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日本东海大地震研究:某大跨结构及高层结构在日本东海9.0级大地震MYG004地震动下的弹塑性响应分析

(2011-03-26 20:47:07)
标签:

日本

地震

倒塌

分类: 结构与有限元

某大跨结构及高层结构在日本东海9.0级大地震MYG004地震动下的弹塑性响应分析

清华大学 土木水利学院 防灾减灾研究所/结构工程研究所

陆新征 叶列平 卢啸 等

2011年3月26日

1. 地震动概述

本次分析中采用了日本东海地震中MYG004台站记录的南北分量,其PGA约为2.9g,选取能量集中段120s,其加速度时程和5%阻尼比对应的弹性反应谱分别如图1和图2所示。

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图1 MYG004南北方向地震动记录加速度时程

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图2 MYG004南北方向地震动记录5%阻尼比弹性反应谱

2. 某大跨结构地震弹塑性响应

某大跨结构的有限元模型如图3所示,其前3阶周期及模态特性表1所示。

表1 某大跨结构前3阶周期及模态特性

 

T1

T2

T3

周 期(s)

1.10

0.99

0.95

模态特性

Y向一阶平动为主

X向一阶平动为主

一阶扭转

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图3 某大跨结构有限元模型

进行地震弹塑性响应分析时,将MYG004南北方向地震动记录沿x轴单向输入,PGA保持初始值为2.9g,结构x方向一阶平动周期对应的谱加速度值约为0.83g(中国规范八度罕遇约为0.91g),如图2所示。在地震动记录的120s持时中,结构并没有发生倒塌,其最大顶点位移约为659mm,顶点位移时程如图4所示,显然,结构在振动过程中偏向了x轴负方向,产生了约428mm的残余位移;结构的最大楼层位移如图5所示,最大层间位移角分布如图6所示,显然,最大层间位移角约为0.0324,集中出现在第2层,变形能力超过了规范1/50的要求,但由于该结构第二层采用了钢管混凝土或钢骨混凝土柱,变形能力较好,结构并没有发生倒塌。

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图 4 某大跨结构顶点位移时程

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图5 最大楼层位移分布

图6 最大层间位移分布

3. 20层框架核心筒结构响应结果

该框架核心筒结构的有限元模型如图7所示,结构的前3阶周期及模态特性如表2所示。显然由于裙房的存在,结构存在一定的扭转。

表2 20层框架核心筒结构前3阶周期及模态特性

 

T1

T2

T3

周 期(s)

2.25

2.02

1.63

模态特性

Y向一阶平动加扭转

X向一阶平动加扭转

一阶扭转

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图7 20层框架核心筒结构3D有限元模型

将MYG004南北方向地震动记录沿结构x轴单向输入,PGA为2.9g,结构x方向一阶平动周期对应的谱加速度值约为0.57g(中国规范八度罕遇约为0.52g),如图2所示。由于结构扭转效应比较明显,顶点X、Y向的位移时程如图8-9所示,X向的顶点最大位移约为1061mm,Y向顶点最大位移约为719mm;结构X、Y向的楼层最大位移分布以及最大层间位移分布如图10-13所示,X向的最大层间位移角为1/56,出现在第13层位置,Y向的最大层间位移角为1/88,出现在第12层的位置,均大于规范1/100层间位移角的要求,核心筒剪力墙部分受到一定损伤,但是框架等发挥了二道防线的作用,结构未发生倒塌。

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图 8 X向顶点水平位移时程曲线

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图9 Y向顶点水平位移时程曲线

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图10 X向最大楼层位移分布

图11 X向最大层间位移角分布

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图12 Y向最大楼层位移分布

图13 Y向最大层间位移角分布

4. 小结

日本东海9.0级地震MYG004地震动虽然PGA和反应谱峰值极高,但是其在周期T>0.2s后衰减极快,在周期T>0.7s后与我国规范的八度罕遇地震动强度相比已无明显差别。这或许可以帮助解释为何该地震波峰值惊人但日本房屋损失比较有限。

附件:

1 大跨结构地震响应动画 2 高层结构地震响应动画

日本东海大地震研究:某大跨结构及高层结构在日本东海9.0级大地震MYG004地震动下的弹塑性响应分析

日本东海大地震研究:某大跨结构及高层结构在日本东海9.0级大地震MYG004地震动下的弹塑性响应分析 

感谢日本东京工业大学曲哲博士,日本京都大学林旭川同学提供有关资料。

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