长周期地震动作用下超高层结构响应特性与减震控制研究

随着我国经济的快速发展以及城镇化步伐的加快，超高层结构被大量应用于城市的基础设施建设，这些结构大多具有高宽比大、自振周期长的特点，与侧向刚度较大的低矮结构相比，对长周期地震动更加敏感。我国现行建筑抗震设计规范中的地震影响系数曲线主要是依据短周期分量为主的地震动给出，用于超高层结构的计算时，其响应明显偏小，可能使结构设计偏于不安全。本项目一方面根据超高层结构在长周期地震动作用下容易产生共振的特点，研究超高层结构在长周期地震动作用下的整体响应及构件层次的响应特征，特别是能量集中现象和构件在大幅值变形多次往复下的破坏机理和恢复力特性，建立其抗震性能评价方法；另一方面，开发适用于超高层建筑的既能耗能又具有后期限制位移功能的减震控制装置，研究消能器和限位器对超高层结构在长周期地震动作用下响应的减震作用，避免由于共振而产生较大位移破坏，实现较为理想的分散耗能设计思想，建立其减震控制设计方法。

本项目根据超高层结构在长周期地震动作用下容易产生共振的特点，研究了超高层结构在长周期地震动作用下的整体响应、及构件层面的响应特征，特别针对构件在多次往复大幅值变形下的破坏机理和恢复力特性进行了研究，对正确评价超高层结构在长周期地震动作用下的响应特性做出了有益的工作。同时，开发了适用于超高层建筑的、既能耗能又能限制位移的减震控制装置，这种装置能避免在长周期地震动作用下，高层结构与之共振，使结构产生较大位移从而导致破坏的现象，能实现较为理想的分散耗能设计思想，建立起减震控制设计方法。.本项目所完成的主要研究内容如下。.1..根据长周期地震动包含长周期成分多以及持续时间长、即使强度不大但能量却很大的特点，并考虑了超高层结构的自振周期长容易与长周期地震动产生共振的特性，着重研究了长周期地震动作用下超高层结构的地震响应特点，特别是结构的变形响应特点。其中包括最大变形、残余变形、以及与累积塑性变形有关的变形时程特性。.2..根据长周期地震动作用下超高层结构变形响应大且在大变形下循环次数多、持续时间长的特点，着重研究了构件（钢梁、钢筋混凝土梁）在屈服后大位移变形、多次往复荷载作用下的恢复力特性及其破坏机理，并根据试验建立了其恢复力模型。.3..根据基于能量平衡原理的抗震设计方法和变刚度控制策略，提出了一种新型的消能-限位防屈曲支撑，并将此消能-限位体系应用于超高层结构中，探讨了其减震控制工作原理，明确了长周期地震动作用下，超高层结构对消能减震装置的需求，并对变形较大楼层的能量耗散转移到其他楼层时所需要提供的附加刚度（限位）进行了探讨。.4..根据结构对能量耗散以及大变形时对附加刚度的要求，研究了消能-限位体系的消能、限位工作原理和构造，把握消能-限位体系的恢复力特性，并根据试验建立其恢复力模型。.5..研究安装有消能-限位体系的超高层结构，在长周期地震动作用下的地震响应特点，并确认其消能-限位体系对长周期地震动作用下超高层结构地震响应的减震控制效果。