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。現階段我國正處于施工或封頂狀態的超高層建筑共計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)地震長周期的發現

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。地震多發地與經濟欠發達地區高度重合，而超高層往往建造地區經濟都較為繁榮，那么是否遠離地震多發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·普里埃塔發生7級地震，引發奧克蘭海灣大橋東橋的脫落。2005年日本九州發生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較大損傷。

(二)長周期結構設計研究

近十年來我國學者對超高層結構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、場地條件地震動數據獲取、超高層結構響應指標、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構影響的區別。

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;結果表明，脈沖效應與結構的初始自身周期呈現正相關關系，尤其在長周期結構中，這一關系最為明顯;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，長周期結構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，得出結論:高層建筑在長周期地震動的作用下的位移指標和內力指標顯著增大，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的諸多因素，發現了結構的基底剪力隨著周期折減系數為負相關關系，而阻尼比的增大也會略微降低基底剪力;該文獻還指出，不同的場地對結構的基底剪力、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，普遍規律是長周期地震動作用下結構響應比普通地震動要大，并且結構響應還會受到場地條件、結構特性等影響。

(三)針對不同規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，通過一個五層鋼結構隔震結構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進行比較，結果表明加速度反應譜取值上，我國規范(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)兩國規范。

2011年，李慧等針對中國規范(GB_50011-2010)與日本規范(BSL1981)、美國抗震規范(IBC2009)、歐洲規范(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，發現底部剪力中美歐三國計算結果相近，樓層地震力分布結果四國結果相近，雖然日本規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。

可以發現現有規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、構造配筋、指標限值等，但對于長周期特別是結構基本周期在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、研究目的與研究內容

(一)研究目的

超高層結構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為幾點:①針對長周期結構評價指標，不同算法的適用性對比研究相對較少;②針對長周期結構在長周期地震動下不同算法穩定性的對比的研究甚少;③實際工程中由于各國規范前提不一致，對基于不同算法所得結構指標進行橫向對比能夠為我國規范的修訂提供參照樣本。

基于不同規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構指標計算結果進行對比分析，從定性和定量兩方面探討其適用性和敏感性，側重于對比各種算法結果變化規律以及其算法的穩定性，為該類結構設計的理論研究和工程實踐提供必要的數據支持。(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)研究內容

為研究不同算法下，長周期結構在長周期地震動下響應模擬的差異性和穩定性，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:基于對結構高度的統計分析，選取兩個處于典型高度分界線的模型。對研究的規范算法和學者算法等進行參數轉換，建立對比的統一前提。(3)多種算法結果對比:主要研究六個指標，通過改變輸入方式、阻尼比取值等參數，利用各國規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定性進行研究并提出工程設計建議。

三、本章小結

本章對超高層建筑的發展、長周期地震的發現、長周期結構設計和各抗震設計反應譜等研究現狀進行綜述。而具有長周期的結構在長周期地震動下的表現引起了國內外學者的相關探討并提出相關理論，部分成果寫入了規范性文件，針對選用各國規范反應譜來計算長周期結構在長周期地震動作用下的響應，并對結構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一前提，為對比長周期的結構在長周期地震動下的表現實現了可行性。