[摘要] """建立了2個(gè)典型高層建筑結(jié)構(gòu)(剪力墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻)的分析模型,在層間位移角滿足規(guī)范規(guī)定限值的前提下,研究了混凝土用量和鋼筋用量隨著抗震設(shè)計(jì)地震動(dòng)特征周期改變的變化規(guī)律;另外,保持兩個(gè)結(jié)構(gòu)模型不變,通過改變?cè)O(shè)計(jì)地震動(dòng)特征周期的取值,分析了不同特征周期下兩個(gè)結(jié)構(gòu)模型的層間位移角最大值,給出了特征周期取值不同時(shí)兩個(gè)結(jié)構(gòu)模型的破壞狀態(tài)。研究結(jié)果表明:層間位移角滿足規(guī)范要求時(shí),隨著特征周期的變大,剪力墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)中混凝土和鋼筋的用量在增大,特征周期越大,混凝土和鋼筋用量增量越大;特征周期增值相同時(shí),框架剪力墻結(jié)構(gòu)中混凝土用量增量和鋼筋用量增量要小于剪力墻結(jié)構(gòu)中的混凝土用量和鋼筋用量;結(jié)構(gòu)模型保持不變,特征周期變大時(shí)會(huì)影響結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài),但基本都處于輕微破壞狀態(tài)下,除了剪力墻結(jié)構(gòu)在Tg=0.9 s時(shí)達(dá)到了中等破壞的狀態(tài)。
[關(guān)鍵詞] 高層建筑結(jié)構(gòu); 特征周期; 混凝土用量; 鋼筋用量; 破壞狀態(tài)
[DOI] 10.19987/j.dzkxjz.2023-174
基金項(xiàng)目:"國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2022YFC3003505) 資助。
0 "引言
場(chǎng)地條件對(duì)地震動(dòng)的傳播有較大的影響,它表現(xiàn)為對(duì)地震動(dòng)有很強(qiáng)的放大或縮小作用[1]。工程抗震設(shè)防考慮的場(chǎng)地條件主要包括:近地表工程地質(zhì)條件、地表地形與盆地及斷層破碎帶場(chǎng)地等。近地表的工程地質(zhì)條件涉及巖土類型、覆蓋層厚度以及土層結(jié)構(gòu)等方面。已有研究表明,土層結(jié)構(gòu)對(duì)地震動(dòng)具有顯著的影響。薄景山等[2]通過選取和構(gòu)造幾個(gè)有工程意義的典型場(chǎng)地剖面,研究了不同的土層結(jié)構(gòu)對(duì)地表加速度反應(yīng)譜特征周期的影響規(guī)律。Yao等[3]認(rèn)為局部軟弱夾層的存在可以顯著放大或減弱地震動(dòng)。周正華等[4]和陳珍等[5]研究了地表硬蓋層厚度對(duì)場(chǎng)地地震反應(yīng)的影響,探討了軟弱土層場(chǎng)地反應(yīng)譜特征周期的調(diào)整方法。王亞紅等[6]利用等效線性方法對(duì)場(chǎng)地地震反應(yīng)進(jìn)行分析,研究軟夾層的埋深對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的影響;研究結(jié)果表明:特征周期和反應(yīng)譜的最大值對(duì)應(yīng)的周期隨著軟夾層的埋深的增大呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)。眾所周知,特征周期是工程抗震規(guī)范中設(shè)計(jì)反應(yīng)譜形狀的控制參數(shù),而設(shè)計(jì)反應(yīng)譜是根據(jù)大量地震動(dòng)記錄的反應(yīng)譜進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)判斷得到的。理論上,設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜由3部分構(gòu)成,高頻部分是加速度控制段,中頻部分是速度控制段,而低頻部分是位移控制段。美國NEHRP規(guī)范[7]和歐洲EC8規(guī)范[8]均采用的是速度控制和位移控制兩段下降的方案,但兩階段的分界周期差異較大。我國的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)[9]在5倍特征周期(Tg)至6 s段采用斜率為0.02的直線緩降方案,以確保長周期段的設(shè)計(jì)譜不致于過低。
國內(nèi)不少學(xué)者對(duì)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜長周期部分的合理確定進(jìn)行了一系列研究。王亞勇等[10]通過對(duì)159條強(qiáng)震動(dòng)加速度記錄進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析,基于統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果建議在3.5 s之后采用T"2.033下降方案,然而用于研究的地震動(dòng)記錄絕大多數(shù)為模擬記錄,其可靠周期大部分小于3.5 s,因此位移控制段的起始周期定在3.5 s還需要進(jìn)一步探討。王君杰和范立礎(chǔ)[11]通過研究我國臺(tái)灣SMART-1臺(tái)陣的3次強(qiáng)震記錄,發(fā)現(xiàn)位移反應(yīng)譜有一個(gè)明顯的峰點(diǎn),因此提出了能體現(xiàn)位移譜峰點(diǎn)特征的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜修正方法。李恒等[12]采用高質(zhì)量的數(shù)字地震動(dòng)記錄研究了長周期反應(yīng)譜中速度控制段與位移控制段分界周期的確定和位移控制段的下降形狀。方小丹等[13]討論了長周期結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的特點(diǎn),分析了我國建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中反應(yīng)譜存在的主要缺陷。根據(jù)加速度譜、擬速度譜和位移譜之間的擬譜關(guān)系,給出了具有較長周期段(T延長至約10 s)的反應(yīng)譜建議。周靖等[14]研究了震級(jí)、場(chǎng)地類別和震中距這3個(gè)因素對(duì)長周期地震動(dòng)反應(yīng)譜2個(gè)拐點(diǎn)特征周期的影響規(guī)律,并給出了4類場(chǎng)地上特征周期的取值建議。與國外規(guī)范相比較,在類似的場(chǎng)地分類情況下,我國設(shè)定的特征周期 Tg"值偏小約15%~30%[15]。吳健和高孟潭[16]利用在工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)和地震小區(qū)劃工作的成果,對(duì)場(chǎng)地相關(guān)反應(yīng)譜的特征周期取值進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析;研究結(jié)果表明:實(shí)際場(chǎng)地情況統(tǒng)計(jì)的特征周期的平均值要大于規(guī)范中特征周期的取值。規(guī)范中設(shè)定的特征周期 Tg"偏小,主要原因是其值的確定在實(shí)際應(yīng)用統(tǒng)計(jì)結(jié)果的基礎(chǔ)上考慮到經(jīng)濟(jì)方面的原因。
基于此,本文首先利用盈建科軟件建立了2個(gè)典型的高層建筑結(jié)構(gòu)(框架剪力墻結(jié)構(gòu)和純剪力墻結(jié)構(gòu))的分析模型;其次,通過改變?cè)O(shè)計(jì)地震動(dòng)的特征周期的取值,在層間位移角滿足規(guī)范規(guī)定限值的前提下,研究結(jié)構(gòu)混凝土用量和鋼筋用量的變化規(guī)律;最后,保持2個(gè)結(jié)構(gòu)模型不變,通過改變?cè)O(shè)計(jì)地震動(dòng)特征周期的取值,分析不同特征周期下2個(gè)結(jié)構(gòu)模型的層間位移角最大值,探討特征周期取值不同時(shí)2個(gè)結(jié)構(gòu)模型的破壞狀態(tài)。
1 "結(jié)構(gòu)模型
1.1 "剪力墻結(jié)構(gòu)
利用盈建科軟件建立了剪力墻結(jié)構(gòu)的分析模型。結(jié)構(gòu)模型的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:建筑場(chǎng)地Ⅱ類,設(shè)計(jì)地震分組第2組,抗震設(shè)防烈度8度。模型共21層,地下2層,層高為2.9 m,地上19層,層高為2.95 m,總高度為53.1 m。梁截面主要采用200 mm×400 mm、200 mm×470 mm、200 mm×490 mm和250 mm×700 mm的矩形截面,墻厚主要為200 mm和250 mm,鋼筋主要采用HRB400。結(jié)構(gòu)的一階自振周期為1.5073 s。剪力墻結(jié)構(gòu)的三維模型圖和標(biāo)準(zhǔn)層的平面圖如圖1所示。
1.2 "框架剪力墻結(jié)構(gòu)
同樣采用盈建科軟件建立了框架剪力墻結(jié)構(gòu)的分析模型。結(jié)構(gòu)模型的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:建筑場(chǎng)地Ⅱ類,設(shè)計(jì)地震分組第2組,抗震設(shè)防烈度8度。模型共15層,底層層高3.9 m,其他層層高為3.1 m,總高度為44.2 m。柱截面主要采用600 mm×600 mm和800 mm×800 mm的矩形截面,梁截面主要采用200 mm×400 mm、200 mm×500 mm和500 mm×600 mm的矩形截面,墻厚主要為200 mm,鋼筋主要采用HPB300、HRB335和HRB400。結(jié)構(gòu)的一階自振周期為1.39 s??蚣芗袅Y(jié)構(gòu)三維模型圖和標(biāo)準(zhǔn)層的平面圖如圖2所示。
2 "設(shè)計(jì)地震動(dòng)特征周期對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)材料用量影響分析
2.1 "剪力墻結(jié)構(gòu)
剪力墻結(jié)構(gòu)模型主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:建筑場(chǎng)地Ⅱ類,設(shè)計(jì)地震分組第2組,抗震設(shè)防烈度8度,特征周期采用0.40 s。現(xiàn)將其主要設(shè)計(jì)參數(shù)分別改為:①建筑場(chǎng)地Ⅱ類,設(shè)計(jì)地震分組第3組,抗震設(shè)防烈度8度,特征周期采用0.45 s;②建筑場(chǎng)地Ⅲ類,設(shè)計(jì)地震分組第2組,抗震設(shè)防烈度8度,特征周期采用0.55 s;③建筑場(chǎng)地Ⅲ類,設(shè)計(jì)地震分組第3組,抗震設(shè)防烈度8度,特征周期采用0.65 s;④建筑場(chǎng)地Ⅳ類,設(shè)計(jì)地震分組第2組,抗震設(shè)防烈度8度,特征周期采用0.75 s;⑤建筑場(chǎng)地Ⅳ類,設(shè)計(jì)地震分組第3組,抗震設(shè)防烈度8度,特征周期采用0.90 s。
通過改變剪力墻結(jié)構(gòu)中梁的截面、墻的厚度以及鋼筋用量,使得剪力墻結(jié)構(gòu)的層間位移角滿足規(guī)范規(guī)定的限值,不同設(shè)計(jì)參數(shù)下剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移角最大值如圖3所示??梢钥闯?,改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)后通過加大梁的截面、墻的厚度以及鋼筋的用量可以使得剪力墻結(jié)構(gòu)x向、y向的層間位移角均滿足規(guī)范規(guī)定的限值。表1給出了剪力墻結(jié)構(gòu)截面改變后的前3階自振周期,可以看出,隨著特征周期變大,結(jié)構(gòu)的自振周期變小,這主要是為了滿足層間位移角的要求,增大了結(jié)構(gòu)模型中構(gòu)件的截面,即增大了結(jié)構(gòu)的剛度,從而結(jié)構(gòu)的周期變小了。
圖4給出了剪力墻結(jié)構(gòu)中特征周期取值變化時(shí)混凝土的用量變化和鋼筋的用量變化圖??梢钥闯觯S著特征周期的變大混凝土和鋼筋的用量在增大,且特征周期越大,混凝土和鋼筋用量增量越大,如特征周期Tg=0.45 s時(shí),混凝土用量比特征周期Tg=0.40 s時(shí)增加了726 m3,鋼筋用量增加了75 t;而當(dāng)特征周期Tg=0.90 s時(shí),混凝土用量比特征周期Tg=0.40 s時(shí)增加了4400 m3,增加量是特征周期Tg=0.40 s時(shí)的混凝土用量的將近1倍,鋼筋用量增加了672 t,是特征周期Tg=0.40 s時(shí)鋼筋用量的1.7倍。這主要是因?yàn)樘卣髦芷谠酱?,作用在結(jié)構(gòu)上的地震力就越大,因此需要更大的構(gòu)件截面來抵御地震力,即需要增大梁、柱的截面以及墻的厚度,從而所需要的混凝土和鋼筋用量在變大。圖5給出了不同特征周期下,剪力墻結(jié)構(gòu)混凝土用量和鋼筋用量的增量圖,可以看出,隨著特征周期的變大,混凝土和鋼筋的用量均變大,且鋼筋的用量增量要大于混凝土的用量增量。
2.2 "框架剪力墻結(jié)構(gòu)
框架剪力墻結(jié)構(gòu)模型主要設(shè)計(jì)參數(shù)為:建筑場(chǎng)地Ⅱ類,設(shè)計(jì)地震分組第2組,抗震設(shè)防烈度8度,特征周期采用0.40 s?,F(xiàn)將其主要設(shè)計(jì)參數(shù)分別改為:①建筑場(chǎng)地Ⅱ類,設(shè)計(jì)地震分組第3組,抗震設(shè)防烈度8度,特征周期采用0.45 s;②建筑場(chǎng)地Ⅲ類,設(shè)計(jì)地震分組第2組,抗震設(shè)防烈度8度,特征周期采用0.55 s;③建筑場(chǎng)地Ⅲ類,設(shè)計(jì)地震分組第3組,抗震設(shè)防烈度8度,特征周期采用0.65 s;④建筑場(chǎng)地Ⅳ類,設(shè)計(jì)地震分組第2組,抗震設(shè)防烈度8度,特征周期采用0.75 s;⑤建筑場(chǎng)地Ⅳ類,設(shè)計(jì)地震分組第3組,抗震設(shè)防烈度8度,特征周期采用0.90 s。
通過改變框架剪力墻結(jié)構(gòu)中柱/梁的截面、墻的厚度以及鋼筋用量,使得框架剪力墻結(jié)構(gòu)的層間位移角滿足規(guī)范規(guī)定的限值,不同設(shè)計(jì)參數(shù)下結(jié)構(gòu)的層間位移角最大值如圖6所示,可知,改變?cè)O(shè)計(jì)參數(shù)后通過加大柱/梁的截面、墻的厚度以及鋼筋的用量可以使得結(jié)構(gòu)的x向、y向的層間位移角均滿足規(guī)范規(guī)定的限值。表2給出了框架剪力墻結(jié)構(gòu)截面改變后的前3階自振周期。同樣,可以看出,隨著特征周期變大,框架剪力墻結(jié)構(gòu)的自振周期也變小,原因同剪力墻結(jié)構(gòu),即為了滿足層間位移角的需求,增大了結(jié)構(gòu)模型中構(gòu)件的截面,從而增大了結(jié)構(gòu)的剛度,故而結(jié)構(gòu)的周期變小了。
圖7給出了框架剪力墻結(jié)構(gòu)中特征周期取值變化時(shí)混凝土的用量變化和鋼筋的用量變化圖。圖8給出了框架剪力墻結(jié)構(gòu)鋼筋和混凝土用量增量圖。由圖7和圖8可以看出,框架剪力墻結(jié)構(gòu)中特征周期的改變對(duì)混凝土用量和鋼筋用量影響的變化規(guī)律與剪力墻結(jié)構(gòu)的基本一致。當(dāng)特征周期的增值取值相同時(shí),框架剪力墻結(jié)構(gòu)中混凝土用量增量和鋼筋用量增量相對(duì)于剪力墻結(jié)構(gòu)要小。比如,當(dāng)特征周期Tg=0.75 s時(shí),框架剪力墻結(jié)構(gòu)中混凝土和鋼筋的用量比特征周期Tg=0.40 s時(shí)的用量分別增加35.79%和87.50%,而剪力墻結(jié)構(gòu)中混凝土和鋼筋的用量要分別增加76.74%和131.90%。同樣的規(guī)律在特征周期Tg=0.45 s、Tg=0.55 s、Tg=0.65 s、Tg=0.90 s時(shí)均有體現(xiàn)。
3 "設(shè)計(jì)地震動(dòng)特征周期對(duì)高層建筑結(jié)構(gòu)破壞狀態(tài)影響分析
3.1 "性能水平的劃分
根據(jù)結(jié)構(gòu)的破壞程度可以將結(jié)構(gòu)的性能水準(zhǔn)劃分為:基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、倒塌5個(gè)等級(jí)。剪力墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)性能水平及量化指標(biāo)限值根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50011—2010)給出的結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件對(duì)應(yīng)于不同破壞狀態(tài)最大層間位移角參考控制目標(biāo)來定義,如表3所示。根據(jù)表3中剪力墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)的量化指標(biāo)限值,將破壞等級(jí)劃分為:基本完好、輕微破壞、中等破壞、嚴(yán)重破壞、倒塌,劃分依據(jù)如表4所示。
3.2 "破壞狀態(tài)分析
結(jié)構(gòu)模型保持不變,研究特征周期改變對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)層間位移角的影響,其中特征周期包括Tg=0.40 s、Tg=0.45 s、Tg=0.55 s、Tg=0.65 s、Tg=0.75 s、Tg=0.90 s。
圖9給出了特征周期改變時(shí)2種結(jié)構(gòu)的層間位移角??梢钥闯觯卣髦芷?em>Tg=0.4 s時(shí),剪力墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)在x向、y向的層間位移角滿足規(guī)范規(guī)定的正常使用的要求,即2種結(jié)構(gòu)均處于基本完好的狀態(tài)。當(dāng)特征周期變?yōu)?em>Tg=0.45 s,2種結(jié)構(gòu)在x向、y向的層間位移角均達(dá)到輕微破壞的狀態(tài)。隨著特征周期的變大,2種結(jié)構(gòu)的層間位移角也在增大,但基本都處于輕微破壞狀態(tài)下,除了剪力墻結(jié)構(gòu)在Tg=0.9 s時(shí)2個(gè)方向?qū)娱g位移角均大于或等于1/500,達(dá)到了中等破壞的狀態(tài)。這主要是因?yàn)樵诮Y(jié)構(gòu)模型保持不變時(shí),隨著特征周期的變大,結(jié)構(gòu)所承受的地震作用就越大,當(dāng)?shù)卣鹱饔贸鼋Y(jié)構(gòu)所能承受的限值時(shí),結(jié)構(gòu)的狀態(tài)會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化。
4 "結(jié)論
本文利用盈建科軟件建立了典型剪力墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)的分析模型,研究了層間位移角滿足規(guī)范規(guī)定限值時(shí),抗震設(shè)計(jì)地震動(dòng)特征周期改變對(duì)結(jié)構(gòu)混凝土用量和鋼筋用量的影響。同時(shí),在保持結(jié)構(gòu)模型不變的前提下,分析了不同特征周期下結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài),得出以下結(jié)論:
(1)層間位移角滿足規(guī)范要求時(shí),隨著設(shè)計(jì)地震動(dòng)特征周期的變大,剪力墻結(jié)構(gòu)和框架剪力墻結(jié)構(gòu)中混凝土和鋼筋的用量在增大,且特征周期越大,混凝土和鋼筋用量增量越大。在剪力墻結(jié)構(gòu)中,特征周期Tg=0.45 s、Tg=0.55 s、Tg=0.65 s、Tg=0.75 s、Tg=0.90 s時(shí)混凝土用量增量分別是特征周期Tg=0.40 s時(shí)混凝土用量的16.17%、28.02%、46.11%、76.74%和98.02%,鋼筋用量增量分別是特征周期Tg=0.40 s時(shí)鋼筋用量的18.99%、49.62%、79.75%、131.90%和170.13%。在框架剪力墻結(jié)構(gòu)中,特征周期Tg=0.45 s、Tg=0.55 s、Tg=0.65 s、Tg=0.75 s、Tg=0.90 s時(shí)混凝土用量增量分別是特征周期Tg=0.40 s時(shí)混凝土用量的7.13%、24.60%、27.73%、35.79%和43.61%,鋼筋用量增量分別是特征周期Tg=0.40 s時(shí)鋼筋用量的6.65%、48.40%、68.09%、87.50%和96.54%。
(2)層間位移角滿足規(guī)范要求時(shí),當(dāng)設(shè)計(jì)地震動(dòng)特征周期的增值取值相同時(shí),框架剪力墻結(jié)構(gòu)中混凝土用量增量和鋼筋用量增量要小于剪力墻結(jié)構(gòu)中對(duì)應(yīng)特征周期的混凝土用量和鋼筋用量。這主要是因?yàn)殡S著特征周期變大,作用在結(jié)構(gòu)上的地震力變大,需要更大的構(gòu)件截面來抵御地震力,而結(jié)構(gòu)剛度與其抗側(cè)力構(gòu)件的截面正相關(guān),框架剪力墻結(jié)構(gòu)是由剛度較大的剪力墻和剛度較小的框架組成,通過合理的設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)剪力墻與框架協(xié)同受力,其整體抗側(cè)力構(gòu)件的剛度相較于剪力墻結(jié)構(gòu)較小,因此,材料用量相對(duì)剪力墻結(jié)構(gòu)較少。由此建議,在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,在層間位移角滿足抗震規(guī)范規(guī)定的前提下,盡量減小結(jié)構(gòu)的剛度,可節(jié)省結(jié)構(gòu)材料的用量。
(3)結(jié)構(gòu)模型保持不變,設(shè)計(jì)地震動(dòng)特征周期變大時(shí)會(huì)影響結(jié)構(gòu)的破壞狀態(tài),但基本都處于輕微破壞狀態(tài)下,除了剪力墻結(jié)構(gòu)在Tg=0.9 s時(shí)達(dá)到了中等破壞的狀態(tài)。
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Research on the influence of site characteristic period on engineering material usage and damage states of high rise buildings
Li Xiangxiu1, Fan Shikai2, *, Li Xiaojun1, 3, Liu Aiwen1
1. Institute of Geophysics,China Earthquake Administration, Beijing 100081, China
2. Shandong Greentown Tsinghe Architectural Design Co., Ltd, Shandong Qingdao 266100, China
3. Faculty of Architecture, Civil and Transportation Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China
[Abstract] """"Two typical analysis models for high rise building structures (the shear wall structure and the frame shear wall structure) were established in this paper. On the premise that the story drift meets the limit values specified in the specifications, the changes in the usage of concrete and steel bars with the characteristic periods of the design ground motions were studied. In addition, keeping the two structural models unchanged, the maximum story drift of the two structural models under different characteristic periods were analyzed, and then the failure states of the two structural models were given. Results show that when the story drift meets the requirements of the specification, the usage of concrete and steel bars in the shear wall structure and the frame shear wall structure increases with the characteristic period increasing. The larger the characteristic period, the greater the increment of concrete and steel bars usage. The increment of concrete and steel bars usage in the frame shear wall structure is smaller than that in the shear wall structure under the same characteristic period appreciation. Increasing the characteristic period will affect the failure states of the structures when the structural models remain unchanged, but mostly in a minor damage state, except for the shear wall structure that reaches to moderate damage state at Tg=0.9 s.
[Keywords] high rise buildings; characteristic period; concrete usage; steel bars usage; damage state