某高层建筑弹性动力时程分析的地震波选取

李建荣，孙业华

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031)

某高层建筑弹性动力时程分析的地震波选取

李建荣，孙业华

(中国瑞林工程技术有限公司，江西南昌330031)

针对高层建筑弹性时程分析时的地震波选用原则进行了分析，表明多条地震波所生成的平均反应谱与规范谱相差比例，同结构平均基底剪力与规范谱基底剪力相差比例存在较为明显的对应关系。

高层建筑；时程分析；地震波；抗震设计

目前,我国常用的抗震设计方法仍是弹性反应谱法。弹性反应谱法本质上是一种拟动力分析方法：首先使用动力方法计算出各个质点的地震响应,并使用统计的方法绘制出反应谱曲线,然后使用静力的方法进行结构计算,得出的信息便于结构的构件设计。但该法也具有自身的局限性[1]：1)弹性反应谱理论只适用材料在弹性范围内应用;2)只考虑地震的平动分量,无法考虑扭转分量;3)只反映地震作用的最大的部分,不能反映地震持时的影响。对于高层建筑顶部,或结构其他对高阶振型影响显著的部位,由于弹性反应谱的高频段采用平台段来表达,弹性时程分析法的地震响应峰值比弹性反应谱结果要大。因此《建筑抗规设计规范》(以下简称抗规)[2]要求针对特别不规则、特别重要的和较高的高层建筑需进行弹性时程分析的补充计算,主要对结构基底剪力、楼层剪力与层间位移与弹性反应谱法计算结果进行比较，若弹性时程分析方法结果大于弹性反应谱法结果，需对相应的构件内力进行调整。

1 地震波的选择

弹性时程分析是一种较准确的地震响应分析方法，但由于地震波的随机性，场地多样性，时程分析输出的每个时刻结构的位移及内力导致数据处理的复杂性等，使得计算结果难以直接用于结构设计[3]。其中,弹性时程分析方法计算结果对所选取的地震波依赖性很大,不同地震波的输入引起的结构的地震反应差别也很大，故计算结果合理性很大程度上取决于地震波计算的合理选择。

《抗规》第5.1.2条对选取的地震波规定了3个原则,第一个原则是“多组时程曲线的平均地震响应系数曲线应与振型分解反应谱所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符”。“统计意义上相符”是指“其平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比,在各个周期点上相差不大于20%”。由于人工波是根据反应谱有关特性经随机振动理论模拟生成,所以人工波反过来能够更好地满足该原则,但人工波很难体现天然波所具有的频域非稳定性这一特点;天然波由于随机性较大,单条天然波很难达到该原则的要求,故规范给出的反应谱曲线是在大量地震波统计的基础上取平均值,体现的是共性,并结合工程实践经过不断的修正。第二个原则是“每条时程曲线计算所得的结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%,多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%”[4]。这是对基底剪力的下限要求,同时条文解释还给出“每条地震波输入计算不大于135%,平均不大于120%”的基底剪力上限要求。第三个原则是要满足地震动三要素的要求：频谱特性、有效峰值和持续时间的要求。本文结合某高层建筑工程对地震波在时程分析中的选用原则进行了分析。

2 工程案例

某工程位于南昌市,由一栋58层超高层办公楼、一栋25层高层办公楼以及4层商业广场组成(详见图1)。

其中,超高层办公楼屋面标高为249.7 m,机房屋面标高为259.9 m,到檐口极点高度为271.9 m,平面尺寸为43.8 m×43.8 m,采用框架—核心筒结构体系,属B级高度高层建筑。

图1 建筑效果

依据《高层建筑混凝土结构技术规程》第5.1.13条2款：抗震设计时,B级高度的高层建筑结构应采用弹性时程分析方法进行补充验算[5]。本工程抗震设防烈度6度,Ⅱ类场地,设计地震第一组，地震安全性评价报告给出特征周期Tg为0.40 s，结构自振周期T1=5.26 s(Y方向),T2=5.15 s(X方向)。地震波由专业技术公司提供,小震下总共选取了7组波,其中5组波为天然波,2组为人工波,最少持续时间为40 s,均大于5倍结构基本周期。地震波时间间距0.02 s，输入地震波峰值加速度最大值为18 cm/s2。限于篇幅,本文仅对3组代表性地震波分别结合地震波选用原则进行分析。

2.1 地震波反应谱与规范谱对比

S0169、S0266、S640-1的加速度时程曲线及其反应谱与规范谱的比较分别见图2～图7。

图2 S0169加速度时程曲线

图3 S0169反应谱与规范谱的比较

图4 S0266加速度时程曲线

图5 S0266反应谱与规范谱的比较

图6 S640-1加速度时程曲线

图7 S640-1反应谱与规范反应谱的比较

从图3、图5、图7可以看出,图示的3条地震波在结构基频点处地震影响系数曲线相差较小，S0169相差-3.3%,S0266相差-5.5%,S640-1相差+2.8%；经计算7组地震波平均地震影响系数曲线与规范中振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线相比，在对应于结构主要振型的前2结构周期点,T1相差-10%,T2相差-8%,满足规范相差不大于20%的要求。

2.2 基底剪力结果

各条地震波基底剪力结果见表1。

由表1可以得出：每条时程曲线计算所得的结构底部总剪力均不小于按振型分解反应谱法计算所得的65%,7条地震波计算所得的结构底部总剪力的平均值不小于按振型分解反应谱法计算所得的80%[6]。图3、图5、图7所示的3条地震波在结构基频点处地震影响系数曲线与规范谱相差比例，并未与表1中所列的基底剪力相差比例有明显对应的关系,仅仅反映结构基底剪力与基频点处地震影响系数比例大小的变化规律；但7条地震波计算下的平均基底剪力与反应谱计算结果相差比例的分别为X向-7%，Y向-11%,与结构基频点处地震影响系数曲线相差T2(X向周期)相差-8%，T1(Y向周期)相差-10%这一比例结果比较吻合,说明所选地震波组数越多，计算结果的保证率也越高。

表1 各条地震波基底剪力结果 kN

3 结论

综上所述,可以得出以下结论：1)地震反应谱反映的是地震动频谱特性,并非是结构的固有特性，选波的时候，不仅要考虑与场地的有关情况,也要了解结构的相应动力特性。2)双向地震分析的时候,主次方向应采用不同的地震波，但是计算某方向的地震响应时，应采用合适的地震波分量进行计算。3)时程分析时,应选择多条合适地震波进行分析,多组地震波的基底剪力相差比例与基频点处地震影响系数曲线相差比例有明显的对应关系，计算结果也有更高的保证率。

[1] 邓自宇,等.反应谱理论及应用[J].天津城市建设学院学报,2008 (4)：244-247.

[2] GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].

[3] 孙聪.榫减震系统的研究及其在大跨度连续梁桥上的应用[D].北京：北京交通大学,2011.

[4] 杨志勇,黄吉锋,邵弘.弹性与弹塑性动力时程分析方法中若干问题探讨[J].建筑结构学报,2009(S1)：213-217.

[5] JGJ3-2010,高层建筑混凝土技术规程[S].

[6] 程浩.弹性动力时程分析的理解和应用 [J].甘肃科技,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

李建荣(1972—),男,高级工程师,国家一级注册结构工程师,主要从事建筑结构设计工作。