超高层抗震反应分析

(华北理工大学 河北 唐山 063200)

引言

截止2017年12月2日，全球己建成超过200m及以上的超高层建筑总计1407座，其中我国共计602座，占比42.8070。现阶段我国正处于施工或封顶状态的超高层建筑共计298座。计划2018年完工的超高层建筑共计128座，可以预期未来中国在超高层建筑数量占比仍将进一步提升。按照建筑高度，全球己建成超高层建筑前二十名榜单中，我国占据其中九席，我国己建成超高层建筑的第十名门槛也达到了430米以上。

一、研究背景

(一)地震长周期的发现

地震过程中释放巨大的能量会造成极大的破坏，而中国也饱受地震之荡。杨格格[1]等人整理了建国以来5.0级以上地震灾害分级分布，研究表明我国地震灾害时间上存在明显活跃和平静交替的周期性，空间上存在分异格局显著的特点。地震多发地与经济欠发达地区高度重合，而超高层往往建造地区经济都较为繁荣，那么是否远离地震多发地就能很好地降低超高层建筑的地位危害性呢。

大地震震源由于破裂尺度较大导致地震波低频成分丰富，而低频部分地震波传播衰减较高频成分要低很多，倘若超高层建筑物所处地基覆盖土层介质松软或厚度较厚，甚至会形成放大作用[2]。1989年美国洛马·普里埃塔发生7级地震，引发奥克兰海湾大桥东桥的脱落。2005年日本九州发生7级地震，在930km外的上海市，部分居住于15层以上的居民对此次地震感受明显。2008年四川汉川8.0级地震，距震中520km的宝鸡市和距震中700km的西安市的建筑震感剧烈，建筑物出现较大的水平位移，其中以高层建筑尤甚，多座高层建筑的填充墙出现较大损伤。

(二)长周期结构设计研究

近十年来我国学者对超高层结构在富含长周期成分地震中的响应进行了多方面的研究。研究主要从震源特性、场地条件地震动数据获取、超高层结构响应指标、反应谱特征、工程设计要求、探讨了长周期地震动与普通地震动对结构影响的区别。

2007年，杨迪雄分析近断层地震动的破裂方向性、脉冲效应以及上盘效应等对长周期建筑的影响;结果表明，脉冲效应与结构的初始自身周期呈现正相关关系，尤其在长周期结构中，这一关系最为明显;近断层地震动破裂方向性主要影响隔震建筑和大跨度斜拉桥等，此外，长周期结构对上盘效应也非常敏感。

2009年，张振炫分析了普通地震波与三条长周期地震波时间与频率特点的区别，并利用ANSYS软件对一高层建筑的地震响应进行研究，得出结论:高层建筑在长周期地震动的作用下的位移指标和内力指标显著增大，位移指标的差异尤其突出。

2015年，肖雄以深圳某80层建筑为基础，研究了影响地震剪力系数的诸多因素，发现了结构的基底剪力随着周期折减系数为负相关关系，而阻尼比的增大也会略微降低基底剪力;该文献还指出，不同的场地对结构的基底剪力、位移响应影响甚大，其中I类场地的基底剪力、位移响应仅为IV场地的一半左右。

如上述的学者研究，普遍规律是长周期地震动作用下结构响应比普通地震动要大，并且结构响应还会受到场地条件、结构特性等影响。

(三)针对不同规范抗震设计反应谱对比

2006年，李婕等[3]对中国、日本、美国三国的抗震隔震思想、设计反应谱及设计方法进行对比，通过一个五层钢结构隔震结构振动台试验和时程分析法剪力加速度反应谱，对我国加速度反应谱长周期段的修订提出建议。

2008年，余湛等对中、美、欧抗震设计谱中平台段值、特征周期以及衰减指数进行比较，结果表明加速度反应谱取值上，我国规范(GB50011-2001)随着周期的变长，逐渐接近并反超美国(NEHRP2003)欧洲(EU8-2003草案)两国规范。

2011年，李慧等针对中国规范(GB_50011-2010)与日本规范(BSL1981)、美国抗震规范(IBC2009)、欧洲规范(EC8)中地震作用的取值和计算进行对比，并基于底部剪力法对一钢筋混凝土框架模型进行计算，发现底部剪力中美欧三国计算结果相近，楼层地震力分布结果四国结果相近，虽然日本规范的层间位移计算值最大，但其相应严格性也是四国中最高。

可以发现现有规范对比研究是针对体系上的对比，包括抗震隔震措施、计算取值、构造配筋、指标限值等，但对于长周期特别是结构基本周期在6s后的对比研究稍少，故有必要针对此利用实际算例作深入探讨。

二、研究目的与研究内容

(一)研究目的

超高层结构基于不同抗震设计谱的地震反应比较的研究必要性可总结为几点:①针对长周期结构评价指标，不同算法的适用性对比研究相对较少;②针对长周期结构在长周期地震动下不同算法稳定性的对比的研究甚少;③实际工程中由于各国规范前提不一致，对基于不同算法所得结构指标进行横向对比能够为我国规范的修订提供参照样本。

基于不同规范谱和学者理论算法对此进行对比研究，力图达到以下目的:(1)对不同反应谱对长周期结构指标计算结果进行对比分析，从定性和定量两方面探讨其适用性和敏感性，侧重于对比各种算法结果变化规律以及其算法的稳定性，为该类结构设计的理论研究和工程实践提供必要的数据支持。(2)研究表明超高层消能减震装置的应用和效果很好，针对现阶段消能减震措施的推广情况，本文加入高阻尼比下算法的对比，探讨不同算法的应用和工程实践方面提供参考意见。

(二)研究内容

为研究不同算法下，长周期结构在长周期地震动下响应模拟的差异性和稳定性，主要完成了如下几个方面的工作:(1)理论对比:包括反应谱法、时程分析法和其他控制方法进行介绍对比，研究不同算法的理论基础、设计理念和和破坏机制。(2)有限元模型的建立:基于对结构高度的统计分析，选取两个处于典型高度分界线的模型。对研究的规范算法和学者算法等进行参数转换，建立对比的统一前提。(3)多种算法结果对比:主要研究六个指标，通过改变输入方式、阻尼比取值等参数，利用各国规范和学者提出的理论和时程分析理论法对本文模型进行计算，对不同算法的适用性和计算稳定性进行研究并提出工程设计建议。

三、本章小结

本章对超高层建筑的发展、长周期地震的发现、长周期结构设计和各抗震设计反应谱等研究现状进行综述。而具有长周期的结构在长周期地震动下的表现引起了国内外学者的相关探讨并提出相关理论，部分成果写入了规范性文件，针对选用各国规范反应谱来计算长周期结构在长周期地震动作用下的响应，并对结构宏观指标的对比进行研究较少，证明了本文课题的必要性。通过选取典型实际工程作为研究对象和建立统一前提，为对比长周期的结构在长周期地震动下的表现实现了可行性。