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        基于靜力法的中印標(biāo)準(zhǔn)水平地震作用比較

        2018-04-02 09:12:15劉天英魏翠影
        吉林電力 2018年1期
        關(guān)鍵詞:阻尼比中標(biāo)類別

        劉天英,王 斐,魏翠影

        (中國電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計院有限公司,長春 130021)

        國內(nèi)工程公司在印度承擔(dān)大量的電廠項目,這些項目由中國設(shè)計公司按照中國標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計,確認(rèn)工作由印度工程技術(shù)人員完成。印度工程技術(shù)人員熟悉印度標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱印標(biāo)),不了解中國標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱中標(biāo)),而中國工程設(shè)計人員熟知中標(biāo),不了解印標(biāo),這就阻礙了圖紙的確認(rèn)。為便于交流并順利執(zhí)行項目,有必要進(jìn)一步了解印標(biāo)。地震作用是結(jié)構(gòu)設(shè)計最基本工況之一,地震組合常對建(構(gòu))筑物的安全起控制作用。地震作用又進(jìn)一步細(xì)分為水平地震作用和豎向地震作用,其中水平地震作用在結(jié)構(gòu)設(shè)計中最常遇到,其計算也是中印工程技術(shù)人員爭論的焦點。在中印標(biāo)準(zhǔn)中,水平地震作用計算均分為靜力方法和動力方法,兩種方法有各自適用條件,其中靜力方法簡單實用,應(yīng)用廣泛,所以有必要對中印標(biāo)準(zhǔn)基于靜力法的水平地震作用計算進(jìn)行對比,找出差異并分析對結(jié)果的影響。

        1 水平地震作用

        許多國家抗震規(guī)范中的設(shè)計地震作用可用統(tǒng)一的公式來表示,總設(shè)計水平基底剪力V=ZIβ(T)W/R,式中:Z為地震區(qū)系數(shù),為不同地震分區(qū)設(shè)計地震水準(zhǔn)的峰值地面加速度與重力加速度的比值;I為地震重要性系數(shù);R為響應(yīng)修正系數(shù),與結(jié)構(gòu)的延性有關(guān),結(jié)構(gòu)延性越好,R值越大;β(T)為場地設(shè)計譜(即動力放大系數(shù));T為周期;W為地震重力荷載[1-2]。

        印標(biāo)IS 1893(Part 1):2002《結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》中靜力法總設(shè)計底部剪力V=AhW,Ah=ZISa/(2Rg),式中:Ah為設(shè)計水平地震系數(shù);Sa/g為加速度譜系數(shù),也就是動力放大系數(shù)譜。I/R不能大于1.0,對于周期T≤0.1 s的結(jié)構(gòu),系數(shù)Ah不能小于Z/2。將最大考慮地震(MCE)的地震區(qū)系數(shù)Z除以2,折減至設(shè)計基準(zhǔn)地震(DBE)區(qū)系數(shù)Z/2??傇O(shè)計底部剪力可改寫為V=0.5ZIβ(T)W/R。中標(biāo)GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》設(shè)計地震作用計算見文獻(xiàn)[1]。

        中印標(biāo)準(zhǔn)水平地震作用公式接近一致,有比較基礎(chǔ)。水平地震作用涉及到結(jié)構(gòu)重性系數(shù)、設(shè)計基準(zhǔn)地震、場地類別、場地放大系數(shù)譜、強(qiáng)度折減系數(shù)、等效重力荷載,可從上述方面進(jìn)行比較。為便于比較,地震等效重力荷載取值相同,具體計算見中標(biāo)GB 50011—2010和印標(biāo)IS 1893(Part 1):2002。

        2 水平地震作用參數(shù)

        2.1 設(shè)計地震水準(zhǔn)

        IS 1893(Part 1):2002規(guī)定:最大考慮地震(MCE)為50年超越概率2%,也就是2 500年重現(xiàn)期的地震動;DBE為50年超越概率10%,也就是475年重現(xiàn)期的地震動;同一場地,MCE區(qū)系數(shù)是DBE區(qū)系數(shù)的2倍(見表1)。中標(biāo)GB 50011—2010設(shè)計地震水準(zhǔn)規(guī)定見參考文獻(xiàn)[1]。

        表1 地震區(qū)系數(shù)

        IS 1893(Part 1):2002中DBE為475年重現(xiàn)期地震,與中標(biāo)GB 50011—2010重現(xiàn)期一致,其動參數(shù)可以直接對應(yīng)。印標(biāo)DBE的Ⅱ、Ⅲ區(qū)與中標(biāo)6度(0.05g)對應(yīng);Ⅳ區(qū)與中標(biāo)7度(0.10g)對應(yīng);Ⅴ區(qū)與中標(biāo)7度(0.15g)對應(yīng)。2部標(biāo)準(zhǔn)計算水平地震作用的主要區(qū)別就是采用的基準(zhǔn)不同。中標(biāo)采用475年重現(xiàn)期的地震水準(zhǔn),也就是以平時常說的中震作為基準(zhǔn)。而印標(biāo)以MCE作為基準(zhǔn),也就是采用2 500年重現(xiàn)期的地震水準(zhǔn),然后乘以1/2作為DBE水準(zhǔn)。雖然2部標(biāo)準(zhǔn)最終都采用475年重現(xiàn)期的地震水準(zhǔn)進(jìn)行水平地震作用計算,但性質(zhì)不同,印標(biāo)采用2 500年重現(xiàn)期地震水準(zhǔn)作為基準(zhǔn),往回推導(dǎo)設(shè)計基準(zhǔn)地震水準(zhǔn)的目的是當(dāng)遭遇2 500年重現(xiàn)期地震時,也就是平常說的大震,使各地的倒塌率在一個水平上。

        2.2 地震重要性系數(shù)

        IS 1893(Part 1):2002根據(jù)結(jié)構(gòu)的功能、失效后果、災(zāi)后需求、歷史價值和經(jīng)濟(jì)重要性,將結(jié)構(gòu)的類別分為2類:重要服務(wù)和社區(qū)建筑及所有其他結(jié)構(gòu),地震重要性系數(shù)I分別為1.50和1.00。發(fā)電廠屬于重要服務(wù)和社區(qū)建筑,重要性系數(shù)為1.50。IS 1893(Part 4):2005將工業(yè)建筑進(jìn)一步劃分為4類:類別1~4,重要性系數(shù)分別為2.00、1.75、1.50和1.00。中標(biāo)GB 50011—2010地震重要性系數(shù)均為1.0[1-3]。

        2.3 場地類別

        IS 1893(Part 1):2002根據(jù)土的性狀和標(biāo)貫擊數(shù),將主要組成地基土的類型分為3類。類別Ⅰ為巖石或硬土:級配很好的碎石和砂石混合物,級配不好的黏土砂或砂黏土混各物,其標(biāo)貫值N>30;類別Ⅱ為中等土:10≤N≤30,級配不好的砂或沒有細(xì)顆粒N>15的碎石砂;類別Ⅲ軟土:除級配不好的砂之外的所有土,N<10。中標(biāo)GB 50011—2010建筑場地分類見參考文獻(xiàn)[1]。

        兩部標(biāo)準(zhǔn)的場地分類的指標(biāo)不同[4-5],中標(biāo)采用等效剪切波速和覆蓋土層厚度,而印標(biāo)根據(jù)土的性狀和標(biāo)貫擊數(shù);另外IS 1893(Part1):2002中同樣沒有明確覆蓋土層厚度要求,同一種土,覆蓋土層厚度不同,場地類別也應(yīng)區(qū)分。中標(biāo)土的性狀與剪切波速有一定關(guān)聯(lián)(見表2),進(jìn)而可以找到兩部標(biāo)準(zhǔn)場地分類的內(nèi)在聯(lián)系。表2中νs為巖石的剪切波速度,νse為土的等效剪切波速度,fak為地基承載能力特征值。中標(biāo)場地類別與印標(biāo)的大致對應(yīng)關(guān)系如下:印標(biāo)場地類別Ⅰ(巖石,或硬土)相當(dāng)于中標(biāo)Ⅰ、Ⅱ類場地;類別Ⅱ(中等土)相當(dāng)于中標(biāo)Ⅲ類場地;類別Ⅲ(軟土)相當(dāng)于中標(biāo)Ⅳ類場地。

        2.4 設(shè)計反應(yīng)譜

        IS 1893(Part 1):2002結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)譜系數(shù)(Sa/g)是表示承受地震動力加速度響應(yīng)譜的系數(shù),根據(jù)自振同期和結(jié)構(gòu)阻尼確定,也就是場地放大系數(shù)。5%阻尼比的結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)譜曲線見圖1,各分段曲線的取值見表3。當(dāng)結(jié)構(gòu)阻尼比不等5%時,考慮阻尼比修正系數(shù),對反應(yīng)譜曲線形狀進(jìn)行調(diào)整,阻尼比修正系數(shù)的取值見表4。計算設(shè)計地震水平作用力時,混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比取5%;鋼結(jié)構(gòu)取2%。中標(biāo)GB 50011—2010動力放大系數(shù)取值見參考文獻(xiàn)[1]。

        表2 中標(biāo)土的類型劃分和剪切波速范圍的關(guān)系

        圖1 印標(biāo)5%阻尼比各類場地加速度譜系數(shù)(Sa/g)

        場地周期T/sSa/g巖石或硬土0.00≤T≤0.100.10≤T≤0.400.40≤T≤4.001+15T2.501.00/T中等土0.00≤T≤0.100.10≤T≤0.550.55≤T≤4.001+15T2.501.36/T軟土0.00≤T≤0.100.10≤T≤0.670.67≤T≤4.001+15T2.501.67/T

        表4 印標(biāo)阻尼比修正系數(shù)

        可以看出,印標(biāo)將加速度譜響應(yīng)系數(shù)曲線分為3段,周期最長至4.0 s;而GB 50011—2010分為4段,周期最長至6.0 s。隨著地震區(qū)及場地類別的不同,兩部標(biāo)準(zhǔn)均對反應(yīng)譜平臺段的寬度以及曲線的形狀做了調(diào)整。5%阻尼比時,印標(biāo)響應(yīng)系數(shù)最大值取2.5,而中標(biāo)取2.25。印標(biāo)中巖石或硬土、中等土及軟土的特征周期分別為0.40 s、0.55 s和0.67 s,沒有體現(xiàn)震級和震中距對反應(yīng)譜的影響;而中標(biāo)通過地震分組來體現(xiàn)震級和震中距對特征周期Tg的影響。

        2.5 強(qiáng)度折減系數(shù)

        IS 1893(Part 1):2002中R稱為響應(yīng)折減系數(shù),實際就是強(qiáng)度折減系數(shù)。不同建筑材料以及不同結(jié)構(gòu)型式,也就是不同延性結(jié)構(gòu)采用不同R值,典型建筑框架結(jié)構(gòu)R值見表5。中標(biāo)GB 50011—2010中所有的建構(gòu)筑物R值為2.86[1]。

        表5 印標(biāo)建筑框架結(jié)構(gòu)響應(yīng)折減系數(shù)R

        3 算例

        算例1:印度某發(fā)電廠普通鋼筋混凝土抗彎框架結(jié)構(gòu),長和寬均為20 m,總高度為14 m。共4層,層高3.5 m?;咀哉裰芷赥1為0.50 s,結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05,總重力荷載為W。結(jié)構(gòu)類別:2類,地震重要性系數(shù)1.75。位于IS 1893標(biāo)準(zhǔn)中地震區(qū)Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ中,場地類別分別為硬土、硬土、中等土、軟土。相應(yīng)的中標(biāo)參數(shù):位于6度(0.05g)、6度(0.05g)、7度(0.10g)和7度(0.15g)中,相應(yīng)的特征周期分別為0.40、0.55、0.75 s。結(jié)構(gòu)類別:重點設(shè)防類,地震重要性系數(shù)1.0?;谟?biāo)不同地震區(qū)不同場地類別12個算例的地震基底水平剪力與相應(yīng)中標(biāo)地震基底水平剪力的比值在1.76~2.93,計算過程略。

        算例2:印度某發(fā)電廠鋼中心支撐框架結(jié)構(gòu),金屬墻板封閉。長和寬均為30 m,層高4.0 m,共10層,總高度為40 m。基本自振周期T1為0.78 s,結(jié)構(gòu)阻尼比取0.02,總重力荷載為W。中標(biāo)結(jié)構(gòu)阻尼比取0.04,其余條件同上?;谟?biāo)不同地震區(qū)不同場地類別12個算例的地震基底水平剪力與相應(yīng)中標(biāo)地震基底水平剪力的比值在1.27~2.19,計算過程略。

        對于普通鋼筋混凝土抗彎框架結(jié)構(gòu)和鋼中心支撐框架結(jié)構(gòu)這兩種結(jié)構(gòu)型式,印標(biāo)水平地震作用要高于中標(biāo)。有以下幾個方面原因:中標(biāo)加速度歸檔將水平峰值加速度降低;印標(biāo)地震重要性系數(shù)取值高于中標(biāo);印標(biāo)阻尼比取值低于中標(biāo)。如果將上述算例結(jié)構(gòu)類別改為4類,結(jié)果將出現(xiàn)變化,部分結(jié)構(gòu)水平地震作用IS 1893(Part1):2002標(biāo)準(zhǔn)將低于中標(biāo)。

        4 結(jié)論

        a.中標(biāo)設(shè)計地震作用計算是以475年重現(xiàn)期,也就是50年超越概率為10%的地震動參數(shù)作為基準(zhǔn);而印標(biāo)設(shè)計地震作用計算是以2 500年重現(xiàn)期,也就是50年超越概率為2%的地震動參數(shù)作為基準(zhǔn)。

        b.印標(biāo)場地分類依據(jù)不如中標(biāo)明確。由于目前中標(biāo)和印標(biāo)所提出的場地分類方法是建立在粗略而定性的基礎(chǔ)上,雖然具有大致的對應(yīng)關(guān)系,但這種關(guān)系不絕對。為降低安全風(fēng)險,在實際工程中應(yīng)根據(jù)中印標(biāo)準(zhǔn)中的方法和指標(biāo)確定場地分類。

        c.中標(biāo)反應(yīng)譜動力放大系數(shù)β的最大值取2.25,印標(biāo)取2.5。

        d.中標(biāo)抗震設(shè)防類別分為特殊、重點、標(biāo)準(zhǔn)及適度設(shè)防4類,可以認(rèn)為除特殊設(shè)防類之外,地震重要性系數(shù)均為1.0。印標(biāo)亦將工業(yè)結(jié)構(gòu)類別分為4類,地震重要性系數(shù)分別取分別為2.00、1.75、1.50和1.00。

        e.中標(biāo)不區(qū)分抗震結(jié)構(gòu)體系及建筑材料把強(qiáng)度折減系數(shù)R均取為2.86;而印標(biāo)根據(jù)不同的建筑材料以及不同的結(jié)構(gòu)型式,也就是不同延性的結(jié)構(gòu)采用不同的R值。

        f.中標(biāo)計算設(shè)計地震水平作用力時,混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05;鋼結(jié)構(gòu)高度不大于50 m時取0.04,高度大于50 m且小于200 m時,取0.03,高度不小于200 m時,取0.02;而印標(biāo)混凝土結(jié)構(gòu)阻尼比取0.05;鋼結(jié)構(gòu)取0.02。

        g.基于靜力方法的中印標(biāo)準(zhǔn)水平地震作用高低取決于地震重要性系數(shù)和結(jié)構(gòu)阻尼比。

        參考文獻(xiàn):

        [1]劉天英,盧昊,徐葉波.基于靜力法的中土標(biāo)準(zhǔn)水平地震作用比較[J].吉林電力:2017,45(3):24-28.

        [2]董綠荷.關(guān)于地震作用的中印建筑抗震設(shè)計規(guī)范比較[J].電力工程技術(shù):2009(4):24-28.

        [3]建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn):GB 50223—2008[S].

        [4]羅開海、王亞勇.中美歐抗震設(shè)計規(guī)范地震動參數(shù)換算關(guān)系的研究[J].建筑結(jié)構(gòu),2006,36(8):103-107.

        [5]馬申,周建軍,田樹桐,等.確定高烈度場地地震動參數(shù)的幾個問題[J].武漢大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2006,39(增刊):34-39.

        (編輯郝竹筠)

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