為了研究高層建筑斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)在長周期地震波下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)。根據(jù)廣州西塔，建立共60層的斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)模型，分別選取了不同類型的長周期地震波即遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波、近斷層脈沖型地震波各7條，和3條普通地震波做對(duì)比分析，研究了結(jié)構(gòu)在7度小震、7度大震下的樓層位移、層間位移角、基底剪力、頂點(diǎn)位移等動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)。研究結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波作用下層間位移角最大，且在7度大震作用時(shí)的層間位移角超限，在近斷層脈沖型地震波作用下的層間位移角次之，在普通地震波作用下的層間位移最?。唤Y(jié)構(gòu)基底剪力、頂點(diǎn)位移等動(dòng)力響應(yīng)指標(biāo)大小基本都表現(xiàn)為遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波作用大于近斷層脈沖型地震波，且都遠(yuǎn)大于普通地震波作用。

斜交網(wǎng)格筒；長周期地震波；時(shí)程分析；動(dòng)力響應(yīng)

TU312+.1A

工程結(jié)構(gòu)工程結(jié)構(gòu)

［定稿日期］2023-03-17

［作者簡(jiǎn)介］許弟兵（1998—），男，在讀碩士，研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)抗震與減災(zāi)。

0" 引言

高層建筑斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)作為一種新型的高層建筑結(jié)構(gòu)形式，其主要特點(diǎn)是利用斜交外筒中的斜柱以軸力的形式傳遞水平荷載與豎向荷載，因?yàn)橹妮S向剛度遠(yuǎn)大于抗彎剛度，所以斜交網(wǎng)格的極限承載力大，抗側(cè)剛度大。但是，正因?yàn)槠鋭偠忍?，所以?dǎo)致其延性較差。在地震荷載作用，結(jié)構(gòu)的剛度大，地震的能量也會(huì)相應(yīng)的增大。結(jié)構(gòu)在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)研究就顯得尤為重要，正是因?yàn)楦邔咏ㄖ苯痪W(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)在地震荷載下的動(dòng)力研究較少，所以現(xiàn)在這種結(jié)構(gòu)形式主要應(yīng)用在抗震設(shè)防等級(jí)較低的地方［1］。

在近年來的一些大地震中，學(xué)者觀察到一類地震動(dòng)頻譜成分的頻帶較寬，具有明顯的長周期和長持時(shí)特征，與一般地震動(dòng)不同，這類地震動(dòng)的能量集中于低頻段，易與長周期結(jié)構(gòu)產(chǎn)生“類共振”而增大其地震響應(yīng)。因此，被稱為長周期地震動(dòng)。一部分學(xué)者把近斷層長周期地震動(dòng)和遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)統(tǒng)一稱為長周期地震動(dòng)［2］。在已有文獻(xiàn)中，對(duì)于斜交網(wǎng)格網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的研究主要集中斜交網(wǎng)格筒基本概念，在立面網(wǎng)格布置與空間形式、結(jié)構(gòu)的高寬比、斜交最優(yōu)角度等方面對(duì)其抗側(cè)剛度的影響［3］；斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)與框架剪力墻結(jié)構(gòu)的抗側(cè)剛度對(duì)比及彈塑性分析，豎向荷載作用下的外鼓效應(yīng)、結(jié)構(gòu)抗連續(xù)性倒塌的魯棒性的研究［4］；結(jié)構(gòu)的高寬比、鋼管的型號(hào)、斜柱軸壓比、設(shè)置屈曲約束等對(duì)結(jié)構(gòu)延性及抗震性能影響的研究［5］；斜交柱節(jié)點(diǎn)的抗震性能、塑性鉸的發(fā)展順序等方面的研究［6-7］；對(duì)長周期地震波的研究主要集中于特殊長周期地震波的參數(shù)分析［8］；長周期地震分量的分離［9］；長周期地震動(dòng)對(duì)超高層框架-剪力墻結(jié)構(gòu)的抗震性能分析等方面的研究［10］。上述研究的結(jié)果均表明，長周期地震動(dòng)擁有低頻的地震動(dòng)分量，對(duì)大跨度、高聳的長周期結(jié)構(gòu)物均有不利影響［11］。對(duì)于長周期地震動(dòng)作用下高層建筑斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)的研究目前較少，由于斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用與超高層建筑中，長周期地震動(dòng)對(duì)于該類型的結(jié)構(gòu)作用不可忽視，所以對(duì)長周期地震波下的斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)研究十分重要。

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1" 模型設(shè)計(jì)

參考廣州西塔建立斜交外筒尺寸為36 m

Wingdings 2MC@ 36 m，剪力墻內(nèi)筒為12 m

Wingdings 2MC@ 12 m，層高4 m，共60層的斜交網(wǎng)格—剪力墻筒體結(jié)構(gòu)（圖1）。其中斜交網(wǎng)格外筒采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu)形式，環(huán)梁采用工字梁沿層布置，內(nèi)筒與外筒之間采用工字梁連接，建筑總高度240 m，高寬比為6.67。根據(jù)已有文獻(xiàn)研究結(jié)果，設(shè)置斜柱與水平角度為69°，相當(dāng)于每6層設(shè)置一個(gè)“X”的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。樓板厚度均采用150 mm，混凝土采用C30，剪力墻厚度從上到下分別為400 mm、500 mm、600 mm，鋼管混凝土斜柱從上到下分別采用的鋼管型號(hào)為1200

Wingdings 2MC@ 30 mm、1100

Wingdings 2MC@ 30 mm、1000

Wingdings 2MC@ 30 mm 、900

Wingdings 2MC@ 30 mm、800

Wingdings 2MC@ 30 mm。

根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的地震影響系數(shù)，選擇設(shè)計(jì)參數(shù)為：地震分組第二組，場(chǎng)地類別Ⅱ類場(chǎng)地，地震設(shè)防烈度7度（0.1g），場(chǎng)地特征周期Tg為0.40 s?？拐鹪O(shè)防分類丙類，結(jié)構(gòu)安全等級(jí)二級(jí)，結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.04（混合結(jié)構(gòu)）。對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析計(jì)算，結(jié)果見表1。

2" 地震波的選取

根據(jù)現(xiàn)有文獻(xiàn)研究結(jié)果，長周期地震動(dòng)可以大致遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)與近斷層脈沖型地震動(dòng)兩類。遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震動(dòng)的地震波持時(shí)較長、具有豐富的長周期成分，近斷層脈沖型地震動(dòng)的地震波具有明顯的速度脈沖的特點(diǎn)，選取遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波、近斷層脈沖型地震波各7條，并選取3條普通地震波作為對(duì)比（這些地震波動(dòng)來自美國太平洋地震工程研究中心數(shù)據(jù)庫），具體信息見表2。

分別在這三類地震動(dòng)中各選取一條地震動(dòng)的加速度時(shí)程曲線（圖2）。由加速度時(shí)程可以明顯看出這三類地震動(dòng)有著明顯的不同，遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波與近斷層脈沖型地震波的持續(xù)時(shí)間較長，遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波的峰值較小，但是，在后期有明顯的類似于諧和振動(dòng)的脈沖效應(yīng)，近斷層脈沖型地震波的峰值略大于遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波，其速度譜有明顯的脈沖效應(yīng)，普通地震波的峰值較大，但是持續(xù)時(shí)間很短。

3" 地震作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)研究

3.1" 多遇地震下的層間位移與層間位移角

為了研究斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)在彈性階段不同地震波下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，將所選取的7條遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波、7條近斷層脈沖型地震波和3條普通地震波的幅值根據(jù)根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定各調(diào)幅至35 gal，對(duì)應(yīng)于多遇地震，對(duì)結(jié)構(gòu)的X、Y方向輸入。所得到的樓層平均層間位移與平均層間位移角見圖3。

工程結(jié)構(gòu)許弟兵： 長周期地震波對(duì)高層建筑斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)研究

從圖3中可以明顯看出三種地震波對(duì)結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)趨勢(shì)相似，大小有很大區(qū)別。結(jié)構(gòu)在三類地震波作用下最大層間位移角所在樓層有所不同，在遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波下在40層左右，近斷層脈沖型地震波下在45層左右，普通地震波作用下在50層左右，在遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波作用下，結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)最大，普通地震波的作用最小。

3.2" 罕遇地震下的層間位移與層間位移角

為了研究斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)在彈塑性階段不同地震波下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)，將所選取的7條遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波、7條近斷層脈沖型地震波和3條普通地震波的幅值根據(jù)根據(jù)GB 50011-2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定各調(diào)幅至220 gal，對(duì)應(yīng)于罕遇地震，對(duì)結(jié)構(gòu)的X、Y方向輸入。

從圖4可以看出，結(jié)構(gòu)在7度大震的各類地震波作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)與在7度小震作用下的趨勢(shì)相同，在遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波作用下的層間位移角最大，在30層結(jié)構(gòu)的層間角超過了1/800（框架核心筒的層間位移限值），在普通地震波作用下的層間位移角最小，結(jié)構(gòu)在近斷層脈沖型地震波作用下的層間位移角次之，但未超出限值。

3.3" 地震下結(jié)構(gòu)的基底剪力值和頂點(diǎn)位移

從表3可以看出，多遇地震作用下，結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波產(chǎn)生的最大基底剪力平均值最大為3.13

Wingdings 2MC@ 106N，是普通地震波產(chǎn)生的基底剪力平均值的4.3倍，近斷層脈沖型地震波產(chǎn)生的最大基底剪力平均值為2.26

Wingdings 2MC@ 106N，是普通地震波產(chǎn)生的基底剪力平均值的3.1倍。遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波下結(jié)構(gòu)頂點(diǎn)位移最大值為31.44 mm，是普通地震波作用的10.5倍，近斷層脈沖型地震波作用下為21.62 mm，是普通地震波作用下的7.2倍。罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波的最大基底剪力平均值最大，為1.99

Wingdings 2MC@ 107N，是普通地震波作用的5.1倍，近斷層脈沖型地震波作用下為1.42

Wingdings 2MC@ 107N，是普通地震波作用的5.1倍。結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波的頂點(diǎn)位移最大，為182.1 mm，是普通地震波作用的12倍，近斷層脈沖型地震波作用下為136.0 mm，是普通地震波作用的8.9倍。

4" 結(jié)論

（1）斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波作用下的動(dòng)力響應(yīng)明顯大于在普通地震波作用下的動(dòng)力響應(yīng)，結(jié)構(gòu)在普通地震波作用下，樓層最大層間位移角滿足規(guī)范限值，但是在長周期地震波作用下，部分層間位移角超限。

（2）在同一級(jí)別地震作用下，斜交網(wǎng)格筒結(jié)構(gòu)在遠(yuǎn)場(chǎng)類諧和地震波和近斷層脈沖型地震波下的所受到的基底剪力均要大于在普通地震波下的基底剪力，在進(jìn)行斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，建議考慮長周期地震波對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。

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