超高層建筑場地地震反應分析及長周期設計反應譜研究

路建波,石樹中,陸吉赟,陳 濤,劉小龍

(浙江省工程地震研究所,浙江 杭州 310013)

超高層建筑場地地震反應分析及長周期設計反應譜研究

路建波,石樹中,陸吉赟,陳 濤,劉小龍

(浙江省工程地震研究所,浙江 杭州 310013)

建筑抗震設計規(guī)范中的標準設計反應譜不能滿足基本自振周期大于6 s的超高層建筑抗震設計需要。今結合某超高層建筑,討論了場地地震反應特性及其長周期設計反應譜,并根據擬建場地長周期設計反應譜選擇了天然地震動記錄,為工程抗震驗算提供數(shù)據,可為同類型超限高層結構設計提供經驗參考。

超高層建筑；地震反應分析；長周期設計反應譜；天然地震動記錄

隨著現(xiàn)代社會經濟的發(fā)展和人口的快速增長，以及城鎮(zhèn)化的進行,土地被越來越多地開發(fā)利用,于是人們將視線逐漸轉移到超高層建筑[1]。根據《建筑抗震設計規(guī)范(GB 50011—2010)》[2]可知,底部剪力法和振型分解反應譜法仍然是結構抗震設計的基本方法,時程分析法是作為補充計算的方法。由于建筑抗震設計規(guī)范中給定的標準設計反應譜最大周期只到6 s,所以對于超高層建筑場地的設計長周期反應譜的確定就顯得尤為重要[3-4]。本文針對杭州某超高層建筑場地,介紹了為工程結構設計而進行的地震反應分析以及長周期反應譜的確定研究,并根據場地條件以及設計地震分組情況獲得了具有統(tǒng)計學意義上的天然地震動記錄,為超高層結構抗震驗算提供了可靠的依據。

1 工程概況

本項目位于杭州市濱江區(qū),擬建4幢辦公樓及附屬裙房、外擴地下室：其中A樓、B樓地上均為64層,建筑高度280 m,地下設4層地下室,基底埋深18 m,B樓附屬1層裙房；C樓地上為22層(建筑高度100 m),地下設3層地下室,基底埋深15 m；D樓地上為6層(建筑高度32 m),地下設3層地下室,基底埋深15 m；外擴地下室為地下3層,基底埋深15 m。A樓和B樓主塔樓擬采用鋼管混凝土框架-混凝土核心筒結構,結構自振周期最大約為6.7 s?；A均采用樁基礎。見圖1。

圖1 擬建項目效果圖

2 區(qū)域及近場區(qū)構造分析和評價

擬建場地所在區(qū)域以江山—紹興斷裂為界跨越了揚子準地臺和華南褶皺系兩個大地構造單元,新構造運動以差異升降運動為主,區(qū)域斷裂中的茅山東側斷裂、鎮(zhèn)海—寧海斷裂的育王山山前斷層東支為晚更新世活動斷裂,其他斷裂為前第四紀至早中更新世斷裂。區(qū)域內最大地震為1979年7月9日的江蘇溧陽M6.0級地震。區(qū)域平均震源深度為11.2 km,屬于淺源地震。

對擬建場地近場區(qū)主要斷裂開展了野外調查，發(fā)現(xiàn):北東向的馬金—烏鎮(zhèn)斷裂、蕭山—球川斷裂；北西向的長興—奉化斷裂和孝豐—三門灣斷裂；近東西向的昌化—普陀斷裂以及一些規(guī)模較小的斷裂。這些斷裂均為晚更新世以來不活動的斷裂,其中,蕭山—球川斷裂的一分支斷裂在場地西北約500 m處通過。近場區(qū)自有文字記載以來發(fā)生3次破壞性地震,為929年杭州M5級地震，1856年富陽M43/4級地震和1867年海寧鹽官M43/4級地震。歷史地震對擬建場地的影響烈度最大為Ⅶ度。綜合分析,近場具備發(fā)生5～6級地震的地震構造背景。

3 基巖地震危險性分析

地震危險性分析方法的基本理論框架是Cornell于1968年最先提出的(Cornell C.A.1968)。根據區(qū)域和近場地震地質和地震活動性分析,充分考慮區(qū)域地震活動時空不均勻分布的基礎上,采用三級潛在震源區(qū)劃分方法,使用適用于本地區(qū)的長周期地震動衰減關系[5],采用地震危險性綜合概率分析計算方法,得到了場地不同年限內不同超越概率水準下基巖水平地震動加速度以及加速度反應譜,見表1和圖2。

表1 擬建場地基巖水平峰值加速度

圖2 擬建場地不同年限不同超越概率基巖水平地震加速度反應譜

由表1可以看出,相同重現(xiàn)期內超越概率值越小,其峰值加速度越高;相同的超越概率,重現(xiàn)期越長,峰值加速度越高。由圖2可知,基巖水平加速度反應譜也有同樣的規(guī)律。

4 場地設計長周期反應譜

以地震危險性分析計算得到的基巖地震動參數(shù)

為目標譜,每個超越概率水平隨機合成6條基巖地震動時程,結合場地工程地質條件,采用一維等效線性化分析方法,建立場地土層地震反應分析模型,進行土層地震反應分析計算,得到場地實際計算的地表水平地震加速度地震反應譜[6]。為方便工程應用,考慮到工程設計使用的安全性和合理性以及與《建筑抗震設計規(guī)范(GB 50011—2010)》等相應規(guī)范的銜接,結合相關規(guī)范的有關規(guī)定,擬建場地水平加速度反應譜以地震影響系數(shù)的形式給出。為了確定工程抗震所需的設計地震動參數(shù),采用下面公式擬合場地地表實際計算的長周期加速度反應譜,得到地震影響系數(shù)最大值αm和特征周期Tg。其表達式為：

α(T)=A(m)×β(T)/g

(1)

式中:α(T)為地震影響系數(shù)；A(m)為設計地震動峰值加速度(g),lg= 10 m/s2；β(T)為設計地震動加速度放大系數(shù)譜；T為周期。

其中：β(T)可以表示為

0.04 s

T1

Tg

(2)

最終得到擬建場地地表不同超越概率水平下長周期設計地震動影響系數(shù)曲線,見圖3?？拐鹪O計驗算時,可根據不同的地震重現(xiàn)期選擇不同超越概率水平影響系數(shù)曲線進行抗震驗算。

圖3 擬建場地不同超越概率水平影響系數(shù)曲線

5 天然地震動記錄選取

《建筑抗震設計規(guī)范(GB50011—2010)》規(guī)定,采用時程分析法時,應按照建筑場地類別和設計地震分組選取實際強震記錄,多組時程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符。根據擬建工程場地設計地震動影響系數(shù)曲線選取了50年超越概率2%(大震)的5組天然地震動記錄,天然地震動記錄信息見表2。選取的5條天然地震動記錄規(guī)準化以后與擬建場地的大震設計譜對比見圖4,可見5條天然波反應譜與擬建場地大震設計譜基本相符。表明根據擬建場地設計反應譜的確定比較準確、經濟,天然地震動記錄可用于結構抗震設計驗算。

圖4 擬建場地大震設計譜和天然地震反應譜比較

編號年份地震震級臺站名稱記錄分量11952KernCounty7.36“TaftLincolnSchool”水平21968BorregoMtn6.63“ElCentroArray#9”水平31971SanFernando6.61“LA-HollywoodStorFF”水平41971SanFernando6.61“WhittierNarrowsDam”(南北向)水平51971SanFernando6.61“WhittierNarrowsDam”(東西向)水平

6 結 語

通過對某超高層建筑場地地震反應分析及設計反應譜研究,可得出如下結論：

1)歷史地震對擬建場地的最大影響烈度為Ⅶ度,擬建場地屬于淺源地震區(qū)域,近場區(qū)具備5～6級地震的地震構造背景。

2)確定了擬建場地6個超越概率水平下的長周期設計地震動反應譜,可供不同階段抗震設計驗算使用。

3)通過與場地設計反應譜比較,選取的天然地震動記錄同設計反應譜較為一致,可供抗震設計驗算使用。

[1] 江靜.南昌地區(qū)框架-核心筒超高層抗側力結構之抗風與抗震承載力能力對比研究[D].南昌：南昌大學,2014.

[2] 中國建筑科學研究院.GB50011—2010建筑抗震設計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] 劉國光,武志瑋,徐有華.某超高層場地地震反應及設計反應譜研究[J].廣東土木與建筑,2010(6):14-16.

[4] 劉國光,路建波,徐有華.某超高層建筑場地地震設計反應譜研究[J].四川建筑科學研究,2012(4):174-177.

[5] 石樹中.上海及鄰近地區(qū)地震動參數(shù)衰減關系研究[D].上海：同濟大學,2005.

[6] 中國地震局地球物理研究所.GB17741—2005工程場地地震安全性評價[S].北京：中國標準出版社，2005.

Analysis on the Seismic Response of the Super-High-Rise Buildings Area and Study on the Response Spectrum of the Long Period Design

LUJianbo,SHIShuzhong,LUJiyun,CHENTao,LIUXiaolong

2016-05-23

路建波(1984—)，男,河北邢臺人，工程師,主要從事地震工程方面研究工作。

TU973+.31

B

1008-3707(2017)01-0015-03