竖向地震作用对建筑—文物系统的影响研究★

杨 帆 于建军 马继明

(1.河北科技师范学院城市建设学院，河北秦皇岛 066004; 2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055)

竖向地震作用对建筑—文物系统的影响研究★

杨 帆1于建军1马继明2

(1.河北科技师范学院城市建设学院，河北秦皇岛 066004; 2.西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安 710055)

通过建立三维有限元模型，从各楼层节点位移、加速度、结构顶层节点加速度等方面，探讨了8层无大跨和长悬臂结构博物馆建筑在7度与8度地震作用下，其竖向地震分量对建筑—文物系统影响，最终得出了一些有意义的结论。

中高烈度区，竖向地震作用，博物馆，建筑—文物系统

0 引言

当前，在博物馆结构抗震减震设计时，对中高烈度区无大跨和长悬臂结构建筑，其建筑—文物系统的竖向地震作用往往被忽视。近年来，叶列平等研究了竖向地震作用对地震灾区混凝土框架结构的影响［1］;赵守江研究了古建木结构及其内陈文物地震反应分析［2］;鄢兴祥等研究了博物馆新馆基础隔震结构楼层谱［3］，Romero E M研究了能量耗散对高层建筑的影响［4］，取得了一定的成果，但竖向地震作用对博物馆—文物系统防震安全影响还有待进一步研究。本文以某8层框架结构为例，着眼于文物系统的防震安全，以7度、8度地震作用竖向分量对博物馆建筑结构—文物系统的影响进行分析，以探讨整体系统向高层发展的可能性。

1 建筑结构—文物系统建模及系统动力分析方法

JGJ 66—1991博物馆建筑设计规范3.1.3条规定［5］，陈列室不宜布置在4层或4层以上。随着文物藏品增多和建筑技术的提高，客观上要求博物馆加大建筑高度并提高藏品陈列层数，框架结构因具有布置灵活等优点，因而博物馆建筑较多采用。本文考虑了水平短边单向输入、水平短边—竖向输入，研究在7度多遇、7度罕遇、8度多遇、8度罕遇情况下，竖向地震作用对8层框架建筑结构—文物系统的影响。

1.1 三维有限元模型建立

该建筑物为乙类高层建筑，总高度29.2 m。标准层平面和立面如图1所示，柱子和梁尺寸分别为700 mm×700 mm，400 mm× 700 mm。现浇板厚150 mm。框架层不变荷载取为5.0 kN/m2，可变荷载按《博物馆建筑设计规范》取为4.0 kN/m2。建筑物抗震设防烈度为7度，抗震等级为二级，阻尼比取0.05。建筑场地类别为Ⅱ类，场地特征周期为0.35 s。利用SAP2000程序建立三维有限元模型。采用框架模型生成柱、梁，楼板采用薄壳模型。

图1 结构分布图

1.2 建筑—文物系统动力分析方法

建筑—文物系统动力学分析有两种方法:1)建立结构—文物系统整体模型，输入地震波进行分析;2)建立结构模型，通过基于地震波输入的时程分析法得到文物所处位置楼层的地震响应，将此结果作为文物展示系统的初始输入，利用平均加速度法、线性加速度法、Newmark-β法、Wilson-θ法等进行计算［6］。由于文物系统尺寸、质量相对较小，建立建筑—文物整体系统模型分析及采用整体楼面谱法进行计算效果不理想，故而本文采用第二种，即采用分段法，由地震输入时程分析法求得任意第i层楼面加速度将文物系统视为单自由度系统，将时间区间［0，T］划分为n个等分段，各等分点分别为t0，t1，…，tn－1，tn，其控制方程为:

由线性加速度法，在相邻时段(tk－1，tk)内，加速度满足式(2):

考虑其初始条件，结合式(1)，式(2)求出体系在任一时刻的地震响应，从而进一步分析文物系统的防震安全性能。

2 地震波输入及结构动力特性分析

2.1 地震波选取及工况分组

根据建筑场地类别和设计地震分组等因素，选取El Centro波南北向(N—S向，峰值为341.7 cm/s2，时间间隔0.02 s)和上下向(V向，峰值为－206.35 cm/s2，时间间隔0.02 s)，按7度多遇、7度罕遇、8度多遇、8度罕遇情况经调幅后作用于结构，研究其地震响应，阻尼比为0.05。为便于分析竖向地震的影响，对基础固定结构仅考虑水平短边单向和水平短边—竖向两向地震作用，进行地震反应时程分析。

2.2 结构动力特性分析

对结构进行模态分析，提取12阶模态，其中前6阶周期见表1。

表1 结构自振周期

由表1可以看出，结构第一周期T1=1.332 3 s，整体偏柔。第4阶振型与前3阶相比，周期、频率等有明显改变，结构振动以前3阶振型为主。

3 中高烈度区博物馆建筑结构—文物系统竖向地震作用影响分析

文物系统的地震响应强弱除与自振周期、外形等有关外，还与存放楼层位置及方位等因素有关。为便于分析，选取结构③轴线③-Ⓓ柱不同楼层各节点7度、8度地震响应进行讨论。

3.1 竖向地震作用对各楼层节点位移的影响

③-Ⓓ柱各层节点X，Y，Z向最大位移变化如图2所示。由图2可知:

1)7度、8度同等地震输入下，是否考虑竖向地震作用对结构X向、Y向地震响应影响不大，其位移值与地震输入能量大小和输入方向关系密切。对X向位移值，7度罕遇和8度罕遇地震作用下，随楼层高度的加大，均出现明显的非线性，3层、4层、6层楼顶出现明显的位移峰值变化，8层楼顶位移最大。Y向位移值随地震输入的增大，显现近似线性关系，8度罕遇情况位移偏大。结构3层以上位移变化幅度加大，对博物馆3层以上楼层陈列文物时应对浮放文物的抗滑移性进行研究。

图2 各楼层节点的最大位移

2)竖向地震作用对结构竖向位移影响不容忽视。7度罕遇、8度罕遇地震作用下结构顶层节点的位移响应，单向输入与双向输入相比，忽视竖向地震影响后，其位移值偏小了6.81%，6.92%。

3.2 竖向地震作用对博物馆各层加速度的影响

图3 ③-Ⓓ柱各楼层节点的最大加速度

图3 给出了③-Ⓓ柱各楼层节点最大加速度变化情况。图3表明:

1)综合来看，7度、8度同等地震输入下，竖向地震作用对结构X向、Y向加速度影响不大，地震加速度响应的大小主要取决于外界地震输入能量的大小方向。对8度多遇、7度罕遇和8度罕遇地震作用下结构顶层加速度峰值加大的情况，应重视楼层的放大效应影响。7度罕遇、8度罕遇情况，结构X向、Y向3层以上峰值均出现明显振荡。加速度峰值的急剧变化会引起文物系统地震响应的变化，对浮放或半浮放文物极其不利。

2)结构竖向加速度受竖向地震作用影响较大。8度多遇两向地震作用加速度超过了8度罕遇单向加速度。7度、8度罕遇情况，忽视竖向地震作用后，结构顶点峰值加速度将分别减小84.54%和84.53%。竖向加速度的变化易引起立放文物的倾覆，对文物系统防震不利。

3.3 竖向地震作用对结构顶层节点加速度时程影响

图4 结构顶层③-Ⓓ柱节点的竖向加速度时程分析

图4 为7度、8度罕遇地震输入下，结构顶层③-Ⓓ柱同一节点竖向加速度时程分析。

对结构相同节点有:1)同等地震输入下，考虑竖向地震作用后，节点竖向加速度峰值明显提高，且各峰值点出现时间提前，如7度、8度情况，第一峰值点变化分别为:1.8 s→0.8 s，1.8 s→0.7 s。2)峰值点有加大融合，多峰化趋势。如前9 s内，7度主峰由3个变为5个，8度主峰由3个变为6个。竖向地震响应峰值点加大并出现多峰值点情况，对文物系统，将会产生加大的冲击作用，对类似陶瓷等易碎文物、自身有设计缺陷或有裂痕文物等极易造成损伤，并可能导致立放、未完全固定文物的倾覆。

4 结语

通过对7度、8度罕遇地震作用下博物馆建筑—文物系统进行动力学分析，探讨了中高烈度区竖向地震作用对系统的影响，得出了如下结论:

1)中高烈度同等地震输入下，竖向地震作用对结构水平向各楼层相同节点位移、加速度影响不大，地震响应的大小主要取决于外界地震输入能量的大小及作用方向，但对结构3层及以上节点加速度峰值随楼层提高出现回荡现象应引起重视，同时应考虑楼层放大效应影响。在博物馆3层及以上陈列文物时，应进行抗滑移研究。2)竖向地震作用对结构竖向位移和加速度的影响不容忽视。竖向地震作用明显加大了竖向响应，地震输入能量越大，作用越明显。对立放文物的抗倾覆性要引起重视。3)竖向地震作用对结构顶层节点竖向加速度影响显著，竖向分量可能会引起峰值融合加大、提前出现情况，容易造成文物的冲击破坏，且楼层层数越高，响应放大效应越大。

［1］清华大学，西南交通大学.汶川地震建筑震害分析及设计对策［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009:154-162.

［2］赵守江.古建木结构及其内陈文物地震反应分析［D］.哈尔滨:中国地震局工程力学研究所，2012.

［3］鄢兴祥，朱玉华.云南昆明博物馆新馆基础隔震结构楼层谱分析［J］.工程抗震与加固改造，2011，33(6):45-51.

［4］Romero E M.Supplementary energy dissipation for maximum earthquake protection of tall building structures［J］.The Structural Design of Tall Buildings，1995，4(1):91-101.

［5］JGJ 66—1991，博物馆建筑设计规范［S］.

［6］吕西林，周德源.建筑结构抗震设计理论与实例［M］.上海:同济大学出版社，2011:104-106.

Research of effects of vertical earthquake action on building-cultural relics system★

Yang Fan1Yu Jianjun1Ma Jiming2
(1.College of Urban Construction，Hebei Normal University of Science and Technology，Qinhuangdao 066004，China; 2.College of Civil Engineering，Xi’an University of Architecture and Technology，Xi’an 710055，China)

Through establishing three-dimensional finite element model，starting from aspects of floor joints displacement acceleration，structural top joint acceleration，the paper explores the impact of vertical earthquake action upon building-cultural relic system of the museum building of the 8-story non-large-span and long-cantilever at degree 7 and degree 8 earthquake，and finally draws some meaningful conclusions.

medium-high intensity area，vertical earthquake action，museum，building-cultural relic system

TU352

:A

1009-6825(2016)36-0032-03

2016-10-12 ★:河北省科技支撑计划项目“博物馆建筑结构-文物系统的防震安全研究”(项目编号:13275802)

杨 帆(1990-)，男，硕士，助教; 于建军(1978-)，男，博士，讲师; 马继明(1979-)，男，博士，高级工程师