路建波,石樹(shù)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(chǎng)地地震反應(yīng)分析及長(zhǎng)周期設(shè)計(jì)反應(yīng)譜研究

路建波,石樹(shù)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(shè)計(jì)規(guī)范中的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜不能滿足基本自振周期大于6 s的超高層建筑抗震設(shè)計(jì)需要。今結(jié)合某超高層建筑,討論了場(chǎng)地地震反應(yīng)特性及其長(zhǎng)周期設(shè)計(jì)反應(yīng)譜,并根據(jù)擬建場(chǎng)地長(zhǎng)周期設(shè)計(jì)反應(yīng)譜選擇了天然地震動(dòng)記錄,為工程抗震驗(yàn)算提供數(shù)據(jù),可為同類型超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供經(jīng)驗(yàn)參考。

超高層建筑；地震反應(yīng)分析；長(zhǎng)周期設(shè)計(jì)反應(yīng)譜；天然地震動(dòng)記錄

隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人口的快速增長(zhǎng)，以及城鎮(zhèn)化的進(jìn)行,土地被越來(lái)越多地開(kāi)發(fā)利用,于是人們將視線逐漸轉(zhuǎn)移到超高層建筑[1]。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》[2]可知,底部剪力法和振型分解反應(yīng)譜法仍然是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的基本方法,時(shí)程分析法是作為補(bǔ)充計(jì)算的方法。由于建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中給定的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大周期只到6 s,所以對(duì)于超高層建筑場(chǎng)地的設(shè)計(jì)長(zhǎng)周期反應(yīng)譜的確定就顯得尤為重要[3-4]。本文針對(duì)杭州某超高層建筑場(chǎng)地,介紹了為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而進(jìn)行的地震反應(yīng)分析以及長(zhǎng)周期反應(yīng)譜的確定研究,并根據(jù)場(chǎng)地條件以及設(shè)計(jì)地震分組情況獲得了具有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義上的天然地震動(dòng)記錄,為超高層結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算提供了可靠的依據(jù)。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于杭州市濱江區(qū),擬建4幢辦公樓及附屬裙房、外擴(kuò)地下室：其中A樓、B樓地上均為64層,建筑高度280 m,地下設(shè)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(shè)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(shè)3層地下室,基底埋深15 m；外擴(kuò)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(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)自振周期最大約為6.7 s?；A(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)。見(jiàn)圖1。

圖1 擬建項(xiàng)目效果圖

2 區(qū)域及近場(chǎng)區(qū)構(gòu)造分析和評(píng)價(jià)

擬建場(chǎng)地所在區(qū)域以江山—紹興斷裂為界跨越了揚(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)和華南褶皺系兩個(gè)大地構(gòu)造單元,新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)以差異升降運(yùn)動(dòng)為主,區(qū)域斷裂中的茅山東側(cè)斷裂、鎮(zhèn)?！獙幒嗔训挠跎缴角皵鄬?xùn)|支為晚更新世活動(dòng)斷裂,其他斷裂為前第四紀(jì)至早中更新世斷裂。區(qū)域內(nèi)最大地震為1979年7月9日的江蘇溧陽(yáng)M6.0級(jí)地震。區(qū)域平均震源深度為11.2 km,屬于淺源地震。

對(duì)擬建場(chǎng)地近場(chǎng)區(qū)主要斷裂開(kāi)展了野外調(diào)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(zhǎng)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(lái)不活動(dòng)的斷裂,其中,蕭山—球川斷裂的一分支斷裂在場(chǎng)地西北約500 m處通過(guò)。近場(chǎng)區(qū)自有文字記載以來(lái)發(fā)生3次破壞性地震,為929年杭州M5級(jí)地震，1856年富陽(yáng)M43/4級(jí)地震和1867年海寧鹽官M(fèi)43/4級(jí)地震。歷史地震對(duì)擬建場(chǎng)地的影響烈度最大為Ⅶ度。綜合分析,近場(chǎng)具備發(fā)生5～6級(jí)地震的地震構(gòu)造背景。

3 基巖地震危險(xiǎn)性分析

地震危險(xiǎn)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(jù)區(qū)域和近場(chǎng)地震地質(zhì)和地震活動(dòng)性分析,充分考慮區(qū)域地震活動(dòng)時(shí)空不均勻分布的基礎(chǔ)上,采用三級(jí)潛在震源區(qū)劃分方法,使用適用于本地區(qū)的長(zhǎng)周期地震動(dòng)衰減關(guān)系[5],采用地震危險(xiǎn)性綜合概率分析計(jì)算方法,得到了場(chǎng)地不同年限內(nèi)不同超越概率水準(zhǔn)下基巖水平地震動(dòng)加速度以及加速度反應(yīng)譜,見(jiàn)表1和圖2。

表1 擬建場(chǎng)地基巖水平峰值加速度

圖2 擬建場(chǎng)地不同年限不同超越概率基巖水平地震加速度反應(yīng)譜

由表1可以看出,相同重現(xiàn)期內(nèi)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(zhǎng),峰值加速度越高。由圖2可知,基巖水平加速度反應(yīng)譜也有同樣的規(guī)律。

4 場(chǎng)地設(shè)計(jì)長(zhǎng)周期反應(yīng)譜

以地震危險(xiǎn)性分析計(jì)算得到的基巖地震動(dòng)參數(shù)

為目標(biāo)譜,每個(gè)超越概率水平隨機(jī)合成6條基巖地震動(dòng)時(shí)程,結(jié)合場(chǎng)地工程地質(zhì)條件,采用一維等效線性化分析方法,建立場(chǎng)地土層地震反應(yīng)分析模型,進(jìn)行土層地震反應(yīng)分析計(jì)算,得到場(chǎng)地實(shí)際計(jì)算的地表水平地震加速度地震反應(yīng)譜[6]。為方便工程應(yīng)用,考慮到工程設(shè)計(jì)使用的安全性和合理性以及與《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011—2010)》等相應(yīng)規(guī)范的銜接,結(jié)合相關(guān)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定,擬建場(chǎng)地水平加速度反應(yīng)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(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù),采用下面公式擬合場(chǎng)地地表實(shí)際計(jì)算的長(zhǎng)周期加速度反應(yīng)譜,得到地震影響系數(shù)最大值αm和特征周期Tg。其表達(dá)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(shè)計(jì)地震動(dòng)峰值加速度(g),lg= 10 m/s2；β(T)為設(shè)計(jì)地震動(dòng)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(chǎng)地地表不同超越概率水平下長(zhǎng)周期設(shè)計(jì)地震動(dòng)影響系數(shù)曲線,見(jiàn)圖3。抗震設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí),可根據(jù)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(jìn)行抗震驗(yàn)算。

圖3 擬建場(chǎng)地不同超越概率水平影響系數(shù)曲線

5 天然地震動(dòng)記錄選取

《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50011—2010)》規(guī)定,采用時(shí)程分析法時(shí),應(yīng)按照建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選取實(shí)際強(qiáng)震記錄,多組時(shí)程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符。根據(jù)擬建工程場(chǎng)地設(shè)計(jì)地震動(dòng)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(dòng)記錄,天然地震動(dòng)記錄信息見(jiàn)表2。選取的5條天然地震動(dòng)記錄規(guī)準(zhǔn)化以后與擬建場(chǎng)地的大震設(shè)計(jì)譜對(duì)比見(jiàn)圖4,可見(jiàn)5條天然波反應(yīng)譜與擬建場(chǎng)地大震設(shè)計(jì)譜基本相符。表明根據(jù)擬建場(chǎng)地設(shè)計(jì)反應(yīng)譜的確定比較準(zhǔn)確、經(jīng)濟(jì),天然地震動(dòng)記錄可用于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)驗(yàn)算。

圖4 擬建場(chǎng)地大震設(shè)計(jì)譜和天然地震反應(yīng)譜比較

編號(hào)年份地震震級(jí)臺(tái)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(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)某超高層建筑場(chǎng)地地震反應(yīng)分析及設(shè)計(jì)反應(yīng)譜研究,可得出如下結(jié)論：

1)歷史地震對(duì)擬建場(chǎng)地的最大影響烈度為Ⅶ度,擬建場(chǎng)地屬于淺源地震區(qū)域,近場(chǎng)區(qū)具備5～6級(jí)地震的地震構(gòu)造背景。

2)確定了擬建場(chǎng)地6個(gè)超越概率水平下的長(zhǎng)周期設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜,可供不同階段抗震設(shè)計(jì)驗(yàn)算使用。

3)通過(guò)與場(chǎng)地設(shè)計(jì)反應(yīng)譜比較,選取的天然地震動(dòng)記錄同設(shè)計(jì)反應(yīng)譜較為一致,可供抗震設(shè)計(jì)驗(yàn)算使用。

[1] 江靜.南昌地區(qū)框架-核心筒超高層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)之抗風(fēng)與抗震承載力能力對(duì)比研究[D].南昌：南昌大學(xué),2014.

[2] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.GB50011—2010建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] 劉國(guó)光,武志瑋,徐有華.某超高層場(chǎng)地地震反應(yīng)及設(shè)計(jì)反應(yīng)譜研究[J].廣東土木與建筑,2010(6):14-16.

[4] 劉國(guó)光,路建波,徐有華.某超高層建筑場(chǎng)地地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2012(4):174-177.

[5] 石樹(shù)中.上海及鄰近地區(qū)地震動(dòng)參數(shù)衰減關(guān)系研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué),2005.

[6] 中國(guó)地震局地球物理研究所.GB17741—2005工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)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(tái)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