李建榮，孫業(yè)華

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330031)

某高層建筑彈性動(dòng)力時(shí)程分析的地震波選取

李建榮，孫業(yè)華

(中國(guó)瑞林工程技術(shù)有限公司，江西南昌330031)

針對(duì)高層建筑彈性時(shí)程分析時(shí)的地震波選用原則進(jìn)行了分析，表明多條地震波所生成的平均反應(yīng)譜與規(guī)范譜相差比例，同結(jié)構(gòu)平均基底剪力與規(guī)范譜基底剪力相差比例存在較為明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

高層建筑；時(shí)程分析；地震波；抗震設(shè)計(jì)

目前,我國(guó)常用的抗震設(shè)計(jì)方法仍是彈性反應(yīng)譜法。彈性反應(yīng)譜法本質(zhì)上是一種擬動(dòng)力分析方法：首先使用動(dòng)力方法計(jì)算出各個(gè)質(zhì)點(diǎn)的地震響應(yīng),并使用統(tǒng)計(jì)的方法繪制出反應(yīng)譜曲線,然后使用靜力的方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算,得出的信息便于結(jié)構(gòu)的構(gòu)件設(shè)計(jì)。但該法也具有自身的局限性[1]：1)彈性反應(yīng)譜理論只適用材料在彈性范圍內(nèi)應(yīng)用;2)只考慮地震的平動(dòng)分量,無法考慮扭轉(zhuǎn)分量;3)只反映地震作用的最大的部分,不能反映地震持時(shí)的影響。對(duì)于高層建筑頂部,或結(jié)構(gòu)其他對(duì)高階振型影響顯著的部位,由于彈性反應(yīng)譜的高頻段采用平臺(tái)段來表達(dá),彈性時(shí)程分析法的地震響應(yīng)峰值比彈性反應(yīng)譜結(jié)果要大。因此《建筑抗規(guī)設(shè)計(jì)規(guī)范》(以下簡(jiǎn)稱抗規(guī))[2]要求針對(duì)特別不規(guī)則、特別重要的和較高的高層建筑需進(jìn)行彈性時(shí)程分析的補(bǔ)充計(jì)算,主要對(duì)結(jié)構(gòu)基底剪力、樓層剪力與層間位移與彈性反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，若彈性時(shí)程分析方法結(jié)果大于彈性反應(yīng)譜法結(jié)果，需對(duì)相應(yīng)的構(gòu)件內(nèi)力進(jìn)行調(diào)整。

1 地震波的選擇

彈性時(shí)程分析是一種較準(zhǔn)確的地震響應(yīng)分析方法，但由于地震波的隨機(jī)性，場(chǎng)地多樣性，時(shí)程分析輸出的每個(gè)時(shí)刻結(jié)構(gòu)的位移及內(nèi)力導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理的復(fù)雜性等，使得計(jì)算結(jié)果難以直接用于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[3]。其中,彈性時(shí)程分析方法計(jì)算結(jié)果對(duì)所選取的地震波依賴性很大,不同地震波的輸入引起的結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)差別也很大，故計(jì)算結(jié)果合理性很大程度上取決于地震波計(jì)算的合理選擇。

《抗規(guī)》第5.1.2條對(duì)選取的地震波規(guī)定了3個(gè)原則,第一個(gè)原則是“多組時(shí)程曲線的平均地震響應(yīng)系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)意義上相符”?！敖y(tǒng)計(jì)意義上相符”是指“其平均地震影響系數(shù)曲線與振型分解反應(yīng)譜法所用的地震影響系數(shù)曲線相比,在各個(gè)周期點(diǎn)上相差不大于20%”。由于人工波是根據(jù)反應(yīng)譜有關(guān)特性經(jīng)隨機(jī)振動(dòng)理論模擬生成,所以人工波反過來能夠更好地滿足該原則,但人工波很難體現(xiàn)天然波所具有的頻域非穩(wěn)定性這一特點(diǎn);天然波由于隨機(jī)性較大,單條天然波很難達(dá)到該原則的要求,故規(guī)范給出的反應(yīng)譜曲線是在大量地震波統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上取平均值,體現(xiàn)的是共性,并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)過不斷的修正。第二個(gè)原則是“每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部剪力不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的65%,多條時(shí)程曲線計(jì)算所得結(jié)構(gòu)底部剪力的平均值不應(yīng)小于振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果的80%”[4]。這是對(duì)基底剪力的下限要求,同時(shí)條文解釋還給出“每條地震波輸入計(jì)算不大于135%,平均不大于120%”的基底剪力上限要求。第三個(gè)原則是要滿足地震動(dòng)三要素的要求：頻譜特性、有效峰值和持續(xù)時(shí)間的要求。本文結(jié)合某高層建筑工程對(duì)地震波在時(shí)程分析中的選用原則進(jìn)行了分析。

2 工程案例

某工程位于南昌市,由一棟58層超高層辦公樓、一棟25層高層辦公樓以及4層商業(yè)廣場(chǎng)組成(詳見圖1)。

其中,超高層辦公樓屋面標(biāo)高為249.7 m,機(jī)房屋面標(biāo)高為259.9 m,到檐口極點(diǎn)高度為271.9 m,平面尺寸為43.8 m×43.8 m,采用框架—核心筒結(jié)構(gòu)體系,屬B級(jí)高度高層建筑。

圖1 建筑效果

依據(jù)《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》第5.1.13條2款：抗震設(shè)計(jì)時(shí),B級(jí)高度的高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)采用彈性時(shí)程分析方法進(jìn)行補(bǔ)充驗(yàn)算[5]。本工程抗震設(shè)防烈度6度,Ⅱ類場(chǎng)地,設(shè)計(jì)地震第一組，地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告給出特征周期Tg為0.40 s，結(jié)構(gòu)自振周期T1=5.26 s(Y方向),T2=5.15 s(X方向)。地震波由專業(yè)技術(shù)公司提供,小震下總共選取了7組波,其中5組波為天然波,2組為人工波,最少持續(xù)時(shí)間為40 s,均大于5倍結(jié)構(gòu)基本周期。地震波時(shí)間間距0.02 s，輸入地震波峰值加速度最大值為18 cm/s2。限于篇幅,本文僅對(duì)3組代表性地震波分別結(jié)合地震波選用原則進(jìn)行分析。

2.1 地震波反應(yīng)譜與規(guī)范譜對(duì)比

S0169、S0266、S640-1的加速度時(shí)程曲線及其反應(yīng)譜與規(guī)范譜的比較分別見圖2～圖7。

圖2 S0169加速度時(shí)程曲線

圖3 S0169反應(yīng)譜與規(guī)范譜的比較

圖4 S0266加速度時(shí)程曲線

圖5 S0266反應(yīng)譜與規(guī)范譜的比較

圖6 S640-1加速度時(shí)程曲線

圖7 S640-1反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜的比較

從圖3、圖5、圖7可以看出,圖示的3條地震波在結(jié)構(gòu)基頻點(diǎn)處地震影響系數(shù)曲線相差較小，S0169相差-3.3%,S0266相差-5.5%,S640-1相差+2.8%；經(jīng)計(jì)算7組地震波平均地震影響系數(shù)曲線與規(guī)范中振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線相比，在對(duì)應(yīng)于結(jié)構(gòu)主要振型的前2結(jié)構(gòu)周期點(diǎn),T1相差-10%,T2相差-8%,滿足規(guī)范相差不大于20%的要求。

2.2 基底剪力結(jié)果

各條地震波基底剪力結(jié)果見表1。

由表1可以得出：每條時(shí)程曲線計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部總剪力均不小于按振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算所得的65%,7條地震波計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)底部總剪力的平均值不小于按振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算所得的80%[6]。圖3、圖5、圖7所示的3條地震波在結(jié)構(gòu)基頻點(diǎn)處地震影響系數(shù)曲線與規(guī)范譜相差比例，并未與表1中所列的基底剪力相差比例有明顯對(duì)應(yīng)的關(guān)系,僅僅反映結(jié)構(gòu)基底剪力與基頻點(diǎn)處地震影響系數(shù)比例大小的變化規(guī)律；但7條地震波計(jì)算下的平均基底剪力與反應(yīng)譜計(jì)算結(jié)果相差比例的分別為X向-7%，Y向-11%,與結(jié)構(gòu)基頻點(diǎn)處地震影響系數(shù)曲線相差T2(X向周期)相差-8%，T1(Y向周期)相差-10%這一比例結(jié)果比較吻合,說明所選地震波組數(shù)越多，計(jì)算結(jié)果的保證率也越高。

表1 各條地震波基底剪力結(jié)果 kN

3 結(jié)論

綜上所述,可以得出以下結(jié)論：1)地震反應(yīng)譜反映的是地震動(dòng)頻譜特性,并非是結(jié)構(gòu)的固有特性，選波的時(shí)候，不僅要考慮與場(chǎng)地的有關(guān)情況,也要了解結(jié)構(gòu)的相應(yīng)動(dòng)力特性。2)雙向地震分析的時(shí)候,主次方向應(yīng)采用不同的地震波，但是計(jì)算某方向的地震響應(yīng)時(shí)，應(yīng)采用合適的地震波分量進(jìn)行計(jì)算。3)時(shí)程分析時(shí),應(yīng)選擇多條合適地震波進(jìn)行分析,多組地震波的基底剪力相差比例與基頻點(diǎn)處地震影響系數(shù)曲線相差比例有明顯的對(duì)應(yīng)關(guān)系，計(jì)算結(jié)果也有更高的保證率。

[1] 鄧自宇,等.反應(yīng)譜理論及應(yīng)用[J].天津城市建設(shè)學(xué)院學(xué)報(bào),2008 (4)：244-247.

[2] GB50011-2010，建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 孫聰.榫減震系統(tǒng)的研究及其在大跨度連續(xù)梁橋上的應(yīng)用[D].北京：北京交通大學(xué),2011.

[4] 楊志勇,黃吉鋒,邵弘.彈性與彈塑性動(dòng)力時(shí)程分析方法中若干問題探討[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2009(S1)：213-217.

[5] JGJ3-2010,高層建筑混凝土技術(shù)規(guī)程[S].

[6] 程浩.彈性動(dòng)力時(shí)程分析的理解和應(yīng)用 [J].甘肅科技,2010(19)：143-144.

Earthquake Wave Selection Based on a High-rise Building Dynamic Elastic and Time-historical Analysis

LI Jianrong,SUN Yehua

(China Nerin Engineering Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

Indicate discrepancy proportion between average response spectrum and standard spectrum produced by many earthquake waves,according to analyze wave selection principle based on dynamic elastic and time-historical rules.There is an obvious congruent relationship of discrepancy proportion between average base shear of same structure and that of standard spectrum.

high-rise buildings;time-procedure analysis;earthquake wave;earthquake resistant design

TU311.3

B

1004-4345(2014)05-0062-03

2014-09-29

李建榮(1972—),男,高級(jí)工程師,國(guó)家一級(jí)注冊(cè)結(jié)構(gòu)工程師,主要從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。