地震旋转运动对高层建筑的影响

王赟; 袁天然; 秦林鹏; 曹兢兢; 程磊

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2506738

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (14) :5777-5787 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2506738

天文学、地球科学

地震旋转运动对高层建筑的影响

王赟 ¹^,² ,
袁天然 ¹^,²^,^* ,
秦林鹏 ³ ,
曹兢兢 ¹^,² ,
程磊 ⁴

作者信息 +

Impact of Earthquake Rotational Motion on High-rise Buildings

WANG Yun ¹^,² ,
YUAN Tian-ran ¹^,²^,^* ,
QIN Lin-peng ³ ,
CAO Jing-jing ¹^,² ,
CHENG Lei ⁴

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摘要

随着高层建筑越来越多,地震中的旋转运动对高层建筑的影响成为地震工程领域研究前沿和社会关注的热点。尽管在理论分析、模拟和观测研究方面,领域对于高层建筑的地震平动响应有相对完备的认识,也获得了旋转响应的初步了解,但对地震旋转运动对高层结构的影响,尤其相比平动运动,旋转运动的贡献率等认知仍存在误区或盲区。通过系统调研中外相关研究,结合目前已开展的高层建筑地震动观测和数值模拟研究,在简要介绍地震旋转运动基本概念与理论、观测仪器、物理和数值模拟方法及其软件的基础上,通过分析实际观测资料,讨论了现有观测仪器精度、物理模拟和数值模拟的优缺点,以及现有认识的局限性;指出了现有地震旋转运动理论、方法技术研究和观测存在的不足;最后聚焦于数值模拟研究及其面临的问题,以期为高层建筑抗震性能设计和旋转地震学研究以及可能的交叉学科工程应用提供参考。

Abstract

With the increasing prevalence of high-rise buildings, the impact of seismic rotation on such structures has been recognized as a critical frontier in earthquake engineering and a subject of considerable societal concern. Although theoretical analyses, numerical simulations, and observational studies have provided a relatively comprehensive understanding of the translational seismic responses of high-rise buildings and preliminary insights into their rotational behavior, notable misunderstandings and knowledge gaps still remain regarding the influence of seismic rotation on structural performance, particularly in quantifying the contribution rate of seismic rotational components relative to translational ones. Relevant domestic and international research was systematically reviewed,and seismic motion observations and numerical simulation research of high-rise buildings conducted by the research team were integrated for analysis. Fundamental concepts and theories of seismic rotational motion were briefly introduced first, as well as related observational instruments physical and numerical simulation methods real-world observational data were analyzed to evalute the accuracy of existing instruments, the strengths and limitations of physical and numerical simulations, and the constraints of current observational conclusions. Deficiencies in the existing theories, technical methodologies and observational practices of seismic rotational motion were identified. Challenges in numerical simulation research were focused on finally, so as to provide references forthe seismic performance design of high-rise buildings, the development of rotational seismology, and the exploration of potential interdisciplinary engineering applications.

Graphical abstract

关键词

高层建筑 / 地震旋转运动 / 平动响应 / 抗震设计

Key words

high-rise buildings / seismic rotation / translational response / seismic design

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王赟, 袁天然, 秦林鹏, 曹兢兢, 程磊. 地震旋转运动对高层建筑的影响[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(14): 5777-5787 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506738

WANG Yun, YUAN Tian-ran, QIN Lin-peng, CAO Jing-jing, CHENG Lei. Impact of Earthquake Rotational Motion on High-rise Buildings[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(14): 5777-5787 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2506738

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根据连续介质固体力学理论,受力固体介质内任意质点的运动完备描述需要三部分:平动、旋转和变形^[1]。早在19世纪中叶,人们已经观测和认识到地震旋转运动的存在,并开始了观测仪器的研制以及观测分析与研究^[2],Ferrari^[3]曾对这一时期的研究有过一个相对完备的综述。但由于观测仪器的精度与灵敏度较差,以及大震近场观测的随机偶然性,更多人认为旋转运动能量很弱,可以忽略不计,致使近一百多年来地震学的研究始终以平动运动的观测为主^[4]。

国外对地震旋转运动的研究始于20世纪70年代,早期研究多基于平动分量的差分近似间接推算旋转分量^[5],但实际旋转分量可能比简单推算值大1或2个数量级^[6]。因此,传统线性弹性波动理论可能存在局限性,非线性动力学与场地效应的联合分析至关重要^[7]。旋转运动观测仪器的发展也经历了利用平动分量间接测量旋转分量到直接测量旋转分量的旋转地震仪研发,并直接推动了地震旋转运动观测的兴起^[8]。Bernauer等^[9]对2018年Kilauea火山口崩塌的旋转观测显示直接测量地震旋转运动有助于对倾斜的平动分量进行动态矫正。Bonkowski等^[10-11]的实际观测表明,绕水平轴的地震旋转运动对细高塔地震动响应贡献很大,且结构的共振响应与建筑物高度的关系呈非线性。Schreiber等^[12]也认为直接测量建筑物的旋转运动响应有助于认识结构变形,如层间漂移等。

中国在地震旋转运动方面的研究起步较晚,20世纪80年代,顾浩鼎等^[13]提出地震矩与旋转矩的关联,标志着中国相关研究的开始。大量的震害调查和力学分析显示旋转运动可能是引发建筑物破坏的主要原因^[14-15]。李宏男^[16]通过实验证实,旋转分量在近震中可导致结构地基剪应力显著增加,其贡献率随建筑高度与宽度比值增大而上升。近年来,随着仪器技术的进步,多所高校及科研机构开展了地震旋转运动的直接观测与数值模拟。严艳艳^[17]通过有限元分析发现,近断层脉冲型地震动作用下,旋转分量引起的结构定点加速度可达到平动分量的87%。因此,开展震源机制、传播路径、场地效应等多因素耦合作用的研究能够提高对地震旋转运动的系统性认识。

自20世纪60年代地震工程作为工程科学的一个独特领域出现以来,土木工程结构的抗震设计一直关注地震引起的动力响应。截至2025年,除欧洲规范8第6部分外^[18],中外实际结构的抗震设计中主要考虑的还是平动运动对结构的影响,而对旋转运动的影响极少考虑。而实际观测表明,高大、不对称的结构或不规则框架,如桥墩、细长的塔型结构、核反应堆、垂直不规则的建筑物,甚至发震断层附近的建筑等结构都会受地震旋转运动的影响^[19]。随着国际经济社会快速发展,高层建筑特别是超高层建筑数量显著增长,中国大陆地区在世界最高100栋建筑中占比已达50%以上^[20]。据世界高层建筑与都市人居学会(Council on Tall Buildings and Urban Habitat,CTBUH)发布的2024年高层建筑回顾报告显示,在世界2 521座200 m以上高层建筑中,有1 264座位于中国,且年竣工量持续领先。因此,面对如此庞大的高层建筑存量与增量,紧密关注高层建筑的结构健康监测已成为大家的共识。

近年来,随着旋转地震仪和六分量地震观测技术的快速发展,中国多个高校及科研机构开展了地震旋转运动的观测与模拟研究,但现有研究对高层建筑的复杂影响机制仍存在诸多争议,亟待深入探讨。为此,现系统梳理中外地震旋转运动对高层建筑影响的研究进展,结合观测技术与理论模型,剖析当前研究的关键问题,展望多学科交叉值得攻关的方向,以期为高层建筑的精细化抗震设计和地震旋转运动的研究提供参考。

1 地震旋转运动的基本理论及技术方法

1.1 旋转运动的定义

固体介质中,由地震动引起的空间中任一点运动状态有6个自由度^[21],刻画地震波在介质中传播时,除需要X向、Y向和Z向3个相互正交的平动分量(transitional components)外,还需要3个旋转分量(rotational components)。为便于结构抗震性能分析,类似于地震引起的平动运动,学者们将旋转运动分为绕X轴、Y轴和Z轴的3个转动分量ω_x、ω_y、ω_z,如图1^[22]所示。其中绕X轴和Y轴的旋转分量ω_x、ω_y被称为摇摆分量(rocking components),绕Z轴的旋转分量ω_z被称为扭转分量(torsional components)^[23]。

已有研究表明,旋转运动的3个分量来源不同,表现方式也不同:摇摆分量可能是由P波和SV波反射耦合的Rayleigh波引起,而扭转分量可能是由SH波和表面Love波引起^[24]。摇摆可能会对高层建筑或高塔结构产生显著的非保守地震效应,如图2所示,由此从工程角度来看旋转运动尤为重要。

1.2 地震旋转运动的间接求解

国外近半个世纪来关于地震旋转运动理论方法的研究一直延续未断,发展了一系列求解地震旋转分量的方法。其中间接的方法是从已有的地震平动分量来提取旋转分量,包括差分法、行波法和频域法三类方法。

1.2.1 差分法

差分法包括两点差分法和三点差分法^[25]:两点差分法用于计算水平方向地震旋转分量(R_x,R_y),三点差分法用于计算竖直方向地震旋转分量(R_z)^[26]。假设一个水平面内有成直角分布的3台地震仪,其中A位于直角点,B、C分别位于两条直角边上,AC方向为X方向,AB方向为Y方向,分别用u_x、u_y、u_z来表示3个方向平动分量,R_x、R_y、R_z分别代表3个方向的旋转分量。将旋转分量的微分计算公式[式(1)]改写成差分格式,得到实际利用平动分量来计算旋转分量的差分公式[式(2)]。

(1)

$\left\{\begin{array}{l}{\omega }_{x}=\frac{\partial {u}_{z}}{\partial y}\\ {\omega }_{y}=-\frac{\partial {u}_{z}}{\partial x}\\ {\omega }_{z}=\frac{1}{2}\left(\frac{\partial {u}_{y}}{\partial x}-\frac{\partial {u}_{x}}{\partial y}\right)\end{array}\right.$

(2)

$\left\{\begin{array}{l}{R}_{x}=\frac{{u}_{z}^{B}-{u}_{z}^{A}}{\Delta y}\\ {R}_{y}=-\frac{{u}_{z}^{C}-{u}_{z}^{A}}{\Delta x}\\ {R}_{z}=\frac{1}{2}\left(\frac{{u}_{x}^{C}-{u}_{x}^{A}}{\Delta y}-\frac{{u}_{y}^{B}-{u}_{y}^{A}}{\Delta x}\right)\end{array}\right.$

式中:

${u}_{z}^{A}$

和

${u}_{z}^{B}$

分别为A点和B点记录的竖向(Z方向)平动分量;

${u}_{x}^{A}$

和

${u}_{x}^{C}$

分别为A点和C点记录的横向(X方向)平动分量;

${u}_{y}^{A}$

和

${u}_{y}^{B}$

分别为A点和B点记录的横向(Y方向)的平动分量;Δx和Δy分别为AB之间的距离和AC之间的距离。

利用差分法求取旋转分量时至少需要3个测站的平动数据,该方法原理简单,但对台站密集度和地下介质速度结构的均匀性有一定要求,这在实测时限制了其实用性和数据精度^[27]。

1.2.2 行波法

行波法基于弹性波动理论,假设地震波为水平传播的行波,通过地震平动分量的导数间接计算地震旋转分量。Newmark^[28]1969年首次提出该方法,推导地面角加速度

${\stackrel{·}{\psi }}_{z}\left(t\right)$

与水平加速度导数

${\stackrel{·}{v}}_{y}\left(t\right)$

的关系为:

${\stackrel{·}{\psi }}_{z}\left(t\right)={\stackrel{·}{v}}_{y}\left(t\right)/{C}_{s}$

,其中C_s为剪切波速,此方法利用相关分析法求解准确的视波速。然而土层介质存在不均匀性,行波法假设过于理想化,降低了计算精度,但简单易行,是应用较多的单测站法^[29]。

1.2.3 频域法

频域法将地震波视为多频率谐波的叠加,基于弹性半空间模型建立地震旋转分量与平动分量的频域关系。Trifunac^[30]通过势函数和波动方程推导了摇摆分量

${\varphi }_{z}$

与竖向位移u_z的关系式为

(3)

${\varphi }_{z}=\frac{i\omega }{C}{u}_{z}$

式(3)中:ω为角速度;C为视波速。

此方法对行波法进行了一定的改进,考虑了地震波入射时视波速的频散效应,并不再把地震平动分量看成固定的波形。该方法精度较高,因而具有广泛的实用性。但频域法仍建立在假设入射角与视波速为常数的条件下进行,与实际地震波传播路径不符,对复杂介质模型存在过度简化问题。

1.3 地震旋转运动的观测装置

目前中外旋转地震仪的研发有了很大的进步,主要分为间接测量和直接测量旋转分量的旋转地震仪。

1.3.1 间接观测仪器

Teisseyre等^[31]利用两个平行放置的地震传感器,构建了由两个方向相反且都悬挂在同一个公共轴上的传感器组成的旋转地震仪系统,如图3所示。

在波兰科学院地球物理研究所设计的系统中,摆的旋转轴相同,地震波引起地面振动时两个摆因惯性产生相反方向的位移形成差分信号,由此计算出相应地震旋转分量。该观测仪器测量等效分辨率为10^-7 rad/s,测量频带在0.7~50.0 Hz。但受机械摆工作原理限制,其结构复杂度高,精度提升困难,且容易受到来自地面平动信号的干扰。

1.3.2 直接观测仪器

基于旋转地震仪的工作原理,直接感应旋转运动的旋转地震仪可分为机械式^[31]、电化学式和光学式^[32]3类,其代表性仪器如下。

1)机械式

常见的机械式旋转地震仪基于微机电系统(micro electro mechanical systems,MEMS)原理,如Systron公司研制的旋转地震仪Horizon TM,如图4所示。其主要结构是压电石英叉齿,振荡器在一个精确的振幅内驱动,使得叉齿一端在高频内靠近和远离另一端,这种振动使叉齿对与其平行的轴的旋转角度变化敏感,由此叉齿接收端接收到旋转运动,测得地震旋转分量^[33]。该地震仪具有体积小、重量轻、功耗低、成本低等优点,且精度可达4.4×10^-5(rad/s)·

$\sqrt{Hz}$

,适合大旋转变形的工业化大规模部署和长期监测。

2)电化学式

电化学式旋转地震仪是通过传感器内部填充电解质溶液,置于均匀磁场中,当地面发生旋转时切割磁感线生成感应电流,使其电流强度与旋转角速度成正比,从而获得旋转分量。如图5所示,以Eentec公司制成的R-2型旋转地震仪为例,其测量装置由夹在微孔隔离垫片之间的两个阳极和阴极组成^[34];其精度约为10^-7(rad/s)·

$\sqrt{Hz}$

,测量频带在0.03~50.00 Hz,以低噪声,功耗小为优点,较机械式、光纤等其他类型旋转运动传感器有显著优势,但其窄频带和不稳定性限制了在土木工程和结构健康监测领域的应用^[35]。

3)光学式

光学式旋转地震仪的工作原理基于Sagnac效应(图6):当光在闭合光路中分别沿顺时针和逆时针方向相向传播时,系统的旋转会导致两束光产生光程差,利用这一光程差即可计算出旋转角速率。随着光学理论与技术的发展,光学式旋转地震仪逐渐成为旋转地震观测中的主流仪器。

以应用较广泛的法国iXblue公司开发的商用BlueSeis-3A光纤旋转地震仪为例^[37-38],通过优化光纤环设计(5 km长、0.18 m直径)和噪声抑制算法,其角速率测量精度可达2×10^-8 rad/s,能够满足多种不同场景下的观测需求,已被广泛用于近震与强震监测、火山微震、面波相速度求取、后方位角估算与地震定位等领域^[39-40]。

近年来,中国旋转地震仪发展迅速,中国航天科工集团三院33所、中国航天科技集团九院13所研发了多款不同精度的光纤陀螺仪,这些器件具有高灵敏度、宽频带、低自噪声等特点。中国地质大学(北京)与上述两家研究所合作,基于其研发的光纤陀螺仪开展了旋转地震仪的联合研制、性能比测与多场景旋转观测实验^[41-42]。研究结果表明,基于国产光纤陀螺仪改造的旋转地震仪,其自噪声最低可达10^-9 rad/s量级,达到了国际先进水平;此外,国产仪器在地震旋转运动观测中的可靠性也得到了验证^[43]。

1.4 数值模拟方法

在观测仪器发展之前,多用数值及物理模拟进行地震旋转运动的研究,常见数值模拟方法方法有以下4种。

1.4.1 有限元法(finite element method,FEM)

有限元法通过将结构离散为有限个单元,建立单元的刚度矩阵和质量矩阵,进而组装成整体结构的刚度矩阵和质量矩阵,求解结构在地震激励下的动力响应。

结构动力学方程为

(4)

$MÜ+C\stackrel{·}{U}+KU=F\left(t\right)$

式(4)中:M为质量矩阵;C为阻尼矩阵;K为刚度矩阵;U为位移向量;F(t)为随时间t变化的外荷载向量^[44-45]。

1.4.2 边界元法(boundary element method,BEM)

边界元法仅在结构的边界划分单元,通过积分方程求解位移和应力场。基本方程为

(5)

$Cu=\int \Gamma {U}^{*}td\Gamma -\int \Gamma {T}^{*}ud\Gamma $

式(5)中:Cu为求解点位移加权项;U^*和T^*为基本解张量;t为边界力向量; u为边界位移向量; Γ为积分边界(求解域的边界)。

1.4.3 时程分析法

直接输入地震波时程α(t),通过逐步积分求解动力方程称为时程分析法。常用积分法为Newmark-β,其递推公式为

(6)

$\begin{array}{l}{U}_{n+1}={U}_{n}+\Delta t{\stackrel{·}{U}}_{n}+\frac{\Delta {t}^{2}}{2}{\stackrel{··}{U}}_{n}+\\ \frac{\Delta {t}^{2}}{6}[\theta {\stackrel{··}{U}}_{n+1}+(1-\theta \left){\stackrel{··}{U}}_{n}\right]\end{array}$

式(6)中:U_n+1为下一个时间步的位移;Δt为时间步长;θ为Newmark参数,用于控制数值阻尼。

1.4.4 有限差分法(finite difference method,FDM)

有限差分法通过离散化波动方程的空间与时间导数,将连续的微分方程转化为代数方程组进行数值求解,在进行正演模拟时涉及震源函数、有限差分格式、稳定性条件、边界条件、频散抑制方法等条件的选择,是最常用的正演模拟方法^[46-47]。

2 观测与模拟

研究地震旋转运动对高层建筑影响时,通常采用理论分析、现场观测和物理与数值模拟等方法。其中数值模拟技术以其高精度与灵活性,成为研究地震旋转运动对结构影响的核心手段,并被广泛应用。

2.1 实际观测

随着旋转地震仪灵敏度的提高,高层建筑实际旋转运动的分析方法日益丰富。De La Llera等^[48]采用差分法观测在加利福尼亚地震中建筑物的结构响应时,发现对不考虑扭转与平动频率比的建筑物地震动扭转响应一般较小;且扭转平动频率比增大时,扭转响应进一步衰减。Guéguen等^[49]分析了偏心率对结构扭转作用的影响,并对日本ANX大厦记录的观测数据进行了分析,在东北大地震(M_S9.0,2011年)作用下大厦结构的旋转响应达平动响应的4倍,其顶部与底部产生的旋转速率记录如图7所示。观测数据证实,地震旋转运动激发的建筑共振响应,尤其是扭转运动可能会引发严重结构损伤。Bonkowski等^[10-11]针对细高建筑物开展中强震时程分析,量化了摇摆分量对整体结构响应的贡献,指出高细长塔的弯矩受地面旋转运动影响显著。Sun等^[25]和Vicencio^[50]通过对多个地震动作用下建筑物响应案例的研究,说明在考虑建筑物之间的结构-土-结构相互作用(structure-soil-structure interaction,SSSI)时,地震旋转运动将显著改变结构响应,且其影响强度随着建筑高度递增。Vicencio等^[51]基于多台站插值法评估地震旋转运动对建筑结构的影响,强调了对较强的近震,地震旋转运动在建筑结构中的作用更强,且放大作用产生原因较复杂,因此在未来的结构抗震设计中考虑地震旋转作用是必要的。Qin等^[35]应用竖向旋转分量与平动水平分量的谱比(vertical-to-horizontal spectral ratio,RVHSR)方法对厦门某高层建筑观测的六分量地震记录进行了分析,发现了环境噪声激励下的平动及扭转共振特性,并讨论了人类活动对高层建筑的扭转共振频率的影响。

现在普遍认为结构的旋转响应(特别是扭转响应)作用较强,可能引发建筑严重损伤,但平动与旋转各分量的贡献及占比尚存在不确定性,受限于现有仪器观测精度与维度,需要结合模拟进行综合研究分析。

2.2 物理模拟

自19世纪末Severn^[52]研制出第一台手动式振动台(图8)以来,振动台试验得到了地震工程界广泛关注。现代振动台则采用液压驱动大型承载平台(图9),用于固定足尺或缩尺结构模型。该方法通过地震激励测试工程结构固有的动力特性,尤其适用于研究高层、超高层结构抗震性能,现已成为许多地震工程实验室的重要工具^[53-55]。

乐治济等^[56]基于图10振动台模型,分析了平动与旋转运动激励下海上风机的动力响应特性,试验结果证明高耸风电塔结构的加速度响应受外部激励影响显著。

然而,实际地震中旋转运动对高层建筑的影响机制更为复杂;除实验室条件与实际环境差异外,建筑减震设计的多样性及地震波频谱特性差异等因素均可能构成潜在影响因素,此时引入数值模拟进行分析尤为必要。

2.3 数值模拟

随着数值建模技术与计算机求解效能的提升,目前可用于高层建筑地震动响应分析的数值软件日趋多元,包括以有限元数值模拟技术为主的商用软件ETABS、ANSYS及SAP2000等^[57]。

Zhang等^[58]通过构建U形平面不对称结构的数模揭示偏心率对增强建筑扭转响应的作用比地震旋转运动产生的影响要大很多。Li^[59]建立桩-土-塔-线特高压输电塔三维有限元模型,基于间接反演的地震旋转分量对该模型进行模拟,证实地震旋转运动对塔线系统共振响应具有显著放大作用。Guiduotti等^[60]建立如图11的3D模型开展时程分析,发现平动-旋转耦合激励会加剧该层间漂移并诱发更严重的结构损伤。

大量研究表明,在使用现有的商用软件对工程结构的抗震性能进行数值模拟时,软件预设边界条件与模型的材料、结构难以精确反映实际建筑的复杂性;同时模拟结果受地震动参数的选择(如地震波类型、频谱特性、入射角度等)影响较大。此外,强非线性问题易导致现有软件计算不收敛,需要人工调整迭代算法,因此,未来如果想要依靠商用软件真实、可靠的模拟高层建筑旋转地震动响应,还需融合其他开源工具或对现有软件进行功能升级。

3 讨论与结论

近年来,随着高层建筑物的普及和旋转地震仪的快速发展,地震诱发的旋转运动研究取得显著进展,尤其是高层建筑的结构抗震领域,学者们对结构的旋转响应有了新认识^[61]。然而,中外关于地震旋转运动对高层建筑影响的研究仍处在起步阶段,相关领域的系统性认识和规范尚不完善。特别是在中国,现有高层建筑的抗震设计仅考虑地震平动运动的影响,而对地震旋转运动可能带来的损害缺乏量化评估标准。在总结中外相关研究成果基础上,重点分析现有理论、观测与模拟的局限性,提出以下几个亟需关注的关键问题。

(1)仪器发展制约数据采集能力:中国旋转地震仪的研究已取得显著成果,但目前体积小的便携仪器灵敏度和频带宽度都较低,主要用于强震和近震的观测;而高灵敏度和可实现长周期观测的地震仪体积较大,便携性有待提升且价格较高。总体而言,未来研究应聚焦于开发高精度、宽频带、强环境适应性及稳定便携的低价格仪器,以满足对地震旋转运动数据采集的大量需求。

(2)缺乏系统的观测规范:高灵敏度旋转地震仪的实测数据已证实地震旋转运动的存在,尤其是地震旋转运动会显著激发结构的扭转共振响应。然而全球范围内旋转地震仪的布设数量远低于平动地震仪,缺乏高密度的实际地震记录,导致对旋转分量影响的统计规律研究受到限制。同时,在地球旋转运动背景场的评价中,尚无可供参考的噪声模型。此外,地震旋转运动与平动的耦合作用对复杂结构(如高层建筑、大跨度空间结构等)影响机制尚不明确,未来需要进一步研究并将地震旋转运动的影响纳入抗震设计体系,在工程中制定统一评估方法与控制标准。

(3)数值模拟方法需要完善:由于实验室条件与实际观测环境存在差异,且建筑的结构设计和地震波特性等复杂多变,故数值模拟较物理模拟而言,其应用更为广泛。但现有的商用软件对于研究地震旋转运动作用下的高层建筑响应特征功能不够完善,需要结合插件或设计专用软件来拓展完善功能。此外未来研究应加强实际观测与数值模拟的协同,为高层建筑抗震设计提供更科学严谨的参考。

基于上述问题总结,今后还需重点突破以下方向的攻关研究。

(1)建筑领域现在普遍认为结构受转动(特别是垂直扭转作用)的影响明显,甚至会导致较高建筑物产生重大破坏,但旋转各分量的共振响应贡献占比尚未厘定。

(2)虽然旋转的重要性已经确定,但适用观测仪器缺乏,观测案例稀少仍是该领域的现状,加强实际观测是进一步研究结构动力学响应的基础。

(3)研究证明高层建筑物偏心率对结构扭转响应的影响远大于地震旋转运动的激励响应,但二者影响大小的定量关系尚不明确。

(4)在考虑地震旋转运动对高层建筑的影响时,土壤与地基类别等也是重要影响因素,对于场地条件等因素的影响尚需深入探究。

(5)随着近年来自然灾害的频发,研究高层建筑在台风、地震耦合作用下的响应需加强关注,未来开发多灾害耦合物理场模拟有重要意义。

综上,未来可以某些实测高层建筑模型为参考建立数值模型进行模拟,通过模拟不同高度及偏心率的建筑在不同场地条件下的振动响应,分析各个模式下结构振动特性,并结合实测数据,为高层建筑的结构健康监测提供更全面的理论支持。

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基金资助

国家自然科学基金(42150201)

国家自然科学基金(U1839208)

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Received	Published	Revised
2025-09-18	2026-05-18	2025-11-19
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2026-08-06

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