超高层建筑结构地震动强度指标及倒塌安全储备研究

发布时间：2020-05-01 14:49

【摘要】：超高层建筑以其巨大的体量、复合的功能,在城市中担任着重要的角色,对超高层建筑进行准确有效的抗震性能分析显得尤为重要。发展合理的地震动强度指标来衡量地震动不确定性,以及在此前提下对结构抗倒塌安全储备能力的评估和分析,对于超高层建筑抗震设计和性能分析具有积极意义。一方面,在基于性能的地震工程中最常用的方法是建立基于概率的评估方法或框架,其中第一步且重要的一步就是确定用来衡量地震动不确定性的地震动强度指标。另一方面,确定合理的倒塌安全储备基线以及考虑多种不确定性来源的抗倒塌安全储备能力评估,对抗倒塌能力的定量化评估以及基于性能的地震工程的发展具有重要推动作用。本文以如何确定地震动强度指标和建立倒塌安全储备系数(CMR)两个关键问题为主线,针对超高层建筑结构提出了基于谱加速度考虑高阶振型的线性组合型和基于谱速度考虑高阶振型的组合型地震动强度指标,筛选了适用于评估加速度敏感型构件地震需求的地震动强度指标,推导了具有不同置信水平的倒塌安全储备系数可接受值的计算表达式,最后针对超高层建筑进行了考虑建模不确定性的地震倒塌风险评估。主要研究内容和结论如下:(1)提出了一种适用于评估结构损伤的基于谱加速度考虑高阶振型的线性组合型地震动强度指标。基于振型分解法,此地震动强度指标将最优组合项数内的谱加速度Sa(Ti)进行叠加,以模态质量参与系数为加权系数来考虑结构中各个模态贡献的相对大小。利用弯剪耦合简化模型对强度指标与最大层间位移之间的相关性进行参数分析,得到最优组合项数与结构基本周期之间的双线性关系。基于两组各30条的远场地震动和近场脉冲型地震动,以四座建筑结构为分析模型进行了验证。结果表明,该地震动强度指标具有相对较高的有效性、充分性以及调幅鲁棒性。(2)针对超高层建筑提出了适用于评估结构损伤的基于谱速度考虑高阶振型的组合型地震动强度指标。基于两个典型的框架核心筒超高层建筑,分析了各谱值与最大层间位移角、最大楼面加速度的相关性,发现了地震动谱速度在长周期段与结构响应相关性优于谱加速度和谱位移的特性,并据此提出了基于谱速度组合型地震动强度指标。通过参数分析给出了此地震动强度指标的最优组合项和组合系数。基于远场地震动和近场脉冲型地震动,从有效性、充分性、相对充分度和调幅鲁棒性的角度验证了该地震动强度指标在超高层建筑中的适用性。(3)对比分析了标量型地震动强度指标在评估加速度敏感型非结构构件需求指标峰值楼面加速度(PFA)和楼面加速度反应谱(FARS)时的有效性和充分性。基于远场地震动和近场脉冲型地震动作用下的两个典型超高层建筑,分析了各地震动强度指标在预估非结构构件需求指标时的适用性。从有效性和充分性角度来看,适用于FARS与PFA的地震动强度指标截然不同。对于FARS来说任何情况下并没有一种指标能够在震级M和震中距R方面均表现出充分性。对于PFA和FARS,所选取的远场地震动和近场脉冲型地震动对于选择合适的地震动强度指标有很大的影响,此外,所考虑楼层的位置也是一个影响因素。(4)基于考虑偶然不确定性和认知不确定性两种不同方法,即平均法和置信水平法,推导了基于倒塌易损性曲线和基于风险的CMR可接受值计算表达式。据此给出了适用于中国规范的CMR可接受值。与平均法相比,采用置信水平法时可以给出针对特定抗震目标的具有不同置信水平的CMR可接受值。当结构参数设定为中值时,采用平均法计算的CMR可接受值只具有50%置信水平。同等条件(不确定性系数和置信水平)下,基于倒塌易损性曲线的CMR可接受值要小于基于风险的CMR可接受值。(5)以超高层建筑结构为基本研究对象,基于条带分析法和一次二阶矩方法,进行了考虑建模不确定性的地震倒塌风险评估。通过分析确定了条带分析法中的最优地震动水平,给出了超高层建筑抗倒塌能力对8个主要参数的敏感度,计算了建模不确定性系数,并考察了双向地震动刻画方式以及地震动强度指标的选取对偶然不确定性的影响。结果表明,在超高层建筑中源于建模参数的不确定性对抗倒塌能力的影响可忽略不计;而偶然不确定性也就是地震动引起的变异性起到决定性作用;选择合适的地震动强度指标可明显降低偶然不确定性。
【图文】：

示意图,地震工程,方法,置信水平

塌概率ＦＥＭＡＰ６９５［１３］建立了一种评估建筑规范设计规定的－致方法，以确保结构最逡逑小的倒塌安全，给出的倒塌安全储备系数（Ｃｏｌｌａｐｓｅ邋Ｍａｒｇｉｎ邋Ｒａｔｉｏ，邋ＣＭＲ）提供了一种简洁逡逑直观地评估结构倒塌安全能力的途径，其中ＣＭＲ定义为中值倒塌强度与大震强度的比逡逑值。基于ＣＭＲ的评价方法一经提出受到了各国研究者的青睐，，得到了广泛的应用１｜４＿１７］。逡逑结构的抗震设计应该具有充分的置信水平来保证其不倒塌。在ＦＥＭＡ３５０［１８］报告中，逡逑从结构整体表现上建议立即使用（１０）和防止倒塌（ＣＰ）两个性能目标应该分别具有５０％和逡逑９０％的最小置信水平。Ｙｕｎ等提出了一种基于性能的钢框架抗震性能评估程序，使设逡逑计人员能够估算出满足性能目标的置信水平。通过应用此评估方法，可进一步在设计和逡逑分析过程允许明确实现不同性能目标的置信水平［２（）￣２２１。另有研究者给出了具有不同置信逡逑水平的结构年倒塌概率或某地震动水准下的倒塌概率的计算过程［？２６１。然而，目前并没逡逑有建立起计算具有特定置信水平ＣＭＲ可接受值的方法。因此，本文将针对特定抗震设逡逑防类别的结构建立具有不同置信水平ＣＭＲ可接受值的计算方法，从而满足不同的抗震逡逑设计需要，进一步基于此进行考虑建模不确定性的超高层建筑结构地震倒塌风险评估，逡逑并考虑地震动强度指标和双向地震动刻画方式的影响。逡逑

曲线,平均法,置信水平,不确定性

逦逦逡逑定性（记作如）反映了在结构分析中对所采用的数学模型和工具的认知不足，这其中也涵逡逑盖了结构在建造阶段人为误差引起的不确定性。总认知不确定性可以将多种不确定性通逡逑过平方和开平方的形式组合得到。ＦＥＭＡＰ６９５１１３］中将倒塌不确定性分为四种，也就是地逡逑震动记录不确定性0５ｒｔＲ）、设计要求不确定性（／？ｄｒ）、试验数据不确定性0３ｔｄ）以及建模不逡逑确定性，后三种可以划归为认知不确定性。逡逑目前在基于概率的性能评价中，将偶然不确定性和认知不确定性结合到结构的极限逡逑性能评价中（比如倒塌易损性曲线，如图１．３所示）的方法有两种，一种是平均法（Ｍｅａｎ逡逑Ｅｓｔｉｍａｔｅｓ邋Ａｐｐｒｏａｃｈ），另外一种是置信水平法（Ｃｏｎｆｉｄｅｎｃｅ邋Ｉｎｔｅｒｖａｌ邋Ｍｅｔｈｏｄ）丨２ｊ＇２４」４］。在这两逡逑种方法中，均假定偶然不确定性与认知不确定性是相互独立的［２３１，本文未考虑通过基于逡逑蒙特卡洛方法直接将认知不确定性代入到分析中的情况［９８，９９１。平均法是将两类不确定性逡逑通过平方和开平方的形式结合在一起，这种方式只改变倒塌易损性曲线的对数标准差，逡逑不改变中值倒塌强度。置信水平法将偶然不确定性与认知不确定性分别考虑，通过假定逡逑中值倒塌强度的概率分布函数可以得到具有不同置信水平的中值倒塌强度。逡逑＾￣
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU973

【参考文献】