豎向地震作用對建筑—文物系統的影響研究★

楊 帆 于建軍 馬繼明

(1.河北科技師范學院城市建設學院，河北秦皇島 066004; 2.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西西安 710055)

豎向地震作用對建筑—文物系統的影響研究★

楊 帆1于建軍1馬繼明2

(1.河北科技師范學院城市建設學院，河北秦皇島 066004; 2.西安建筑科技大學土木工程學院，陜西西安 710055)

通過建立三維有限元模型，從各樓層節點位移、加速度、結構頂層節點加速度等方面，探討了8層無大跨和長懸臂結構博物館建筑在7度與8度地震作用下，其豎向地震分量對建筑—文物系統影響，最終得出了一些有意義的結論。

中高烈度區，豎向地震作用，博物館，建筑—文物系統

0 引言

當前，在博物館結構抗震減震設計時，對中高烈度區無大跨和長懸臂結構建筑，其建筑—文物系統的豎向地震作用往往被忽視。近年來，葉列平等研究了豎向地震作用對地震災區混凝土框架結構的影響［1］;趙守江研究了古建木結構及其內陳文物地震反應分析［2］;鄢興祥等研究了博物館新館基礎隔震結構樓層譜［3］，Romero E M研究了能量耗散對高層建筑的影響［4］，取得了一定的成果，但豎向地震作用對博物館—文物系統防震安全影響還有待進一步研究。本文以某8層框架結構為例，著眼于文物系統的防震安全，以7度、8度地震作用豎向分量對博物館建筑結構—文物系統的影響進行分析，以探討整體系統向高層發展的可能性。

1 建筑結構—文物系統建模及系統動力分析方法

JGJ 66—1991博物館建筑設計規范3.1.3條規定［5］，陳列室不宜布置在4層或4層以上。隨著文物藏品增多和建筑技術的提高，客觀上要求博物館加大建筑高度并提高藏品陳列層數，框架結構因具有布置靈活等優點，因而博物館建筑較多采用。本文考慮了水平短邊單向輸入、水平短邊—豎向輸入，研究在7度多遇、7度罕遇、8度多遇、8度罕遇情況下，豎向地震作用對8層框架建筑結構—文物系統的影響。

1.1 三維有限元模型建立

該建筑物為乙類高層建筑，總高度29.2 m。標準層平面和立面如圖1所示，柱子和梁尺寸分別為700 mm×700 mm，400 mm× 700 mm?，F澆板厚150 mm。框架層不變荷載取為5.0 kN/m2，可變荷載按《博物館建筑設計規范》取為4.0 kN/m2。建筑物抗震設防烈度為7度，抗震等級為二級，阻尼比取0.05。建筑場地類別為Ⅱ類，場地特征周期為0.35 s。利用SAP2000程序建立三維有限元模型。采用框架模型生成柱、梁，樓板采用薄殼模型。

圖1 結構分布圖

1.2 建筑—文物系統動力分析方法

建筑—文物系統動力學分析有兩種方法:1)建立結構—文物系統整體模型，輸入地震波進行分析;2)建立結構模型，通過基于地震波輸入的時程分析法得到文物所處位置樓層的地震響應，將此結果作為文物展示系統的初始輸入，利用平均加速度法、線性加速度法、Newmark-β法、Wilson-θ法等進行計算［6］。由于文物系統尺寸、質量相對較小，建立建筑—文物整體系統模型分析及采用整體樓面譜法進行計算效果不理想，故而本文采用第二種，即采用分段法，由地震輸入時程分析法求得任意第i層樓面加速度將文物系統視為單自由度系統，將時間區間［0，T］劃分為n個等分段，各等分點分別為t0，t1，…，tn－1，tn，其控制方程為:

由線性加速度法，在相鄰時段(tk－1，tk)內，加速度滿足式(2):

考慮其初始條件，結合式(1)，式(2)求出體系在任一時刻的地震響應，從而進一步分析文物系統的防震安全性能。

2 地震波輸入及結構動力特性分析

2.1 地震波選取及工況分組

根據建筑場地類別和設計地震分組等因素，選取El Centro波南北向(N—S向，峰值為341.7 cm/s2，時間間隔0.02 s)和上下向(V向，峰值為－206.35 cm/s2，時間間隔0.02 s)，按7度多遇、7度罕遇、8度多遇、8度罕遇情況經調幅后作用于結構，研究其地震響應，阻尼比為0.05。為便于分析豎向地震的影響，對基礎固定結構僅考慮水平短邊單向和水平短邊—豎向兩向地震作用，進行地震反應時程分析。

2.2 結構動力特性分析

對結構進行模態分析，提取12階模態，其中前6階周期見表1。

表1 結構自振周期

由表1可以看出，結構第一周期T1=1.332 3 s，整體偏柔。第4階振型與前3階相比，周期、頻率等有明顯改變，結構振動以前3階振型為主。

3 中高烈度區博物館建筑結構—文物系統豎向地震作用影響分析

文物系統的地震響應強弱除與自振周期、外形等有關外，還與存放樓層位置及方位等因素有關。為便于分析，選取結構③軸線③-?柱不同樓層各節點7度、8度地震響應進行討論。

3.1 豎向地震作用對各樓層節點位移的影響

③-?柱各層節點X，Y，Z向最大位移變化如圖2所示。由圖2可知:

1)7度、8度同等地震輸入下，是否考慮豎向地震作用對結構X向、Y向地震響應影響不大，其位移值與地震輸入能量大小和輸入方向關系密切。對X向位移值，7度罕遇和8度罕遇地震作用下，隨樓層高度的加大，均出現明顯的非線性，3層、4層、6層樓頂出現明顯的位移峰值變化，8層樓頂位移最大。Y向位移值隨地震輸入的增大，顯現近似線性關系，8度罕遇情況位移偏大。結構3層以上位移變化幅度加大，對博物館3層以上樓層陳列文物時應對浮放文物的抗滑移性進行研究。

圖2 各樓層節點的最大位移

2)豎向地震作用對結構豎向位移影響不容忽視。7度罕遇、8度罕遇地震作用下結構頂層節點的位移響應，單向輸入與雙向輸入相比，忽視豎向地震影響后，其位移值偏小了6.81%，6.92%。

3.2 豎向地震作用對博物館各層加速度的影響

圖3 ③-?柱各樓層節點的最大加速度

圖3 給出了③-?柱各樓層節點最大加速度變化情況。圖3表明:

1)綜合來看，7度、8度同等地震輸入下，豎向地震作用對結構X向、Y向加速度影響不大，地震加速度響應的大小主要取決于外界地震輸入能量的大小方向。對8度多遇、7度罕遇和8度罕遇地震作用下結構頂層加速度峰值加大的情況，應重視樓層的放大效應影響。7度罕遇、8度罕遇情況，結構X向、Y向3層以上峰值均出現明顯振蕩。加速度峰值的急劇變化會引起文物系統地震響應的變化，對浮放或半浮放文物極其不利。

2)結構豎向加速度受豎向地震作用影響較大。8度多遇兩向地震作用加速度超過了8度罕遇單向加速度。7度、8度罕遇情況，忽視豎向地震作用后，結構頂點峰值加速度將分別減小84.54%和84.53%。豎向加速度的變化易引起立放文物的傾覆，對文物系統防震不利。

3.3 豎向地震作用對結構頂層節點加速度時程影響

圖4 結構頂層③-?柱節點的豎向加速度時程分析

圖4 為7度、8度罕遇地震輸入下，結構頂層③-?柱同一節點豎向加速度時程分析。

對結構相同節點有:1)同等地震輸入下，考慮豎向地震作用后，節點豎向加速度峰值明顯提高，且各峰值點出現時間提前，如7度、8度情況，第一峰值點變化分別為:1.8 s→0.8 s，1.8 s→0.7 s。2)峰值點有加大融合，多峰化趨勢。如前9 s內，7度主峰由3個變為5個，8度主峰由3個變為6個。豎向地震響應峰值點加大并出現多峰值點情況，對文物系統，將會產生加大的沖擊作用，對類似陶瓷等易碎文物、自身有設計缺陷或有裂痕文物等極易造成損傷，并可能導致立放、未完全固定文物的傾覆。

4 結語

通過對7度、8度罕遇地震作用下博物館建筑—文物系統進行動力學分析，探討了中高烈度區豎向地震作用對系統的影響，得出了如下結論:

1)中高烈度同等地震輸入下，豎向地震作用對結構水平向各樓層相同節點位移、加速度影響不大，地震響應的大小主要取決于外界地震輸入能量的大小及作用方向，但對結構3層及以上節點加速度峰值隨樓層提高出現回蕩現象應引起重視，同時應考慮樓層放大效應影響。在博物館3層及以上陳列文物時，應進行抗滑移研究。2)豎向地震作用對結構豎向位移和加速度的影響不容忽視。豎向地震作用明顯加大了豎向響應，地震輸入能量越大，作用越明顯。對立放文物的抗傾覆性要引起重視。3)豎向地震作用對結構頂層節點豎向加速度影響顯著，豎向分量可能會引起峰值融合加大、提前出現情況，容易造成文物的沖擊破壞，且樓層層數越高，響應放大效應越大。

［1］清華大學，西南交通大學.汶川地震建筑震害分析及設計對策［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009:154-162.

［2］趙守江.古建木結構及其內陳文物地震反應分析［D］.哈爾濱:中國地震局工程力學研究所，2012.

［3］鄢興祥，朱玉華.云南昆明博物館新館基礎隔震結構樓層譜分析［J］.工程抗震與加固改造，2011，33(6):45-51.

［4］Romero E M.Supplementary energy dissipation for maximum earthquake protection of tall building structures［J］.The Structural Design of Tall Buildings，1995，4(1):91-101.

［5］JGJ 66—1991，博物館建筑設計規范［S］.

［6］呂西林，周德源.建筑結構抗震設計理論與實例［M］.上海:同濟大學出版社，2011:104-106.

Research of effects of vertical earthquake action on building-cultural relics system★

Yang Fan1Yu Jianjun1Ma Jiming2
(1.College of Urban Construction，Hebei Normal University of Science and Technology，Qinhuangdao 066004，China; 2.College of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China)

Through establishing three-dimensional finite element model，starting from aspects of floor joints displacement acceleration，structural top joint acceleration，the paper explores the impact of vertical earthquake action upon building-cultural relic system of the museum building of the 8-story non-large-span and long-cantilever at degree 7 and degree 8 earthquake，and finally draws some meaningful conclusions.

medium-high intensity area，vertical earthquake action，museum，building-cultural relic system

TU352

:A

1009-6825(2016)36-0032-03

2016-10-12 ★:河北省科技支撐計劃項目“博物館建筑結構-文物系統的防震安全研究”(項目編號:13275802)

楊 帆(1990-)，男，碩士，助教; 于建軍(1978-)，男，博士，講師; 馬繼明(1979-)，男，博士，高級工程師