高层建筑结构设计
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68.多点地震输入分析方法的要点是什么?

地震动空间变异性的本质就是相关性的降低。引起相关性降低的原因主要为:

(1)非均匀性效应

地震波从震源传播到两个不同测点时传播介质的不均匀性称为非均匀性效应。对于非点型震源,两个不同测点的地震波可能是从震源的不同部位释放的地震波及其不同比例的叠加,从而引起两测点地震动的差异,导致相干特性的降低。

(2)行波效应

由于传播路径的不同,地震波从震源传到两测点的时间差导致相干性的降低。

(3)衰减效应

由于两测点到震源的距离差异导致相干性的降低。

(4)局部场地条件效应

传播到基岩的地震波向地表传播时,由于两测点处表层土局部场地条件的差异,使两测点的地震动相干性降低。

由于建筑规模所限,衰减效应的影响较小,通常情况下不予考虑。根据以往的研究成果,相对于一致地面运动而言,考虑行波效应产生的计算修正占主导地位,而考虑激励点间相干性部分损失(非均匀性效应、局部场地效应)产生的计算修正则小得多,而且多半是略微缩小行波效应的修正量的。

已有研究成果表明,对于超长型结构有必要进行多点输入地震反应分析。对于一般高层建筑,如果地下室长度超过600m,宜进行多点地震输入计算;如果地下室长度超过200m,且有地质上的不连续或明显的不同地貌特征,宜进行多点地震输入计算,分析时应同时考虑场地的局部效应和行波效应。

目前可采用时程分析法、随机振动分析法和反应谱方法进行多点地震输入分析法,其中时程分析法和反应谱法都属于确定性的方法。

时程法进行多点地震输入分析的一般步骤。

(1)确定各点地震输入时程

应根据工程场地情况确定各点的地震输入时程。各点时程可按下列两种方法来确定:

1)场地波动分析法 考虑土与结构的相互作用,需要根据结构所处场地,建立包括结构和土体的分析模型,在分析模型的边界输入地震波,进行场地波动分析,得到地下室各点的地震输入时程。在分析中可能需要引入传输边界等假定,是一个非常复杂的问题,可参考有关地震工程学的专门论著。

2)简化计算方法 当场地比较均匀,只需要考虑行波效应,可采用简化方法进行分析。利用场地波或以往记录的地震波在结构的基底进行输入,各点输入地震波的形状和峰值大小相同,考虑行波效应后,各点输入的地震波存在一个相位差,这个相位差需要由地震波的传播方向和传播速度共同确定。

首先根据地震波的传播方向,确定结构的第一个起振点,以此点作为地震波时程的零相位点;假设地震波是沿着传播方向平行传播的,同一波面上的地震波相位相同,根据地震波的传播方向和波速,计算地震波传播到基底各点的时间,确定相应的相位差。

(2)进行多点输入分析

1)静支座位移时的结构平衡方程建立

将结构的自由度分为内部自由度ys和支座自由度yb两类,于是平衡方程可表示为

可将式(4-7)展开可得:

一般的支座位移量yb和外荷载Fs为已知,式(4-8a)又可写成

若无外荷载而仅产生支座移动时,式(4-8c)又可写成

式(4-9)就是支承节点发生位移时在非支承点产生的静位移。

2)考虑多点激励的动力平衡方程

考虑多点激励的动力平衡方程如式(4-10)所示。

式中——非支承处自由度的绝对加速度、速度和位移向量;

MsCsKs——质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;

——支承处自由度的绝对加速度、速度、位移向量;

MbCbKb——质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵;

Fb——支座反力。

在结构承受随时间变化的支座位移时,结构的反应来源于两个部分:支座移动引起的结构反应(即拟静力反应);支座移动加速度导致的惯性力引起的结构反应(即动力反应)。因此结构位移可表示为

式中——动位移分量;

——拟静力位移分量。

由式(4-9)可知

分别对式(4-12)求一阶和二阶导数,得相应的速度和加速度

将式(4-10)展开得:

将式(4-11)代入式(4-14)得:

式(4-15)右端,阻尼力相对惯性力而言可以忽略不计,同时考虑式(4-13),则式(4-15)变为

式(4-16)就是多点激励的动力平衡方程。

3)建立结构的有限元模型,在基底各点输入地震时程,进行结构的整体分析。根据不同的地震波传播方向,分别确定各点的地震输入时程。同时,因为地震波的振动方向与地震波的传播方向是相互独立的,针对每一个地震波的传播方向,还要考虑地面振动的不同方向,分别进行时程分析。

(3)比较多点输入与一致输入的结果

比较各个地震波输入方向和地面运动方向下结构的反应,确定多点地震输入对结构的影响。因为地下室与建筑结构连接在一起,各部分基础的相对变形受到地下室底板的约束,一般不会产生基础的相对变形,拟静力反应的影响比较小。但多点地震输入的另一个影响是因为各点输入的相位不同,相当于输入了一个扭转分量,会产生结构整体的扭转反应,这一点对建筑结构的多点地震分析是主要因素。

在考虑了多点地震输入后,对称的多塔楼结构就有可能产生扭转反应,这在单点地震输入分析中是无法实现的。