主余震下高層斜交網格筒結構地震響應分析

為研究高層斜交網格筒結構在主余震作用下的地震響應，選取三條真實主余震，分別對主余震中的主震和余震進行調幅，利用Perform-3d對結構進行非線性動力時程分析。分析結果表明：余震會增大結構的地震響應，且當余震峰值加速度PGA大小為主震的0.5倍及以上時，影響更為顯著；主余震中主震的PGA越大，其余震對結構地震響應的影響程度就越大。

高層斜交； 主余震； Perform-3d； 動力分析； 地震響應

TU313A

工程結構工程結構

［定稿日期］2023-03-20

［作者簡介］吳憲洪（1996—），男，在讀碩士，主要研究方向為結構抗震。

0" 引言

地震是自然災害中對人類生命財產安全構成最大威脅的災害之一。據統計，地球每年平均發生500萬次左右的地震，且5級以上的強烈地震就大約有100次左右［1］。據國家地震局統計表明，我國將近有80%的國土面積位于地震烈度6度及以上區域；同時，除浙江、貴州兩省外，其他各省都發生過6級以上強震，其中18個省均發生過7級以上大震，特別是唐山大地震和汶川大地震給我國人民造成了觸目驚心的嚴重災難，其造成的生命財產損失是世界性罕見、十分巨大的。在地震災害中，房屋建筑的破壞與倒塌是造成人員傷亡、財產損失的主要原因之一，特別是高層建筑的破壞與倒塌所導致的人員傷亡、財產損失更大。另外，值得注意的是，結構在地震作用下損傷或破壞后，通常在一段時間之后才能得到修復或重建，若在這一時間段內結構再次遭受地震，結構的破壞程度將被加劇，甚至發生倒塌，造成更大的傷亡和損失［2］。比如，2023年 2月6日9時17分在土耳其發生了7.8級地震，當天18時24分在土耳其再次發生了7.8級地震，這導致了高層建筑的大量破壞與倒塌。截至2023年2月24日，土耳其災害與應急管理局發布消息稱，2月6日發生的兩次地震已造成44 218人死亡，北塞浦路斯排球隊的16名運動員全部遇難。可見，地震發生之后的余震會加劇結構的破壞程度，甚至導致結構倒塌，造成更大的人員傷亡和財產損失，故研究結構在主余震下的地震響應以抵御或減輕地震災害具有重要意義。

隨著社會的發展，高層建筑愈受青睞，但同時其也面臨著一大威脅——地震。為了抵御或減輕高層建筑的地震災害，需采取合理的抗震措施、方法，其中，進行結構體系的創新以適應高層建筑的發展要求是有效方法之一。近年來，高層斜交網格筒結構逐漸受到建筑師的重視，其作為一種新型高層及超高層結構體系，具有側向剛度大、設計靈活、建筑美觀等優點，有著可觀的應用前景［3］。然而，高層斜交網格筒結構作為一種新型結構，其相關理論研究目前還處于初級階段，同時現行的抗震規范在結構設計中往往考慮一次地震，未重點考慮余震對結構產生的不利影響。截至目前，關于高層斜交網格筒結構抗震性能的研究主要考慮的是一次主震，而對其在主余震作用下的抗震性能研究尚未見報道，故有必要對高層斜交網格筒結構進行主余震作用下的地震響應進行研究，這對其提出合理的抗震設計理論和實際工程結構加固具有重要的意義。

1" 模型建立

1.1" 基本參數

參考廣州西塔，高層建筑斜交網格筒結構模型采用筒中筒結構，內筒由鋼筋混凝土剪力墻和鋼筋混凝土連梁構成，外筒由鋼管混凝土斜柱和鋼環梁構成，圖1～圖3分別給出了結構平、立面布置及三維示意。環梁、連系梁采用工字鋼，鋼材采用Q345，鋼筋采用HRB400；鋼管混凝土和連梁的混凝土強度等級采用C60；樓板厚度和采用的混凝土強度等級分別為120 mm、C30，采用剛性樓板假定，參考荷載規范［4］，樓面恒荷載取4 kN/m2、活荷載取2 kN/m2；根據抗震規范［5］，結構的抗震設防類別為丙類，設防烈度8度（0.2g），設計地震分組為第二組，場地類別為類，特征周期為0.4 s；基本風壓為0.3" kN/m2，地面粗糙度為C類，基本雪壓為0.15 kN/m2。

1.2" 模型驗證

采用PKPM對結構進行設計以及合理性驗證，使結構模型的構件尺寸滿足強度和穩定性的要求，整體結構滿足控制指標。整體結構模型的控制指標與規范限值對比情況見表1。由表1可知，結構模型的控制指標滿足規范要求，可對其進行進一步的研究。

運用Perform-3d建立結構的纖維有限元分析模型。其中，鋼材采用屈曲型，骨架曲線為考慮應變硬化的三折線彈塑性模型，硬化系數（即鋼材屈服后的剛度強化系數）取為0.01，考慮拉壓對稱；鋼管核心混凝土采用韓林海模型［7］；混凝土剪力墻及連梁的約束區混凝土采用Mander模型［8］，非約

層間受剪承載力比值/%100.0080.00是

剛重比18.491.40是束區采用規范［9］中的本構關系。對建立的有限元模型進行模態分析，并于PKPM的結果進行比較以驗證有限元模型的合理性。通過表2可以發現Perform-3D與PKPM的模態分析計算結果吻合較好，兩者的誤差小于5%的工程誤差，故可采用Perform-3D對結構進行非線性動力時程分析。

注：（1） 代表PKPM；（2） 代表Perform-3d。

工程結構吳憲洪： 主余震下高層斜交網格筒結構地震響應分析

2" 主余震下結構地震響應分析

為研究結構在主余震下的地震響應，按照規范［5］要求，在太平洋地震研究中心選取了三條真實主余震，以對結構進行非線性動力時程分析。在構造真實主余震時，參考研究學者［2， 6］在構造真實主余震時對時間間隔的選取，主震與余震之間的時間間隔取為20 s；同時，為便于探討余震對結構的影響，將主震的峰值加速度PGA統一調幅至0.2g、0.4g、0.5g、0.6g、0.8g，同時與主震為同一地震事件、同一臺站記錄的余震按主震PGA的0、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0倍進行調幅，其中調幅系數0表示僅考慮主震。另外，在對結構的非線性動力時程分析結果進行分析時，結果取為三條地震波對應的結果的平均值。

利用Perform-3d對結構模型進行真實主余震下的非線性動力時程分析，研究主余震下結構頂點位移、層間位移角的變化規律。

2.1" 頂點位移

主余震下結構的頂點位移分析結果如圖4所示。通過對結構在主余震下的頂點位移進行對比分析，發現：當主震峰值加速度大小一定時（主余震大小為0g時，表示僅考慮主震），隨著余震相對主震的大小的增大，結構的頂點位移逐漸增大，且當余震的大小為主震的0.5倍及以上時，余震的影響較為顯著；當主震峰值加速度大小逐漸增大時，余震對頂點位移增大的程度將加大。

2.2" 層間位移角

為便于對結果進行比較分析，圖5給出了主震PGA大小分別為0.2g、0.5g和0.8g所對應的結果。對結構在主余震下的層間位移角進行比較分析，可知：當主震峰值加速度大小一定時，隨著余震相對主震的大小的增大，結構的層間位移角逐漸增大，且當余震的大小為主震的0.5倍及以上時，余震的影響較為顯著；當主震峰值加速度大小逐漸增大時，余震對層間位移角增大的程度將加大。

通過對高層斜交網格筒結構在主余震下的頂點位移及層間位移角進行比較分析，可以發現余震會增大結構的地震響應；當余震大小為主震大小的0.5倍及以上時，其對結構的影響較為顯著，且隨著余震相對主震的大小的增大而增大；主震的PGA越大，余震的影響程度也越大。

3" 結論

對高層斜交網格筒結構在主余震作用下的地震響應進行

比較分析，得到幾點主要結論：

（1）余震會增大結構的地震響應，且當余震峰值加速度PGA大小為主震的0.5倍及以上時，影響更為顯著。

（2）主余震中主震的峰值加速度PGA越大，其余震對結構地震響應的影響程度越大。

參考文獻

［1］" 李強國， 李杰， 陳素文， 等. 建筑結構抗震設計［M］. 北京： 中國建筑工業出版社， 2014.

［2］" 于曉輝， 代曠宇， 周洲， 等. 主余震序列作用下鋼筋混凝土框架結構損傷分析［J］. 建筑結構學報， 2019， 40（3）： 7.

［3］" 史慶軒， 吳超鋒， 王峰， 等. 高層斜交網格-RC核心筒結構協同受力性能研究［J］. 建筑結構， 2019， 49（3）：9.

［4］" 建筑結構荷載規范： GB50009-2012 ［S］. 北京： 中國建筑工業出版社， 2012.

［5］" 建筑抗震設計規范： GB50011-2016 ［S］. 北京： 中國建筑工業出版社， 2016.

［6］" Yu Xiaohui， Dai K， Zhou Z， et al. Damage assessment of a reinforced concrete frame structure subjected to mainshock-aftershock sequences［J］. Journal of Building Structures， 2019， 40（3）：127-133.

［7］" 韓林海. 鋼管混凝土結構［M］. 北京： 科學出版社， 2000.

［8］" Mander J， Priestley M. Theoretical Stress-Strain Model for Confined Concrete［J］. Journal of Structural Engineering，1988， 114（8）：1804-1826.

［9］" 混凝土結構設計規范： GB50011-2010 ［S］. 北京： 中國建筑工業出版社， 2010.