高層框架結(jié)構(gòu)建筑豎向地震分析

■劉雙

（黑龍江省地震局 黑龍江哈爾濱150090）

高層框架結(jié)構(gòu)建筑豎向地震分析

■劉雙

（黑龍江省地震局 黑龍江哈爾濱150090）

近年來全球范圍內(nèi)發(fā)生的幾次強(qiáng)烈地震的震害調(diào)查表明：許多土木結(jié)構(gòu)的破壞中有豎向地震作用的跡象，有時(shí)甚至?xí)苯訉?dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。在高烈度區(qū)，特別是震中區(qū)，豎向地震作用是非常明顯的。本文通過用SAP2000有限元軟件對(duì)某框架高層進(jìn)行振型分解反應(yīng)譜法分析，反應(yīng)譜分析法能滿足大部分結(jié)構(gòu)規(guī)范要求和工程師需求。

高層建筑豎向地震抗震反應(yīng)譜分析

1　引言

地震是一種人類無法避免的自然災(zāi)害，而我國處于環(huán)太平洋地震帶及歐亞地震帶之間，歷史上全國除個(gè)別省份外，都發(fā)生過里氏6級(jí)以上地震，給國家和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成了無法統(tǒng)計(jì)的巨大損失。

2　豎向地震分析方法

2.1規(guī)范建議的簡化方法

高層建筑的豎向地震作用計(jì)算可采用類似于水平地震作用的底部剪力法，即先確定結(jié)構(gòu)底部總豎向地震作用，然后由總豎向地震作用計(jì)算結(jié)構(gòu)各個(gè)質(zhì)點(diǎn)上的地震作用。這種方法不用求解豎向周期和振型。規(guī)范對(duì)9度時(shí)的高層建筑的豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算給出了計(jì)算方法，并規(guī)定樓層的豎向地震作用效應(yīng)可按各構(gòu)件承受的重力荷載代表值的比例分配，并宜乘以增大系數(shù)1.5。

2.2豎向地震反應(yīng)譜法

豎向地震作用的反應(yīng)譜法與水平地震反應(yīng)譜法相同，先計(jì)算結(jié)構(gòu)的豎向自振周期和振型，再由豎向振型周期從豎向反應(yīng)譜求得等效豎向力。求出各振型的豎向地震作用和內(nèi)力后，用平方和開方法進(jìn)行振型的內(nèi)力組合。此法較合理，然而需要計(jì)算結(jié)構(gòu)的豎向自振特性，并需要建立相應(yīng)的豎向地震反應(yīng)譜。

2.3豎向地震時(shí)程分析法

時(shí)程分析法又稱直接動(dòng)力法，是將高層建筑結(jié)構(gòu)作為一個(gè)多質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)體系，輸入已知的地震波，用結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)的方法，分析地震全過程中每一時(shí)刻結(jié)構(gòu)的振動(dòng)狀況，從而了解地震過程中結(jié)構(gòu)的反應(yīng)，計(jì)算量較大。豎向地震的時(shí)程分析結(jié)果應(yīng)滿足規(guī)范對(duì)時(shí)程法的相應(yīng)要求，每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的65%，多條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法求得的底部剪力的80%。

3　框架結(jié)構(gòu)的豎向地震分析

高層框架結(jié)構(gòu)在高烈度區(qū)的建筑高度受到限制，本文只分析8度區(qū)(0.39)某10層框架結(jié)構(gòu)。

3.1框架結(jié)構(gòu)模型

串聯(lián)簡化模型、串并聯(lián)簡化模型都存在著較多的不合理性，在反映結(jié)構(gòu)的水平地震作用時(shí)較為精確，對(duì)于情況相反的結(jié)構(gòu)豎向地震反應(yīng)卻不適應(yīng)。

3.2時(shí)程分析法

雖然能較好的計(jì)算出結(jié)構(gòu)豎向地震反應(yīng)，但其計(jì)算過程和數(shù)據(jù)分析過程復(fù)雜繁瑣，在實(shí)際應(yīng)中受到諸多限制。本文用SAP2000有限元軟件對(duì)某框架高層進(jìn)行振型分解反應(yīng)譜法分析。

3.3模型簡介

為了方便數(shù)據(jù)的提取和整理，本模型在豎向和平面都是規(guī)則結(jié)構(gòu)。此框架結(jié)構(gòu)高33米，10層，層高3.3米。軸網(wǎng)間距都取6米。高寬比和長寬比都滿足規(guī)定要求。以下是框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本信息。

本框架結(jié)構(gòu)按8度(0.39)設(shè)防，場(chǎng)地為II類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震分組為第二組，特振周期Tg=0.4s，水平地震影響最大影響系數(shù)0.24，豎向地震最大影響系數(shù)為水平地震最大影響系數(shù)的65%。C30混凝土彈性模量取3.00x104N/mm2，梁柱主筋采用HRB335級(jí)鋼筋，箍筋采用HPB235級(jí)鋼筋，樓、屋面活荷載分別為2.0KN/m2，填充墻采用加氣混凝土砌塊，200mm厚，引起的附加線荷載為5.2KN/m2。有限元軟件SAP2000建立框架結(jié)構(gòu)模型。

表1　框架結(jié)構(gòu)構(gòu)件的基本信息

在MODAL分析結(jié)果中提取豎向自振周期得出表2。在6個(gè)豎向自振振型的質(zhì)量參與系數(shù)為92.6%，滿足大于90%的要求。

表2　框架結(jié)構(gòu)豎向振型質(zhì)量參與系數(shù)

根據(jù)框架結(jié)構(gòu)模型的豎向振型質(zhì)量參與系數(shù)表1可以知道以下幾點(diǎn)。（1）框架結(jié)構(gòu)模型的豎向第一振型質(zhì)量參與系數(shù)為0.691，即第一振型參與系數(shù)近70%，在豎向振動(dòng)中起著重要的作用。這是因?yàn)榭蚣芙Y(jié)構(gòu)在平面和立面的剛度分布都比較均勻，可以把質(zhì)量向節(jié)點(diǎn)簡化；（2）框架結(jié)構(gòu)模型的水平第一自振周期為1.713s；（3）雖然在對(duì)框架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)取用12個(gè)振型，但由于此框架模型較為規(guī)則，僅前6振型就滿足了振型質(zhì)量參與系數(shù)大于90%的要求。此外為了計(jì)算出豎向各個(gè)振型要素，實(shí)際計(jì)算時(shí)取用的振型數(shù)遠(yuǎn)不止12個(gè)；（4）從水平自振周期表中容易發(fā)現(xiàn)此框架結(jié)構(gòu)第一振型為Y向平動(dòng)。第二振型是繞z軸的扭轉(zhuǎn)振型，扭轉(zhuǎn)因素要小于平動(dòng)因素。

4　結(jié)語

豎向地震作用振型分解反應(yīng)譜法分析本質(zhì)是一種擬動(dòng)力分析，首先使用動(dòng)力方法計(jì)算質(zhì)點(diǎn)地震響應(yīng)，并使用統(tǒng)計(jì)的方法形成反應(yīng)譜曲線，然后在使用靜力方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。雖然時(shí)程分析更為真實(shí)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析，但是能滿足大部分結(jié)構(gòu)規(guī)范要求和工程師需求的仍然是地震作用的反應(yīng)譜分析。

[1]石洪林,劉洪兵,黃煜華.多高層框架結(jié)構(gòu)在豎向振動(dòng)下的振動(dòng)分析 [J].工程抗震與加固改造,2006,28:10-14.

[2]張永康.高層建筑體系豎向地震作用下的動(dòng)力特性研究 [D].西北工業(yè)大學(xué),2005.

[3] 吳鎂良.帶高位轉(zhuǎn)換層高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能研究[D] .北京：清華大學(xué)，2003.

P315[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-2-357-1