长周期地震动对高层建筑结构

主要内容研究背景及意义1国内外研究现状2研究内容与进展3论文构成4研究进度及安排51.选题背景储油外溢引发火灾(1964新泻地震)墨西哥城高层破坏(1985墨西哥地震)1.1长周期地震动灾害石岗大坝损坏（1999集集地震）16层住宅震坏（1999集集地震）长周期地震动统计1.选题背景时间震源地震级观测地震中距震害现象1954美国迪克希谷7.1萨克拉门托市3003个不同地点的地下水池发生共振破坏1957墨西哥雷洛海湾7.5墨西哥市360近千栋建于火山灰冲击层上的房屋严重破坏1964日本新泻7.5日本新泻—大型储油罐发生晃动(晃动周期约6s)，引起火灾1977罗马尼亚7.3索菲亚450高层建筑破坏严重，震害加速度卓越周期在1~2.4s之间1983日本海中部7.7日本新泻27031个储油罐中有13个发生溢流,罐顶附属物损坏1985墨西哥8.1墨西哥市400一些高层建筑遭到严重破坏1994台湾海峡7.3台湾—而10层以上的居民出现站立不稳等强烈反应1996南黄海6.1上海市160东方明珠电视塔顶部的24根长5m的玻璃钢消雷器有5根跌落1999台湾集集7.6台湾—21座粮仓倒塌，桥梁垮塌，多处十几层高楼发生倒塌2003日本十胜冲8苫小牧—油罐发生溢流引发大火传播速度缓慢，传播距离远1.选题背景1.2长周期地震动几秒至几十秒地震波信号遇到软土地基幅值得到放大对固有周期小的结构影响小对固有周期大的结构危害大长周期地震动特性0102030405060数量城市高层建筑，大跨度桥梁、空间网架，海洋平台，大型油罐等越来越多，并且一些大城市往往建在沉积盆地中,松散沉积层会进一步放大地震波的长周期成分,从而加大长周期震害。1.3长周期结构摩天大楼数量统计（h100m）1.选题背景香港深圳广州南京重庆天津武汉北京大连上海58514644231815131311高大结构自振周期统计结构名称高度/m自振周期/s参考文献上海环球金融中心4927.36《长周期地震动衰减关系研究》（俞言祥胡聿贤2002）上海金茂大厦3656.18深圳地王大厦2946.19北京京广中心2088.08大型储油罐－6-7天津津塔336.97.6《天津津塔结构设计》（汪大绥2009）华峰中心（杭州）1504.66《超高层建筑结构的抗风性能分析与抗震性能研究》（章宏东2010）国内部分桥梁自振周期统计桥名主跨/m桥塔高度/m自振周期/s参考文献虎门二桥1688271.521.48《大跨径桥梁在长周期地震动作用下的响应及减震措施研究》（郭华东2011）江阴长江大桥138518619.65苏通大桥108830015.41南京长江二桥628195.413.33天津海河大桥310167.39.31.选题背景2.国内外研究现状国内外主要的长周期地震波分析方法大致可分为两类:经验统计方法受记录仪器、记录方式和校正方法影响大，不易得到精确的长周期地震波。震源模型方法这种方法运用了很多简化与假定、只适用于研究3.5~7级地震。2.1长周期地震动研究现状由于以上原因，实际记录到的长周期地震波数量很少，研究中常采用1985年墨西哥地震、1999年台湾集集地震和2003年日本十胜冲地震中记录的长周期地震波。在《高层建筑结构长周期地震反应的比较研究》（2009）中，陈清军等对比了3条普通地震波和3条长周期地震波的时域和频域特性，并选取上海某50层钢筋混凝土框架-核心筒结构，运用ANSYS进行了动力特性分析。。2.2高层结构与长周期地震动6条地震波加速度峰值比较地震波El-Centro(NS)Taft(S69E)Tianjin(EW)TCU115(EW)CDAO(N90W)TOM(EW)记录最大峰值加速度（gal）341.7175.9104.18115.2580.472.92对应卓越周期(s)0.550.451.052.253.91.15注：此有限元结构模型自振周期为3.38s2.2.1高层建筑结构长周期地震反应的比较研究2.国内外研究现状结果表明:1.长周期地震动作用下高层建筑结构的基底剪力、位移响应值和加速度响应值均大于普通地震波作用下的结果,2.长周期的高层结构是受位移控制的。2.国内外研究现状分析用地震波地震波发生时间记录最大加速度（cm/s2）分析用最大加速度（cm/s2）持续时间（s）卓越周期（s）EL-NS1940.5.18341.7444.853.81BJ-EW1976.7.2866.05473.949.51.5TOM-EW2003.9.2672.9293.7327.685OSA-NS人工波68.3121440.064.8在《长周期地震动作用下结构的弹塑性地震反应分析》（2005）中，廖述清，裴星洙等选了4条卓越周期不同的地震波，分别对5层的钢结构（固有周期为0.65s）和80层的钢结构(固有周期为4.8s)进行了时程分析。结果表明,长周期地震动作用下,高层结构的动力系数随楼层的增高而增大。注：1.TOM-EW指2003年日本十胜冲地震在苫小牧采集的地震波2.OSA-NS假想在日本南海近期发生大地震时波及到大阪的人工地震波3.表中的分析用最大加速度是将四条波最大速度调为50cm/s的结果2.2.2长周期地震动作用下结构的弹塑性地震反应分析2.国内外研究现状对TOM-EW和OSA-NS波，长周期部分的速度反应谱和能量谱大于短周期部分，即对长周期结构的地震影响更大。（a）分析用地震波的能量谱曲线（b）分析用地震波的速度谱曲线对EL-NS和BJ-EW波而言，短周期部分的速度反应谱及能量谱大于长周期部分，即对长周期结构的地震影响变小；2.国内外研究现状5层的短周期钢结构，由BJ-EW、EL-NS波所产生的层间位移远大于TOM-EW、OSA-NS；而对于80层的长周期钢结构，除顶部几层不是很明显外，下面各层由TOM-EW、OSA-NS波所产生的层间位移远大于BJ-EW、EL-NS波，且层间位移总体上呈现出两端小、中间大的趋势。层间位移2.国内外研究现状5层和80层钢结构，由BJ-EW、EL-NS波所产生的加速度反应大于TOM-EW、OSA-NS波，但随着楼层的增高BJ-EW、EL-NS波产生的加速度的动力系数在1.5左右，而TOM-EW、OSA-NS产生的在3.7左右，表明长周期地震波影响更大。2.国内外研究现状2.国内外研究现状2.3存在的问题长周期地震动对高层建筑结构的影响通常以有限元模拟分析为主，已有的分析研究中，梁柱采用软件默认的恢复力模型或者选用典型的恢复力模型，而没有选用按照长周期地震动特性人为定义相应的恢复力模型。2.5待解决的问题按照长周期地震动特性设计构件试验，通过收集的试验数据定义软件中构件的恢复力模型，进行弹塑性动力分析，研究高层建筑结构的破坏特征。SAP2000弹塑性分析T型钢节点试验3.研究内容及进展研究方法钢节点试验准备3.1总体思路试件制作试验及数据采集1.长周期地震动作用下高层钢结构的破坏特征2.默认恢复力模型和试验定义恢复力模型对高层抗震分析的影响3.P-Δ效应的影响定义恢复力模型20层30层40层高层钢结构建模分析研究内容3.2拟静力试验3.2.1试件类型及尺寸刚性节点半刚性节点梁截面尺寸柱截面尺寸采用熔透的坡口型焊缝；焊缝质量为1级;焊条选用E43梁上下翼缘用熔透的坡口型焊缝与柱相连，焊缝质量为1级;梁腹板与柱用摩擦型高强螺栓连接;焊条E43;角钢L100x10;螺栓等级8.8级，规格M16。角钢L100x10;螺栓等级8.8级，规格16。端板厚度为12mm螺栓等级8.8级，规格16T型钢节点3.研究内容及进展3.2.2加载制度及装置卧式加载装置使用位移控制，各位移控制幅值如上图所示，每一位移幅值循环两次。3.研究内容及进展3.3SAP2000动力弹塑性分析屈服极限残余破坏abFEMA-356规范根据试验数据和FEMA-356规范确定构件恢复力模型SAP2000中塑性铰定义钢结构高层模型定义塑性铰并指定给结构“直接积分”时程分析查看分析结果根据试验定义恢复力模型3.研究内容及进展3.4地震波选取及人工波合成所有地震波第一组地震波备选集第二组地震波备选集最终选用的地震波根据场地类型、持时要求、震源机制校核频谱特性进行统计特性分析3.研究内容及进展《建筑抗震设计规范》规定：“按建筑场地类别和设计地震分组选实际强震记录和人工波模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应小于总数的2/3.”地震波选用流程3.研究内容及进展05101520253035-100-50050100时间(s)加速度(g)0510152025050100150200频率(Hz)加速度(g)目标谱计算谱期望反应谱功率谱傅立叶幅值谱近似人工地震波加速度时程人工地震波时程转化到频域随机相位强度包络线计算反应谱反应谱传递函数傅立叶逆变换傅立叶变换拟合修正傅立叶幅值谱否是人工波合成流程(刘平)3.研究内容及进展50层30层20层模型（完成）使用SAP2000根据材料生成的恢复力模型Frequency[Hz]100FourierAmplitude1101009080706050403020100f=0.311HZ(T=3.313s)TCU115(台湾集集地震)目前完成了初步建模，正在搜集更多长周期地震波，并合成人工波3.4研究进展