高层建筑结构的输入地震动问题探讨

高层建筑结构的输入地震动问题探讨摘要：本文主要对层状场域内高层建筑的地震动输入问题，针对目前普遍采用的将地基、基础与上部结构整体建模进行地震响应分析的整体法，提出了其合理的输入地震动的选取方法，并结合现行规范，为某实际工程进行地震响应分析的输入地震动进行了选取。关键词：高层建筑结构；地震响应分析；输入地震动；地基、基础与上部结构整体模型0前言对高层建筑结构进行地震反应分析是研究高层建筑结构抗震性能的重要手段，合理选择用来进行时程分析的地震波对分析本身来说是至关重要的。目前普遍采用有地基的整体有限元模型，在地基底部输入地震动时程，地基取有限的区域与基础和上部结构组成一个整体计算模型，在计算结构地震动力反应时考虑基础与地基的影响，如图1所示。本文结合现行规范要求，对如何选取整体有限元模型的地震动输入进行了探讨，提出的选取方法供实际工程参考。图1整体有限元模型的地震动输入1地面地震动时程的选取现行规范要求：进行时程分析时应选用不少于两条的实际地震记录和一条人工地震记录。1.1实际地震记录所谓实际地震记录就是把一些著名的强震记录作为输入波，如El-Centro记录,Taft记录,Olympia记录等。传统选择实际地震的地面记录做法是:1、选择建筑物所在场地邻近地点的实际地震动记录，但这种机会极少；2、选择国内外同类场地上的地震记录。但是，随着对地震波三要素(最大峰值、频谱特性、持续时间)的深入理解，在选择国内外同类场地上的地震记录时，应采用比例法调整加速度幅值和时间尺度，修正频谱,以适应实际场地的抗震要求。1.2人工地震记录人工合成地面地震动时程的数值方法主要分为三角级数法，随机脉冲法和自回归法。其中三角级数法是把地震看成不同频率的具有随机相位角的三角级数的迭加,采用快速傅里叶变换(FFT)技术,生成拟合反应谱的人工地震波，它不仅能满足地震波三要素,而且与现行的反应谱法相衔接,更为方便的是可以通过改变初相角的初值模拟地震的随机性，因此具有一定的优越性而被广泛采用。图2人工生成地震波的程序流程图三角级数模型的余弦函数可设为[1]:式中:与分别为第个傅里叶分量的频率和振幅,为初相位角,取间均匀分布的随机数。为了产生一组与给出标准谱拟合的地面加速度过程,常用一个包络函数乘以平稳过程,得到一个非平稳过程。即为所用的人工地震波三角级数模型。本文在采用数值法进行人工合成地震波时，先将反应谱转换为功率谱，以功率谱为目标，利用三角级数法合成地面地震动时程，并编写了相关的计算程序，程序流程图如图2所示。2地面地震动时程向地层深处的反演图3地面地震动时程反演至地层深处的程序流程图采用具有线性滞回阻尼的成层土频域本构模型[2]，在频域内将地面地震动时程反演至地层深处[3]，编写了相应的计算程序，程序流程图如图3所示。考虑到反演在频域内进行，而线性滞回阻尼比的使用具有频率范围，因此地震波应在满足工程要求下选取一定的频率范围，先根据需要进行滤波处理，然后再进行反演，否则将引起较大误差。通过该计算程序将选取的地面地震动时程反演至模型实际的地震动输入处，以反演得到的地震记录作为整体有限元模型进行时程分析的地震动输入将更为合理。下面结合工程实例对本文提出的选波方法进行系统阐述。3实例以某高层建筑为实际工程背景，该建筑建于深厚的沉积土层上，高128m，为框筒结构，由于桩基础很深，其整体模型地基取到了地面以下150m深，实际地质资料见表1，本文按照前述的选波方法，为其进行整体模型的地震响应分析选取一条实际地震记录和一条人工地震记录，3.1实际地震记录的选取该工程所处的地区抗震设防烈度为8度，坐落在Ⅱ类场地上，因此水平方向地震记录选用位于Ⅱ类场地的Taft波水平实际地震记录，取前20秒，如图4所示。再将Taft波进行调幅处理以满足实际工程需要，调幅结果如图5所示。最后利用本文所编制的反演程序将调幅后的Taft波从地面反演至地层150米深处，以其作为时程分析的地震动输入。反演结果如图6所示。表1大厦150米深度范围内土层力学模型参数图4Taft波水平向地震记录图5调幅后的Taft波水平向地震记录图6地层150米深处加速度时程3.2人工地震记录的选取根据工程背景资料和国家标准，采用本文所编制的人工合成地震波程序，生成了该工程所建地区的多遇地震的水平加速度时程，如图7所示，人工生成地震波加速度反应谱与目标谱的拟合曲线，如图8所示。相应的地震动参数取值如下：该地区处于抗震设防烈度8度区，地面的地震动加速度峰值为0.7，Ⅱ类场地类型，特征周期取=0.35。最后利用本文所编制的反演程序将生成的人工波从地面反演至地层150米深处，以其作为时程分析的地震动输入。反演结果如图9所示。图7人工生成地震波图8人工生成地震波加速度反应谱与目标谱的拟合（虚线：目标谱；实线：生成记录相应谱线）图9地层150米深处加速度时程4结论1、本文提出的计算程序可以方便地产生符合设计要求的人工合成地震波，因此对重要工程进行抗震设计时，如果没有该场地与预测地震同震源的历史记录，采用对应于标准反应谱的人工合成地震波是可行的。2、本文中的反演表明地层深处的加速度时程与地面的加速度时程相比有很大的不同，因此，高层建筑采用地基的整体有限元模型进行地震响应分析时，其地震动输入的选取应慎重考虑。参考文献:[1]胡聿贤.地震工程学[M].北京：地震出版社，1988[2]廖振鹏.工程波动理论导论[M].北京：科学出版社，2002[3]解振涛，张俊发等.地面地震动时程向地层深处反演研究.西安理工大学学报[J].2007.23(4)