长周期地震动下超高层结构减震设计与易损性研究

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长周期地震动相较于普通地震动往往能够造成更严重的结构破坏,尤其是长周期结构的破坏。长周期地震动的场地卓越周期往往与长周期结构基本周期相近,易形成双共振,导致结构响应更为激烈,因此有必要对超高层结构在长周期地震动下的减震设计以及抗震性能评估进行深入研究。本文基于某200.5米高的框架—核心筒结构实际工程,研究不同类型长周期地震动下结构的减震设计,并从构件和结构整体的角度分析减震结构的抗震性能,主要研究内容和结论如下:(1)选取信息可靠的远场长周期地震动、近场脉冲型长周期地震动以及近场无脉冲型长周期地震动数据各7条并对比了三类长周期地震动的频谱特性。(2)分别基于刚度、位移、剪力的原则设计了三个减震方案,并采用Perform-3D完成三种类型长周期地震动下的动力时程分析,通过层间位移角、基底剪力、倾覆弯矩及构件耗能等抗震宏观指标对比不同方案的减震效率。结果表明,三个减震结构中粘滞阻尼器均能起到耗能减震的作用,且罕遇地震下的减震效果总体上略小于多遇地震。对于类似本工程的框架—核心筒结构,将粘滞阻尼器布置于层间位移角较大的楼层能够实现减震最大化并减小构件截面、降低造价,布置于刚度突变楼层也有较好的控制效果。(3)以减震结构为研究对象,对主要构件进行性能水准划分和截面复核,进一步探讨不同类型长周期地震动下的构件损伤情况。结果表明,减震结构总体上能够满足规范性能水准要求,主要构件在三种不用类型地震动作用下的破坏程度由大到小排序均为:远场>近场脉冲型>近场无脉冲型。(4)通过基于增量动力方法(Incremental Dynamic Analysis,IDA)的地震易损性分析判定减震结构进入不同破坏状态的概率,从而对结构整体的抗震性能及抗倒塌性能进行评估。结果表明,结构需求的超越概率总体上由大到小排序为:远场>近场脉冲型>近场无脉冲型。但当峰值加速度(Peak Ground Acceleration,PGA)小于0.4g时,在不严重破坏水准下结构超越概率呈现出近场脉冲型>远场的趋势,因此在评价长周期地震动下结构的抗震性能时,不能简单地认为远场地震动的影响总是高于近场脉冲型地震动。(5)对比三种不同类型地震动作用下,结构超越指定极限状态的地震动强度指标(Intensity Measures,IM)均值以及抗倒塌储备系数(Collapse Margin Ratio,CMP),总体上可以认为远场长周期地震动可能对结构造成的危害最大,近场脉冲型地震动次之,近场无脉冲型地震动最小。
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