主余震下高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

為研究高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)在主余震作用下的地震響應(yīng)，選取三條真實(shí)主余震，分別對(duì)主余震中的主震和余震進(jìn)行調(diào)幅，利用Perform-3d對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析。分析結(jié)果表明：余震會(huì)增大結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，且當(dāng)余震峰值加速度PGA大小為主震的0.5倍及以上時(shí)，影響更為顯著；主余震中主震的PGA越大，其余震對(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響程度就越大。

高層斜交； 主余震； Perform-3d； 動(dòng)力分析； 地震響應(yīng)

TU313A

工程結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)

［定稿日期］2023-03-20

［作者簡(jiǎn)介］吳憲洪（1996—），男，在讀碩士，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)抗震。

0" 引言

地震是自然災(zāi)害中對(duì)人類生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成最大威脅的災(zāi)害之一。據(jù)統(tǒng)計(jì)，地球每年平均發(fā)生500萬(wàn)次左右的地震，且5級(jí)以上的強(qiáng)烈地震就大約有100次左右［1］。據(jù)國(guó)家地震局統(tǒng)計(jì)表明，我國(guó)將近有80%的國(guó)土面積位于地震烈度6度及以上區(qū)域；同時(shí)，除浙江、貴州兩省外，其他各省都發(fā)生過(guò)6級(jí)以上強(qiáng)震，其中18個(gè)省均發(fā)生過(guò)7級(jí)以上大震，特別是唐山大地震和汶川大地震給我國(guó)人民造成了觸目驚心的嚴(yán)重災(zāi)難，其造成的生命財(cái)產(chǎn)損失是世界性罕見(jiàn)、十分巨大的。在地震災(zāi)害中，房屋建筑的破壞與倒塌是造成人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失的主要原因之一，特別是高層建筑的破壞與倒塌所導(dǎo)致的人員傷亡、財(cái)產(chǎn)損失更大。另外，值得注意的是，結(jié)構(gòu)在地震作用下?lián)p傷或破壞后，通常在一段時(shí)間之后才能得到修復(fù)或重建，若在這一時(shí)間段內(nèi)結(jié)構(gòu)再次遭受地震，結(jié)構(gòu)的破壞程度將被加劇，甚至發(fā)生倒塌，造成更大的傷亡和損失［2］。比如，2023年 2月6日9時(shí)17分在土耳其發(fā)生了7.8級(jí)地震，當(dāng)天18時(shí)24分在土耳其再次發(fā)生了7.8級(jí)地震，這導(dǎo)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(zāi)害與應(yīng)急管理局發(fā)布消息稱，2月6日發(fā)生的兩次地震已造成44 218人死亡，北塞浦路斯排球隊(duì)的16名運(yùn)動(dòng)員全部遇難?？梢?jiàn)，地震發(fā)生之后的余震會(huì)加劇結(jié)構(gòu)的破壞程度，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)倒塌，造成更大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失，故研究結(jié)構(gòu)在主余震下的地震響應(yīng)以抵御或減輕地震災(zāi)害具有重要意義。

隨著社會(huì)的發(fā)展，高層建筑愈受青睞，但同時(shí)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(zāi)害，需采取合理的抗震措施、方法，其中，進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系的創(chuàng)新以適應(yīng)高層建筑的發(fā)展要求是有效方法之一。近年來(lái)，高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)逐漸受到建筑師的重視，其作為一種新型高層及超高層結(jié)構(gòu)體系，具有側(cè)向剛度大、設(shè)計(jì)靈活、建筑美觀等優(yōu)點(diǎn)，有著可觀的應(yīng)用前景［3］。然而，高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)作為一種新型結(jié)構(gòu)，其相關(guān)理論研究目前還處于初級(jí)階段，同時(shí)現(xiàn)行的抗震規(guī)范在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中往往考慮一次地震，未重點(diǎn)考慮余震對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的不利影響。截至目前，關(guān)于高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)抗震性能的研究主要考慮的是一次主震，而對(duì)其在主余震作用下的抗震性能研究尚未見(jiàn)報(bào)道，故有必要對(duì)高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)進(jìn)行主余震作用下的地震響應(yīng)進(jìn)行研究，這對(duì)其提出合理的抗震設(shè)計(jì)理論和實(shí)際工程結(jié)構(gòu)加固具有重要的意義。

1" 模型建立

1.1" 基本參數(shù)

參考廣州西塔，高層建筑斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)模型采用筒中筒結(jié)構(gòu)，內(nèi)筒由鋼筋混凝土剪力墻和鋼筋混凝土連梁構(gòu)成，外筒由鋼管混凝土斜柱和鋼環(huán)梁構(gòu)成，圖1～圖3分別給出了結(jié)構(gòu)平、立面布置及三維示意。環(huán)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(qiáng)度等級(jí)采用C60；樓板厚度和采用的混凝土強(qiáng)度等級(jí)分別為120 mm、C30，采用剛性樓板假定，參考荷載規(guī)范［4］，樓面恒荷載取4 kN/m2、活荷載取2 kN/m2；根據(jù)抗震規(guī)范［5］，結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)防類別為丙類，設(shè)防烈度8度（0.2g），設(shè)計(jì)地震分組為第二組，場(chǎng)地類別為類，特征周期為0.4 s；基本風(fēng)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(yàn)證

采用PKPM對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)以及合理性驗(yàn)證，使結(jié)構(gòu)模型的構(gòu)件尺寸滿足強(qiáng)度和穩(wěn)定性的要求，整體結(jié)構(gòu)滿足控制指標(biāo)。整體結(jié)構(gòu)模型的控制指標(biāo)與規(guī)范限值對(duì)比情況見(jiàn)表1。由表1可知，結(jié)構(gòu)模型的控制指標(biāo)滿足規(guī)范要求，可對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

運(yùn)用Perform-3d建立結(jié)構(gòu)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(yīng)變硬化的三折線彈塑性模型，硬化系數(shù)（即鋼材屈服后的剛度強(qiáng)化系數(shù)）取為0.01，考慮拉壓對(duì)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(qū)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(qū)采用規(guī)范［9］中的本構(gòu)關(guān)系。對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，并于PKPM的結(jié)果進(jìn)行比較以驗(yàn)證有限元模型的合理性。通過(guò)表2可以發(fā)現(xiàn)Perform-3D與PKPM的模態(tài)分析計(jì)算結(jié)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(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析。

注：（1） 代表PKPM；（2） 代表Perform-3d。

工程結(jié)構(gòu)吳憲洪： 主余震下高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

2" 主余震下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

為研究結(jié)構(gòu)在主余震下的地震響應(yīng)，按照規(guī)范［5］要求，在太平洋地震研究中心選取了三條真實(shí)主余震，以對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行非線性動(dòng)力時(shí)程分析。在構(gòu)造真實(shí)主余震時(shí)，參考研究學(xué)者［2， 6］在構(gòu)造真實(shí)主余震時(shí)對(duì)時(shí)間間隔的選取，主震與余震之間的時(shí)間間隔取為20 s；同時(shí)，為便于探討余震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，將主震的峰值加速度PGA統(tǒng)一調(diào)幅至0.2g、0.4g、0.5g、0.6g、0.8g，同時(shí)與主震為同一地震事件、同一臺(tái)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(jìn)行調(diào)幅，其中調(diào)幅系數(shù)0表示僅考慮主震。另外，在對(duì)結(jié)構(gòu)的非線性動(dòng)力時(shí)程分析結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，結(jié)果取為三條地震波對(duì)應(yīng)的結(jié)果的平均值。

利用Perform-3d對(duì)結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行真實(shí)主余震下的非線性動(dòng)力時(shí)程分析，研究主余震下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移、層間位移角的變化規(guī)律。

2.1" 頂點(diǎn)位移

主余震下結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移分析結(jié)果如圖4所示。通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)在主余震下的頂點(diǎn)位移進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)：當(dāng)主震峰值加速度大小一定時(shí)（主余震大小為0g時(shí)，表示僅考慮主震），隨著余震相對(duì)主震的大小的增大，結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)位移逐漸增大，且當(dāng)余震的大小為主震的0.5倍及以上時(shí)，余震的影響較為顯著；當(dāng)主震峰值加速度大小逐漸增大時(shí)，余震對(duì)頂點(diǎn)位移增大的程度將加大。

2.2" 層間位移角

為便于對(duì)結(jié)果進(jìn)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(duì)應(yīng)的結(jié)果。對(duì)結(jié)構(gòu)在主余震下的層間位移角進(jìn)行比較分析，可知：當(dāng)主震峰值加速度大小一定時(shí)，隨著余震相對(duì)主震的大小的增大，結(jié)構(gòu)的層間位移角逐漸增大，且當(dāng)余震的大小為主震的0.5倍及以上時(shí)，余震的影響較為顯著；當(dāng)主震峰值加速度大小逐漸增大時(shí)，余震對(duì)層間位移角增大的程度將加大。

通過(guò)對(duì)高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)在主余震下的頂點(diǎn)位移及層間位移角進(jìn)行比較分析，可以發(fā)現(xiàn)余震會(huì)增大結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)；當(dāng)余震大小為主震大小的0.5倍及以上時(shí)，其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較為顯著，且隨著余震相對(duì)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(jié)論

對(duì)高層斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)在主余震作用下的地震響應(yīng)進(jìn)行

比較分析，得到幾點(diǎn)主要結(jié)論：

（1）余震會(huì)增大結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，且當(dāng)余震峰值加速度PGA大小為主震的0.5倍及以上時(shí)，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(duì)結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響程度越大。

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