基于能量及损伤的主余震地震动对超限高层结构抗震性能影响研究*（建筑）

基于能量及损伤的主余震地震动对超限高层结构抗震性能影响研究*（建筑）

    李  钱¹，  吴  轶¹，  Vincent Lee²，  张春梅¹，  陈  麟¹，  王宏伟¹

(1广州大学土木工程学院，广州510006；2 Astani Civil&Environmental Engineering of University of Southern California, Los Angeles 90089)

[摘要]  以第一周期为8. 57s的某超限高层框架-核心筒建筑结构为研究对象，选取7条实际长周期主余震序列型地震动，并与单主震地震动一起作为输入样本，通过有限元软件PERFORM-3D对结构进行非线性动力时程分析；着重从结构整体、楼层滞回耗能情况及构件材料损伤等反应量角度来研究主余震地震动对超限高层建筑结构抗震性能的影响。研究结果表明，相对单主震地震动，结构在主余震地震动作用下整体滞回耗能增幅最大达到31. 34%，楼层滞回耗能增幅最大可达到45. 71%；同时余震地震动作用会使结构中构件损伤逐步累积过渡，导致部分构件转变为严重损伤状态。因此，对于超限高层建筑结构，仅根据现行规范或超限高层建筑专项审查研究超限高层在单次主震地震动作用下的抗震能力并不能很好地评估结构的抗震性能，建议对超限高层建筑结构进行非线性动力时程分析时补充余震地震动作用的影响，从而全面、安全可靠地评估超限高层建筑结构的抗震性能。

[关键词]  主余震地震动；超限高层；框架-核心筒结构；非线性动力时程分析；滞回耗能；材料损伤    中图分类号：TU973.2   文章编号：1002-848X(2016)09-0042-06

0  引言

    大量的地震资料表明，在大多数情况下，地震发生后往往伴随着大量的余震地震动发生。而余震地震动的发生会导致结构产生累积损伤，进一步加重结构的破坏，甚至倒塌。在历次地震中，由于余震地震动作用而导致结构进一步损伤甚至倒塌破坏的现象屡见不鲜。例如，1952年美国加州南部发生地震，5.8级的强余震地震动使贝克斯菲尔德城发生  毁灭性的破坏；2008年汶川大地震后的强余震地震动造成了大量公路桥梁破坏、倒塌；2011年2月22日新西兰发生的6.3级余震地震动造成了大量建筑物坍塌，至少103人死亡、228人失踪；由此可见，部分余震地震动对结构的影响十分明显，会使结构产生过大的破坏，有时甚至对结构的倒塌有决定性作用。

    目前为止，国内外有部分学者对主余震地震动作用下建筑结构的破坏进行了研究，欧进萍和吴波通过构造人工地震动序列，分别对一座二层和八层钢筋混凝土结构进行弹塑性分析，初步定量揭示了强余震地震动作用对结构反应与损伤的影响。赵金宝对不同高度的框架结构在不同组合的主余震地震动作用下的地震响应规律进行对比分析，根据Park -Ang损伤模型对结构模型的损伤状况进行研究。温卫平提出计算主余震地震动作用下累积损伤效应的损伤指数的方法，研究了主余震地震动作用下结构的损伤谱特性。RUIZ-GARCIA J通过对3个钢框架结构在实际序列和构造序列地震动作用下的地震响应的研究比较，发现结构在实际序列地震动作用下的侧移并没有明显增大，而高估了构造序列地震动作用下结构的地震响应情况。综上所述可知，不同学者从顶层位移、加速度、残余变形、最大层间位移角、刚度变化以及损伤指标等结构反应量角度对不同结构类型在主余震系列地震动作用下的结构反应进行了研究，但研究对象主要为低、多层建筑结构或构件，针对主余震地震动作用对超限高层建筑结构抗震性能影响的分析尚无成果。

    “9. 11”事件中双子塔的倒塌导致世贸中心2 603人死亡，同时世贸中心附近5幢建筑物也受震而坍塌损毁，造成了数千亿美元的直接和间接经济损失，由此可见超限高层建筑物的破坏损毁不仅会导致重大的人员伤亡和经济损失，而且还会对周边环境产生不利影响。然而到目前为止，我国现有的抗震设计规范、超限高层建筑专项审查乃至世界绝大多数抗震规范主要考虑单次主震地震动的作用，确保超限高层建筑结构能够“大震不倒”，但却忽略了余震地震动对超高层建筑结构的不利作用，因此对超高层建筑结构在主余震地震动作用下的抗震性能进行研究显得尤为必要。本文以某超限高层框架一核心筒结构为研究对象，对结构在单主震地震动作用及主余震地震动作用下的响应情况进行分析，从结构整体、各楼层塑性滞回耗能及构件材料应变损伤状态等反应量来研究主余震地震动作用对结构损伤情况的影响。

1  工程概况

    分析模型为某超限高层框架-核心筒结构(图1)，该结构建筑高度309m，超过《高层建筑混凝土结构技术规程》( JGJ 3-2010)中B级框架-核心筒高层建筑的最大适用高度，结构地面以上72层，结构首层高6m，2～4层层高为5m，其他标准层层高均为4. 5m，建筑平面尺寸为48. 1m×58. 0m，高宽比为7。结构标准层平面布置图如图2所示。结构楼板厚度为150mm，楼板混凝土强度等级采用C30,受力钢筋采用HRB400，构造钢筋采用HRB335；核

心筒混凝土强度等级采用C70~C50，核心筒厚度为1100~400mm3外围钢框架采用钢管混凝土柱，钢管直径为1500~ 700mm；核心筒与外围钢管混凝土通过工字钢梁连接，工字钢梁截面尺寸为H800×500 x30 x 30;钢管和型钢采用Q345级钢材。结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级；抗震设防烈度为7度0. 05g，设计地震分组为第一组，抗震设防分类为乙类。

2  数值分析模型的建立

    本文采用PERFORM-3D软件建立结构有限元模型，进行结构非线性动力时程分析。结构模型中的普通约束混凝土本构采用Mander模型；钢管混凝土柱核心混凝土的应力-应变关系主要参考“钢管混凝土统一理论”中提出的约束混凝土应力-应变关系，采用三折线模型来模拟。受力钢筋采用非屈曲钢材本构关系，考虑钢筋硬化阶段，不考虑强度损失。结构梁、柱构件采用纤维模型来模拟，通过材料的本构关系自动确定截面的塑性特性；剪力墙构件

采用宏观分层单元来模拟，弯曲和轴力特性通过定义纤维截面来模拟，剪切特性通过定义弹性剪切材料的剪切模量来模拟，剪力墙与框架梁之间通过刚臂连接；对于跨高比大于2.5的连梁构件，采用杆系单元进行模拟，反之则采用通用墙单元来模拟。阻尼采用瑞利阻尼来等效模拟，阻尼比取4%。

3  地震动的选取

    模型结构第一自振周期为7. 35s，而现行《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2010）给出的地震影响系数曲线中长周期部分不超过6s，并且按加速度反应谱计算长周期结构的地震作用明显偏小，可能致使计算结果不安全。选取7条实际长周期主余震地震动，地震动参数如表1所示。

    根据7条主余震地震动的傅里叶谱可知，其地震动频率分布在0.1~ 2Hz，较接近结构第一自振周期，作为示例，图3给出了CHY024主余震地震动的傅里叶谱。为了研究主余震地震动对结构损伤情况的影响，本文针对两种情况（单主震地震动作用及主震地震动+余震地震动作用）对结构进行动力时程分析，并进行相互对比分析。地震动输入样本采用重要持时的方法，选取Arias强度分别占95%和5%的对应时刻之间的时间，客观地反映了地震动的强震时间，以保证分析结果的准确性。将所选余震地震动附加在主震地震动之后，并在主余震地震动之间加60s的时间间隔（以确保结构在主震地震动作用之后结束自由振动），组合主余震序列型地震动；将主余震序列型地震动与单主震地震动作为输入样本对结构进行非线性动力时程分析。作为示例，图4给出CHY024主余震地震动加速度时程曲线。

4  数值分析模型的验证

    为了验证PERFORM-3D模型的合理可靠性，分别利用PERFORM-3D和ABAUQS软件对结构进行对比验证，提取各个分析软件模型计算得到的结构前5阶周期如表2所示。

    由表2可知，前5阶振型对应的周期中，2种软件计算的第1阶振型对应的周期相差最小，仅为0. 46%，而第3阶振型对应的周期相差最大，可达到4. 89%；在质量对比中，2种软件计算得到的结构质量相差为5. 35%。为确保所使用的结构模型在非线性状态下仍然合理可靠，选取CHY101主震地震动作用对PERFORM-3D模型和ABAQUS模型进行非线性动力时程分析对比。图5为PERFORM-3D模型和ABAQUS模型在CHY101主震地震动作用下结构顶点位移时程对比情况，图6为PERFORM-3D模型和ABAQUS模型在地震动作用下结构剪力墙混凝土受压损伤情况。

    从图5可知，PERFORM-3D模型和ABAQUS模型在CHY101主震地震动作用下的结构整体运动变形形态非常接近，结构顶点位移曲线形状十分相似，结构顶点位移峰值相差仅2. 0%。从图6可知，PERFORM-3D模型和ABAQUS模型在CHY101主震地震动作用下的破坏机制相同：剪力墙混凝土受压损伤均主要集中在结构底层及中部，损伤程度均达到严重破坏状态。因此说明，PERFORM-3D模型和ABAQUS模型的结构非线性性能相近，PERFORM-3D模型弹塑性参数设置合理。

5  结构能量耗散分析

    结构在地震作用下主要通过塑性变形来耗散地震能量，塑性变形情况可通过结构的塑性滞回耗能情况来体现，而结构塑性滞回耗能的大小与结构的损伤程度息息相关，因此对比主余震地震动与单主震地震动作用下结构的塑性滞回耗能，能够了解主余震地震动对结构损伤情况的影响。

5.1结构整体能量耗散分析

    表3给出了结构在单主震和主余震地震动作用下的结构整体塑性滞回耗能对比情况。由表可知，7条主余震地震动作用下结构的整体塑性滞回耗能均大于单主震地震动作用下的情况：在CHY086地震动作用下，结构在主余震地震动作用下的整体塑性滞回耗能相对单主震地震动作用增幅最小，仅为8.10%；而在CHY036地震动作用下，结构在主余震地震动作用下的整体塑性滞回耗能相对单主震地震动作用增幅最大，为31. 34%。

5.2结构楼层能量耗散分析

    图7为结构在CHY024，CHY036单主震和主余震地震动作用下的楼层塑性滞回耗能分布情况（因CHY024，CHY029，CHY086，TCU078地震动作用下结构楼层塑性滞回耗能分布情况相似，而CHY036，CHY074，CHY101地震动作用下结构楼层塑性滞回耗能分布情况也相似，因此本文只给出CHY024，CHY036地震动作用下结构楼层塑性滞回耗能分布情况）。由楼层塑性滞回耗能分布情况可知，在CHY024地震动作用下，结构楼层塑性滞回耗能主要集中在结构底部，主余震地震动作用下楼层塑性滞回耗能相对单主震地震动增幅为13. 78%；在CHY036地震动作用下，结构塑性滞回耗能主要集中在结构底部及结构中部（37层、47层附近），主余震地震动作用下上述3个位置处的楼层塑性滞回耗能相对单主震地震动分别增大了44. 55%，42. 78%．45. 71%。

    由结构整体塑性滞回耗能及楼层塑性滞回耗能分布情况可知，部分主余震地震动作用下，结构进入塑性的程度明显高于单主震地震动作用下的结构塑性发展程度。因此忽略余震地震动作用的影响，可能会过低估计超限高层结构在震后的损伤或破坏情况，不能实现结构“大震不倒”的性能目标。

6  结构构件材料损伤分析

    材料损伤应从结构的损伤本质人手来对结构损伤进行评估，在材料层面上反映构件的损伤情况，是一种精细化的评价方法。在本文

    限于篇幅，依据图7中2条地震动（主余震及单主震）作用下的楼层塑性滞回耗能分布情况，选取其中楼层塑性滞回耗能增幅程度最大的CHY036地震动来分析结构构件材料损伤情况。图8，9分别给出不同地震动作用下剪力墙混凝土受压、钢筋受拉损伤图。由图可见，在CHY036单主震地震动作用下结构部分剪力墙混凝土出现中度损伤，损伤范围分布在结构底部（1，2层）及中部附近（37，47层附近），同时结构底部（1，2层）及中部附近（37层附近）出现小部分剪力墙钢筋受拉，且达到中度破坏；而在主余震地震动作用下，结构剪力墙混凝土受压、钢筋受拉损伤程度及损伤范围均较单主震地震动作用有不同程度的增强：结构中部附近（37，47层附近）部分剪力墙由轻微损伤转变为中度损伤，中度损伤破坏的剪力墙数量增多，结构底部（1，2层）部分剪力墙混凝土最大压应变达到极限压应变，出现了严重损伤，同时结构底部附近剪力墙钢筋受拉，也达到严重损伤。由此可知，在主余震序列型地震动下，主震地震动作用已经使得结构产生较大的损伤，而余震地震动作用会增大结构损伤程度，使得结构无法满足设计要求，因此在对超限高层建筑进行非线性时程分析时，只考虑主震地震动作用会过高估计超限高层建筑结构在地震作用下的抗震能力，使结构不能实现“大震不倒”的性能目标。

7  结论

    (1)余震地震动作用会加大结构的整体塑性滞回耗能及楼层塑性滞回耗能。在主余震地震动作用下，结构的整体塑性滞回耗能相对单主震地震动作用最大增加31. 34%；结构的楼层塑性滞回耗能相对单主震地震动作用最大增加45. 71%。结构塑性滞回耗能的大小与结构的损伤程度息息相关，故主余震地震动能够加大结构整体以及楼层的塑性滞回耗能，使得结构在单主震地震动作用下的塑性损伤程度进一步加深。

    (2)在主震地震动作用下，超限高层建筑结构已经产生较大的损伤破坏，而余震地震动作用会增大结构的损伤，使结构中构件损伤逐步累积过渡，部分构件转变到严重损伤状态，使得结构无法满足设计要求，从而增大结构倒塌的危险性。

    (3)余震地震动作用对超限高层建筑结构破坏程度的影响十分明显，有时甚至是导致结构倒塌的决定性因素，进而增大了地震灾害所导致的经济损失，甚至威胁到震后救援人员和震害调查工作人员的生命安全。鉴于现行的抗震规范或超限高层建筑审查忽略余震地震动对超高层建筑结构的不利作用，建议对超限高层建筑结构进行非线性时程分析时以补充余震地震动作用的影响，合理、安全地评估超限高层建筑结构的抗震性能，以达到结构预期的性能。