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觀點匯總(四)——“中日長周期地震動長周期結構地震作用”

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長周期地震動問題一直是行業熱點問題。2012年7月20~22日的“長周期地震動長周期結構地震作用高層建筑隔減震技術專題研討會”上,中日雙方60余名該領域專家針對主題自由發言。本期為專家們發言摘錄連載的第四期。
 
發言人:傅學怡(中建國際(深圳)設計顧問有限公司 設計大師)
主題:深圳平安金融中心長周期結構抗震設計研究
 
1   工程簡介
深圳平安金融中心(圖1)塔尖高度660m,塔樓屋面高度597m,樓層總數地上120層,地下5層,總建筑面積460,069m2。塔樓主體結構由巨型鋼斜撐外框架+勁性鋼筋混凝土核心筒+伸臂鋼桁架結構+空間帶狀桁架+角部V支撐構成。工程位于深圳,7度區,Ⅲ類場地αmax=0.08,場地特征周期Tg=0.45s,結構阻尼比ζ=0.035。第1振型為平動振型,周期長8.67s,質量參與系數均為36%,第2振型為另一方向平動振型,這個樓是對稱的。第三振型為扭轉振型。到第4振型周期已經到了2.38s,基本上是5倍的場地特征周期,一共做了72個振型。高振型(T≤5Tg)的累計質量參與系數占主要貢獻,72振型組合累計質量參與系數達98%。
 
      2   反應譜長周期段處理
由于我國現行建筑抗震設計規范中的設計加速度譜只到6s,對超過6s的范圍設計中參照了上海地方規程的建議,采用將規范譜第二段直線延伸的方法,但是,對參數略作提高,適當提高結構的安全儲備(圖2)。原規范直線下降延伸段的地震影響系數與上海規程延伸段基本相等,差值≤2%。平安金融中心直線延伸段較原規范和上海規程略有放大,α平安/α上規=1.05~1.19。地震作用增大(0.05~0.19)×36%=1.8~6.84%,影響不大。      
 
3   平安金融中心反應譜分析
高振型對平安金融中心長周期結構地震作用影響巨大。雖然高振型的質量參與比例比第一振型低,但它們對地震作用的貢獻并不低。所以對長周期結構來說,更重要的是要關注高振型的影響。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%。對不同振型數做了比較:比較結構說明高振型對平安金融中心長周期結構地震作用影響巨大。對長周期結構,振型截斷宜滯后,質量參與系數應大于95% 。
4   平安金融中心小震彈性時程分析
做了7條常用波(沒找到長周期波)進行彈性時程分析。頂部樓層彈性時程分析7條波的平均值要比反應譜72個振型組合大5%~28%。所以,長周期結構高振型頂部鞭梢效應是不容忽略的。反應譜計算時要注意兩點:第一,振型數要取足;第二,頂部樓層剪力宜進一步適當放大20%左右。此結論也為深圳平安金融中心的結構振動臺試驗結果所驗證。
5   結論
(1)反應譜曲線延伸段對于長周結構地震作用影響是有的,但是有限;
(2)高振型鞭梢效應對長周期結構影響較大,反應譜振型分解組合求解時,模態截斷宜滯后,確保結構質量參與系數累計應達95%以上;
(3)彈性時程分析表明,頂部樓層剪力及傾覆彎矩均大于反應譜分析的結果,反應譜結構分析時,頂部樓層的剪力、傾覆彎矩應適當放大20%左右。
問題:1)豎向振型有,在2~3s ;2)持時有時短好,有時長好;3)持續累積損失,還是存在的。
 
發言人:松井和幸(清水建設 技術開發部主查)
主題:超高層鋼筋混凝土結構在長周期地震動作用下響應
選取6個高度在90~240m、基本周期在1.86~5.44s,基本接近實際建筑的超高層鋼筋混凝土結構模型,分析了在前述東海、東南海、南海三聯動預測地震動作用下的響應。結構參數見表1,主要分析結果見表2,其中240m級模型的結構平面和立面布置圖如圖1,分析結果的層間位移角分布圖如圖2。主要結論為:平均波的響應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波的響應為平均波響應的1.6-2.0倍,響應大小與場地卓越周期和結構基本周期的相互關系非常密切,并且鋼筋混凝土結構隨著裂縫的開展,自振周期有延長1.5-2倍的可能。
 
  六棟高層鋼筋混凝土結構的分析結果                              表2
建筑規模
設計用
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
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
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
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
(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
(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
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
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

 
長周期結構最小剪力控制的若干問題
 
肖從真 中國建筑科學研究院結構所 總工程師
 
 1 長周期結構的最小剪力系數控制
 
為什么要控制?主要考慮兩個方面。一個是結構安全。由于已有的地面運動記錄不完善和已有長周期地面運動記錄的缺乏,為防止對長周期結構的地震響應被低估,所以建立一個最小地震剪力。第二,要控制結構剛度。國內的設計主要通過側移限值、整體穩定限值及最小剪力系數的限值。最小剪力系數的限值也是超高層設計感到困難最大的因素,影響材料用量增大。
我的觀點:最小剪力系數控制還是有必要的。但控制值要做一定的調整;應該選擇與場地類型有一定關系的表達;并且調整控制的方法;對結構剛度的控制適當放松。

 

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。位移反應譜調整后,在長周期段差別還是比較大的,速度反應譜在長周期段有一些,加速度反應譜還是比較小的。對修正前后進行對比計算。
 
 建立了兩個計算模型,模型二的彈性模量是模型一的1/25外,其他都一樣。模型一的結構基本周期為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構輸入(慣性力)。
通過這個假想算例的分析對比,從結構的基底反力、相對頂點位移、層間位移角、單元內力等結果來看,認為在支座輸入地震加速度、速度、位移的計算模型的結構分析結果基本一致,并且與在結構上部直接輸入地震加速度慣性力的結果一致,對位移輸入時位移基線漂移的修正與否對計算結果沒有明顯影響。
如何理解抗震規范的5.2.5條的條文說明:“對于長周期結構,地震動態作用中的地面運動速度和位移可能對結構的破壞具有更大影響,但是規范所采用的振型分解反應譜法尚無法對此作出估計”。我感覺,速度和位移還是不會直接造成破壞,是加速度的長周期部分對速度和位移比較敏感的分量對結構造成的破壞。
一個天津工程實例的計算,可以看到雖然基底剪力很小,但是長周期造成的位移、層間位移還是比較大的。
 
3   加速度譜修正對結構基底剪力及位移的影響
 
算例是平安國際金融中心,結構高度588m,115層,結構體系:巨型框架-核心筒-外伸臂,抗震設防烈度為7度(0.1g),小震位移角控制1/500。加速度譜分別采用規范譜、規范譜3.5s后取平、規范譜6.0s后取平進行調整,對比基底剪力。 
 
 
結論:將反應譜的長周期段抬高,能提高結構的剪重比,使之盡量滿足規范要求;提高剪重比后,結構的位移提高幅度更大;規范條文說明給出的調整結構基底剪力方法對結構的位移影響最小。
 
發言人:趙作周 清華大學土木工程系 副教授
主題:中國抗震規范中反應譜長周期部分的探討
對部分汶川地震加速度記錄、日本311地震加速度記錄與美國ATC63推薦的典型地震加速度記錄的譜分析結果表明,長周期部分的譜加速度與譜速度變化不敏感,對日本311地震記錄的分析發現,譜位移在長周期段與結構周期呈線形關系。建議對長周期結構,通過控制譜速度與譜位移參數來選擇結構設計計算用加速度記錄可能比簡單按照峰值加速度計算更合理。我國現行建筑抗震設計規范中加速度反應譜的適用范圍為0~6s,對超過6s的情況,規定了層最小剪重比取值。比較了將現行規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、將現行規范譜第二段直接延伸到10s的方法、或按現行我國公路橋梁抗震設計規范中采用一次的衰減曲線四種方法下的地震作用系數的差異,發現最后兩種方法的計算結果均低于第二種,也低于第一種方法。比較了6,7,8,9度設防、二類場地下的彈性反應譜曲線,發現除7.5度外,對5s以上的情況均是剪重比控制,而且計算地震響應遠低于剪重比要求,同時,比較了不同阻尼比下的加速度譜變化,如果將現行規范曲線簡單延伸到10s,會出現阻尼比越大,響應越大的現象。建議對長周期結構,可按速度譜或位移譜調整地震波的加速度。對長周期結構如何達到最小剪重比需要進一步研究(如:調整地震作用或層設計剪力,不提高結構剛度),將現行規范直線段延伸后,出現不同阻尼比曲線“交叉”問題,大阻尼比下影響系數大于小阻尼比的情況是不合理。

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作者: 來源: 發布時間:2013年09月12日
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