剪力系数对多层建筑抗震性能的影响

梁亮,李朝红,康忠山

剪力系数对多层建筑抗震性能的影响

梁亮1,李朝红2,康忠山3

1. 石家庄铁道大学基建处, 河北 石家庄 050043 2. 石家庄铁道大学土木工程学院, 河北 石家庄 050043 3. 石家庄铁道大学 四方学院, 河北 石家庄 050043

采用当前常见的反应谱法对地震剪力系数进行计算，得到的结果通常较小。为此，需研究不同地震剪力系数对多层建筑结构抗震性能的影响，分析了中外有关地震剪力系数的规范，设计了三种模型，分析不同模型的弹性设计结果，发现三种模型位移角可达到1/500的规范要求，经处理后，楼层地震剪力系数都高于0.024的规范值。选择输入地震，完成抗倒塌性能比较、建筑结构位移响应分析、弹塑性时程分析。结果发现经调整达到规范的模型结构抗震性能更好。

地震; 剪力系数; 建筑结构; 抗震性能

现阶段在对多层建筑结构进行抗震设计的过程中，为了保证建筑结构的长时间抗震，需设定最小剪力系数，对建筑结构地震剪力系数进行约束，最小剪力系数能够有效实现多层建筑结构设计剪力的控制，增强了建筑结构的安全性[1,2]。因此，研究不同地震剪力系数对多层建筑结构抗震性能的影响具有重要意义。

采用当前常见的反应谱法对地震剪力系数进行计算，得到的结果通常较小，无法达到我国当前对最小地震剪力系数的要求[3]。为此，文章研究不同地震剪力系数对多层建筑结构抗震性能的影响，为多层建筑结构抗震设计提供依据。

1 背景分析

1.1 中外有关地震剪力系数的规范

1.1.1 我国对地震剪力系数的规范阐述当前对长时期的地震探究较少，为了保证多层建筑具有稳固且安全的结构，《建筑抗震设计规范》中指出，在对抗震能力进行核算时，每层楼的水平地震剪力需满足下述条件：

这里，V用于描述第层楼水平地震作用的楼层剪力；用于描述剪力系数[4]；G用于描述第层楼的重力载荷代表值。

1.1.2 国外对地震剪力系数的规范阐述美国对于地震剪力系数提出了以下规范：ASCE 7-05、IBC2000-2012以及UBC-1997[5]，这里，UBC中指出运算建筑结构总水平剪力最小值的公式为：

min=0.11CIW (2)

这里，C用于描述地震影响系数；用于描述结构重要性系数；结构总重力荷载代表值。针对坐落在高烈度地域的建筑，其底层的最小建立系数需符合下述要求：

式中，表示烈度区影响系数；N表示近断层的影响系数；表示荷载折减系数。

在IBC标准中，若求出的基底总剪力比标准中最小基底剪力小，则需遵循最小剪力要求对各层楼施行配置。

1.2 模型设计和分析

1.2.1 模型设计为了地震剪力系数对多层建筑结构抗震性能的影响，将我国地震烈度7度区某多层建筑看作原型[6]，设计了三种模型，针对模型1，对建筑结构布置进行调整，令每个楼层的计算地震剪力系数均符合相关规范，该模型属于刚度调整方案；针对模型2，增加不符合最小地震剪力系数条件楼层的剪力系数，令其达到要求，该模型属于刚度调整方案；针对模型3，首先对是否符合位移规范要求进行校验，然而增加最小地震剪力系数不符合要求的楼层的地震剪力系数，令其达到要求，该模型属于承载力调整方案。

1.2.2 模型分析模型1、模型2以及模型3典型的弹性设计结果用图1进行描述。

图 1 三种模型典型弹性设计结果比较

分析图1（a）可知，模型2与模型3的层间位移角比模型1高，然而基本可达到1/500的规范要求[7]。分析图1（b）可知，模型1的楼层地震建立系数都高于0.024的规范值，针对模型2和模型3，其计算楼层剪力系数较规范值低，需对依据放大后的楼层剪力实现构件设计，所以三个模型的楼层剪力系数都可达到规范要求。

1.3 地震输入的选择与处理

通过3到5个地震大致就能确保分析结果具有较高的准确性，对弹塑性进行分析时，地震波持时至少需高于基本周期的5倍。图2描述的是所选地震波反应谱状况。

对地震波的峰值进行调幅处理：标准规定挑出的地震波的峰值加速度值需同预防烈度规定的多遇地震（多发小地震）或者罕见地震（少发大地震）下的峰值一致，所以需对挑出的地震波峰值加速度值施行调整。

图 2 地震波的反应谱图

2 不同地震剪力系数对多层建筑结构抗震性能的影响

2.1 抗倒塌性能比较

为了比较三种模型的抗倒塌能力，本节依据多层建筑结构倒塌仿真技术，通过有限元软件和生死单元子程序完成对三种模型在地震影响下的倒塌仿真。

沿水平方向将RSN6622作为地震输入，逐渐升高地震强度，直到多层建筑结构出现倒塌，获取倒塌瞬间的临界地震强度，对建筑结构的抗倒塌能力进行比较。

经统计，在RSN6622地震强度达到1.3 g的情况下，模型1结构出现倒塌；在RSN6622地震强度达到1.8 g的情况下，模型2结构出现倒塌；在RSN6622地震强度达到1.9 g的情况下，模型3结构出现倒塌。所以在RSN6622地震作用下，模型3抗倒塌能力最强。

2.2 建筑结构位移响应

在ACC1地震作用下，建筑结构位移曲线与层间位移角曲线用表1和表2进行描述。

表 1 建筑结构位移曲线

表 2 层间位移角曲线

分析表1与表2可以看出，在ACC1地震作用下，三种模型的最高层间位移角都符合规定值，模型1的刚度值最高，位移响应最低，楼层位移最高是0.15 m，层间位移角最高是1/722。模型3的楼层位移最高是0.345 m，层间位移角最高是1/511。模型2的位移比模型3低，模型2的楼层位移最高是0.221 m，层间位移角是1/531。

多层建筑结构在标准风载荷影响下的位移响应远远低于规范标准，所以多层建筑结构主要受地震影响。

2.3 弹塑性时程分析

完成对模型1、模型2和模型3在地震影响下的弹塑性时程分析，表3描述的是输入不同地震时，建筑结构最大剪力应变平均值和最大层间位移角平均值。

表 3 不同地震作用下建筑结构弹塑性时程参数分析

分析表3可知，模型2与模型3的最大剪应变均值无显著差异，在设防地震与罕见地震影响下，模型1结构最大剪应变均值低于其它两种模型。除此之外，在地震输入强度相同的情况下，模型3最高层间位移角均值高于模型2，这主要是由于模型2承载力高于模型3。

3 结论

分析抗倒塌性能可知，在RSN6622地震作用下，模型3抗倒塌能力最强。

研究建筑结构位移响应结果可知，在RSN6622地震作用下，三种模型的最高层间位移角都符合规定值，但模型3最高。

研究弹塑性时程结果可知，模型2与模型3的最大剪应变均值无显著差异。除此之外，在地震输入强度相同的情况下，模型3最高层间位移角均值高于模型2。

[1] 刘斌,齐五辉,叶列平,等.不同地震剪力系数控制方案对某超高层建筑结构抗震性能的影响[J].建筑结构学报,2014,35(8):1-7

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[3] 高剑,王忠凯,潘毅,等.罕遇地震下石化钢结构减震的关键影响因素[J].土木建筑与环境工程,2016,38(1):92-99

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[6] 魏东,王远锁,赵智姝.基于B样条有限元机载激光陀螺测量装置系统的建模与仿真[J].计算机测量与控制,2015,23(4):1421-1424

[7] Jayalekshmi BR, Chinmayi HK. Soil–structure interaction effect on seismic force evaluation of RC framed buildings with various shapes of shear wall: As Per IS 1893 and IBC. Indian Geotechnical Journal, 2014,45(3):254-266

Influence of Shear Coefficients on Seismic Performance of Multi-storey Building

LIANG Liang1, LI Chao-hong2, KANG Zhong-shan3

1.050043,2.050043,3.050043,

The common response spectrum method is used to calculate the seismic shear coefficient, and the results are usually small. Therefore, it is necessary to study the influence of different seismic shear coefficients on the seismic performance of multi-storey building structures, analyze the codes of seismic shear coefficients at home and abroad, design three kinds of models, and analyze the elastic design results of different models. It is found that the displacement angles of the three models can reach the specification requirement of 1/500. After processing, the seismic shear coefficients of the floors are all above the standard values of 0.024. Select the input earthquake, complete the comparison of collapse resistance, the displacement response analysis of building structure, elastic-plastic time history analysis. The results show that the moduli that have been adjusted to the specifications have been adjusted. The seismic performance of the type-type structure is better.

Earthquake; shear coefficient; building structure; seismic performance

TU973.2

A

1000-2324(2019)01-0121-03

10.3969/j.issn.1000-2324.2019.01.027

2018-01-25

2018-03-02

梁亮(1973-),男,硕士,高级工程师,主要研究方向为建设工程管理、绿色建筑技术. E-mail:liangliang3413@163.com