【摘 ? 要】 ? 為驗證豎向地震對建筑結構的破壞性，選取某8層超限高層混凝土大懸挑框架結構建筑為試驗對象。通過SAP2000軟件建立試驗對象的有限元分析模型，分析結構在水平兩向和水平加豎向三向地震作用下的地震反應，以及不同工況、不同地震頻率下，輸入不同地震波的大懸挑結構時程。試驗結果表明，豎向基底反力較易受豎向地震影響，導致剪力和彎矩均呈現(xiàn)增大趨勢;結構的豎向位移受豎向地震影響較大，水平位移不易受其影響;El-Centro波作用下的樓層側移相對較大，Pasadena波作用下的樓層位移相對較小;豎向地震作用下豎向分量對水平側移所產(chǎn)生的影響不大。

【關鍵詞】 ? 建筑;豎向地震;超限高層;大懸挑;地震波

Experimental study on seismic performance of high rise concrete cantilever structure under vertical earthquake

Lin Qiuyi

（Chuzhou Vocational and Technical College， Chuzhou 239000，China）

Abstract：In order to verify the destructive effect of vertical earthquake on building structure， an 8-storey oversize ?concrete cantilevered frame structure was selected as the test object. The finite element analysis model of the test object is established by SAP2000 software to analyze the seismic response of the structure under horizontal two-way earthquake and horizontal plus vertical three-way earthquake， and to input the time history of large cantilevered structures with different seismic waves under different conditions and different seismic frequencies. The results show that the vertical base reaction is easily influenced by the vertical earthquake， which leads to the increase of the shear force and bending moment， and the vertical displacement of the structure is largely influenced by the vertical earthquake， so the horizontal displacement is not easy to be influenced by it.

Key words： Building; Vertical earthquake; Transfinite high-rise building; Large cantilever; Earthquake resistance; Seismic wave

〔中圖分類號〕 ?TU352 ? ? ? ? ? ?〔文獻標識碼〕 ?A ? ? ? ? ? ? 〔文章編號〕 1674 - 3229（2021）03- 0000 - 00

0 ? ? 引言

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，國民生活品質(zhì)的提高，我國對建筑的要求也越來越高，超限高大懸挑結構具有實用和美觀雙重優(yōu)勢，在目前城市建筑中得到廣泛應用，但是該結構建筑的安全性相比于平房來說具有更高的要求，抗震性能就是在設計過程中必須考量的重要因素[1-2]。傳統(tǒng)觀點認為引起結構破壞的主要因素是水平地震，而豎向地震的影響較小[3-4]。但是據(jù)全球近幾年的大型地震報告顯示，豎向地震對結構的破壞同樣產(chǎn)生了不小的影響，嚴重的會直接破壞掉整體結構[5-6]。2008年5月12日發(fā)生在中國四川的汶川大地震，其中也有豎向地震破壞較大的發(fā)現(xiàn)[7]。為了研究豎向地震對超限高層混凝提大懸挑建筑結構的影響，本文利用SAP2000軟件建立整個建筑結構的有限元分析模型，根據(jù)反應譜分析法和時程分析法對兩種工況進行豎向地震作用下的結構試驗，通過兩種工況下的對比結果，分析豎向地震對整體結構的影響。

1 ? ? 工程概況與模型建立

1.1 ? 工程概況

以某8層超限高層混凝土大懸挑框架結構建筑為試驗對象，其高度為32.5米，平面尺寸為64×12.2m，結構頂層平面圖如圖1所示。

該建筑將大懸挑結構設置在頂部，懸挑層數(shù)為2層，懸挑尺寸為12米，已超出規(guī)定懸挑長度最大值。懸挑結構設有混凝土斜撐和邊柱，尺寸為0.6×0.6m，懸挑梁截面尺寸為0.5×0.6m。該建筑抗震設防類別、烈度和地震加速度分別為乙類、8度和0.3g。

1.2 ? 模型建立

該建筑在地下建有三層地下室，建模從基礎頂開始，地下室采用固結方式，柱底為剛性支座，采用剛性進行連接框架梁和樓面板，確保建筑具有較穩(wěn)定的橫向結構。

主體建筑的建模具有很高的復雜性，采用SAP2000建立模型時，利用截面設計器定義型鋼混凝土截面[8]。出于對混凝土核心筒剪力墻內(nèi)外平面剛度的考量，所以選擇殼單元進行模擬，而無外平面剛度要求的樓板，則利用膜單元進行模擬，針對框架柱和框架梁的彎曲、剪切變形、扭轉和軸向變形等效應則利用先單元的框架單元進行模擬[9，10]。為了確保懸挑結構的框架單元和混凝土核心筒的殼單元之間工作的協(xié)調(diào)性，采用在二者之間設置公共節(jié)點的方式進行控制[11]。

該建筑模型節(jié)點共17528個，梁單元共16288個，殼單元共8130個，該建筑整體模型如圖2所示。

該建筑結構極其復雜，正立面外傾，不均勻分布質(zhì)量，較大的懸挑跨度，豎向不規(guī)格結構。水平向振動波和水平向加豎向振動波兩種形式的彈塑性時程分析通過SAP2000結構分析程序進行輸入，針對兩種工況下的結構動力響應進行對比，分析豎向地震對建筑物結構的影響。

1.3 ? 地震波的選取和輸入

時程分析的地震波根據(jù)兩種工況進行輸入，僅含水平向振動地震波為工況1;包含水平向加豎向振動地震波為工況2。輸入為三條地震加速度時程曲線，分別為El-Centro波、Pasadena波和Kobe波[12-14]，其中覆蓋范圍最廣的是El-Centro波，頻率最低的是Pasadena波，豎向分量最大的是Kobe波。

根據(jù)抗震設防要求，地震波分別按照8度多遇和罕遇烈度進行輸入，36cm/s2和220cm/s2分別表示兩種地震波的加速度時程峰值。工況1涵蓋[x、y]兩個方向的地震波，加速度時程峰值比為100%：85%;工況2涵蓋[x、y、z]三個方向的地震波，加速度時程峰值比為100%：85%：65%。[x]方向輸入波為三條地震加速度時程曲線的南北向波，[y]方向輸入波為東西向波設置，[z]方向輸入波為豎向振動波。

由于建筑是混合結構，選取0.04的阻尼比，第1自振周期為1.41s;第2自振周期為1.6s，時程計算方法為Newmark法，設置γ值為0.5，β值為0.25。

在進行時程分析前進行初始載荷的加載，加載到結構上的初始載荷為重力載荷代表值，在標高屋面板上施加的水平預應力等效平衡載荷同屬初始載荷[15]。

2 ? ? 實驗結果與分析

2.1 ? 豎向反應譜分析

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，大部分地震危害中都發(fā)生了較強的豎向振動，甚至有些豎向地震峰值加速度比水平峰值加速度更大，嚴重破壞了建筑物結構。根據(jù)我國豎向地震作用的規(guī)定，針對本文的大懸挑結構進行了豎向地震的作用分析研究，豎向反應譜與水平設計反應譜比例為100：65，水平兩向和水平向加豎向三向反應譜的基底反力對比如表1所示。

由表1兩種反應譜對比結果可知，豎向基底反力較易受豎向地震的影響，z方向的剪力和彎矩均呈現(xiàn)增大趨勢。

兩種工況條件下大懸挑端部節(jié)點在三個方向的節(jié)點位移進行比較，水平兩向地震作用和三向地震作用時，[x]方向、[y]方向及[z]方向的位移值曲線分別如圖3、圖4、圖5所示。

由圖3、圖4和圖5的三個方向的位移等值曲線可知，建筑結構的豎向位移受豎向地震影響較大，水平位移不易受其影響，針對某個節(jié)點的具體數(shù)據(jù)顯示，在x方向時，水平兩向的位移為90.8mm，三向位移為90.8mm;在y方向時，水平兩向的位移為113.5mm，三向位移為113.5mm;在[z]方向時，水平兩向的位移為13.1mm，三向位移為17.4mm。表明當[x、y]方向位移保持一致時，豎向位移增大32.8%，其余豎向位移規(guī)律與此相同。

2.2 ? 懸挑結構的彈性時程分析

大懸挑的結構特點是體形無規(guī)律、不規(guī)整。依據(jù)中華人民共和國抗震規(guī)范規(guī)定，在進行抗震分析時必須將豎向地震作用納入考慮范圍，由于大懸挑結構的第一振型為[y]方向的平動振型，所以沿結構的[y]方向進行三條地震波偏大分量的輸入，利用兩種工況的加速度時程峰值比，通過時程分析法對大懸挑結構在彈性狀態(tài)下的地震反應進行計算，根據(jù)大懸挑結構內(nèi)力的變化和變形的變化，獲取豎向地震影響大懸挑結構抗震性能的規(guī)律。彈性時程分析的基底反力對比如表2所示。不同比例反應譜的基底反力對比如表3所示。

根據(jù)我國抗震規(guī)范規(guī)定，在進行彈性時程分析過程中，結構底部剪力平均值通過選取的多條時程曲線分級計算獲取，該平均值大于或等于反應譜分析計算結果的80%，每條時程曲線分析計算獲取的結果應大于或等于反應譜分析計算結果的65%?；谏鲜鲆?guī)定，結合表2、表3可知，三條時程曲線所有參數(shù)結果都大于65%反應譜的參數(shù)結果，同時三條時程曲線所有參數(shù)結果平均值均大于80%反應譜的參數(shù)結果。實驗結果符合抗震規(guī)范規(guī)定，表明本文選取的地震波滿足實驗要求。

利用三條地震波在三向地震作用下對建筑結構進行時程分析，通過與反應譜分析法的比較，獲取[x]方向和[y]方向的樓層側移和層間位移角包絡值，結構樓層側移、層間位移的角包絡示意圖分別如圖6、圖7所示。

由圖6和圖7可知，三條地震波在x方向和y方向的樓層側移和層間位移角變化趨勢與反應譜變化不是很大，El-Centro波作用下的樓層側移相對較大，Pasadena波作用下的樓層位移相對較小，反應譜分析法結果接近于El-Centro波作用下的結果。時程分析法和反應譜分析法的最大值可選用為結構設計的參考，該值對高層建筑結構進行彈性時程分析補充計算具有十分重要的意義。

2.3 ? 不同地震頻率的時程分析結果

根據(jù)8度多遇和罕遇輸入地震波，針對大懸挑屋頂某角點的節(jié)點[x]方向和[z]方向位移時程最大幅度進行試驗，具體節(jié)點位移時程最大幅值如表4所示。

由表4可知，在相同加速度峰值下，三條不同地震波作用下工況1和工況2之間結構位移時程反應區(qū)別較小，El-Centro波作用下的位移時程反應最大，Kobe波作用下的位移時程反應最小。表明在豎向地震作用下豎向分量對水平側移所產(chǎn)生的影響不大。

針對大懸挑屋頂下的某大跨度梁跨中某個節(jié)點處在[z]方向的工況1、工況2下的彎矩時程和位移時程進行比對試驗，試驗結果如表5所示。

由表5可知，在相同加速度峰值下，三條不同地震波作用下z方向的工況1和工況2之間結構位移時程反應略大于彎矩時程反應，El-Centro波作用下的位移和彎矩時程反應最大，Kobe波作用下的位移和彎矩時程反應最小;8級罕遇條件下，位移幅值和彎矩幅值均高于8級多遇條件;8級多遇條件三條地震波的位移幅值和彎矩幅值差異較小;8級罕遇條件下Pasadena地震波作用時，工況2的彎矩幅值比工況1增加11%。

3 ? ? 結論

本文通過SAP2000軟件建立結構整體有限模型，分別利用豎向反應譜分析法和彈性時程分析法，針對輸入的El-Centro波、Pasadena波和Kobe波作用下的結構的地震反應，總結出在豎向地震作用下對超限高層混凝土大懸挑結構的影響，結論如下：

（1）分別在水平兩向和水平加豎向三向地震作用下對兩種工況進行應譜基底反力和結構位移分析，豎向基底反力和豎向位移易受豎向地震的影響，而對水平位移影響幾乎無任何影響。

（2）利用時程分析法對大懸挑結構在彈性狀態(tài)下的地震反應進行計算，在三向地震作用時，El-Centro波作用下的樓層側移相對較大，Pasadena波作用下的樓層位移相對較小。

（3）豎向地震在8度多遇條件下對建筑結構的彎矩影響不大，在8度罕遇條件時對該結構的彎矩影響較大。

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[收稿日期] ? 2021-04-16

[基金項目] ? 安徽省教育廳2019年度安徽高校優(yōu)秀拔尖人才培育項目（重點青年人才）），“豎向地震作用下大懸挑結構的抗震性能分析”（ gxyqZD2019129）

[作者簡介] ? 林秋怡（1984- ），女，碩士，滁州職業(yè)技術學院建筑工程學院講師，研究方向：結構工程抗震及防災減災。