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超高层建筑校验远场长周期地震动研究

刘烁宇  
【摘要】:震害观测和分析表明,盆场地效应会对俯冲带地震以及大型板壳地震产生放大效应,使得即便是离震源较远的场地也可能形成对超高层结构破坏性较强的远场长周期地震动。由于远场长周期地震动孕震机制的特殊性,传统的地震危险性分析方法,无论在衰减规律还是在潜源划分上,都不具备准确预测远场长周期地震动的能力。远场长周期地震动不同于地震动反应谱的长周期特性,用提高设计反应谱长周期段谱值的办法不能解决长周期地震动输入问题,相反会带来不同结构抗震设防水准的非一致性等诸多问题。对于国内易产生远场长周期地震动的地区内的超高层结构,除了按照现行规范进行设计之外,补充专门针对远场长周期地震动的结构分析验算是较为可行的策略。而对远场长周期地震动潜在危险区域进行超高层建筑补充验算是一项涉及面较广的系统工程,需要在远场长周期地震动的判别、特性、校验输入、结构验算等方面进行研究。本文主要的工作内容和取得的创新性成果可归纳为以下4个方面:(1)远场长周期地震动判别方法研究建立了考虑面波频散特性和尾波卓越性的远场长周期地震动判别准则。本文主要利用了远场长周期地震动显著的面波频散特征,并统计分析了现有典型远场长周期地震动的卓越周期以及由面波主导的尾波段对速度反应谱峰值贡献度,得到了定量的远场长周期地震动判别准则,可对远场长周期地震动进行界定。同时,该判别准则能较好的辨别出符合远场长周期地震动形成机理的远场长周期地震动记录,可为研究地震动特性与形成实际地震动输入波库提供筛选实际远场长周期记录的依据。(2)远场长周期地震动中控制结构响应的脉冲族特性研究提出频率一致脉冲族应作为远场长周期地震动控制地面运动特征的主要参数。提出了基于小波变换的依频率的脉冲族提取方法(wavelet-based successive frequency-dependent pulses extraction,WSFPE)提取出了远场长周期地震动中的频率一致脉冲族。利用所提取的脉冲族分析了远场长周期地震动非平稳特性以及脉冲族与结构弹性及弹塑性响应峰值之间的相关性。发现远场长周期地震动中脉冲族与结构的瞬时共振是产生结构响应峰值的主要原因。远场长周期地震动作用下超高层结构是否出现响应峰值时滞效应取决于地震波末尾段脉冲族的频率特性和卓越性。(3)校验远场长周期地震动确定方法提出了将大震级远场地震危险性分析与盆地放大延时效应相结合的确定超高层建筑校验远场长周期地震动的方法。其中,大震级远场地震危险性分析仅考虑安评范围以外的大型潜在震源的影响,其所采用的衰减关系为国内的水平向基岩加速度反应谱衰减关系,盆地放大延时效应系数主要来源于对日本各大沉积盆地内台站地震动记录数据的统计分析结果。该方法综合考虑了震级、震中距、盆地效应和工程场地的影响,是一种人工模拟盆地场地远场长周期地震动的方法,可用于国内工程设计时校验远场长周期地震动加速度反应谱及其时程的确定。(4)远场长周期地震动作用下的超高层建筑响应特性研究基于本文给出的校验远场长周期地震动确定方法,分析了国内超高层建筑在远场长周期地震动作用下的结构与非结构响应特性。以西安市区(8度0.2g区,2类场地,第1组)为例,借鉴实际结构,设计出该场地上基本周期为6秒的超高层钢结构模型,并进行了该模型在远场长周期地震动与规范设计地震动作用下的弹性响应、弹塑性响应、非结构构件响应,以及居住者不安度等的对比分析。从超高层建筑的校验远场长周期地震动验算结果可知,超高层建筑主要应通过提高结构耗能能力和控制非结构响应来应对远场长周期地震动。


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