代　偉

(華藍設(shè)計(集團)有限公司, 廣西南寧 530011)

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時程分析與場地類別對長周期結(jié)構(gòu)地震剪力系數(shù)的影響

代偉

(華藍設(shè)計(集團)有限公司, 廣西南寧 530011)

【摘要】影響建筑結(jié)構(gòu)在水平地震作用下所承受地震剪力的因素主要有結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量和總剛度及分布、場地類別和設(shè)計地震分組。文中通過對某超高層建筑在反應(yīng)譜計算下地震剪力的分析，分析了場地類別對于結(jié)構(gòu)剪重比的具體影響規(guī)律，同時還采用時程分析方法，通過大量實際的地震波，分析了結(jié)構(gòu)在不同場地類別下剪重比的變化規(guī)律，并提出了在高層或超高層建筑設(shè)計中剪重比不滿足時的各種處理方法。

【關(guān)鍵詞】時程分析;超高層建筑;剪重比;場地類別

在地震區(qū)，地震荷載是高層建筑特別是超高層建筑設(shè)計中必須考慮的一項重要荷載，其大小量級取決于地面振動的強烈程度——地震烈度、建筑物所在場地土的剛性(剪切波速和覆蓋層厚度)、場地類別(卓越周期)、建筑與震中距離的遠近以及建筑結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量、周期等動力特性。

對于常規(guī)結(jié)構(gòu)的地震作用計算，目前大量采用的反應(yīng)譜方法都不可能完全模擬建筑物在地震中的完全反應(yīng)，因此在高層建筑特別是超高層建筑的設(shè)計中，為了保證長周期結(jié)構(gòu)的安全性，抗震規(guī)范增加了結(jié)構(gòu)水平地震剪力最小值的要求，規(guī)定了不同抗震設(shè)防烈度的剪力系數(shù)，即剪重比。

剪重比反應(yīng)了建筑物能承受水平地震荷載的多少，是結(jié)構(gòu)抗震能力大小的一個重要指標。從規(guī)范規(guī)定來看，剪重比的最小值只與設(shè)防烈度和周期有關(guān)，而與場地類別等其他參數(shù)無關(guān)。而實際上根據(jù)地震剪力的計算，場地類別對結(jié)構(gòu)地震剪力的影響不可忽視。本文以一個實際超高層項目(長周期結(jié)構(gòu))為例進行計算和分析。

1工程概況及基本計算結(jié)果

廣西貴港某寫字樓，建筑層數(shù)為50層，1～3層為商業(yè)，17層、34層為避難層，其余樓層為辦公用房。算至主屋面的結(jié)構(gòu)高度為195.4m。建筑平面尺寸呈缺角的矩形，短向31.3m，長向58.2m，標準層平面、剖面及效果圖如圖1、圖2所示。

結(jié)構(gòu)類型為框架核心筒結(jié)構(gòu)，樓蓋為普通梁板式結(jié)構(gòu)，建筑安全等級為二級，設(shè)計使用年限為50a，建筑基本風壓為0.30kN/m2，抗震設(shè)防烈度為6度(0.05g)，設(shè)計地震分組為第一組，場地土類別為II類，抗震設(shè)防分類為標準設(shè)防類，框架及核心筒抗震等級為二級。

圖1　標準層建筑平面及典型剖面

結(jié)構(gòu)高度在B級高度以內(nèi)，結(jié)構(gòu)布置時中部布置核心筒，外部布置框架柱。

圖2　標準層平面結(jié)構(gòu)布置及建筑效果

框架柱及核心筒均為普通鋼筋混凝土。核心筒外部墻厚為600m，逐漸變化到300m；底部框架柱典型尺寸為1 500mm×1 500mm，逐漸變化到800mm×1 000mm；底部混凝土強度等級為C60，逐漸變化到C30。結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果如表1所示。

表1　結(jié)構(gòu)模態(tài)分析結(jié)果

由于結(jié)構(gòu)長寬比約為1.85，X向和Y向剛度相差較大，兩個方向周期也相差較大，弱軸方向為X方向，兩個軟件計算周期均在5s以上。此外，平面較為規(guī)則，因此前兩個周期均為純平動周期，第三周期均為扭轉(zhuǎn)周期。

采用SATWE計算時，恒載作用下結(jié)構(gòu)質(zhì)量為131 678kN，活載作用下結(jié)構(gòu)質(zhì)量為15 761kN，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為147 439kN，X方向基底剪力為6 567kN(剪重比0.51 %)，Y方向基底剪力為7 589kN(0.59 %)，根據(jù)抗震設(shè)計規(guī)范GB50011-2010 6度區(qū)基本周期大于5s的結(jié)構(gòu)，地震剪力系數(shù)(剪重比)取0.6 %，因此從初始計算結(jié)果來看，結(jié)構(gòu)兩個方向的剪重比均不滿足規(guī)范要求。

2場地類別的影響

目前規(guī)范的剪重比限值與場地類別無關(guān)，但從反應(yīng)譜分析方法來看，影響結(jié)構(gòu)基底剪力的因素中，比較大的影響來至于地震影響系數(shù)最大值，在結(jié)構(gòu)基本自振大于場地特征周期時，地震影響系數(shù)最大值隨著周期的變大而變小，但變化的幅度與特征周期有關(guān)。圖3列出了6度區(qū)第一組時地震影響系數(shù)曲線隨著周期的變化。

圖3　第一組時6度區(qū)地震影響系數(shù)曲線

在周期大致在2s以下時，各場地類別下地震影響系數(shù)最大值相差較大，到了2s以后，I0類、I1類、II類和III類場地的地震影響數(shù)相差較小，到了IV場地則增加較多，從剪重比也可以看出來，因此場地類別對于剪重比的影響不可忽略。

具體到本工程，為了考察場地類別的影響，表2列出了不同場地類別下結(jié)構(gòu)的剪重比。

不同場地類別和不同設(shè)計分組時場地特征周期可能相同，比如II類場地時第一組的特征周期就與I1場地下第三組特征周期相同，那計算出來的剪重比也相同。將上表的數(shù)據(jù)整理成曲線如圖4所示。

表2　各場地類別下結(jié)構(gòu)剪重比的變化　%

圖4　不同場地類別下計算剪重比變化

從圖4可以看出，剪重比從I0類場地到II類場地時變化幅度變不大，從II類到IV場地剪重比變化的稍微快一些，IV場地時的剪重比比I0類場地時剪重比增大了2倍左右。

無論如何，同一結(jié)構(gòu)在不同場地類別下有不同的地震剪力，從而導致在某些場地類別下剪重比可能會不滿足規(guī)范要求的情況，而規(guī)范對于剪重比的規(guī)定與場地類別無關(guān)，這似乎不是太合理。比如在巖石地區(qū)，I0類場地計算出來的地震剪力太小了，滿足不了減重比，并不能說明結(jié)構(gòu)布置有問題，即使結(jié)構(gòu)平面布置很合理，剪力墻布置得很多了，但是就因為場地類別為I0類，剪重比依然滿足不了規(guī)范要求。規(guī)范控制剪重比的初衷是讓結(jié)構(gòu)應(yīng)具備一定的抗剪能力，這種情況并不是結(jié)構(gòu)抗剪能力不行，是因為“計算出來的地震剪力”太小了，因此用規(guī)范的計算方法去衡量結(jié)構(gòu)的抗剪能力似乎有不足。

3時程分析

進一步假定，如果能真實考察結(jié)構(gòu)的實際地震波作用下的真實反應(yīng)，則可以完全清楚的了解結(jié)構(gòu)實際產(chǎn)生的地震剪力的大小，在未知地震作用下，可以通過對結(jié)構(gòu)的盡可能多、盡可能具有代表性的各類地震波的作用下的真實反映來考察結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)，這就是動力分析方法，最為簡單的則是彈性時程分析方法。

最理想的設(shè)想是在場地類別差不多的條件下選擇足夠多(或無限多)的地震波對同一結(jié)構(gòu)進行計算，進而推斷出該結(jié)構(gòu)在實際地震中的地震反應(yīng)的大小，同時對各場地類別的結(jié)果進行對比，得出結(jié)論。囿于計算容量和計算實際，本文計算中每個場地類別下選取了15條地震波，全部為實際發(fā)生過的天然波，不采用人工波。

輸入的地震波最大峰值加速度都取18cm/s2，地震波持續(xù)時間為30s，時間間隔為0.02s，即大約有1 500個時間步。

時程分析中各個地震波(場地類別不同時地震波也不相同，所有不同場地類別下的結(jié)果不是同一地震波的結(jié)果)的基底剪力，同時根據(jù)結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量計算了時程分析時結(jié)構(gòu)的剪重比，列于表3。

表3　時程分析各地震波下結(jié)構(gòu)剪重比　%

為了更為清晰的看出時程分析下結(jié)構(gòu)剪重比的大致分布情況，圖5繪制了剪重比的散點圖。

圖5　時程分析下地震剪重比散點曲線

從上面的數(shù)據(jù)可以看出來，即使在考慮足夠多的地震波的情況下，結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生的全過程所受到的地震剪力也遠比規(guī)范規(guī)定限值要小，也比振型分解反應(yīng)譜方法分析結(jié)果要

小，不同場地類別下結(jié)構(gòu)的剪重比相差也較大。本例中，I類場地下，結(jié)構(gòu)實際剪重比基本在0.3 %以下，大致才為規(guī)范規(guī)定值的一半，而IV類場地結(jié)構(gòu)剪重比比I類場地高出不少，最大值大約在0.55 %左右，接近規(guī)范限值，假定地震波數(shù)量再足夠多，或許可以得出超高層結(jié)構(gòu)由于周期較長在任意此實際地震總中所受到的地震剪力均小于現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定值，即地震剪重比限值不考慮場地類別和設(shè)計地震分組是不太合適的，不同場地類別下結(jié)構(gòu)剪重比相差較大。

此外，由于目前的所有分析均沒有考慮地基基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的共同影響，而根據(jù)概念及相關(guān)分析，考慮地基基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)的共同影響后結(jié)構(gòu)的自振周期會進一步變大，從而地震剪力會進一步減小，因此目前規(guī)范的剪重比限值比高層建筑乃至超高層建筑高出許多，而且可以根據(jù)場地類別做進一步的細化。

4結(jié)論

從本文的分析可以看出，場地類別對結(jié)構(gòu)尤其是長周期結(jié)構(gòu)的影響不可忽視，同一結(jié)構(gòu)在不同場地類別下的剪重比相差較大，IV類場地時剪重比比I0類場地時剪重比大約2倍，因此在結(jié)構(gòu)設(shè)計中某些場地類別下剪重比可能會不滿足規(guī)范要求的情況，而規(guī)范對于剪重比的規(guī)定與場地類別無關(guān)，這似乎不是太合理。

具體到實際項目中來說，在目前規(guī)范沒有修訂的情況下，如果結(jié)構(gòu)剪重比不符合要求即剪重比小于規(guī)范限值的情況，可以采取如下的解決方法：

(1)在經(jīng)濟合理的情況下調(diào)整結(jié)構(gòu)布置。

(2)通過放大樓層地震剪力(不傳遞)，使得各樓層的剪重比滿足規(guī)范規(guī)定限值的要求。

(3)適當在規(guī)范規(guī)定范圍內(nèi)取周期折減系數(shù)的較小值。

(4)提高結(jié)構(gòu)剛度，減小結(jié)構(gòu)基本周期。

(5)盡量采取輕質(zhì)高強材料，減小結(jié)構(gòu)自重。

本文所做研究還可以繼續(xù)延伸，動力彈塑性時程分析、上部結(jié)構(gòu)與地基基礎(chǔ)共同作用分析等方面都是可以進一步分析的方向。

參考文獻

[1]GB50011-2010 建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[2]JGJ3-2010高層建筑結(jié)構(gòu)混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程[S].

[作者簡介]代偉(1982～),男，土家族，工學碩士，高級工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師，主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

【中圖分類號】TU973.3+1

【文獻標志碼】A

[定稿日期]2016-01-25