清华大学工学博士学位论文

题目：超高巨柱－核心筒－伸臂结构地震灾变及抗震性能研究

姓名：卢啸
指导教师：叶列平，陆新征
2013年

摘要：近年来，我国在地震区修建了大量超高层建筑，使得超高层建筑的抗震性能成为工程界和学术界共同关注的热点。超高巨柱－核心筒－伸臂结构是近年来在超高层建筑中应用较多的一种结构形式。本文以632 m的上海中心大厦这一典型的超高巨柱－核心筒－伸臂结构为基本研究对象，对其在特大地震下的动力灾变和抗震性能展开了系列研究，重点研究了其在特大地震下的动力灾变模拟、合理的地震动强度指标的选取、地震耗能分布规律以及最小地震剪力系数对超高巨柱－核心筒－伸臂结构抗震性能的影响等关键问题，取得了如下的主要研究成果：
（1）提出了超高巨柱－核心筒－伸臂结构在特大地震下的倒塌灾变过程模拟方法。以上海中心大厦为基本研究对象，利用通用有限元程序MSC.Marc 2007建立了合理的有限元模型；并利用基于材料本构层次的生死单元子程序，成功实现了超高巨柱－核心筒－伸臂结构在特大地震下倒塌灾变过程的模拟，为研究其在强震作用下的损伤演化规律和倒塌灾变机理提供了基础。
（2）提出了适用于超高层建筑抗震分析用的地震动强度指标。通过对现阶段常用地震动强度指标的分析，结合超高层建筑地震响应中高阶振型影响显著的特点，提出了形式简便的基于弹性反应谱加速度几何平均值的地震动强度指标，并通过大量算例的时程分析，回归得到了指标中关键参数的合理取值，为减小超高层建筑地震响应预测结果的离散性提供了参考。
（3）研究了超高巨柱－核心筒－伸臂结构的地震耗能分布规律。通过对上海中心大厦在不同地震动强度下的时程分析，统计得到了地震耗能分布规律。结果表明：上海中心大厦的地震输入能量主要由结构本身阻尼耗散，塑性滞回耗能则主要集中在结构的上部4个节段，其中伸臂桁架是最主要也是最理想的塑性耗能构件；通过在伸臂桁架上附加粘滞阻尼器，可减轻高阶振型引起的上部节段的损伤程度，使结构侧向变形更加均匀，为超高层建筑的损伤控制提供参考。
（4）讨论了最小地震剪力系数对超高巨柱－核心筒－伸臂结构抗震性能的影响。以8度区的假想超高层建筑结构为例，在设计条件完全相同的条件下，按照三种不同的最小地震剪力控制方案设计了三个相应的超高层建筑模型，并基于弹塑性时程分析和倒塌分析，讨论了最小地震剪力系数对超高巨柱－核心筒－伸臂结构抗震性能的影响，为进一步完善超高层建筑设计方法提供了依据。

关键词：超高巨柱－核心筒－伸臂结构；地震动强度指标；灾变模拟；耗能规律；最小地震剪力系数