高層建筑中非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗震性能試驗(yàn)

蔣貴華, 李 楊, 江 鎖2, 黨少輝, 王 帆

(1.中建七局安裝工程有限公司，西安 710000; 2.河南工業(yè)大學(xué)，鄭州 450001)

非結(jié)構(gòu)構(gòu)件為高層建筑中除結(jié)構(gòu)承載體系外的剩余構(gòu)件，亦被稱(chēng)作二次結(jié)構(gòu)或附屬結(jié)構(gòu)[1-2]。當(dāng)前，高層建筑結(jié)構(gòu)抗震研究頗有成效，主體結(jié)構(gòu)抗震性能大大提升。然而，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震研究卻很少，導(dǎo)致地震作用下，主體結(jié)構(gòu)雖然不發(fā)生倒塌，而非結(jié)構(gòu)構(gòu)建的損毀引起建筑功能喪失，對(duì)人們的生命財(cái)產(chǎn)安全產(chǎn)生威脅[3-4]。為了有效實(shí)現(xiàn)高層建筑抗震性設(shè)計(jì)，需分析高層建筑中非結(jié)構(gòu)構(gòu)建的抗震性能，保持主體結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)構(gòu)建抗震性能的統(tǒng)一性。

1 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震計(jì)算及地震分析

1.1 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震計(jì)算

依據(jù)震害經(jīng)驗(yàn)，工程人員對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性逐漸了解，產(chǎn)生相應(yīng)防御方案被添加至抗震規(guī)范。統(tǒng)一建筑規(guī)范[5]對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震計(jì)算進(jìn)行規(guī)定，之后，F(xiàn)EMA273、FEMA356依次對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件性能與設(shè)計(jì)方法進(jìn)行規(guī)定，下面進(jìn)行詳細(xì)分析。

1.1.1 統(tǒng)計(jì)建筑規(guī)范

統(tǒng)計(jì)建筑規(guī)范側(cè)重于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和主體結(jié)構(gòu)間的連接強(qiáng)度，利用規(guī)定連接強(qiáng)度保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震作用下的安全性，忽略主體結(jié)構(gòu)位移與非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性的關(guān)系[6]。作用于非結(jié)構(gòu)構(gòu)件重心水平地震作用為

Fs=AUsDGs

(1)

式(1)中：A為和地震及地質(zhì)種類(lèi)有關(guān)的系數(shù)；Us為關(guān)鍵程度的系數(shù)；D為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件屬性的系數(shù)；Gs為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件重力。上述規(guī)范僅分析水平地震作用，不分析垂直地震作用。

1.1.2 FEMA273/356

美國(guó)聯(lián)邦緊急事務(wù)管理署在20世紀(jì)末和21世紀(jì)初提出了建筑抗震加固規(guī)范FEMA273、FEMA356[7-8]，對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)了4個(gè)抗震性能等級(jí)，依次是完好、立即使用、生命安全以及降低災(zāi)害[9]，上述規(guī)范也僅分析非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和主體結(jié)構(gòu)的連接強(qiáng)度。

規(guī)范按照非結(jié)構(gòu)構(gòu)件地震響應(yīng)特征，將其劃分成變形敏感型、加速度敏感型以及混合敏感型[10]。針對(duì)各種非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，選用相應(yīng)抗震法。針對(duì)加速度敏感型，F(xiàn)EMA273與FEMA356都選用等效側(cè)立法，利用式(2)獲取非結(jié)構(gòu)構(gòu)件水平地震作用。

(2)

式(2)中：bs為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的放大系數(shù)；Sxs為在某地震水平下短期加速度反應(yīng)譜；k為高層建筑頂端和地面間的相對(duì)距離；Rs為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件反應(yīng)調(diào)整系數(shù)；x為非結(jié)構(gòu)構(gòu)件和地面間的相對(duì)距離。

FEMA273忽略了非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的垂直地震作用，通過(guò)FEMA356對(duì)其進(jìn)行規(guī)范：

(3)

針對(duì)變形敏感型構(gòu)件，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件支承點(diǎn)位移角或各支承點(diǎn)間相對(duì)位移需符合下述條件：

θ=(δAx-δAy)/(X-Y)

(4)

Lp=|δAx|+|δBx|

(5)

式中：θ為位移角；Lp為各支承點(diǎn)間相對(duì)位移；X為上支承點(diǎn)和地面的相對(duì)距離；Y為下支承點(diǎn)和地面的相對(duì)距離；δAx為高層建筑A在x點(diǎn)處的位移；δAy為高層建筑A在y點(diǎn)處的位移；δBx為高層建筑B在x點(diǎn)處的位移。

1.2 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件地震分析

針對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，選用等效側(cè)力法或樓面反應(yīng)譜法對(duì)其抗震性能進(jìn)行分析[11]。在高層建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件自振周期超過(guò)0.1 s，同時(shí)構(gòu)件重力高于所處樓層重力的1%或10%的情況下，選用樓面反應(yīng)譜法，在實(shí)際應(yīng)用中，通常采用樓面反應(yīng)譜法，下面進(jìn)行詳細(xì)分析。

樓面反應(yīng)譜法是一種由置于樓面的單自由度系統(tǒng)采集的地震作用下樓面時(shí)程歷史最高值的約值繪制的曲線。

樓面譜反應(yīng)法歷經(jīng)兩個(gè)階段，最初，樓面譜反應(yīng)法把主系統(tǒng)樓面反應(yīng)看作輸入，計(jì)算自振周期存在差異情況下單自由度系統(tǒng)的反應(yīng)譜，具有解耦的特點(diǎn)，無(wú)需計(jì)算運(yùn)動(dòng)方程[12]。然而忽略了附屬系統(tǒng)和主系統(tǒng)的關(guān)系，獲取的樓面譜誤差大。

為此，提出第二代方法，綜合分析了附屬系統(tǒng)和主系統(tǒng)之間的關(guān)系，獲取有效的樓面譜，按照得到的樓面譜，依據(jù)其特性即可實(shí)現(xiàn)地震作用的分析。

2 地震波的調(diào)整和選擇以及模型建立

2.1 輸入地震波調(diào)整

當(dāng)前真實(shí)地震記錄峰值加速度大部分和高層建筑所處位置基本烈度不符，無(wú)法直接采用，需對(duì)其進(jìn)行調(diào)整。本節(jié)將加速度看作調(diào)整核心[13]，完成對(duì)加速度時(shí)程曲線振幅的調(diào)整，將其看作試驗(yàn)加速度波。

在對(duì)輸入地震進(jìn)行調(diào)整時(shí)，依據(jù)建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2001)，給出加速度峰值基值以及基本加速度峰值，見(jiàn)表1。

表1 地震加速度時(shí)程曲線峰值

注：1 gal=0.01 m/s2，括號(hào)中的值依次用于設(shè)計(jì)地震加速度是0.15g與地震加速度是0.3g的區(qū)域，g為重力加速度。

通過(guò)式(6)對(duì)選擇地震記錄的加速度峰值施行調(diào)整。

(6)

式(6)中：a′(t)為調(diào)整后地震加速度曲線；W′max為調(diào)整后地震峰值；a(t)為地震原加速度，Wmax為地震原峰值。

2.2 選用地震波

為了保證時(shí)程分析結(jié)果的精度，本節(jié)選用三組真實(shí)地震波，依次是EL Centro-NS地震、Taft-NS地震與天津-NS地震波[14-15]。輸入地震波都含有相互垂直的水平分量，三種地震波加速度時(shí)程曲線如圖1所示。

2.3 模型建立

高層建筑模型選用十二層框架，場(chǎng)地類(lèi)別是Ⅳ類(lèi)[16]，地震分組是第二組，抗震等級(jí)是二級(jí)，通過(guò)ANSYS軟件[17]建立模型，得到高層建筑模型如圖2所示。

圖1 輸入地震波加速度時(shí)程曲線

圖2 研究模型

3 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能試驗(yàn)分析

3.1 吊頂抗震性能試驗(yàn)分析

通過(guò)ANSYS軟件獲取不同樓層樓面反應(yīng)譜，通過(guò)時(shí)程分析，采用ANSYS軟件對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件-吊頂進(jìn)行分析。分析模型中，主次龍骨都選用梁模塊，吊桿選用桿模塊，將樓面反應(yīng)譜看作輸入對(duì)地震作用下的吊頂進(jìn)行分析。

依次輸入二層和頂層的樓面反應(yīng)譜，對(duì)二層及頂層的地震反應(yīng)進(jìn)行模擬，獲取二層及頂層吊頂加速度、速度以及位移反應(yīng)時(shí)程曲線，結(jié)果依次如圖3和圖4所示。

圖3 二層吊頂時(shí)程曲線

圖4 頂層吊頂時(shí)程曲線

分析圖3和圖4可以看出，吊頂相對(duì)速度隨激勵(lì)的降低逐漸降低，最后趨于0，位移時(shí)程曲線在激勵(lì)峰值達(dá)到最高值。將二層與頂層吊頂時(shí)程曲線進(jìn)行對(duì)比發(fā)現(xiàn)，吊頂加速度、速度和位移隨樓面響應(yīng)的升高而升高，因子樓層越高，吊頂越需增強(qiáng)抗震性能。

下面對(duì)沒(méi)有設(shè)置45°懸吊線吊頂與設(shè)置45°懸吊線吊頂抗震性能進(jìn)行分析，二者ANSYS模型如圖5所示。

設(shè)置45°懸吊線吊頂與設(shè)置45°懸吊線吊頂中間節(jié)點(diǎn)在不同樓層的時(shí)程曲線峰值見(jiàn)表2。

分析表2可知，在設(shè)置45°懸吊線后，吊頂位移峰值、加速度峰值和速度峰值均顯著降低，說(shuō)明設(shè)置45°懸吊線能夠有效提高抗震性能。

圖5 有無(wú)設(shè)置45°懸吊線吊頂模型

表2 吊頂中間節(jié)點(diǎn)時(shí)程曲線峰值

3.2 浮放設(shè)備抗震性能分析

高層建筑中若干非結(jié)構(gòu)構(gòu)件通常有相互作用，所以非結(jié)構(gòu)構(gòu)件體系通常存在位移與加速度敏感性，本節(jié)通過(guò)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件模擬器進(jìn)行試驗(yàn)分析。

非結(jié)構(gòu)構(gòu)件模擬器含上、下兩個(gè)加載平臺(tái)，用來(lái)實(shí)現(xiàn)高層建筑兩個(gè)連續(xù)樓層的模擬，所有加載平臺(tái)均通過(guò)高性能電液伺服驅(qū)動(dòng)，完成地震模擬，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件模擬器如圖6所示。

本節(jié)依據(jù)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震結(jié)果，獲取樓面反應(yīng)譜加載曲線，采用的加載方式可同時(shí)輸入期望加速度與位移。本節(jié)以一層加載時(shí)程曲線為例，給出一層位移、速度、加速度時(shí)程曲線，如圖7所示，并按照相同方式繪制其它層位移、速度、加速度時(shí)程曲線，限于篇幅，不一一給出。

在上述分析的基礎(chǔ)上，給出相應(yīng)層浮放設(shè)備時(shí)程曲線，以一層為例，得到的時(shí)程曲線如圖8所示。

按照同樣方式獲取不同層浮放設(shè)備時(shí)程曲線，以底層一層、中間層流程和頂層十二層為代表，給出浮放設(shè)備在上述三層樓層的時(shí)程曲線峰值，見(jiàn)表3。

分析表3可知，隨著高層建筑樓層的升高，浮放設(shè)備Y向位移峰值、速度峰值及加速度峰值均相應(yīng)升高，說(shuō)明樓層越高浮放設(shè)備抗震性能越差。

圖6 非結(jié)構(gòu)構(gòu)件模擬器

圖7 高層建筑一層時(shí)程曲線

圖8 一層浮放設(shè)備時(shí)程曲線

表3 浮放設(shè)備在不同樓層的時(shí)程曲線峰值

4 結(jié)論

通過(guò)ANSYS軟件建立十二層高層建筑模型，對(duì)非結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗震性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，得出以下結(jié)論：吊頂加速度、速度和位移隨樓面響應(yīng)的升高而升高，樓層越高，吊頂越需增強(qiáng)抗震性能；設(shè)置45°懸吊線能夠有效提高抗震性能；隨著高層建筑樓層的升高，浮放設(shè)備Y向位移峰值、速度峰值及加速度峰值均相應(yīng)升高，樓層越高浮放設(shè)備抗震性能越差。