高层框架结构长周期地震反应分析

第27卷第1期2011年2月结构工程师StructuralEngineersVol．27，No．1Feb．2011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:[e-mail]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AnalysisonLong-PeriodSeismicResponsesforHigh-RiseFrameStructuresWUQiong*CHENQingjun(StateKeyLaboratoryofDisasterReductioninCivilEngineering，TongjiUniversity，Shanghai200092，China)AbstractAtpresent，becauseoflackofreliablelong-periodseismicgroundmotionrecords，theresearchonthelong-periodgroundmotioncannotbewelldeveloped．Thereforetherearenotenoughresearchprojectsaboutseismicresponsesforhigh-risestructuressubjectedtolong-periodgroundmotion．BasedonSheratonUniversalHotel，a20-storeyreinforcedconcreteframestructure，thispapersetsupathreedimensionsanalysismodelandusesNR24464-wavemeasuredinsideSheratonasgroundmotionexcitationtoanalyzetheseismicresponsesofthishigh-riseframestructure．Meanwhile，TCU115-waveofChi-chiEarthquake，Taiwan，1999andHKD054-waveofTokachi-okiEarthquake，Japan，2003areusedaslong-periodseismicexcitationsandNR24464isusedasgeneralseismicexcitation．Thepapergetshigh-riseframestructureseismicresponseswithtwodifferentkindofgroundmotionexcitations．Accordingtothecomparisonofinternalforceresponses，displacementresponsesandaccelerationresponsesoftwodifferentkindofearthquakes，thepaperconcludesthecharacteristicsofseismicresponsesofhigh-risereinforcedconcreteframestructuressubjectedtolong-periodgroundmotion．Keywordshigh-risereinforcedconcreteframestructure，longperiodseismicwave，spectrumcharacteristicsanalysis，comparisonofdifferentkindofseismicresponses1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270km的新泻市13个晃动周期在10s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400km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］。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18km。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°;②HKD054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27km。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地震波汇总表Table1Recordofseismicwaves项目地震波时间震级记录峰值加速度/gal记录时间/sNR24464波1994－1－176．7－303．4859．98TCU115波1999－9－217．6115．25115．25HKD054波2003－9－258．053．97212．99图1地震波加速度时程曲线Fig．1Accelerationtime-historycurvesofseismicwaves2．2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0．58s;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1．20s。(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)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1s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．2Standardaccelerationresponsespectrums(ζ=5%)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·97··抗震与抗风·结构工程师第27卷第1期换(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1～3Hz，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0．2～0．4Hz，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Fig．3Fourieramplitudespectrums3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CSMIPStationNo．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59．1m，其平面尺寸长56m、宽17．7m。结构平面布置图如图4所示。图4标准层平面图Fig．4Planviewofstandardfloor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304．8mm的钢筋混凝土剪力墙结构。典型框架横向柱距约为5．8m，纵向柱距为4m，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114mm厚，过道为152mm厚。而一、二层的楼面则变为127mm厚。柱的截面尺寸分别为559mm×559mm(2层以下)，508mm×508mm(2～11层)，305mm×508mm(12～16层)，305mm×457mm(16层以上)。横向梁的截面尺寸为305mm×457mm，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406mm×305mm，两端边梁截面尺寸为508mm×305mm。室内主要采用石膏墙板与石膏空心板作为轻·08·StructuralEngineersVol．27，No．1EarthquakeandWindResistance隔墙。在纵、横两个方向上隔墙与结构采用了不同的连接方式，其中纵向的石膏板隔墙的四边直接固定于结构上。从抗震角度考虑，横向隔墙与结构之间设置10mm宽的变形缝，采用氯丁橡胶作为变形缝的填充料。结构的东西两端山墙均采用102mm厚的预制混凝土墙板，墙板与结构的连接处设置了10mm的变形缝，允许框架结构发生侧向位移。结构的南北外墙在柱间全部设置了幕墙玻璃。该结构主要采用轻质混凝土材料，仅在一层楼面以下采用的是普通混凝土。结构的材料特性参见表2。表2混凝土材料特性Table2Theparametersofconcrete位置单位重量弹性模量(lbs/ft3)(lbs/in2)地下室至1层所有混凝土1503．3×1061～10层的柱1102．4×10610层至屋顶的柱1102．1×1061层至屋顶的梁和楼板1102．1×106按ANSYS建模时，梁、柱采用Beam4单元，楼面板采用Shell63单元，建立的三维有限元模型如图5所示。计算中阻尼采用瑞利阻尼，同时将钢筋混凝土视为均质材料进行等效处理。图5喜来登三维有限元模型Fig．53DstructuralmodelofSheraton3．2结构动力特性分析所建模型规模:9860个单元，5380个节点，总自由度数为32280。为了计算结构的动力特性，利用ANSYS的模态分析功能，计算分析时采用分块兰索斯法，提取前15阶模态，计算得到的结构前15阶自振周期如表3所示，前两阶振型图如图6和图7所示。结构的第1阶