復雜高層結(jié)構(gòu)非線性抗震性能分析芻議

陳旭元

摘 ?要：為滿足各地城市化建設(shè)快速發(fā)展及民眾日漸提升的審美需要，復雜高層結(jié)構(gòu)建筑在我國各地大量涌現(xiàn)，這類結(jié)構(gòu)建筑的抗震性能也日漸成為建筑業(yè)關(guān)注互動的焦點。基于此，該文將圍繞復雜高層結(jié)構(gòu)非線性抗震性能開展研究，研究采用正交化HHT法，并主要圍繞2條長周期地震波開展比對分析，以此明確研究對象復雜高層結(jié)構(gòu)建筑的非線性抗震性能。結(jié)合分析可發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)響應(yīng)在長周期地震波作用下變得更為明顯，加速度響應(yīng)的明顯程度低于位移響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：復雜高層結(jié)構(gòu) ?非線性動力反應(yīng) ?長周期地震動

中圖分類號：TU973 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）11（a）-0035-02

受到場地條件、震中距、震源等因素的影響，地震動特性往往較為復雜，包含豐富長周期成分的軟土場地地震地面運動很容易破壞建筑結(jié)構(gòu)。結(jié)合實際調(diào)研可以發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段我國復雜高層結(jié)構(gòu)建筑在長周期地震動方面存在一定不足，其抗震性能往往會因此受到較為負面影響，并最終威脅建筑的使用安全，為彌補這類不足，正是該文圍繞復雜高層結(jié)構(gòu)非線性抗震性能開展具體研究的原因所在。

1 ?理論與方法選擇

1.1 OHHT原理

2 ?地震波的選取與頻譜特性分析

為提升研究的價值，選用兩條代表性較高的典型長周期信息地震波進行研究，兩條地震波分別源于發(fā)生于1985年的墨西哥8.1級地震與發(fā)生于1999年的中國臺灣7.6級集地震，對比參考選用2條常用的普通地震波，Taft-EW即波與EL-Centro-Ns波。高層結(jié)構(gòu)的響應(yīng)在很大程度上受到地震記錄的頻譜分布影響，這種影響可基于反應(yīng)譜實現(xiàn)直觀展示，因此研究需首先求得地震波對應(yīng)的反應(yīng)譜。基于求得的地震波反應(yīng)譜進行分析可發(fā)現(xiàn)，普通基巖地震波與長周期基巖地震波存在顯著區(qū)別。在周期大于1s后，相較于2條普通地震波，2條長周期地震波的譜值明顯偏大，且存在明顯的長周期特征，這就使得高層結(jié)構(gòu)在較長自振周期影響下存在更為明顯的表現(xiàn)[2]。

圍繞長周期地震波開展時-頻分布分析，采用正交化HHT方法，由此可求得Hilbert譜，進行Hilbert譜的對比可以發(fā)現(xiàn)，相較于普通基巖地震波，在時-頻分布上，長周期地震波存在顯著特點，即低頻段屬于其能量的主要聚集處，且分布集中程度較大，基本不存在5Hz以上的成分。相反，較為豐富的能量頻率使得普通地震波在0～15Hz均存在較大分布。在時域分布上，長周期地震波的作用時間較長且能量分散顯著，60s之后為低頻成分主要構(gòu)成，普通基巖地震波的作用時間較短且能量較集中，30s以后基本分布為零。

3 ?模型的建立與非線性地震反應(yīng)分析

3.1 建立模型

以某地復雜高層建筑作為研究對象，以此開展地震反應(yīng)分析，研究對象建筑采用4m層高的框架，上部結(jié)構(gòu)為巨型鋼框架結(jié)構(gòu)體系，共21層，跨度為5.4m，每邊9跨，擁有48.6m×48.6m的平面尺寸布置。工程采用鋼材橫梁、鋼筋混凝土柱子、混凝土基礎(chǔ)承臺，以及鋼材料的斜撐、弦桿、腹桿。鋼框架加外圍支撐屬于建筑主體結(jié)構(gòu)刑事，屬于典型的豎向剛度與平面均不規(guī)則的復雜高層結(jié)構(gòu)。

研究用有限元數(shù)值模型的建立采用軟件ANSYS14.0，BEAM188單元負責梁、柱模擬，SHELL63單元用于樓板模擬，由此即可得到ANSYS有限元數(shù)值模型示意圖。在進行動力分析前，需首先開展模態(tài)分析，結(jié)合同類研究，該文圍繞有限元數(shù)值模型開展的分析采用分塊蘭索斯法進行，這是由于該方法具備精度較好且效率較高優(yōu)勢所致。結(jié)合分析結(jié)果，可確定研究對象復雜高層建筑的第1階自振頻率，即0.58Hz，可見其自振周期較長。

3.2 非線性地震反應(yīng)分析

結(jié)合《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB 50011-2010）要求，在7度多遇/罕遇地震情況下，分別輸入35cm/S2與220cm/S2的地震加速度激勵幅值，由此即可基于軟件求得研究對象復雜高層建筑的結(jié)構(gòu)加速度峰值放大系數(shù)、層間位移角包絡(luò)圖、位移包絡(luò)圖[3]。開展深入分析可以發(fā)現(xiàn)，相較于普通地震波作用結(jié)果，上半部分各層加速度峰值放大系數(shù)在長周期地震波作用均較大，且這種趨勢存在隨樓層升高而上升的趨勢。進一步分析可發(fā)現(xiàn)，高層結(jié)構(gòu)樓層的層間位移角與最大位移的隨樓層升高變化趨勢并不會受到地震波激勵的不同影響。對比普通地震波，高層結(jié)構(gòu)響應(yīng)受到的長周期地震影響更大。高層結(jié)構(gòu)位移和加速度在不同地震波下存在不同的響應(yīng)敏感度，長周期地震波帶來的位移響應(yīng)較為敏感。

為更深入了解響應(yīng)的時-頻特征，采用正交化HHT方法對高層結(jié)構(gòu)在兩類地震波作用下的加速度反應(yīng)為進行分析，通過時-頻分布分析，可發(fā)現(xiàn)不同地震波在高層結(jié)構(gòu)中存在不同的過濾作用，過濾作用在長周期地震波中的表現(xiàn)更為明顯，存在更為集中的頂層響應(yīng)能力分布，分布以低頻部分為主;普通高層結(jié)構(gòu)地震波則存在較為分散的頂層反應(yīng)能量分布，可見長周期地震波作用下非線性程度更為劇烈，存在更強的滯回耗能能力，復雜高層建筑結(jié)構(gòu)的剛度降低也因此變得更加明顯，抗震能力受到的影響必須得到重視。

4 ?結(jié)語

綜上所述，長周期地震波對復雜高層結(jié)構(gòu)非線性抗震性能帶來的負面影響更為顯著。在此基礎(chǔ)上，該文涉及的OHHT原理、結(jié)構(gòu)彈塑性本構(gòu)模型選取、時程分析方法方程、非線性地震反應(yīng)分析等內(nèi)容，則直觀展示了復雜高層結(jié)構(gòu)非線性抗震性能受到的長周期地震波影響。因此，在復雜高層結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中，長周期地震波帶來的影響必須在設(shè)計中得到重點體現(xiàn)。

參考文獻

[1] 程潔.復雜超限高層建筑結(jié)構(gòu)的性能化設(shè)計探討[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2019，46（9）：22-24.

[2] 楊小微，李曉雷.國家（威海）創(chuàng)新中心2#樓復雜高層結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計[J].建筑結(jié)構(gòu)，2019，49（S1）：370-373.

[3] 周穎，呂西林.立面開大洞復雜高層結(jié)構(gòu)的整體抗震性能評價[J].地震工程與工程振動，2008（1）：56-63.