广东顺健规划设计研究院有限公司摘要：随着国民生活质量的提升，其对于高层建筑的需求也逐渐增加。但受高层建筑结构的影响，其在地震时，因自振周期较长，可能会造成建筑结构非常严重的损坏。因此，切实掌握地震规律，提前做好高层建筑结构防震准备显得迫在眉睫。本文主要围绕非线性地震在高层建筑结构中的反应进行了探讨分析，旨在为相关工作人员后续研究的开展提供一些参考意见。
关键词：非线性；地震反应；高层建筑结构；研究分析
前言
现阶段，我国科学信息水平的增长及国民对于生活质量需求的提高，使得越来越多高层建筑、大型建筑物以及跨度大的桥梁等建筑应用范围越来越广泛[1]。但这种高层建筑因自身结构原因使自振性周期相较其他普通建筑而言，非常的长，因此造成了抗震困难。因此明确高层结构在不同类型地震情况下的反应规律，对于做好防震预期准备显得尤为重要。
1.非线性地震反应在高层建筑结构中的分析的重要性
地震作为一种突发的，具有不确定必因素的地质运动，受到了越来越多专业人士与学者的关注和重视。并且，其特性复杂，震源、震中距和实际场所环境或地质条件等影响而产生不同程度的损失。在此期间，振动周期较长的地震活动会对高层建筑结构造成严重影响，进而使其出现不稳定、下沉以及坍陷等现象。对此，我国国内开始涌现出大量的学者对长周期的地震震动规律与特性进行研究与分析[2]。除此之外，地震的反应谱也是相关学者需要着重研究的重要问题。并且地震作用下高层结构也会出现不同的反应，但受我国相关技术的限制，现代高层建筑结构中抗震设计中，并未对长周期地震振动进行科学有效的制定与说明，存在非常明显的不足之处，已经对日前进步与发展的高层或超高层建筑安全可靠性造成了严重威胁。
对此，详细了解并掌握高层建筑结构非线性地震下的反应规律，可使高层建筑在结构设计初期便做好预防准备，减少因地震振动周期长所引发的重大灾难，进而提高高层建筑或超高层建筑结构稳定性并延长其使用寿命。
2.非线性地震反应规律研究理论与方法论述
为详细了解并掌握高层建筑结构非线性地震下的反应规律，可通过从世界地震记录中选取两个比较鲜明的地震波作为本文所研究的对象，在此期间，必须保证所采取的地震波周期信息的全面性与丰富性。首先对其进行时-频 特性分析，然后以某高层建筑结构作为研究对象，通过对其建立一个有限元数值模型，推算出其在不同类别地震发生情况下的动力响应。
2.1OHHT原理分析
在地震波中，其原始信号x通常采用EMD方式进行分解与研究，进而获得有限个IMF分量，之后可采用希尔伯特变换式进行计算，最终得到希尔伯特谱，这即是OHHT原理应用的主要思路[3]。在这一过程中，对任一正交化IMF分量C（t）进行Hilbert变换的如下所示：
（1）
在（1）式中，P代表了柯西主值；t则作为时间变量；π代表时间步长。借助这些简单的构造对IMF进一步实施希尔伯特变换，利用频率-时间进行显示，得到了原始信号x（t）的希尔伯特谱H（w，t）：
（2）
在（2）式中，aj（t）代表瞬时幅值，而wi（t）则为瞬时频率。
其中，H（w，t）相较而言，其局部分辨率较强，且能够鲜明地将时间与频率上的原始信号的幅值变化进行充分、全面的表述。除此之外，其还具备自适应强，无能量泄露，应用范围较广泛等优势。
1.2高层建筑结构弹性本构模型选择
对基于应力-应变的结构弹塑性本构模型对混凝土、钢筋材料分别进行等效的处理，并且在对其进行数值模拟期间，材料强度的特征要服从von Mises屈服条件。在主应力空间内von Mises屈服面及双线性等向硬化模型的应力-应变曲线形状图，具体如下所示：
图1 双线性等向硬化模型
von Mises准则的屈服条件公式定义如下：
（3）
在公式（3）中，y（Ha）代表单轴屈服应力，而j2则为第二不变应力偏量，正因为此，所以将等效应力表达为
。
在上述公式（3）的变量计算公式中，y（Ha）、弹性模量E、泊松比
，屈服后的切线模量为Et。
2.地震波的选取与频谱特性分析
本次研究分析中，为充分体现出不同类型地震波对高层建筑结构地震反应的不同影响，因此采取了较为著名、且典型的长周期信息地震波进行分析。另外，还选取了两条较为普遍的地震波用于对比[4]。其地震波加速度时程图具体如下所示：
图2 4条地震波加速度时程图
图3 4条地震波的时-频谱
由图3所示的三维图可以看出，这个时-频谱中，所选取的2条较为鲜明且典型的长周期地震波的时-频分布与另外两条相较普通的地震波的时-频谱具有非常明显的差异性：2条长周期的地震波在低频段时会发出较为强烈的能量，并且其分布非常的集中，无超过5HZ的成分的成分；而2条相对普通的地震波其所散发出的能量频率成分则较多，并且分布范围在0~15HZ范围内。比较其时域分布，2条长周期地震波能时域能量分布较散落，且作用时间比较长，其在60少之后会出现出现大量的低频成分；而另外两条相对普通的地震波时域能量则比较集中，作用时间相对较短，且在30秒后，其基本无任何明显能量分布。
3.不同类型地震波作用下高层建筑结构非线性地震反应
根据相关建筑抗震规章制度中所明确所明确的标准，抗震期间在遇到罕见地震时，需要分别将输入地震加速度激励的幅值进行科学合理的调整[5]。
图4 高层建筑结构的加速度峰值放大系数图
图5 高层建筑结构位移包络图
由图4可以看出，长周期地震波作用在高层建筑结构上时，其各层加速度放大系数呈现出随楼层增大而升高的模式。且由图5可得知，不同类型地震波对于高层建筑结构楼层的位移最大值、楼层间位移角，其变化随楼层升高而趋于一致，但是明显可以得知，长周期的地震波相较普通的地震波而言，其对于高层建筑结构地震振动响应的影响要大。
并且不同地震波对高层建筑结构加速度和位移的响应敏感度存在差异，由上图可以得知，高层建筑结构的位移响应敏感度较多集中于长周期地震波。
结束语
由上可知，在高层建筑结构中，其对不同类型地震波的过滤作用存在显著差异，且较多集中在长周期地震波上。与此同时，高层建筑结构顶层响应的能量相比较其他楼层要更加集中，且重点位于低频0~3HZ。而普通地震波对于高层建筑结构顶层反应的能量则比较分散，从0~9HZ范围呈现逐步递减趋势。进而可以明显体现出高层建筑结构在长周期地震波作用情况下，其非线性程度更为剧烈，并且滞回性耗能效果更加剧烈，刚度降低更为明显。对此，在掌握非线性地震反应对高层建筑结构的实际影响后，需提前做好防范措施，进而保证居民的生命财产安全，延长高层建筑结构使用寿命，促进社会经济建设得到进一步发展。
参考文献：
[1]吕西林，姜淳，蒋欢军.超高层建筑结构benchmark模型的地震损伤分析[J].建筑结构学报，2016，37（09）：1-7.
[2]马晓丽，徐朝辉.高层建筑结构地震失效模式优化及损伤控制研究[J].科技视界，2015，（30）：137.
[3]吕西林，姜淳，蒋欢军.超高层建筑结构benchmark模型及其地震反应分析[J].结构工程师，2015，31（04）：100-107.
[4]杜轲，孙景江，丁宝荣，刘仲伟.显式分析方法在高层建筑弹塑性地震反应分析中的适用性研究[J].地震工程与工程振动，2015，35（04）：85-93.
[5]杜轲，丁宝荣，孙景江.基于修正力插值纤维单元的汶川地震典型高层建筑震害模拟[J].工程力学，2015，32（S1）：191-195.
论文作者:蔡耀斌
论文发表刊物:《基层建设》2018年第6期
论文发表时间:2018/5/25
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