基于谱值离散性的长周期结构抗震性能控制方法研究

Recently China has been in leading position around the world on development of high-rise and super high-rise buildings in terms of number, height and structural type of new buildings. However, a lot of research efforts for improving structural seismic performance and seismic design methods for high-rise buildings are needed. For example, predictions of seismic response in these high-rise buildings with long fundamental period have not been fully understood and require further research. This proposed project is to develop a standard response spectrum for selecting the most critical ground motions to predict structural seismic response according to desirable performance levels and seismic regions of building structures. This standard response spectrum will be developed by investigating statistical distributions of response spectrum of a large amount of historical ground motions recorded around the world after usable ranges of response period of records and their engineering meanings are identified. The propose project will produce a method for predicting seismic response of structures with long fundamental period based on statistical analysis of response spectrum. Furthermore this project will use this method to investigate the effect of minimum seismic response coefficient (termed as shear-to-weight ratio) in current code on the structural seismic response and provide rationales for applying shear-to-weight ratio to seismic design of high-rise buildings. This project plays an important theoretical and practical role on investigation of seismic response for building structures with long period.

近年来，我国新建高层、超高层建筑在数量、平均高度及结构类型方面均明显处于国际前列，但在抗震性能及设计方法所涉及的诸多方面尚有待加强理论研究，特别是在预测这些自振周期较长的结构抗震性能的方法方面有待进一步的深入研究。本项目拟在明确地面运动记录可信周期及其工程意义的前提下，通过大量的地面运动记录统计分析获得地面运动记录谱值离散性规律，然后根据结构所处的地震环境分析对结构地面运动危险性起控制作用的地震动类型，最后根据结构的重要性选择该地震动类型下具有明确统计意义的地面运动记录，用以考察结构的抗震性能。即本项目拟提出基于谱值离散性的长周期结构抗震性能控制方法，并在对近年来国内专家和学者普遍关注的最小地震剪力系数（俗称“剪重比”）的设置背景进行考证后，用该控制方法考察剪重比对结构抗震性能的影响，为剪重比的控制方法提供理论依据。本项目的研究对长周期结构抗震性能的控制具有重要的理论意义和工程实用价值。

通常，用强震仪记录地震地面运动。随着强震仪水平放置方位的不同，其记录下来的水平加速度时程分量及其对应的加速度反应谱不同，用这些参数表达的水平地面运动强度亦不同。本项目称这一特征为水平地面运动强度的方位特征。.水平地面运动强度的方位特征，强烈影响着水平地面运动强度的取值，在结构的抗震设计中应予以考虑。本项目研究了该方位特征及其影响，并将其纳入结构抗震设计方法中进行考虑，即在设计反应谱、地面运动记录的选择和标定方法中考虑该方位特征。另外，近几年在高层、超高层的结构抗震设计中，最小地震剪力系数时常成为一个难点而被广泛关注，本项目对其也进行了详细的考察。具体研究内容和结果如下：.①考虑水平地面运动强度的方位特征后，BdM谱值是最合适的水平地面运动强度指标。依据建立的Ⅱ类场地强地面运动记录数据库，考察了BdM谱特性及其与单向加速度反应谱特性的差异。.②梳理了我国和美国设计反应谱的发展历程，识别出其中的最新认识，然后对我国设计反应谱今后的发展给出了建议，特别是在其中考虑水平地面运动强度的方位特征。.③在BdM谱特性的基础上，按预测结构地震反应平均值和分布情况的需要，分别建立了2种长周期结构的双向地面运动记录选择和标定方法，并分别用工程算例展示了这2种方法的应用过程和结果。.④出于对地面运动和结构地震反应规律认识程度不充分的担忧，为了保证结构的抗震安全性，设置了最小地震剪力系数的规定。不满足这一规定时，有3种处理方法：不做调整、调整承载力、调整刚度。我国结构设计规范倾向于调整刚度。研究发现，7度(0.10g)区受最小配筋率的影响，不做调整与调整承载力的结构模型相同，其在罕遇地震作用下的抗震性能良好，抗倒塌能力也较强。调整刚度的做法，可以使结构获得更好的抗震性能，但为此付出的巨大经济代价和获得的抗震性能改善幅度并不对等，而且也没有必要。建议理性对待7度(0.10g)区最小地震剪力系数的规定。