1、第三章 超高層建筑的抗風抗震設計7/17/20221第三節 地震作用3.1 地震作用的特點3.2 抗震設防準則及基本方法3.3 抗震計算理論3.4 設計反應譜3.5 水平地震作用計算3.6 豎向地震作用3.7 實例 金茂大廈7/17/202223.1 地震作用的特點地震波傳播產生地面運動，通過基礎影響上部結構，上部結構產生的振動稱為結構的地震反應，包括加速度、速度和位移反應。由于地震作用是間接施加在結構上的，不應稱為地震荷載。地震波可以分解為6個振動分量：兩個水平分量，一個豎向分量和3個轉動分量。（1）大多數結構的設計計算主要考慮水平地震作用。（2）8度、9度抗震設計時，高層建筑中的大跨度和長

2、懸臂結構應考慮豎向地震作用。（3）9度抗震設計時應計算豎向地震作用。7/17/20223建筑本身的動力特性對建筑物是否發生破壞以及破壞程度也有很大的影響。建筑物動力特性是指建筑物自振周期、振型與阻尼，它們與建筑物的質量和結構的剛度有關。質量大、剛度大、周期短的建筑物在地震作用下慣性力較大；剛度小、周期長的建筑物位移較大，但慣性力較小。特別是當地震波的卓越周期與建筑物的自振周期相近時，會引起類共振，導致結構的地震反應加劇。7/17/20224自振周期:是結構本身的動力特性。與結構的高度H,寬度B有關。當自振周期與地震作用的周期接近時,共振發生,對建筑造成很大影響，加大震害。特征周期：是建筑場地自

3、身的周期，抗震規范中是通過地震分組和地震烈度查表確定的。” 7/17/202253.2 抗震設防準則及基本方法1抗震設防的3水準目標我國房屋建筑采用3水準設防目標，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。小震指該地區50年內超越概率約為63%的地震烈度，即眾值烈度，又稱多遇地震；中震是指該地區50年內超越概率為10%的地震烈度，又稱基本烈度或設防烈度；大震是指該地區50年內超越概率為2%3%的地震烈度，又稱罕遇地震。7/17/202262抗震設計的兩階段方法第一階段為結構設計階段。在初步設計及技術設計時，就要按有利于抗震的做法去確定結構方案和結構布置，然后進行抗震計算及抗震構造設計。在此階段，用相

4、應于該地區設防烈度的小震作用計算結構的彈性位移和構件的內力，并進行結構變形驗算，用極限狀態方法進行截面承載力驗算，按延性和耗能要求進行截面配筋及構造設計，采取相應的抗震構造措施。第二階段為驗算階段。一些重要的或特殊的結構，經過第一階段的設計后，要求用與該地區設防烈度相應的大震作用進行彈塑性變形驗算，以檢驗是否達到了大震不倒的目標。7/17/202273抗震設防范圍我國現行的建筑抗震設計規范（GB 500112001）規定，在基本烈度為6度及6度以上地區內的建筑結構，應當抗震設防。現行抗震規范適用于設防烈度為69度地區的建筑抗震設計。10度地區建筑的抗震設計，按專門規定執行。我國設防烈度為6度和

5、6度以上的地區約占全國總面積的60%。7/17/202283.3 抗震計算理論計算地震作用的方法可分為靜力法、反應譜方法（擬靜力法）和時程分析法（直接動力法）3大類。我國抗震規范要求在設計階段按照反應譜方法計算地震作用，少數情況下需要時程分析法進行補充計算。規范要求進行第二階段驗算的建筑也是少數，第二階段采用彈塑性靜力分析或彈塑性時程分析方法。7/17/202291反應譜理論反應譜理論是采用反應譜確定地震作用的理論。反應譜是通過單自由度彈性體系的地震反應計算得到譜曲線。如圖35所示的單自由度彈性體系在地面加速度運動作用下，質點的運動方程如下：7/17/2022107/17/2022112直接動

6、力理論（時程分析法）時程分析法是一種動力計算方法，用地震波（加速度時程）作為地面運動輸入，直接計算并輸出結構隨時間而變化的地震反應。它既考慮了地震的振幅、頻率和持續時間3要素，又考慮了結構的動力特性。計算結果可以得到結構地震反應的全過程，包括每一時刻的內力、位移、屈服位置、塑性變形等，也可以得到反應的最大值，是一種先進的直接動力計算方法。7/17/2022123.4 設計反應譜1反應譜曲線我國制定抗震規范規定的反應譜時，收集了國內外不同場地上255條7度以上（包括少部分6度）的地震加速度記錄，計算得到了不同場地的 譜曲線，經過處理得到標準 譜曲線，計入 值后形成 譜曲線，即規范給出的地震影響系

7、數曲線，如圖37所示。由圖可見，確定結構地震作用大小的地震影響系數 值分為4個線段，其直接變量為結構自振周期 ，由 計算 值，代入下計算地震作用。7/17/202213地震影響系數； max地震影響系數最大值；衰減指數；1直線下降段的下降斜率調整系數；2阻尼調整系數；T結構自振周期；Tg場地特征周期。7/17/202214為地震影響系數，是多次地震作用下不同周期T，相同阻尼比的理想簡化的單質點體系的結構加速度反應與重力加速度之比，是多次地震反應的包絡線，是所謂標準反應譜或平均反應譜。它是兩項的乘積即地震系數k（地震動峰值加速度與重力加速度之比）和結構物加速度的放大倍數（結構反應加速度反應譜 與

8、地震動最大加速度 之比）。：地震影響系數，（T）=S a（T）=K （T）， S a（T）為加速度設計反應譜，K為地震系數K=a/g，（T）為放大系數譜。 7/17/2022152影響地震反應系數的因素場地特征周期Tg，與場地類型（土的軟硬及覆蓋層厚度）及地震分組（震中距的影響）有關。結構自振周期T由三種方法確定。其中經驗法的確定如下圖。結構的阻尼比 ：阻尼是結構的動力特性之一，是描述結構在振動過程中某種能量耗散的術語 。鋼結構的阻尼比一般在0.010.02之間，鋼筋混凝土結構的阻尼比一般在0.030.08之間 。7/17/202216場地卓越周期：地震波在某場地土中傳播時，由于不同性質界面多

9、次反射的結果，某一周期的地震波強度得到增強，而其余周期的地震波則被削弱。這一被加強的地震波的周期稱為該場地土的卓越周期。結構自振周期：自振周期是結構的動力特性之一。單質點體系在諧波的作用下，都會按一定形狀作同頻率同相位的簡諧運動，其相應的周期就稱為自振周期。當建筑物的自振周期與場地土卓越周期接近時，其地震反應就大，反之則小。設計特征周期Tg：抗震設計用的地震影響系數曲線中，反映地震震級、震中距和場地類別等因素的下降段起始點對應的周期值，應根據其所在地的設計地震分組和場地類別確定。當結構的自振周期超過設計特征周期時，地震作用就會隨其自振周期的增大而減小。當結構的自振周期小于0.1s時，地震作用會

10、隨其自振周期的增大而急劇增大。實際的建筑結構的自振周期大都會大于設計特征周期，但一般不大于6.0s。7/17/2022177/17/2022183.5 水平地震作用計算我國抗震規范規定，設防烈度為6度以上的建筑物必須進行抗震設計。而對于7、8、9度以及6度設防的類場地上的較高建筑應計算地震作用。計算時要通過加速度反應譜將地震慣性力處理成等效水平地震荷載，按x、y兩個方向分別計算地震作用。具體計算方法又分為反應譜底部剪力法和反應譜振型分解法兩種方法。在少數情況下需采用彈性時程分析方法作為補充計算。7/17/202219反應譜底部剪力法 結構底部總剪力標準值為：等效地震荷載在各樓層的分布：各樓層剪

11、力7/17/2022203.6 豎向地震作用在設防烈度為8度、9度的大跨度梁及懸臂結構中，應考慮豎向地震作用，它會加大梁內彎矩及剪力；設防烈度為9度的高層建筑，應考慮豎向地震作用，豎向地震作用會引起豎向軸力。豎向地震作用可以用下述方法計算。結構豎向地震作用標準值：7/17/2022213.7 實例 金茂大廈7/17/2022227/17/202223按鋼筋混凝土高層建筑結構設計與施工規范對位移的限值如下：頂點位移H/700層間位移h/650該限值是針對鋼筋混凝土高層建筑所提出的要求，而金茂大廈是一幢鋼筋混凝土和鋼的組合結構，限值應放寬要求。由表314可見，在常遇地震情況下，即使按等效靜力法，其

12、位移也已經滿足要求，即：頂點位移：H/845H/700層間位移：h/750h/650如按地震反應譜法或時程分析法，則實際位移大大低于中國規范所規定的限值。7/17/202224廣州新電視塔振動臺試驗:高610米，由高450米的主塔和高160米的天線桅桿構成。塔體由橢圓型鋼結構外筒和混凝土核芯筒以及連接這兩者的鋼-混凝土組合結構樓面組成。鋼結構外筒由24條斜向立柱、水平斜向環和斜撐組成。底層長短軸尺寸分別為80米和60米，頂部為50米和45米，中部“纖纖細腰”為27.5米和20.65米。底部和頂部軸心位置不重合，中軸線傾斜。桅桿天線為鋼結構。建成后將是世界第一高塔。 7/17/202225第四節

13、（超）高層建筑的抗風減震裝置隨著結構抗震技術的不斷發展，以隔震、減震、制振技術為特色的結構控制設計理論與實踐不斷發展起來。隔震，是通過某種隔離裝置將地震動與結構隔開，以達到減小結構振動的目的。隔震方法主要有基底隔震和懸掛隔震等類型。減震(吸振），是通過采用一定的耗能裝置或附加子結構吸收或消耗地震傳遞給主體結構的能量，從而減輕結構的振動。減震方法主要有耗能減震、吸振減震、沖擊減震等類型。狹義的制振技術又稱結構主動控制。它是通過自動控制系統主動地給結構施加控制力，以期達到減小結構振動的目的。7/17/2022264.1 隔振原理與技術建筑物隔震主要采用基底隔震方法（base isolation s

14、ystem）。基底隔震的基本思想是在結構物地面以上部分的底部設置隔震層，使之與固結于地基中的基礎頂面分離開，從而限制地震動向結構物的傳遞。原理： （1）延長結構的自振周期 （2）增加結構的阻尼 7/17/202227周期增大，則地震影響系數減小。阻尼C 增大，則地震反應減小。7/17/2022287/17/202229隔震橡膠支座(The laminated rubber bearing)隔震系統7/17/202230圖312 建筑隔震支座施工7/17/2022317/17/2022324.2 耗能減震原理與技術耗能減震是利用耗能構件消耗地震傳遞給結構的能量的減震手段。地震時輸入結構一定的能量

15、。耗能裝置耗散的能量越多，則結構本身需要消耗的能量就越小，這意味著結構地震反應的降低。另一方面，從動力學的觀點看，耗能裝置的作用，相當于增大了結構的阻尼，而結構阻尼的增大，必將使結構地震反應減小。在風和小震作用下，耗能裝置應具有較大的剛度，以保證結構的使用性能。在強烈地震作用時，耗能裝置應率先進入非彈性狀態，并大量消耗地震能量。有試驗表明，耗能裝置可做到消耗地震總輸入能量的90%以上。 7/17/2022337/17/2022347/17/2022357/17/2022367/17/2022377/17/202238北京通用時代1#樓，四角采用鋼支撐，是結構體系中的主子結構，其抗震設防目標要求

16、在中震下基本處于彈性，但其中的支撐采用UBB耗能阻尼器，采用Q235鋼材。作為結構中起耗能作用的次要構件（耗能構件）通常要求先于主體結構屈服（如連梁），可采用低屈服強度和高延性鋼材，以保證結構在意外事件作用下塑性滯回耗能作用。 實例17/17/202239實例2 墨西哥市長大樓 這座塔樓由雷哈曼集團（REICHAMAN）承建，前后花了4年半時間，塔樓高米，共層，總投資逾.億美元。 該塔樓占地面積超過.萬平方米，坐落在墨西哥首都市中心的主要干 道一側。7/17/2022402003年1月21日墨西哥地震7.6 級地震 ，引起墨西哥城大面積振動，造成2700個結構倒塌或嚴重破壞、13000座結構遭

17、到破壞，但安裝了泰勒公司阻尼器的Torre市長大廈在震后觀測中顯示沒有任何破壞！7/17/202241拉丁美洲的第一高塔是一座寫字樓，位于世界上最活躍的一個地震帶上,由最新的反地震技術包裹著的主體結構于2003年8月完工，包括混凝土包圍的鋼柱、抗彎構架和阻尼追加系統，很多都借鑒了解密的軍用飛機震動緩沖技術。當地震襲來時，這些系統可以一起來緩沖晃動，讓里面的人成功地躲過災難。這個系統在2003年1月就提前進行了試驗，當時墨西哥城遭受了一次7.6級的地震。盡管還沒有完全完工，建筑也沒有任何損壞。4顆“鉆石”傳統的建筑用X形主體結構來抗震，但這棟樓的鉆石型結構效率更高，它能達到4倍于傳統建筑的受壓能

18、力，而鋼材的用量卻有所減少。足夠堅固：樓層隔板把建筑外圍結構和鋼主體結構結合在了一起，這可以使所有建筑單元一起運動。減緩撞擊：粘性阻尼器就是個巨型減振器，安裝在建筑主體結構與外圍結構的斜支柱上。 7/17/2022424.3 被動調諧減振技術（吸振減震）7/17/2022437/17/2022447/17/2022457/17/2022467/17/2022477/17/202248圖320 臺北101風阻尼器實物圖7/17/202249風阻尼系統由8組90mm的高強度鋼索透過支架（Gradle）托住球體質量塊的下半部，而將660噸的載重懸吊支承于92層結構。支架周圍并設置8組主要油壓阻尼器（

19、Primary Viscous Damper）以達到消能減振之目的。直徑約5.5m的球體質量塊共由41層厚度為125mm的圓形鋼板分片吊裝至87層后電焊組合而成。各層鋼板的直徑為配合球體形狀約為2.15.5m。此外，為避免大風及大地震作用時質量塊擺幅過大，87樓夾層樓板上方另外使用緩沖鋼環（Bumper ring）及8組防撞油壓式阻尼器（Slumber damper）。一旦質量塊振幅超過1.0m時，質量塊下方的筒狀鋼棒（Bumper Pin）則會撞擊緩沖鋼環以減緩質量塊的運動。7/17/202250Tuned liquid (sloshing) damper7/17/202251Tuned liquid column damper to be used on Eureka tower building, Melbourne, Australia7/17/2022527/17/2022534.4 主動減震原理與技術主動控制是借鑒現代控制論思想而提出的一類振動控制方法，其設想是利用外部能源，在結構受地震激勵而