時程分析與場地類別對長周期結構地震剪力系數的影響

2016-07-20 06:07:26代偉

四川建筑 2016年3期

代　偉

(華藍設計(集團)有限公司, 廣西南寧 530011)

代偉

(華藍設計(集團)有限公司, 廣西南寧 530011)

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

【關鍵詞】時程分析;超高層建筑;剪重比;場地類別

在地震區，地震荷載是高層建筑特別是超高層建筑設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構自身的質量、周期等動力特性。

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

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

1工程概況及基本計算結果

廣西貴港某寫字樓，建筑層數為50層，1～3層為商業，17層、34層為避難層，其余樓層為辦公用房。算至主屋面的結構高度為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。

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

結構高度在B級高度以內，結構布置時中部布置核心筒，外部布置框架柱。

圖2　標準層平面結構布置及建筑效果

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。結構模態分析結果如表1所示。

表1　結構模態分析結果

由于結構長寬比約為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，平面較為規則，因此前兩個周期均為純平動周期，第三周期均為扭轉周期。

采用SATWE計算時，恒載作用下結構質量為131 678kN，活載作用下結構質量為15 761kN，結構總質量為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 %)，根據抗震設計規范GB50011-2010 6度區基本周期大于5s的結構，地震剪力系數(剪重比)取0.6 %，因此從初始計算結果來看，結構兩個方向的剪重比均不滿足規范要求。

2場地類別的影響

目前規范的剪重比限值與場地類別無關，但從反應譜分析方法來看，影響結構基底剪力的因素中，比較大的影響來至于地震影響系數最大值，在結構基本自振大于場地特征周期時，地震影響系數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。圖3列出了6度區第一組時地震影響系數曲線隨著周期的變化。

圖3　第一組時6度區地震影響系數曲線

在周期大致在2s以下時，各場地類別下地震影響系數最大值相差較大，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構的剪重比。

不同場地類別和不同設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。將上表的數據整理成曲線如圖4所示。

表2　各場地類別下結構剪重比的變化　%

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，同一結構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范要求的情況，而規范對于剪重比的規定與場地類別無關，這似乎不是太合理。比如在巖石地區，I0類場地計算出來的地震剪力太小了，滿足不了減重比，并不能說明結構布置有問題，即使結構平面布置很合理，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范要求。規范控制剪重比的初衷是讓結構應具備一定的抗剪能力，這種情況并不是結構抗剪能力不行，是因為“計算出來的地震剪力”太小了，因此用規范的計算方法去衡量結構的抗剪能力似乎有不足。

3時程分析

進一步假定，如果能真實考察結構的實際地震波作用下的真實反應，則可以完全清楚的了解結構實際產生的地震剪力的大小，在未知地震作用下，可以通過對結構的盡可能多、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構的受力狀態，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)的地震波對同一結構進行計算，進而推斷出該結構在實際地震中的地震反應的大小，同時對各場地類別的結果進行對比，得出結論。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果不是同一地震波的結果)的基底剪力，同時根據結構的總質量計算了時程分析時結構的剪重比，列于表3。

表3　時程分析各地震波下結構剪重比　%

為了更為清晰的看出時程分析下結構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

從上面的數據可以看出來，即使在考慮足夠多的地震波的情況下，結構在地震發生的全過程所受到的地震剪力也遠比規范規定限值要小，也比振型分解反應譜方法分析結果要

小，不同場地類別下結構的剪重比相差也較大。本例中，I類場地下，結構實際剪重比基本在0.3 %以下，大致才為規范規定值的一半，而IV類場地結構剪重比比I類場地高出不少，最大值大約在0.55 %左右，接近規范限值，假定地震波數量再足夠多，或許可以得出超高層結構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行規范規定值，即地震剪重比限值不考慮場地類別和設計地震分組是不太合適的，不同場地類別下結構剪重比相差較大。

此外，由于目前的所有分析均沒有考慮地基基礎和上部結構的共同影響，而根據概念及相關分析，考慮地基基礎和上部結構的共同影響后結構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，而且可以根據場地類別做進一步的細化。

4結論

從本文的分析可以看出，場地類別對結構尤其是長周期結構的影響不可忽視，同一結構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，因此在結構設計中某些場地類別下剪重比可能會不滿足規范要求的情況，而規范對于剪重比的規定與場地類別無關，這似乎不是太合理。

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

(1)在經濟合理的情況下調整結構布置。

(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范規定限值的要求。

(3)適當在規范規定范圍內取周期折減系數的較小值。

(4)提高結構剛度，減小結構基本周期。

(5)盡量采取輕質高強材料，減小結構自重。

本文所做研究還可以繼續延伸，動力彈塑性時程分析、上部結構與地基基礎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 建筑抗震設計規范[S].