厚冲击层场地长周期地震动特性与超高层结构的破坏机理研究

具有较长自振周期的大型结构物对长周期地震动较为敏感，它们的抗震设计需要长周期地震动参数。目前对长周期地震动特性及地震反应谱的研究程度，还远远不能满足长周期结构的抗震设计的需要。本项目将基于国内外长周期地震记录，提取出区别于普通地震动的长周期地震动表征参数；通过对厚冲击层软土场地的长周期地震动特性与设计地震动参数的系统研究，建立适合于厚冲击层软土场地的长周期地震作用的抗震设计谱；以一复杂超高层建筑为例，对在长周期地震动作用下的超高层建筑进行整体模型模拟地震振动台试验研究；通过对超高层建筑结构长周期地震反应的数值模拟及其与试验数据的对比分析，深入研究并掌握长周期地震动作用下超高层建筑结构的破坏机理，发展并完善抗震规范有关长周期地震作用环境下设计地震动参数的取值和规定。本项目研究成果将可以弥补规范的不足，为长周期地震作用威胁地区的抗震设计提供急需的参考依据，促进复杂超高层结构抗震设计理论的发展。

在土木工程结构抗震分析中，地震作用大小直接关系到结构的设计荷载，有关地震动各种参数的确定是结构抗震设防的基本依据。具有较长自振周期的大型结构物对长周期地震动较为敏感，它们的抗震设计需要长周期地震动参数。本项目首先从各个国家和地区的地震记录库中寻找出一些具有比较可靠长周期信息的强震记录，并从中挑选出较为典型的长周期地震波，进行了长周期地震波的频谱特性分析、以及特殊长周期地震动的能量分布研究；结合演变谱理论和正交化HHT法的各自优点，建立了一种能同时反映强度和频率非平稳性的地震动人工合成方法。以某实际厚冲击层软土场地为背景，选取I类场地上较为典型的长周期实测地震记录作为基岩的地震动输入，对厚冲击层软土场地进行了长周期地震反应计算，并与普通基岩地震波作用下的反应结果做了比较，分析了不同类型基岩地震波作用下厚冲击层软土场地的反应特征，探讨了地震动非平稳性对厚冲击层软土场地地震反应的影响。以上海市某土层场地为模型，采用等效线性化方法，分别以长周期基岩地震波和普通基岩地震波作为输入，对上海市某土层场地进行了地震反应分析，获得了超越概率为3%、10%和63%时的场地地表反应波的平均谱。选取具有良好记录质量和基本场地资料的591条地震加速度记录，给出了不同类型场地的平均加速度反应谱及其规范形式的分段拟合曲线，并将软土场地拟合的反应谱与上海市抗震设计反应谱进行了对比，根据统计拟合和对比结果，对抗震规范设计反应谱提出了修正建议，给出了软土场地长周期反应谱的建议值。利用上海中心大厦（主体结构高度580m）模拟地震振动台常规试验后的模型，分别选取典型长周期地震波、厚冲击层软土场地地表反应波和普通地震波作为输入，对该超高层建筑结构进行了不同类型地震波作用下的整体模型模拟地震振动台的一次补充试验，并进行了数值模拟，研究了长周期地震波作用下超高层结构的地震反应特征。在此基础上，利用能量法，采用结构塑性变形耗散的地震能量作为结构的地震损伤指标，通过逐级增大输入地震波加速度峰值的方式，对超高层建筑结构的地震损伤进行了对比分析，研究了长周期地震动作用下超高层结构的损伤特征。结果表明，长周期地震波对超高层结构位移响应的影响明显大于对加速度响应的影响，超高层建筑结构的长周期地震反应是受位移控制的；长周期地震动作用下超高层建筑结构的损伤主要分布在结构的上部1/3部位。