長周期地震波對高層建筑斜交網格筒結構的動力響應研究

為了研究高層建筑斜交網格筒結構在長周期地震波下的結構動力響應。根據廣州西塔，建立共60層的斜交網格筒結構模型，分別選取了不同類型的長周期地震波即遠場類諧和地震波、近斷層脈沖型地震波各7條，和3條普通地震波做對比分析，研究了結構在7度小震、7度大震下的樓層位移、層間位移角、基底剪力、頂點位移等動力響應指標。研究結果表明：結構在遠場類諧和地震波作用下層間位移角最大，且在7度大震作用時的層間位移角超限，在近斷層脈沖型地震波作用下的層間位移角次之，在普通地震波作用下的層間位移最?。唤Y構基底剪力、頂點位移等動力響應指標大小基本都表現為遠場類諧和地震波作用大于近斷層脈沖型地震波，且都遠大于普通地震波作用。

斜交網格筒；長周期地震波；時程分析；動力響應

TU312+.1A

工程結構工程結構

［定稿日期］2023-03-17

［作者簡介］許弟兵（1998—），男，在讀碩士，研究方向為結構抗震與減災。

0" 引言

高層建筑斜交網格筒結構作為一種新型的高層建筑結構形式，其主要特點是利用斜交外筒中的斜柱以軸力的形式傳遞水平荷載與豎向荷載，因為柱的軸向剛度遠大于抗彎剛度，所以斜交網格的極限承載力大，抗側剛度大。但是，正因為其剛度太大，所以導致其延性較差。在地震荷載作用，結構的剛度大，地震的能量也會相應的增大。結構在地震作用下的動力響應研究就顯得尤為重要，正是因為高層建筑斜交網格筒結構在地震荷載下的動力研究較少，所以現在這種結構形式主要應用在抗震設防等級較低的地方［1］。

在近年來的一些大地震中，學者觀察到一類地震動頻譜成分的頻帶較寬，具有明顯的長周期和長持時特征，與一般地震動不同，這類地震動的能量集中于低頻段，易與長周期結構產生“類共振”而增大其地震響應。因此，被稱為長周期地震動。一部分學者把近斷層長周期地震動和遠場類諧和地震動統一稱為長周期地震動［2］。在已有文獻中，對于斜交網格網格筒結構的研究主要集中斜交網格筒基本概念，在立面網格布置與空間形式、結構的高寬比、斜交最優角度等方面對其抗側剛度的影響［3］；斜交網格筒結構與框架剪力墻結構的抗側剛度對比及彈塑性分析，豎向荷載作用下的外鼓效應、結構抗連續性倒塌的魯棒性的研究［4］；結構的高寬比、鋼管的型號、斜柱軸壓比、設置屈曲約束等對結構延性及抗震性能影響的研究［5］；斜交柱節點的抗震性能、塑性鉸的發展順序等方面的研究［6-7］；對長周期地震波的研究主要集中于特殊長周期地震波的參數分析［8］；長周期地震分量的分離［9］；長周期地震動對超高層框架-剪力墻結構的抗震性能分析等方面的研究［10］。上述研究的結果均表明，長周期地震動擁有低頻的地震動分量，對大跨度、高聳的長周期結構物均有不利影響［11］。對于長周期地震動作用下高層建筑斜交網格結構的動力響應的研究目前較少，由于斜交網格結構主要應用與超高層建筑中，長周期地震動對于該類型的結構作用不可忽視，所以對長周期地震波下的斜交網格筒結構的動力響應研究十分重要。

Symbol`@@

1" 模型設計

參考廣州西塔建立斜交外筒尺寸為36 m

Wingdings 2MC@ 36 m，剪力墻內筒為12 m

Wingdings 2MC@ 12 m，層高4 m，共60層的斜交網格—剪力墻筒體結構（圖1）。其中斜交網格外筒采用鋼管混凝土結構形式，環梁采用工字梁沿層布置，內筒與外筒之間采用工字梁連接，建筑總高度240 m，高寬比為6.67。根據已有文獻研究結果，設置斜柱與水平角度為69°，相當于每6層設置一個“X”的網格結構。樓板厚度均采用150 mm，混凝土采用C30，剪力墻厚度從上到下分別為400 mm、500 mm、600 mm，鋼管混凝土斜柱從上到下分別采用的鋼管型號為1200

Wingdings 2MC@ 30 mm、1100

Wingdings 2MC@ 30 mm、1000

Wingdings 2MC@ 30 mm 、900

Wingdings 2MC@ 30 mm、800

Wingdings 2MC@ 30 mm。

根據GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》規定的地震影響系數，選擇設計參數為：地震分組第二組，場地類別Ⅱ類場地，地震設防烈度7度（0.1g），場地特征周期Tg為0.40 s?？拐鹪O防分類丙類，結構安全等級二級，結構的阻尼比為0.04（混合結構）。對該結構進行模態分析計算，結果見表1。

2" 地震波的選取

根據現有文獻研究結果，長周期地震動可以大致遠場類諧和地震動與近斷層脈沖型地震動兩類。遠場類諧和地震動的地震波持時較長、具有豐富的長周期成分，近斷層脈沖型地震動的地震波具有明顯的速度脈沖的特點，選取遠場類諧和地震波、近斷層脈沖型地震波各7條，并選取3條普通地震波作為對比（這些地震波動來自美國太平洋地震工程研究中心數據庫），具體信息見表2。

分別在這三類地震動中各選取一條地震動的加速度時程曲線（圖2）。由加速度時程可以明顯看出這三類地震動有著明顯的不同，遠場類諧和地震波與近斷層脈沖型地震波的持續時間較長，遠場類諧和地震波的峰值較小，但是，在后期有明顯的類似于諧和振動的脈沖效應，近斷層脈沖型地震波的峰值略大于遠場類諧和地震波，其速度譜有明顯的脈沖效應，普通地震波的峰值較大，但是持續時間很短。

3" 地震作用下結構的動力響應研究

3.1" 多遇地震下的層間位移與層間位移角

為了研究斜交網格筒結構在彈性階段不同地震波下的結構動力響應，將所選取的7條遠場類諧和地震波、7條近斷層脈沖型地震波和3條普通地震波的幅值根據根據GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》的規定各調幅至35 gal，對應于多遇地震，對結構的X、Y方向輸入。所得到的樓層平均層間位移與平均層間位移角見圖3。

工程結構許弟兵： 長周期地震波對高層建筑斜交網格筒結構的動力響應研究

從圖3中可以明顯看出三種地震波對結構的地震響應趨勢相似，大小有很大區別。結構在三類地震波作用下最大層間位移角所在樓層有所不同，在遠場類諧和地震波下在40層左右，近斷層脈沖型地震波下在45層左右，普通地震波作用下在50層左右，在遠場類諧和地震波作用下，結構的地震響應最大，普通地震波的作用最小。

3.2" 罕遇地震下的層間位移與層間位移角

為了研究斜交網格筒結構在彈塑性階段不同地震波下的結構動力響應，將所選取的7條遠場類諧和地震波、7條近斷層脈沖型地震波和3條普通地震波的幅值根據根據GB 50011-2010《建筑抗震設計規范》的規定各調幅至220 gal，對應于罕遇地震，對結構的X、Y方向輸入。

從圖4可以看出，結構在7度大震的各類地震波作用下的結構響應與在7度小震作用下的趨勢相同，在遠場類諧和地震波作用下的層間位移角最大，在30層結構的層間角超過了1/800（框架核心筒的層間位移限值），在普通地震波作用下的層間位移角最小，結構在近斷層脈沖型地震波作用下的層間位移角次之，但未超出限值。

3.3" 地震下結構的基底剪力值和頂點位移

從表3可以看出，多遇地震作用下，結構在遠場類諧和地震波產生的最大基底剪力平均值最大為3.13

Wingdings 2MC@ 106N，是普通地震波產生的基底剪力平均值的4.3倍，近斷層脈沖型地震波產生的最大基底剪力平均值為2.26

Wingdings 2MC@ 106N，是普通地震波產生的基底剪力平均值的3.1倍。遠場類諧和地震波下結構頂點位移最大值為31.44 mm，是普通地震波作用的10.5倍，近斷層脈沖型地震波作用下為21.62 mm，是普通地震波作用下的7.2倍。罕遇地震作用下，結構在遠場類諧和地震波的最大基底剪力平均值最大，為1.99

Wingdings 2MC@ 107N，是普通地震波作用的5.1倍，近斷層脈沖型地震波作用下為1.42

Wingdings 2MC@ 107N，是普通地震波作用的5.1倍。結構在遠場類諧和地震波的頂點位移最大，為182.1 mm，是普通地震波作用的12倍，近斷層脈沖型地震波作用下為136.0 mm，是普通地震波作用的8.9倍。

4" 結論

（1）斜交網格筒結構在遠場類諧和地震波作用下的動力響應明顯大于在普通地震波作用下的動力響應，結構在普通地震波作用下，樓層最大層間位移角滿足規范限值，但是在長周期地震波作用下，部分層間位移角超限。

（2）在同一級別地震作用下，斜交網格筒結構在遠場類諧和地震波和近斷層脈沖型地震波下的所受到的基底剪力均要大于在普通地震波下的基底剪力，在進行斜交網格結構設計時，建議考慮長周期地震波對結構的影響。

參考文獻

［1］" 張崇厚，趙豐.高層網筒結構體系的基本概念［J］.清華大學學報（自然科學版），2008（9）：1399-1403.

［2］" Kazuki Koketsu， Hiroe Miyake. A seismological overview of long-period ground motion［J］. Journal of Seismology， 2008， 12（2）：133-143.

［3］" 劉成清，廖文翔，方登甲，等.高層建筑斜交網格筒結構抗側移性能及彈塑性分析［J］.工業建筑，2020，50（11）：57-64.

［4］" Kim Y J， Jung I Y， Ju Y K， et al. Cyclic Behavior of Diagrid Nodes with H-Section Braces［J］. Journal of Structural Engineering， 2010， 136（9）：1111-1122.

［5］" 段蘇栗. 高層建筑斜交網格筒結構延性影響因素研究［D］.成都：西南交通大學，2019.

［6］" Lee J， Kong J， Kim J. Seismic Performance Evaluation of Steel Diagrid Buildings［J］. International journal of steel structures， 2018， 18（3）：1035-1047.

［7］" 劉成清，倪向勇，趙世春.高層斜交網格結構斜交柱節點抗震性能研究［J］.鐵道科學與工程學報，2015，12（3）：600-608.

［8］" 徐龍軍，胡進軍，謝禮立.特殊長周期地震動的參數特征研究［J］.地震工程與工程振動，2008，28（6）：20-27.

［9］" 楊迪雄，趙巖，李剛.近斷層地震動運動特征對長周期結構地震響應的影響分析［J］.防災減災工程學報，2007（2）：133-140.

［10］" 張俊文，吳軼，楊春，等.長周期地震波對超高層框架-核心筒結構抗震性能的影響研究［J］.建筑結構，2014，44（19）：40-45.

［11］" 李敏. 近、遠場長周期地震動作用下超高層結構抗震性能研究［D］.廣州：廣州大學，2019.