高層建筑結(jié)構(gòu)輸入地震動問題探析

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1、高層建筑結(jié)構(gòu)輸入地震動問題探析　　摘要：本文主要對層狀場域內(nèi)高層建筑的地震動輸入問題，針對目前普遍采用的將地基、基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)整體建模進(jìn)行地震響應(yīng)分析的整體法，提出了其合理的輸入地震動的選取方法，并結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范，為某實際工程進(jìn)行地震響應(yīng)分析的輸入地震動進(jìn)行了選取。關(guān)鍵詞：高層建筑結(jié)構(gòu)；地震響應(yīng)分析；輸入地震動；地基、基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)整體模型中圖分類號：TU311；TU318文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A0前言對高層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)分析是研究高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的重要手段，合理選擇用來進(jìn)行時程分析的地震波對分析本身來說是至關(guān)重要

2、的。目前普遍采用有地基的整體有限元模型，在地基底部輸入地震動時程，地基取有限的區(qū)域與基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)組成一個整體計算模型，在計算結(jié)構(gòu)地震動力反應(yīng)時考慮基礎(chǔ)與地基的影響，如圖1所示。本文結(jié)合現(xiàn)行規(guī)范要求，對如何選取整體有限元模型的地震動輸入進(jìn)行了探討，提出的選取方法供實際工程參考。圖1整體有限元模型的地震動輸入1地面地震動時程的選取6現(xiàn)行規(guī)范要求：進(jìn)行時程分析時應(yīng)選用不少于兩條的實際地震記錄和一條人工地震記錄。1.1實際地震記錄所謂實際地震記錄就是把一些著名的強(qiáng)震記錄作為輸入波，如El-Centro記錄,Taft記錄

3、,Olympia記錄等。傳統(tǒng)選擇實際地震的地面記錄做法是:1、選擇建筑物所在場地鄰近地點的實際地震動記錄，但這種機(jī)會極少；2、選擇國內(nèi)外同類場地上的地震記錄。但是，隨著對地震波三要素(最大峰值、頻譜特性、持續(xù)時間)的深入理解，在選擇國內(nèi)外同類場地上的地震記錄時，應(yīng)采用比例法調(diào)整加速度幅值和時間尺度，修正頻譜,以適應(yīng)實際場地的抗震要求。1.2人工地震記錄人工合成地面地震動時程的數(shù)值方法主要分為三角級數(shù)法，隨機(jī)脈沖法和自回歸法。其中三角級數(shù)法是把地震看成不同頻率的具有隨機(jī)相位角的三角級數(shù)的迭加,采用快速傅里葉變換(F

4、FT)技術(shù),生成擬合反應(yīng)譜的人工地震波，它不僅能滿足地震波三要素,而且與現(xiàn)行的反應(yīng)譜法相銜接,更為方便的是可以通過改變初相角的初值模擬地震的隨機(jī)性，因此具有一定的優(yōu)越性而被廣泛采用。6圖2人工生成地震波的程序流程圖三角級數(shù)模型的余弦函數(shù)可設(shè)為[1]:式中:與分別為第個傅里葉分量的頻率和振幅,為初相位角,取間均勻分布的隨機(jī)數(shù)。為了產(chǎn)生一組與給出標(biāo)準(zhǔn)譜擬合的地面加速度過程,常用一個包絡(luò)函數(shù)乘以平穩(wěn)過程,得到一個非平穩(wěn)過程。即為所用的人工地震波三角級數(shù)模型。本文在采用數(shù)值法進(jìn)行人工合成地震波時，先將反應(yīng)譜轉(zhuǎn)換為功率譜，

5、以功率譜為目標(biāo)，利用三角級數(shù)法合成地面地震動時程，并編寫了相關(guān)的計算程序，程序流程圖如圖2所示。2地面地震動時程向地層深處的反演圖3地面地震動時程反演至地層深處的程序流程圖采用具有線性滯回阻尼的成層土頻域本構(gòu)模型[2]，在頻域內(nèi)將地面地震動時程反演至地層深處[3]，編寫了相應(yīng)的計算程序，程序流程圖如圖3所示?？紤]到反演在頻域內(nèi)進(jìn)行，而線性滯回阻尼比的使用具有頻率范圍，因此地震波應(yīng)在滿足工程要求下選取一定的頻率范圍，先根據(jù)需要進(jìn)行濾波處理，然后再進(jìn)行反演，否則將引起較大誤差。6通過該計算程序?qū)⑦x取的地面地震動時程反

6、演至模型實際的地震動輸入處，以反演得到的地震記錄作為整體有限元模型進(jìn)行時程分析的地震動輸入將更為合理。下面結(jié)合工程實例對本文提出的選波方法進(jìn)行系統(tǒng)闡述。3實例以某高層建筑為實際工程背景，該建筑建于深厚的沉積土層上，高128m，為框筒結(jié)構(gòu)，由于樁基礎(chǔ)很深，其整體模型地基取到了地面以下150m深，實際地質(zhì)資料見表1，本文按照前述的選波方法，為其進(jìn)行整體模型的地震響應(yīng)分析選取一條實際地震記錄和一條人工地震記錄，3.1實際地震記錄的選取該工程所處的地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，坐落在Ⅱ類場地上，因此水平方向地震記錄選用位于Ⅱ類

7、場地的Taft波水平實際地震記錄，取前20秒，如圖4所示。再將Taft波進(jìn)行調(diào)幅處理以滿足實際工程需要，調(diào)幅結(jié)果如圖5所示。最后利用本文所編制的反演程序?qū)⒄{(diào)幅后的Taft波從地面反演至地層150米深處，以其作為時程分析的地震動輸入。反演結(jié)果如圖6所示。表1大廈150米深度范圍內(nèi)土層力學(xué)模型參數(shù)圖4Taft波水平向地震記錄圖5調(diào)幅后的Taft波水平向地震記錄6圖6地層150米深處加速度時程3.2人工地震記錄的選取根據(jù)工程背景資料和國家標(biāo)準(zhǔn)，采用本文所編制的人工合成地震波程序，生成了該工程所建地區(qū)的多遇地震的水平加速

8、度時程，如圖7所示，人工生成地震波加速度反應(yīng)譜與目標(biāo)譜的擬合曲線，如圖8所示。相應(yīng)的地震動參數(shù)取值如下：該地區(qū)處于抗震設(shè)防烈度8度區(qū)，地面的地震動加速度峰值為0.7，Ⅱ類場地類型，特征周期取=0.35。最后利用本文所編制的反演程序?qū)⑸傻娜斯げ◤牡孛娣囱葜恋貙?50米深處，以其作為時程分析的地震動輸入。反演結(jié)果如圖9所示。圖7人工生成地震波圖8人工生成地震波加速度反應(yīng)譜與