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觀點(diǎn)匯總(四)——“中日長(zhǎng)周期地震動(dòng)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)地震作用”

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長(zhǎng)周期地震動(dòng)問(wèn)題一直是行業(yè)熱點(diǎn)問(wèn)題。2012年7月20~22日的“長(zhǎng)周期地震動(dòng)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)地震作用高層建筑隔減震技術(shù)專(zhuān)題研討會(huì)”上,中日雙方60余名該領(lǐng)域?qū)<裔槍?duì)主題自由發(fā)言。本期為專(zhuān)家們發(fā)言摘錄連載的第四期。
 
發(fā)言人:傅學(xué)怡(中建國(guó)際(深圳)設(shè)計(jì)顧問(wèn)有限公司 設(shè)計(jì)大師)
主題:深圳平安金融中心長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)研究
 
1   工程簡(jiǎn)介
深圳平安金融中心(圖1)塔尖高度660m,塔樓屋面高度597m,樓層總數(shù)地上120層,地下5層,總建筑面積460,069m2。塔樓主體結(jié)構(gòu)由巨型鋼斜撐外框架+勁性鋼筋混凝土核心筒+伸臂鋼桁架結(jié)構(gòu)+空間帶狀桁架+角部V支撐構(gòu)成。工程位于深圳,7度區(qū),Ⅲ類(lèi)場(chǎng)地αmax=0.08,場(chǎng)地特征周期Tg=0.45s,結(jié)構(gòu)阻尼比ζ=0.035。第1振型為平動(dòng)振型,周期長(zhǎng)8.67s,質(zhì)量參與系數(shù)均為36%,第2振型為另一方向平動(dòng)振型,這個(gè)樓是對(duì)稱(chēng)的。第三振型為扭轉(zhuǎn)振型。到第4振型周期已經(jīng)到了2.38s,基本上是5倍的場(chǎng)地特征周期,一共做了72個(gè)振型。高振型(T≤5Tg)的累計(jì)質(zhì)量參與系數(shù)占主要貢獻(xiàn),72振型組合累計(jì)質(zhì)量參與系數(shù)達(dá)98%。
 
      2   反應(yīng)譜長(zhǎng)周期段處理
由于我國(guó)現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中的設(shè)計(jì)加速度譜只到6s,對(duì)超過(guò)6s的范圍設(shè)計(jì)中參照了上海地方規(guī)程的建議,采用將規(guī)范譜第二段直線延伸的方法,但是,對(duì)參數(shù)略作提高,適當(dāng)提高結(jié)構(gòu)的安全儲(chǔ)備(圖2)。原規(guī)范直線下降延伸段的地震影響系數(shù)與上海規(guī)程延伸段基本相等,差值≤2%。平安金融中心直線延伸段較原規(guī)范和上海規(guī)程略有放大,α平安/α上規(guī)=1.05~1.19。地震作用增大(0.05~0.19)×36%=1.8~6.84%,影響不大。      
 
3   平安金融中心反應(yīng)譜分析
高振型對(duì)平安金融中心長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)地震作用影響巨大。雖然高振型的質(zhì)量參與比例比第一振型低,但它們對(duì)地震作用的貢獻(xiàn)并不低。所以對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),更重要的是要關(guān)注高振型的影響。我們做了3種譜的分析,樓層剪力差別不大,在5%~6%,底部彎矩相差在7%。對(duì)不同振型數(shù)做了比較:比較結(jié)構(gòu)說(shuō)明高振型對(duì)平安金融中心長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)地震作用影響巨大。對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu),振型截?cái)嘁藴?,質(zhì)量參與系數(shù)應(yīng)大于95% 。
4   平安金融中心小震彈性時(shí)程分析
做了7條常用波(沒(méi)找到長(zhǎng)周期波)進(jìn)行彈性時(shí)程分析。頂部樓層彈性時(shí)程分析7條波的平均值要比反應(yīng)譜72個(gè)振型組合大5%~28%。所以,長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)高振型頂部鞭梢效應(yīng)是不容忽略的。反應(yīng)譜計(jì)算時(shí)要注意兩點(diǎn):第一,振型數(shù)要取足;第二,頂部樓層剪力宜進(jìn)一步適當(dāng)放大20%左右。此結(jié)論也為深圳平安金融中心的結(jié)構(gòu)振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)結(jié)果所驗(yàn)證。
5   結(jié)論
(1)反應(yīng)譜曲線延伸段對(duì)于長(zhǎng)周結(jié)構(gòu)地震作用影響是有的,但是有限;
(2)高振型鞭梢效應(yīng)對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)影響較大,反應(yīng)譜振型分解組合求解時(shí),模態(tài)截?cái)嘁藴螅_保結(jié)構(gòu)質(zhì)量參與系數(shù)累計(jì)應(yīng)達(dá)95%以上;
(3)彈性時(shí)程分析表明,頂部樓層剪力及傾覆彎矩均大于反應(yīng)譜分析的結(jié)果,反應(yīng)譜結(jié)構(gòu)分析時(shí),頂部樓層的剪力、傾覆彎矩應(yīng)適當(dāng)放大20%左右。
問(wèn)題:1)豎向振型有,在2~3s ;2)持時(shí)有時(shí)短好,有時(shí)長(zhǎng)好;3)持續(xù)累積損失,還是存在的。
 
發(fā)言人:松井和幸(清水建設(shè) 技術(shù)開(kāi)發(fā)部主查)
主題:超高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)周期地震動(dòng)作用下響應(yīng)
選取6個(gè)高度在90~240m、基本周期在1.86~5.44s,基本接近實(shí)際建筑的超高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)模型,分析了在前述東海、東南海、南海三聯(lián)動(dòng)預(yù)測(cè)地震動(dòng)作用下的響應(yīng)。結(jié)構(gòu)參數(shù)見(jiàn)表1,主要分析結(jié)果見(jiàn)表2,其中240m級(jí)模型的結(jié)構(gòu)平面和立面布置圖如圖1,分析結(jié)果的層間位移角分布圖如圖2。主要結(jié)論為:平均波的響應(yīng)大致控制在層間位移角1/100、層塑性變形倍率2以下,平均+σ波的響應(yīng)為平均波響應(yīng)的1.6-2.0倍,響應(yīng)大小與場(chǎng)地卓越周期和結(jié)構(gòu)基本周期的相互關(guān)系非常密切,并且鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)隨著裂縫的開(kāi)展,自振周期有延長(zhǎng)1.5-2倍的可能。
 
  六棟高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果                              表2
建筑規(guī)模
設(shè)計(jì)用
CB
方向
周期
(s)
平均波
平均+σ
KONOHANA
(大阪)
TSUSHIMA
(名古屋)
HAMAMATSU
(靜岡)
SHINJUKU
(東京)
KONOHANA
(大阪)
TSUSHIMA
(名古屋)
HAMAMATSU
(靜岡)
SHINJUKU
(東京)
RC90m級(jí)
0.103
X
1.99
1/231
1/215
1/151
1/649
1/121
1/115
1/79
1/347
Y
1.86
1/247
1/221
1/159
1/745
1/142
1/136
1/89
1/386
RC115m級(jí)
0.078
X
2.16
1/191
1/193
1/138
1/450
1/64
1/127
1/68
1/323
Y
2.16
1/191
1/193
1/138
1/450
1/64
1/127
1/68
1/323
RC130m級(jí)
0.073
X
3.12
1/101
1/101
1/141
1/244
1/48
1/53
1/99
1/161
Y
3.04
RC150m級(jí)
(1)
0.060
X
2.37
1/213
1/183
1/183
1/559
1/63
1/164
1/94
1/303
Y
3.48
1/104
1/164
1/142
1/375
1/59
1/92
1/125
1/167
RC150m級(jí)
(2)
0.060
X
2.92
1/93
1/158
1/140
1/440
1/51
1/77
1/97
1/208
Y
3.28
1/99
1/125
1/128
1/455
1/62
1/99
1/96
1/192
RC180m級(jí)
0.050
X
4.23
1/67
1/199
1/179
1/101
1/48
1/101
1/91
1/51
Y
4.31
1/68
1/195
1/172
1/95
1/53
1/104
1/84
1/51
RC240m級(jí)
0.032
X
5.44
1/133
1/199
1/163
1/123
1/91
1/142
1/106
1/77
Y
5.44
1/133
1/199
1/163
1/123
1/91
1/142
1/106
1/77

 
長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)最小剪力控制的若干問(wèn)題
 
肖從真 中國(guó)建筑科學(xué)研究院結(jié)構(gòu)所 總工程師
 
 1 長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的最小剪力系數(shù)控制
 
為什么要控制?主要考慮兩個(gè)方面。一個(gè)是結(jié)構(gòu)安全。由于已有的地面運(yùn)動(dòng)記錄不完善和已有長(zhǎng)周期地面運(yùn)動(dòng)記錄的缺乏,為防止對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)被低估,所以建立一個(gè)最小地震剪力。第二,要控制結(jié)構(gòu)剛度。國(guó)內(nèi)的設(shè)計(jì)主要通過(guò)側(cè)移限值、整體穩(wěn)定限值及最小剪力系數(shù)的限值。最小剪力系數(shù)的限值也是超高層設(shè)計(jì)感到困難最大的因素,影響材料用量增大。
我的觀點(diǎn):最小剪力系數(shù)控制還是有必要的。但控制值要做一定的調(diào)整;應(yīng)該選擇與場(chǎng)地類(lèi)型有一定關(guān)系的表達(dá);并且調(diào)整控制的方法;對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的控制適當(dāng)放松。

 

2   地震波基底輸入的影響
取一條存在位移基線偏移的天然波。位移反應(yīng)譜調(diào)整后,在長(zhǎng)周期段差別還是比較大的,速度反應(yīng)譜在長(zhǎng)周期段有一些,加速度反應(yīng)譜還是比較小的。對(duì)修正前后進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。
 
 建立了兩個(gè)計(jì)算模型,模型二的彈性模量是模型一的1/25外,其他都一樣。模型一的結(jié)構(gòu)基本周期為1.95s,模型二的基本周期為9.75s。地震波分別采用無(wú)位移漂移修正和有位移漂移修正的天然波(加速度、速度、位移),輸入方式采用支座輸入和上部結(jié)構(gòu)輸入(慣性力)。
通過(guò)這個(gè)假想算例的分析對(duì)比,從結(jié)構(gòu)的基底反力、相對(duì)頂點(diǎn)位移、層間位移角、單元內(nèi)力等結(jié)果來(lái)看,認(rèn)為在支座輸入地震加速度、速度、位移的計(jì)算模型的結(jié)構(gòu)分析結(jié)果基本一致,并且與在結(jié)構(gòu)上部直接輸入地震加速度慣性力的結(jié)果一致,對(duì)位移輸入時(shí)位移基線漂移的修正與否對(duì)計(jì)算結(jié)果沒(méi)有明顯影響。
如何理解抗震規(guī)范的5.2.5條的條文說(shuō)明:“對(duì)于長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu),地震動(dòng)態(tài)作用中的地面運(yùn)動(dòng)速度和位移可能對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞具有更大影響,但是規(guī)范所采用的振型分解反應(yīng)譜法尚無(wú)法對(duì)此作出估計(jì)”。我感覺(jué),速度和位移還是不會(huì)直接造成破壞,是加速度的長(zhǎng)周期部分對(duì)速度和位移比較敏感的分量對(duì)結(jié)構(gòu)造成的破壞。
一個(gè)天津工程實(shí)例的計(jì)算,可以看到雖然基底剪力很小,但是長(zhǎng)周期造成的位移、層間位移還是比較大的。
 
3   加速度譜修正對(duì)結(jié)構(gòu)基底剪力及位移的影響
 
算例是平安國(guó)際金融中心,結(jié)構(gòu)高度588m,115層,結(jié)構(gòu)體系:巨型框架-核心筒-外伸臂,抗震設(shè)防烈度為7度(0.1g),小震位移角控制1/500。加速度譜分別采用規(guī)范譜、規(guī)范譜3.5s后取平、規(guī)范譜6.0s后取平進(jìn)行調(diào)整,對(duì)比基底剪力。 
 
 
結(jié)論:將反應(yīng)譜的長(zhǎng)周期段抬高,能提高結(jié)構(gòu)的剪重比,使之盡量滿足規(guī)范要求;提高剪重比后,結(jié)構(gòu)的位移提高幅度更大;規(guī)范條文說(shuō)明給出的調(diào)整結(jié)構(gòu)基底剪力方法對(duì)結(jié)構(gòu)的位移影響最小。
 
發(fā)言人:趙作周 清華大學(xué)土木工程系 副教授
主題:中國(guó)抗震規(guī)范中反應(yīng)譜長(zhǎng)周期部分的探討
對(duì)部分汶川地震加速度記錄、日本311地震加速度記錄與美國(guó)ATC63推薦的典型地震加速度記錄的譜分析結(jié)果表明,長(zhǎng)周期部分的譜加速度與譜速度變化不敏感,對(duì)日本311地震記錄的分析發(fā)現(xiàn),譜位移在長(zhǎng)周期段與結(jié)構(gòu)周期呈線形關(guān)系。建議對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu),通過(guò)控制譜速度與譜位移參數(shù)來(lái)選擇結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算用加速度記錄可能比簡(jiǎn)單按照峰值加速度計(jì)算更合理。我國(guó)現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中加速度反應(yīng)譜的適用范圍為0~6s,對(duì)超過(guò)6s的情況,規(guī)定了層最小剪重比取值。比較了將現(xiàn)行規(guī)范譜曲線水平延伸到10s的方法、將第一衰減段直接延伸到10s的方法、將現(xiàn)行規(guī)范譜第二段直接延伸到10s的方法、或按現(xiàn)行我國(guó)公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中采用一次的衰減曲線四種方法下的地震作用系數(shù)的差異,發(fā)現(xiàn)最后兩種方法的計(jì)算結(jié)果均低于第二種,也低于第一種方法。比較了6,7,8,9度設(shè)防、二類(lèi)場(chǎng)地下的彈性反應(yīng)譜曲線,發(fā)現(xiàn)除7.5度外,對(duì)5s以上的情況均是剪重比控制,而且計(jì)算地震響應(yīng)遠(yuǎn)低于剪重比要求,同時(shí),比較了不同阻尼比下的加速度譜變化,如果將現(xiàn)行規(guī)范曲線簡(jiǎn)單延伸到10s,會(huì)出現(xiàn)阻尼比越大,響應(yīng)越大的現(xiàn)象。建議對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu),可按速度譜或位移譜調(diào)整地震波的加速度。對(duì)長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)如何達(dá)到最小剪重比需要進(jìn)一步研究(如:調(diào)整地震作用或?qū)釉O(shè)計(jì)剪力,不提高結(jié)構(gòu)剛度),將現(xiàn)行規(guī)范直線段延伸后,出現(xiàn)不同阻尼比曲線“交叉”問(wèn)題,大阻尼比下影響系數(shù)大于小阻尼比的情況是不合理。

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作者: 來(lái)源: 發(fā)布時(shí)間:2013年09月12日