清华大学综合论文训练

题目：地下结构对超高层建筑抗震性能的影响分析

姓名：李梦珂
指导教师：叶列平，陆新征
2012年

摘要：超高层建筑的抗震安全问题受到全世界的广泛关注，土－结相互作用是抗震研究的一个重要方向，开展地下结构对超高层建筑适用性和安全性等抗震性能的影响研究具有重要意义。
本文在采用二维和三维地下结构精细化模型计算出地下结构转动刚度的基础上，以上海中心为对象，将地下结构简化为结构底部的线性转动弹簧。通过非线性动力时程分析，比较底部固定结构与底部设置转动弹簧结构在八度大震下的响应，以评价地下结构对上海中心适用性的影响。分析表明，考虑地下结构后，上海中心的基本周期显著延长，地震作用下上海中心的峰值剪力和峰值弯矩减小，结构的最大加速度、最大速度和最大层间位移角减小。但有些楼层的加速度、速度和层间位移角会增大，若设计不当，也可能存在安全隐患。不同刚度的地下结构对上海中心最大位移的影响不同，设置刚度为3.0×1014 N?m的转动弹簧后最大位移增大，设置刚度为4.36×1013 N?m和2.72×1013 N?m的转动弹簧后最大位移减小，这与结构周期的改变及地震动的频谱特性有关。考虑地下结构后，上海中心重心的位移增大，导致重力二阶效应增大，故需在结构分析和设计中给予充分考虑。
通过单调增加地震动峰值加速度(PGA)，对具有不同地下结构转动刚度的上海中心模型进行IDA分析，获得结构倒塌时的地震动强度及破坏模式，以评价地下结构对上海中心抗震安全性的影响。考虑地下结构后，会影响上海中心倒塌时的地震动强度，但对倒塌模式没有影响。不同性质的地下结构对倒塌地震动强度的影响不同，将地下结构简化为刚度为3.0×1014N?m的转动弹簧，上海中心的倒塌PGA降低0.2g；将地下结构简化为刚度为2.72×1013N?m的转动弹簧，倒塌PGA没有发生改变，结构倒塌时间略微延后。考虑地下结构的影响可能使上海中心在更低的地震动强度下发生倒塌，应当引起结构设计人员的关注。
此外，以6个结构的IDA计算结果为基础，分析了不同地震动强度指标预测结构倒塌地震动水平的离散性。分析表明，PGV指标的离散性比其他指标显著偏小，是比较理想的单一地震动强度指标。
研究结果表明，地下结构的影响不可忽略，地下结构会使上海中心有些楼层的位移、加速度、速度、层间位移角增大，使结构的重力二阶效应增大，并且有可能使结构在更低的地震动强度下发生倒塌。因此地下结构可能会对超高层建筑抗震性能产生不利影响，需在结构分析和设计中给予充分考虑。

关键词：地下结构；超高层；适用性；安全性；地震动强度指标