X方向是大底盤(pán)的長(zhǎng)邊方向,靠近主塔的為一號(hào)副塔。結(jié)構(gòu)的前六階振型如表2所示。結(jié)構(gòu)的一階模態(tài)為主塔平動(dòng),一號(hào)和二號(hào)副塔的振動(dòng)并不顯著,故沒(méi)有標(biāo)出振動(dòng)形態(tài);二階模態(tài)為一號(hào)副塔Y方向平動(dòng),二號(hào)副塔X方向平動(dòng);三階模態(tài)為一號(hào)副塔X方向平動(dòng),二號(hào)副塔Y方向平動(dòng);四階模態(tài)為副塔的一階扭轉(zhuǎn),副塔一階扭轉(zhuǎn)周期與副塔的一階平動(dòng)周期之比為0.35,滿(mǎn)足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》中比值不超過(guò)0.85的規(guī)定;五階模態(tài)為主塔的扭轉(zhuǎn),與對(duì)應(yīng)一階平動(dòng)的周期比值為0.25。觀察各個(gè)模態(tài)可以發(fā)現(xiàn),主塔的扭轉(zhuǎn)剛度較大,主塔周?chē)?6根鋼骨柱的布置極大的提升了結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度。

表2 結(jié)構(gòu)的前六階振型

4 地震時(shí)程分析

將上文所述的近斷層地震動(dòng)、非近斷層地震動(dòng)以及近斷層地震動(dòng)中的速度脈沖分別作為三組地震動(dòng)。地震記錄有三個(gè)方向分量,地震動(dòng)的東西方向分量輸入結(jié)構(gòu)的X方向,南北方向分量輸入Y方向,豎向分量輸入Z方向。其中在輸入近斷層脈沖記錄時(shí)需要將脈沖按實(shí)際角度向兩個(gè)方向進(jìn)行分解。

按照以上方法將地震動(dòng)輸入結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性有限元分析,得到結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),限于篇幅僅展示各組第一個(gè)地震樣本作用下的主塔結(jié)構(gòu)響應(yīng)時(shí)程,如圖3～5所示。同時(shí),給出主塔、副塔1以及副塔2的層間位移角包絡(luò)圖,如圖6所示。

(a) 1503號(hào)地震動(dòng)?xùn)|西方向

(a) 1504號(hào)地震動(dòng)?xùn)|西方向

(a) 1503號(hào)地震動(dòng)速度脈沖東西分量

(a) 主塔

觀察主塔結(jié)構(gòu)頂層位移以及對(duì)應(yīng)地震動(dòng)輸入可以發(fā)現(xiàn):近斷層地震動(dòng)所引起的結(jié)構(gòu)位移遠(yuǎn)大于非近斷層地震動(dòng),近斷層地震動(dòng)Y方向地震動(dòng)PGA為0.58g而主塔結(jié)構(gòu)頂層位移響應(yīng)峰值為1.72 m,對(duì)于非近斷層地震動(dòng)PGA為0.50g,而主塔結(jié)構(gòu)頂層位移僅有0.74 m,結(jié)構(gòu)位移相差0.98 m,這足以見(jiàn)得近斷層地震動(dòng)的能量之大;近斷層地震引發(fā)的結(jié)構(gòu)位移主要來(lái)自其中的高能速度脈沖,由近斷層地震動(dòng)引起的主塔位移分別為1.92 m和1.72 m,而將其中速度脈沖輸入結(jié)構(gòu)得到的位移為2.11 m和1.95 m,單獨(dú)輸入速度脈沖由于脈沖性更強(qiáng),地震周期單一且與結(jié)構(gòu)的周期更為接近(脈沖周期為5.7 s,結(jié)構(gòu)第一階自振周期為7.03 s),所以能激起更劇烈的位移響應(yīng);高能速度脈沖引起的位移響應(yīng)較快,近斷層地震動(dòng)和速度脈沖在所引起的結(jié)構(gòu)位移峰值都相對(duì)靠前,而非近斷層地震動(dòng)所引起的位移峰值相對(duì)靠后,存在一個(gè)明顯的積累過(guò)程,這說(shuō)明此類(lèi)高能速度脈沖對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊幾乎是瞬時(shí)的。

進(jìn)一步分析主塔、副塔1以及副塔2的層間位移角包絡(luò)圖可以發(fā)現(xiàn):主塔在受到1503號(hào)近斷層地震動(dòng)作用時(shí),結(jié)構(gòu)的最大層間位移角可以達(dá)到0.014,并達(dá)到嚴(yán)重?fù)p傷的程度,而類(lèi)似的1504號(hào)非近斷層地震動(dòng)作用時(shí)層間位移角僅為0.007,損傷僅為中等損傷的程度,類(lèi)似的情況在副塔也存在;副塔兩個(gè)方向在承受速度脈沖能力方面也存在差異,1503號(hào)地震動(dòng)的速度脈沖的方位角為113°,與結(jié)構(gòu)的X方向夾角為23°,因此X方向剛度較低的2號(hào)副塔所出現(xiàn)的層間位移角更大達(dá)到0.032,遠(yuǎn)大于1號(hào)副塔的0.013。

綜上可以發(fā)現(xiàn),對(duì)于本文所研究的這類(lèi)多塔超高層結(jié)構(gòu),近斷層地震動(dòng)所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)響應(yīng)遠(yuǎn)大于非近斷層地震動(dòng),長(zhǎng)周期高能速度脈沖對(duì)結(jié)構(gòu)影響極大,且高能速度脈沖對(duì)結(jié)構(gòu)的沖擊極為迅速,在短時(shí)間內(nèi)結(jié)構(gòu)的位移就會(huì)達(dá)到極大值。對(duì)于剛度不同的結(jié)構(gòu),如果速度脈沖的角度與剛度較小的方向重合,很有可能會(huì)使結(jié)構(gòu)發(fā)生更為嚴(yán)重的損傷。

5 地震易損性分析

針對(duì)以上近斷層地震動(dòng)和非近斷層地震動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)損傷的特征,本章將更進(jìn)一步以地震易損性分析為基礎(chǔ),進(jìn)行定量分析。為增加地震樣本的覆蓋范圍,將所有地震動(dòng)乘以0.5的調(diào)整系,并將調(diào)整后的地震動(dòng)與未調(diào)整的地震動(dòng)按照上文方法依次輸入結(jié)構(gòu),進(jìn)行地震時(shí)程分析。進(jìn)而得到三組地震動(dòng)的結(jié)構(gòu)響應(yīng),將主塔結(jié)構(gòu)響應(yīng)與對(duì)應(yīng)方向的地震動(dòng)PGA在對(duì)數(shù)空間中進(jìn)行回歸如圖7所示。

(a) 第一組東西方向

根據(jù)得出的結(jié)構(gòu)層間位移角與PGA間關(guān)系,可以得到在一定PGA條件下結(jié)構(gòu)達(dá)到某一損傷狀態(tài)概率

(5)

式中:Pf為結(jié)構(gòu)失效概率;Ii為特定損傷狀態(tài)下,結(jié)構(gòu)層間位移角取值的下限,I1、I2、I3、I4分別為結(jié)構(gòu)發(fā)生正常使用、立即占用、生命安全以及防止倒塌,參照相關(guān)文獻(xiàn)及規(guī)范,I1、I2、I3、I4分別取值為1/1 160、1/575、1/361、1/55。結(jié)構(gòu)的最大層間位移角小于1/1 160時(shí),結(jié)構(gòu)處于完全彈性階段,結(jié)構(gòu)可以正常使用;最大層間位移角處于1/1 160～1/575之間時(shí),結(jié)構(gòu)僅需要簡(jiǎn)單修理即可使用,結(jié)構(gòu)發(fā)生輕微損傷;最大層間位移角處于1/575～1/361之間時(shí),結(jié)構(gòu)需要一般性的修復(fù)后使用,結(jié)構(gòu)仍然處于穩(wěn)定狀態(tài);最大層間位移角處于1/361～1/55之間時(shí),結(jié)構(gòu)處于危險(xiǎn)狀態(tài),結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重?fù)p傷,但仍能保證人的生命安全;當(dāng)層間位移角大于1/55時(shí),結(jié)構(gòu)開(kāi)始倒塌。β表示層間位移角與PGA對(duì)數(shù)回歸的對(duì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。根據(jù)上述公式可以得到主塔整體結(jié)構(gòu)在不同損傷狀態(tài)損傷概率如圖8所示,并給出各個(gè)損傷狀態(tài)的中值以及不同等級(jí)地震對(duì)應(yīng)的損傷概率如表3所示。其中第二組地震是以脈沖峰值PGV為衡量指標(biāo)。由于近斷層地震動(dòng)中含有較強(qiáng)的速度脈沖,因此增加利用近斷層地震動(dòng)PGV表示的第一組地震易損性,以研究不同地震強(qiáng)度表示方法對(duì)地震易損性的影響。

表3 主塔各個(gè)損傷狀態(tài)的中值以及不同等級(jí)地震對(duì)應(yīng)的損傷概率

(a) 第一組東西方向(PGA)

觀察主塔的損傷概率圖以及損傷概率中值表可以發(fā)現(xiàn):結(jié)構(gòu)在遭受近斷層地震動(dòng)和非近斷層地震動(dòng)作用下,均可以保證“小震不壞,中震可修,大震不倒”的要求,具體分析在E1(常遇地震)地震作用下,結(jié)構(gòu)基本處于正常使用狀態(tài)和立即占用狀態(tài),超過(guò)立即占用狀態(tài)的概率近斷層地震動(dòng)為8.67%,非近斷層地震動(dòng)為3.17%,在E2(設(shè)防地震)作用下,結(jié)構(gòu)處于立即占用和生命安全狀態(tài),超過(guò)防止倒塌狀態(tài)的概率小于1%,在E3(罕遇地震)作用下,結(jié)構(gòu)超越防止倒塌狀態(tài)的小于6%。近斷層地震動(dòng)所引起的結(jié)構(gòu)損傷遠(yuǎn)大于非近斷層地震動(dòng),第一組各種狀態(tài)下的損傷概率均大于第三組對(duì)應(yīng)狀態(tài)的損傷概率;以常遇、設(shè)防、罕遇等級(jí)地震衡量,近斷層地震動(dòng)各種損傷概率較非近斷層地震動(dòng)平均上升11.79%,差距最大的是罕遇地震作用下結(jié)構(gòu)東西方向的地震損傷,近斷層地震有74.59%達(dá)到生命安全狀態(tài),而非近斷層地震動(dòng)僅有44.58%,之間相差30%;以各損傷中位數(shù)進(jìn)行評(píng)價(jià)也可以發(fā)現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象,近斷層地震動(dòng)的對(duì)應(yīng)損傷PGA中位數(shù)比非近斷層地震動(dòng)平均降低0.18g(38.64%)。分析第二組由速度脈沖引起的主塔損傷可以發(fā)現(xiàn),速度脈沖對(duì)結(jié)構(gòu)的損傷較為嚴(yán)重,立即占用狀態(tài)的PGV中位數(shù)為17.89 cm/s,而生命安全的中位數(shù)為28.29 cm/s,這說(shuō)明較小的速度脈沖就有可能對(duì)主塔產(chǎn)生較為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷。近斷層地震動(dòng)由于含有高能速度脈沖,因此PGV也是一種較好的近斷層地震動(dòng)強(qiáng)度的表示方法,由PGV也可以獲得準(zhǔn)確的橋梁地震易損曲線以及損傷概率。進(jìn)一步對(duì)比同樣由PGV表示的近斷層地震動(dòng)(第一組)以及近斷層地震動(dòng)脈沖(第二組),可以發(fā)現(xiàn)同樣PGV強(qiáng)度的近斷層地震動(dòng)作用下,單純速度脈沖所帶來(lái)的地震損傷更為嚴(yán)重,平均損傷概率增加4.23%,地震強(qiáng)度中位數(shù)降低13.32 cm/s。造成這種現(xiàn)象的原因可能是由于近斷層地震動(dòng)中的速度脈沖能量更為集中,更容易對(duì)建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行激勵(lì),從而增加結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),而近斷層地震動(dòng)由于含有多種脈沖,各個(gè)脈沖之間可能的存在一定的干擾,因此能量的輸入效率不如單純的近斷層脈沖。

為進(jìn)一步分析近斷層地震動(dòng)對(duì)于兩座副塔的影響,仿照主塔分析過(guò)程,給出兩座副塔各損傷狀態(tài)的概率以及PGA中值,如表4所示。

表4 副塔各個(gè)損傷狀態(tài)的中值以及不同等級(jí)地震對(duì)應(yīng)的損傷概率

觀察近斷層地震動(dòng)對(duì)兩個(gè)副塔的損傷概率可以發(fā)現(xiàn):兩個(gè)副塔的損傷呈現(xiàn)不同的損傷規(guī)律,在遭受同等地震作用下,一號(hào)副塔南北方向損傷更為嚴(yán)重,二號(hào)副塔的東西方向損傷更為嚴(yán)重,以對(duì)應(yīng)損傷程度進(jìn)行比較平均損傷概率增加5%,這是由于一號(hào)副塔東西方向較長(zhǎng),相應(yīng)的剛度較大,地震脈沖如果以南北方向入射會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的位移響應(yīng),而二號(hào)副塔的方向與一號(hào)相反,脈沖以東西方向入射會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生更大的位移響應(yīng)。

6 單塔地震損傷分析

為確定各個(gè)塔之間的相互影響,本章將逐一拆解模型中各個(gè)主塔以及副塔,并對(duì)比分析地震易損性、各損傷地震強(qiáng)度中值以及地震損傷概率之間的差異,進(jìn)而給出各個(gè)塔之間的相互作用。

在模型中刪除兩個(gè)副塔,僅留下結(jié)構(gòu)的大底盤(pán)以及主塔結(jié)構(gòu),同樣利用本文近斷層地震動(dòng)進(jìn)行地震激勵(lì),限于篇幅僅給出地震易損性曲線,如圖9所示。地震損傷概率,如表5所示。為進(jìn)一步了解副塔結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),分別僅留下一號(hào)副塔以及大底盤(pán)、二號(hào)副塔和大底盤(pán),利用近斷層地震動(dòng)進(jìn)行激勵(lì),給出地震損傷概率(見(jiàn)表5)。

表5 單獨(dú)主塔以及副塔各個(gè)損傷狀態(tài)的中值以及不同等級(jí)地震對(duì)應(yīng)的損傷概率

(a) 第一組東西方向

觀察上述結(jié)構(gòu)的地震損傷可以發(fā)現(xiàn):在去掉其他塔樓后,單獨(dú)的主塔、副塔結(jié)構(gòu)的地震損傷都會(huì)有一定程度的增加,具體分析主塔結(jié)構(gòu)的地震損傷平均增加2.68%,一號(hào)副塔結(jié)構(gòu)增加2.37%,二號(hào)副塔結(jié)構(gòu)增加2.54%,地震損傷中位數(shù)也可以發(fā)現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象,主塔結(jié)構(gòu)的各損傷狀態(tài)的地震強(qiáng)度中位數(shù)平均降低0.05g,一號(hào)副塔和二號(hào)副塔均平均降低0.02g。這種單一副塔較多塔結(jié)構(gòu)損傷增加的現(xiàn)象可能由于多塔結(jié)構(gòu)的質(zhì)量在大底盤(pán)結(jié)構(gòu)上分布更加均勻,致使地震產(chǎn)生的位移響應(yīng)更小。而單一塔樓與原有大底盤(pán)結(jié)構(gòu)可能存在一定的質(zhì)量分布不均,塔樓的重心與大底盤(pán)的重心相差過(guò)大,致使單一塔樓結(jié)構(gòu)的損傷更為顯著。

7 結(jié) 論

針對(duì)近斷層地震動(dòng)對(duì)多塔超高層結(jié)構(gòu)的損傷問(wèn)題,以一個(gè)三塔超高層建筑為工程案例,基于多種近斷層、非近斷層地震動(dòng)以及近斷層速度脈沖為地震輸入,利用大型有限元軟件進(jìn)行地震時(shí)程分析,并以層間位移角和最大位移為主要分析對(duì)象,對(duì)主塔以及兩座副塔進(jìn)行地震易損性分析。結(jié)果表明:

(1) 結(jié)構(gòu)在各種地震動(dòng)作用下,該結(jié)構(gòu)均可以滿(mǎn)足“小震不壞、中震可修、大震不倒”要求,在常遇地震作用下,結(jié)構(gòu)基本處于正常使用狀態(tài)和立即占用狀態(tài);在設(shè)防地震作用下,結(jié)構(gòu)處于立即占用和生命安全狀態(tài),在罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)超越防止倒塌狀態(tài)的小于6%。

(2) 近斷層地震動(dòng)對(duì)于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的響應(yīng)遠(yuǎn)大于非近斷層地震動(dòng),比較各種損傷狀態(tài)的損傷概率,近斷層地震動(dòng)較非近斷層地震動(dòng)平均上升11.79%。

(3) 長(zhǎng)周期高能速度脈沖對(duì)結(jié)構(gòu)影響極大,較小的速度脈沖就有可能對(duì)主塔產(chǎn)生較為嚴(yán)重的結(jié)構(gòu)損傷,立即占用狀態(tài)的速度脈沖PGV中位數(shù)為17.89 cm/s,而生命安全的中位數(shù)為28.29 cm/s。

(4) 對(duì)于剛度不同的結(jié)構(gòu),如果速度脈沖的角度與剛度較小的方向重合,很有可能會(huì)使結(jié)構(gòu)發(fā)生更為嚴(yán)重的損傷。對(duì)兩個(gè)副塔進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn),近斷層速度脈沖以較小剛度方向入射損傷概率平均增加5%。

(5) 分析不同塔樓之間的相互作用發(fā)現(xiàn),僅存在單一塔樓的條件下,較三個(gè)塔樓都存在的情況,損傷更為嚴(yán)重,平均損傷概率增加2.53%。