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复杂高层结构非线性抗震性能分析刍议

2019-01-14陈旭元

科技资讯 2019年31期

陈旭元

摘  要:为满足各地城市化建设快速发展及民众日渐提升的审美需要,复杂高层结构建筑在我国各地大量涌现,这类结构建筑的抗震性能也日渐成为建筑业关注互动的焦点。基于此,该文将围绕复杂高层结构非线性抗震性能开展研究,研究采用正交化HHT法,并主要围绕2条长周期地震波开展比对分析,以此明确研究对象复杂高层结构建筑的非线性抗震性能。结合分析可发现,结构响应在长周期地震波作用下变得更为明显,加速度响应的明显程度低于位移响应。

关键词:复杂高层结构  非线性动力反应  长周期地震动

中图分类号:TU973   文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2019)11(a)-0035-02

受到场地条件、震中距、震源等因素的影响,地震动特性往往较为复杂,包含丰富长周期成分的软土场地地震地面运动很容易破坏建筑结构。结合实际调研可以发现,现阶段我国复杂高层结构建筑在长周期地震动方面存在一定不足,其抗震性能往往会因此受到较为负面影响,并最终威胁建筑的使用安全,为弥补这类不足,正是该文围绕复杂高层结构非线性抗震性能开展具体研究的原因所在。

1  理论与方法选择

1.1 OHHT原理

2  地震波的选取与频谱特性分析

为提升研究的价值,选用两条代表性较高的典型长周期信息地震波进行研究,两条地震波分别源于发生于1985年的墨西哥8.1级地震与发生于1999年的中国台湾7.6级集地震,对比参考选用2条常用的普通地震波,Taft-EW即波与EL-Centro-Ns波。高层结构的响应在很大程度上受到地震记录的频谱分布影响,这种影响可基于反应谱实现直观展示,因此研究需首先求得地震波对应的反应谱。基于求得的地震波反应谱进行分析可发现,普通基岩地震波与长周期基岩地震波存在显著区别。在周期大于1s后,相较于2条普通地震波,2条长周期地震波的谱值明显偏大,且存在明显的长周期特征,这就使得高层结构在较长自振周期影响下存在更为明显的表现[2]。

围绕长周期地震波开展时-频分布分析,采用正交化HHT方法,由此可求得Hilbert谱,进行Hilbert谱的对比可以发现,相较于普通基岩地震波,在时-频分布上,长周期地震波存在显著特点,即低频段属于其能量的主要聚集处,且分布集中程度较大,基本不存在5Hz以上的成分。相反,较为丰富的能量频率使得普通地震波在0~15Hz均存在较大分布。在时域分布上,长周期地震波的作用时间较长且能量分散显著,60s之后为低频成分主要构成,普通基岩地震波的作用时间较短且能量较集中,30s以后基本分布为零。

3  模型的建立与非线性地震反应分析

3.1 建立模型

以某地复杂高层建筑作为研究对象,以此开展地震反应分析,研究对象建筑采用4m层高的框架,上部结构为巨型钢框架结构体系,共21层,跨度为5.4m,每边9跨,拥有48.6m×48.6m的平面尺寸布置。工程采用钢材横梁、钢筋混凝土柱子、混凝土基础承台,以及钢材料的斜撑、弦杆、腹杆。钢框架加外围支撑属于建筑主体结构刑事,属于典型的竖向刚度与平面均不规则的复杂高层结构。

研究用有限元数值模型的建立采用软件ANSYS14.0,BEAM188單元负责梁、柱模拟,SHELL63单元用于楼板模拟,由此即可得到ANSYS有限元数值模型示意图。在进行动力分析前,需首先开展模态分析,结合同类研究,该文围绕有限元数值模型开展的分析采用分块兰索斯法进行,这是由于该方法具备精度较好且效率较高优势所致。结合分析结果,可确定研究对象复杂高层建筑的第1阶自振频率,即0.58Hz,可见其自振周期较长。

3.2 非线性地震反应分析

结合《建筑抗震设计规范》(GB 50011-2010)要求,在7度多遇/罕遇地震情况下,分别输入35cm/S2与220cm/S2的地震加速度激励幅值,由此即可基于软件求得研究对象复杂高层建筑的结构加速度峰值放大系数、层间位移角包络图、位移包络图[3]。开展深入分析可以发现,相较于普通地震波作用结果,上半部分各层加速度峰值放大系数在长周期地震波作用均较大,且这种趋势存在随楼层升高而上升的趋势。进一步分析可发现,高层结构楼层的层间位移角与最大位移的随楼层升高变化趋势并不会受到地震波激励的不同影响。对比普通地震波,高层结构响应受到的长周期地震影响更大。高层结构位移和加速度在不同地震波下存在不同的响应敏感度,长周期地震波带来的位移响应较为敏感。

为更深入了解响应的时-频特征,采用正交化HHT方法对高层结构在两类地震波作用下的加速度反应为进行分析,通过时-频分布分析,可发现不同地震波在高层结构中存在不同的过滤作用,过滤作用在长周期地震波中的表现更为明显,存在更为集中的顶层响应能力分布,分布以低频部分为主;普通高层结构地震波则存在较为分散的顶层反应能量分布,可见长周期地震波作用下非线性程度更为剧烈,存在更强的滞回耗能能力,复杂高层建筑结构的刚度降低也因此变得更加明显,抗震能力受到的影响必须得到重视。

4  结语

综上所述,长周期地震波对复杂高层结构非线性抗震性能带来的负面影响更为显著。在此基础上,该文涉及的OHHT原理、结构弹塑性本构模型选取、时程分析方法方程、非线性地震反应分析等内容,则直观展示了复杂高层结构非线性抗震性能受到的长周期地震波影响。因此,在复杂高层结构的抗震设计中,长周期地震波带来的影响必须在设计中得到重点体现。

参考文献

[1] 程洁.复杂超限高层建筑结构的性能化设计探讨[J].建筑技术开发,2019,46(9):22-24.

[2] 杨小微,李晓雷.国家(威海)创新中心2#楼复杂高层结构抗震设计[J].建筑结构,2019,49(S1):370-373.

[3] 周颖,吕西林.立面开大洞复杂高层结构的整体抗震性能评价[J].地震工程与工程振动,2008(1):56-63.