場(chǎng)地卓越周期在抗震概念設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

馬 振 袁 偉 于德湖

(1.菏澤規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院，山東 菏澤 274000； 2.青島理工大學(xué)，山東 青島 266000)

場(chǎng)地卓越周期在抗震概念設(shè)計(jì)中的運(yùn)用

馬 振1袁 偉1于德湖2

(1.菏澤規(guī)劃建筑設(shè)計(jì)研究院，山東 菏澤 274000； 2.青島理工大學(xué)，山東 青島 266000)

從抗震概念設(shè)計(jì)基本原則出發(fā)，介紹場(chǎng)地卓越周期的確定方法，結(jié)合工程實(shí)例，采用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法，給出本地區(qū)的場(chǎng)地卓越周期數(shù)理統(tǒng)計(jì)值，分析卓越周期與自振周期之間的關(guān)系，并提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)對(duì)策和建議，對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有一定的參考價(jià)值和借鑒意義。

場(chǎng)地卓越周期，自振周期，概念設(shè)計(jì)

場(chǎng)地卓越周期代表場(chǎng)地的固有周期，反映了地震波經(jīng)過場(chǎng)地濾波和放大作用后的地面運(yùn)動(dòng)特征，表征場(chǎng)地土振動(dòng)可能出現(xiàn)最大振幅時(shí)的周期，它隨場(chǎng)地巖土特性而變化，若場(chǎng)地土較硬，則周期較短，振幅較?。蝗魣?chǎng)地土較軟，則周期較長(zhǎng)，振幅較大[1]。

場(chǎng)地卓越周期作為反映場(chǎng)地土地震動(dòng)力特性的重要參數(shù)，可以防止特殊地震效應(yīng)的發(fā)生，避免在地震發(fā)生時(shí)地基與建筑物因發(fā)生共振或類共振而對(duì)結(jié)構(gòu)帶來破壞。

但是，一些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員往往不重視場(chǎng)地卓越周期，使得建筑物自振周期與場(chǎng)地卓越周期相接近，造成建筑物在共振或類共振效應(yīng)下因其承受過大的荷載而倒塌。

1 場(chǎng)地卓越周期的確定

根據(jù)研究對(duì)象不同,場(chǎng)地卓越周期主要有以下三種確定方法。

1.1 直接計(jì)算法

它是根據(jù)場(chǎng)地卓越周期的定義,利用場(chǎng)地的實(shí)測(cè)強(qiáng)震記錄進(jìn)行Fourier分析,從而確定場(chǎng)地卓越周期[2]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于它能真實(shí)地反映場(chǎng)地在強(qiáng)震時(shí)地面運(yùn)動(dòng)情況的周期，但是，它只能測(cè)得地震動(dòng)記錄點(diǎn)的周期，無法得出附近一個(gè)區(qū)域的地震動(dòng)情況，當(dāng)某場(chǎng)地地層條件或地形地貌變化比較劇烈時(shí)，該方法存在一定的近似性。

1.2 常時(shí)微動(dòng)測(cè)試分析法

它是應(yīng)用高靈敏的地震儀觀測(cè)地面脈動(dòng)，將所得記錄進(jìn)行Fourier分析，從而確定場(chǎng)地卓越周期[3]。因抗震需要,某工程為確定場(chǎng)地卓越周期特進(jìn)行常時(shí)微動(dòng)觀測(cè)，傳感器分別按東西、南北兩個(gè)方向放置,測(cè)試時(shí)間選在晚22:00點(diǎn)至次日凌晨。

圖1,圖2為一典型記錄子樣常時(shí)微動(dòng)功率譜曲線，根據(jù)計(jì)算分析可得東西、南北兩個(gè)方向觀測(cè)的平均頻率分別為:東西向2 188 Hz、南北向2 171 Hz,相應(yīng)的周期分別為0.134 s和0.136 s,平均周期為0.135 s,那么場(chǎng)地土卓越周期為0.135 s。

1.3 經(jīng)驗(yàn)公式法

可根據(jù)場(chǎng)地分層剪切波速測(cè)試結(jié)果計(jì)算場(chǎng)地卓越周期，可按式(1)計(jì)算：

(1)

其中，T為場(chǎng)地卓越周期,s；hi為各層土的厚度,m；Vsi為土的剪切波速,m/s。

2 菏澤地區(qū)場(chǎng)地卓越周期數(shù)理統(tǒng)計(jì)值

2.1 確定方法選擇

因適宜的強(qiáng)震記錄不易獲得，而且地層結(jié)構(gòu)及局部地形地貌的改變會(huì)較大影響場(chǎng)地卓越周期，工程應(yīng)用中多用常時(shí)微動(dòng)測(cè)試分析法和經(jīng)驗(yàn)公式法確定場(chǎng)地卓越周期。本文選擇經(jīng)驗(yàn)公式法作為理論分析的基礎(chǔ)[4]。

2.2 計(jì)算深度的確定

場(chǎng)地計(jì)算深度的取值，對(duì)場(chǎng)地卓越周期的計(jì)算影響很大，即不同的計(jì)算深度，對(duì)場(chǎng)地卓越周期帶來的誤差很大。鑒于此，本文參考《工程地質(zhì)手冊(cè)》(第四版)的相關(guān)規(guī)定，將計(jì)算深度取至Vsi>500 m/s堅(jiān)硬土層頂面。

2.3 場(chǎng)地卓越周期的計(jì)算

針對(duì)菏澤地區(qū)，選擇4個(gè)工程的地質(zhì)資料，根據(jù)GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定分別計(jì)算場(chǎng)地卓越周期，見表1。

表1 場(chǎng)地卓越周期

2.4 場(chǎng)地卓越周期的數(shù)理統(tǒng)計(jì)

針對(duì)以上4組卓越周期計(jì)算值,采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)的方法，計(jì)算場(chǎng)地卓越周期標(biāo)準(zhǔn)值。

1)樣本均值:

2)變異系數(shù):

3)修正系數(shù):

4)場(chǎng)地卓越周期標(biāo)準(zhǔn)值:Tk=φ·μ=0.34。

3 卓越周期與自振周期之間的關(guān)系

概念設(shè)計(jì)中明確指出“結(jié)構(gòu)的自振周期應(yīng)盡量避開場(chǎng)地卓越周期,以免發(fā)生共振而加重震害”,也有文獻(xiàn)通過對(duì)建筑震害宏觀和微觀數(shù)據(jù)對(duì)照,考慮到建筑周期與地震卓越周期相接近是引起建筑共振破壞的主要因素和直接原因后,提出在設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量加大建筑物基本周期與場(chǎng)地卓越周期的差距。

文獻(xiàn)[5]根據(jù)地震作用是瞬態(tài)沖擊的特性,在理論上和數(shù)值上分析結(jié)構(gòu)自振周期與場(chǎng)地卓越周期在不同比值情況下對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能的影響,提出第一振型自振周期是場(chǎng)地卓越周期的1.73倍時(shí),結(jié)構(gòu)的自振周期較為合理。

4 設(shè)計(jì)對(duì)策和建議

實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，第一振型自振周期與場(chǎng)地卓越周期到底應(yīng)該相差到什么程度才算合適。對(duì)于這一問題，基于上述“卓越周期與自振周期之間的關(guān)系分析”，本文認(rèn)為對(duì)單自由度體系或以第一振型為主的結(jié)構(gòu),在其他各項(xiàng)計(jì)算指標(biāo)都滿足規(guī)范要求的前提下，通過結(jié)構(gòu)有限元整體計(jì)算分析，在確定場(chǎng)地卓越周期的數(shù)理統(tǒng)計(jì)值后，將結(jié)構(gòu)第一振型自振周期調(diào)整到場(chǎng)地卓越周期的1.73倍，結(jié)構(gòu)方案較為合理。

[1] 龔曉南.土塑性力學(xué)[M].杭州：浙江大學(xué)出版社，1997：18-23.

[2] 王四巍.多軸應(yīng)力下塑性混凝土力學(xué)性能及破壞特征[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2015：124-127.

[3] 屈智炯.土的塑性力學(xué)[M].北京：科學(xué)出版社，2011：180-185.

[4] 扶長(zhǎng)生.抗震工程學(xué)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2013：56-57.

[5] 徐至鈞.建筑抗震設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用[M].上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2012：312-313.

Applicationofsitepredominantperiodinseismicconceptualdesign

MaZhen1YuanWei1YuDehu2

(1.HezeInstituteofPlanningandArchitecturalDesign,Heze274000,China; 2.QingdaoUniversityofTechnology,Qingdao266000,China)

Starting from the basic principle of seismic conceptual design, introduced determination method of site predominant period, combined with practical work, by method of significant, mathematical statistics value of site predominant period in this area are given, anslysis on the relation between predominant period and natural vibration period, corresponding design countermeasure are proposed, which might give structure design some advice for their decisions.

site predominant period, natural vibration period, conceptual design

TU318

：A

1009-6825(2017)24-0032-02

2017-06-16

馬 振(1982- )，男，碩士，工程師