高层框架结构长周期地震反应分析

Analysis on Long-Period Seismic Responses for High-Rise Frame Structures
WU Qiong* CHEN Qingjun
( State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China)
1引言
近年来，自振周期较长的结构在长周期地震 动作用下遭受破坏的事例时有发生，引起了人们 的广泛关注。如 1983 年日本海中部 7． 7 级地震，
使得远离震中约 270 km 的新泻市 13 个晃动周期 在 10 s 左右的油罐发生溢流和灌顶附属物损坏; 1985 年墨西哥 8． 1 级地震，使得离震中约 400 km 的墨西 哥 城 内 的 高 层 建 筑 发 生 严 重 损 坏。2003 年日本的十胜冲地震时，远离震中的苫小牧地区 储油罐发生严重溢流并引发一场大火灾［1］。
收稿日期: 2010 － 10 － 17 基金项目: 国家自然科学基金资助项目( 50978198) * 联系作者，Email: binzhixinhui@ 163． com
·抗震与抗风·
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结构工程师第 27 卷第 1 期
鉴于目前人们对高层框架结构的长周期地震 反应研究尚不足，且长周期的高层框架结构对长 周期地震动的反应又较大，本文选取两条长周期 地震波: 台湾集集 TCU115EW 地震波( 下文中简 称 TCU115 波) 和十胜冲 HKD054EW 地震波( 下 文中简称 HKD054 波) ，结合美国喜来登酒店高 层钢筋混凝土框架结构的模型进行了地震反应分 析的比较研究。为更好地了解长周期地震波对结 构的响应，本文取喜来登酒店经历的实测地震波 NR24464 波( 经频谱特性分析，判断为普通波) 作 为地震输入，将计算结构响应与实测结构响应做 比较。最后对比三条地震波下结构的不同响应， 从而得到长周期地震动作用下高层钢筋混凝土框 架结构的反应特征。
2． 3 傅里叶幅值谱比较 傅里叶谱可以从两个不同的角度全面描述一
个地震动过程的频谱特性［4］，包含了各频谱分量 的振幅和相位分布信息。本文采用快速傅里叶变
Structural Engineers Vol． 27，No． 1
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Earthquake and Wind Resistance
换( FFT) 方法求出了三条地震波的傅里叶幅值 谱，如图 3 所示。对比分析可知，NR24464 波的高 频成 分 比 较 丰 富，主 要 分 布 在 1 ～ 3 Hz，而 TCU115 波和 HKD054 波则是低频成分比较丰富。 后两条地震波的幅值主要分布在 0． 2 ～ 0． 4 Hz，
对比图 2 中三条反应谱，可知对于 NR2446 波而言，短周期的加速度反应谱值明显大于长周 期部分，在大于 1 s 的较长周期部分，NR2446 反 应谱的值下降明显; 而对于 TCU115 和 HKD054
两条地震波，长周期部分的加速度反应谱大于短 周期部分。
图 2 地震波标准加速度反应谱( ζ = 5% ) Fig． 2 Standard acceleration response spectrums ( ζ = 5% )
第 27 卷第 1 期 2011 年 2 月
结构工程师 Structural Engineers
Vol． 27，No． 1 Feb． 2011
高层框架结构长周期地震反应分析
吴 琼* 陈清军
( 同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092)
摘 要 由于缺乏可靠的长周期地震动记录，目前国内外对长周期地震动的研究尚不成熟，对长周期地震 动作用下高层建筑结构的地震反应研究也较少。以美国喜来登酒店 20 层钢筋混凝土框架结构为背景，建 立三维有限元分析模型，并以该结构底部的实测地震波 NR24464 作为输入，进行了高层框架结构的地震反 应分析。在此基础上，分别从 1999 年我国台湾省集集地震中选取长周期 TCU115 地震波和 2003 年日本十 胜冲地震中选取长周期 HKD054 波作为输入，对该高层框架结构进行了长周期地震反应分析，并同 NR24464 地震波作用下的反应结果做了比较。通过对不同类型地震波作用下的结构内力反应、位移反应 和加速度反应结果的比较研究，探讨了高层钢筋混凝土框架结构的长周期地震反应特征。 关键词 高层钢筋混凝土框架结构，长周期地震波，频谱特性分析，不同类型地震波反应结果比较
频带分布集中在相对较低的频率部分。鉴于频率 与周期成反比，NR24464 波短周期成分比较多， 而 TCU115 和 HKD054 的 长 周 期 成 分 多。这 与 2． 2节三条地震波的加速度反应谱分析结果是相 一致的。
图 3 傅里叶幅值谱 Fห้องสมุดไป่ตู้g． 3 Fourier amplitude spectrums
图 4 标准层平面图 Fig． 4 Plan view of standard floor
结构在纵、横两个方向上主要采用了钢筋混 凝土框架结构体系作为抗侧力单元，框架结构设 计为延性框架，只在地下室西侧采用 304． 8 mm 的钢筋混凝土剪力墙结构。典型框架横向柱距约 为 5． 8 m，纵向柱距为 4 m，并且在每个方向上都 由梁相互连接。楼面系统由两种钢筋混凝土平板 构成，其中，客房间的楼板为 114 mm 厚，过道为 152 mm 厚。而 一、二 层 的 楼 面 则 变 为 127 mm
厚。柱的截面尺寸分别为 559 mm × 559 mm( 2 层 以下) ，508 mm × 508 mm( 2 ～ 11 层) ，305 mm × 508 mm( 12 ～ 16 层) ，305 mm × 457 mm( 16 层以 上) 。横向梁的截面尺寸为 305 mm × 457 mm，纵 向梁按照位置不同基本上采用了两种截面形式， 一般 情 况 是 中 间 梁 截 面 尺 寸 为 406 mm × 305 mm，两端边梁截面尺寸为 508 mm × 305 mm。
震级
6． 7 7． 6 8． 0
记录峰值 记录时间
加速度 / gal
/s
－ 303． 48 115． 25 53． 97
59． 98 115． 25 212． 99
图 1 地震波加速度时程曲线 Fig． 1 Acceleration time-history curves of seismic waves
Abstract At present，because of lack of reliable long-period seismic ground motion records，the research on the long-period ground motion can not be well developed． Therefore there are not enough research projects about seismic responses for high-rise structures subjected to long-period ground motion． Based on Sheraton Universal Hotel，a 20-storey reinforced concrete frame structure，this paper sets up a three dimensions analysis model and uses NR24464-wave measured inside Sheraton as ground motion excitation to analyze the seismic responses of this high-rise frame structure． Meanwhile，TCU115-wave of Chi-chi Earthquake，Taiwan，1999 and HKD054wave of Tokachi-oki Earthquake，Japan，2003 are used as long-period seismic excitations and NR24464 is used as general seismic excitation． The paper gets high-rise frame structure seismic responses with two different kind of ground motion excitations． According to the comparison of internal force responses，displacement responses and acceleration responses of two different kind of earthquakes，the paper concludes the characteristics of seismic responses of high-rise reinforced concrete frame structures subjected to long-period ground motion． Keywords high-rise reinforced concrete frame structure，long period seismic wave，spectrum characteristics analysis，comparison of different kind of seismic responses
2． 2 加速度反应谱比较
地震动反应谱可以反映出地震动的频谱特性 对结构地震反应的影响［3］。因此，本文将所选取 的三条地震波的标准加速度反应谱汇总在图 2。 从图 2 可知，NR24464 波的最大加速度放大系数 为 3． 07，对应的卓越周期为 0． 58 s; TCU115 波的 最大加速度放大系数为 2． 35，对应的卓越周期为 2． 24s; HKD054 波 的 最 大 加 速 度 放 大 系 数 为 2． 42，对应的卓越周期为 1． 20 s。( 此处的卓越周 期指在阻尼比 ζ = 0． 05 下加速度放大系数峰值点 所对应的周期)
年美国北岭发生的里氏 6． 7 级地震时在喜来登酒 店 24464 台站 Chanel16 记录到的地震波，震中位 置北纬 34． 215°，西经 118． 538°，震源深度 18 km。 长周期地震波: ①TCU115 波［2］是 1999 年我国台 湾省集集发生的里氏 7． 6 级地震时所记录到的地 震波，震中位置为北纬 23． 86°、东经 120． 84°; ② HKD054 波是 2003 年日本十胜冲发生的里氏 8 级地 震 时 所 记 录 到 的 地 震 波，震 中 位 置 为 北 纬 41． 8°，东经 143． 9°，震源深度 27 km。TCU115 和 HKD054 波的特点是包含丰富的长周期成分。表 1 为上述 3 条地震波的时域特征对比。图 1 为上 述 3 条地震波的加速度时程图。
表1 Table 1
地震波汇总表 Record of seismic waves
2 典型地震波的选取与频谱特性比较
2． 1 地震动记录来源 本文 选 取 普 通 地 震 波 NR24464 波，是 1994
项目 地震波
时间
NR24464 波 TCU115 波 HKD054 波
1994 － 1 － 17 1999 － 9 － 21 2003 － 9 － 25
3 高层框架结构有限元模型的建立及动 力特性分析
3． 1 高层框架模型的建立 本文所选的模型为美国喜来登酒店［5］，属于
美国加州强震观测计划的一部分，编号为 CSMIP Station No． 24464，该台阵在 1994 年美国北岭地震 中取得了非常完整的观测资料。其结构为 20 层 的钢筋混凝土延性框架结构体系，建筑物总高度 为 59． 1 m，其平面尺寸长 56 m、宽 17． 7 m。结构 平面布置图如图 4 所示。