高层框架结构建筑竖向地震分析

2016-09-19刘双

地球 2016年2期

关键词：谱法框架结构剪力

■刘双

（黑龙江省地震局黑龙江哈尔滨150090）

高层框架结构建筑竖向地震分析

■刘双

（黑龙江省地震局黑龙江哈尔滨150090）

近年来全球范围内发生的几次强烈地震的震害调查表明：许多土木结构的破坏中有竖向地震作用的迹象，有时甚至会直接导致结构破坏。在高烈度区，特别是震中区，竖向地震作用是非常明显的。本文通过用SAP2000有限元软件对某框架高层进行振型分解反应谱法分析，反应谱分析法能满足大部分结构规范要求和工程师需求。

高层建筑竖向地震抗震反应谱分析

1　引言

地震是一种人类无法避免的自然灾害，而我国处于环太平洋地震带及欧亚地震带之间，历史上全国除个别省份外，都发生过里氏6级以上地震，给国家和人民的生命财产造成了无法统计的巨大损失。

2　竖向地震分析方法

2.1规范建议的简化方法

高层建筑的竖向地震作用计算可采用类似于水平地震作用的底部剪力法，即先确定结构底部总竖向地震作用，然后由总竖向地震作用计算结构各个质点上的地震作用。这种方法不用求解竖向周期和振型。规范对9度时的高层建筑的竖向地震作用标准值计算给出了计算方法，并规定楼层的竖向地震作用效应可按各构件承受的重力荷载代表值的比例分配，并宜乘以增大系数1.5。

2.2竖向地震反应谱法

竖向地震作用的反应谱法与水平地震反应谱法相同，先计算结构的竖向自振周期和振型，再由竖向振型周期从竖向反应谱求得等效竖向力。求出各振型的竖向地震作用和内力后，用平方和开方法进行振型的内力组合。此法较合理，然而需要计算结构的竖向自振特性，并需要建立相应的竖向地震反应谱。

2.3竖向地震时程分析法

时程分析法又称直接动力法，是将高层建筑结构作为一个多质点的振动体系，输入已知的地震波，用结构动力学的方法，分析地震全过程中每一时刻结构的振动状况，从而了解地震过程中结构的反应，计算量较大。竖向地震的时程分析结果应满足规范对时程法的相应要求，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求得的底部剪力的65%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法求得的底部剪力的80%。

3　框架结构的竖向地震分析

高层框架结构在高烈度区的建筑高度受到限制，本文只分析8度区(0.39)某10层框架结构。

3.1框架结构模型

串联简化模型、串并联简化模型都存在着较多的不合理性，在反映结构的水平地震作用时较为精确，对于情况相反的结构竖向地震反应却不适应。

3.2时程分析法

虽然能较好的计算出结构竖向地震反应，但其计算过程和数据分析过程复杂繁琐，在实际应中受到诸多限制。本文用SAP2000有限元软件对某框架高层进行振型分解反应谱法分析。

3.3模型简介

为了方便数据的提取和整理，本模型在竖向和平面都是规则结构。此框架结构高33米，10层，层高3.3米。轴网间距都取6米。高宽比和长宽比都满足规定要求。以下是框架结构构件的基本信息。

本框架结构按8度(0.39)设防，场地为II类场地，设计地震分组为第二组，特振周期Tg=0.4s，水平地震影响最大影响系数0.24，竖向地震最大影响系数为水平地震最大影响系数的65%。C30混凝土弹性模量取3.00x104N/mm2，梁柱主筋采用HRB335级钢筋，箍筋采用HPB235级钢筋，楼、屋面活荷载分别为2.0KN/m2，填充墙采用加气混凝土砌块，200mm厚，引起的附加线荷载为5.2KN/m2。有限元软件SAP2000建立框架结构模型。

表1　框架结构构件的基本信息

在MODAL分析结果中提取竖向自振周期得出表2。在6个竖向自振振型的质量参与系数为92.6%，满足大于90%的要求。

表2　框架结构竖向振型质量参与系数

根据框架结构模型的竖向振型质量参与系数表1可以知道以下几点。（1）框架结构模型的竖向第一振型质量参与系数为0.691，即第一振型参与系数近70%，在竖向振动中起着重要的作用。这是因为框架结构在平面和立面的刚度分布都比较均匀，可以把质量向节点简化；（2）框架结构模型的水平第一自振周期为1.713s；（3）虽然在对框架结构模型进行模态分析时取用12个振型，但由于此框架模型较为规则，仅前6振型就满足了振型质量参与系数大于90%的要求。此外为了计算出竖向各个振型要素，实际计算时取用的振型数远不止12个；（4）从水平自振周期表中容易发现此框架结构第一振型为Y向平动。第二振型是绕z轴的扭转振型，扭转因素要小于平动因素。