高层建筑中非结构构件的抗震性能试验

蒋贵华, 李 杨, 江 锁2, 党少辉, 王 帆

(1.中建七局安装工程有限公司，西安 710000; 2.河南工业大学，郑州 450001)

非结构构件为高层建筑中除结构承载体系外的剩余构件，亦被称作二次结构或附属结构[1-2]。当前，高层建筑结构抗震研究颇有成效，主体结构抗震性能大大提升。然而，非结构构件抗震研究却很少，导致地震作用下，主体结构虽然不发生倒塌，而非结构构建的损毁引起建筑功能丧失，对人们的生命财产安全产生威胁[3-4]。为了有效实现高层建筑抗震性设计，需分析高层建筑中非结构构建的抗震性能，保持主体结构和非结构构建抗震性能的统一性。

1 非结构构件抗震计算及地震分析

1.1 非结构构件抗震计算

依据震害经验，工程人员对非结构构件抗震性逐渐了解，产生相应防御方案被添加至抗震规范。统一建筑规范[5]对非结构构件抗震计算进行规定，之后，FEMA273、FEMA356依次对非结构构件性能与设计方法进行规定，下面进行详细分析。

1.1.1 统计建筑规范

统计建筑规范侧重于非结构构件和主体结构间的连接强度，利用规定连接强度保证非结构构件在地震作用下的安全性，忽略主体结构位移与非结构构件抗震性的关系[6]。作用于非结构构件重心水平地震作用为

Fs=AUsDGs

(1)

式(1)中：A为和地震及地质种类有关的系数；Us为关键程度的系数；D为非结构构件属性的系数；Gs为非结构构件重力。上述规范仅分析水平地震作用，不分析垂直地震作用。

1.1.2 FEMA273/356

美国联邦紧急事务管理署在20世纪末和21世纪初提出了建筑抗震加固规范FEMA273、FEMA356[7-8]，对非结构构件设计了4个抗震性能等级，依次是完好、立即使用、生命安全以及降低灾害[9]，上述规范也仅分析非结构构件和主体结构的连接强度。

规范按照非结构构件地震响应特征，将其划分成变形敏感型、加速度敏感型以及混合敏感型[10]。针对各种非结构构件，选用相应抗震法。针对加速度敏感型，FEMA273与FEMA356都选用等效侧立法，利用式(2)获取非结构构件水平地震作用。

(2)

式(2)中：bs为非结构构件的放大系数；Sxs为在某地震水平下短期加速度反应谱；k为高层建筑顶端和地面间的相对距离；Rs为非结构构件反应调整系数；x为非结构构件和地面间的相对距离。

FEMA273忽略了非结构构件的垂直地震作用，通过FEMA356对其进行规范：

(3)

针对变形敏感型构件，非结构构件支承点位移角或各支承点间相对位移需符合下述条件：

θ=(δAx-δAy)/(X-Y)

(4)

Lp=|δAx|+|δBx|

(5)

式中：θ为位移角；Lp为各支承点间相对位移；X为上支承点和地面的相对距离；Y为下支承点和地面的相对距离；δAx为高层建筑A在x点处的位移；δAy为高层建筑A在y点处的位移；δBx为高层建筑B在x点处的位移。

1.2 非结构构件地震分析

针对非结构构件，选用等效侧力法或楼面反应谱法对其抗震性能进行分析[11]。在高层建筑非结构构件自振周期超过0.1 s，同时构件重力高于所处楼层重力的1%或10%的情况下，选用楼面反应谱法，在实际应用中，通常采用楼面反应谱法，下面进行详细分析。

楼面反应谱法是一种由置于楼面的单自由度系统采集的地震作用下楼面时程历史最高值的约值绘制的曲线。

楼面谱反应法历经两个阶段，最初，楼面谱反应法把主系统楼面反应看作输入，计算自振周期存在差异情况下单自由度系统的反应谱，具有解耦的特点，无需计算运动方程[12]。然而忽略了附属系统和主系统的关系，获取的楼面谱误差大。

为此，提出第二代方法，综合分析了附属系统和主系统之间的关系，获取有效的楼面谱，按照得到的楼面谱，依据其特性即可实现地震作用的分析。

2 地震波的调整和选择以及模型建立

2.1 输入地震波调整

当前真实地震记录峰值加速度大部分和高层建筑所处位置基本烈度不符，无法直接采用，需对其进行调整。本节将加速度看作调整核心[13]，完成对加速度时程曲线振幅的调整，将其看作试验加速度波。

在对输入地震进行调整时，依据建筑抗震设计规范(GB 50011—2001)，给出加速度峰值基值以及基本加速度峰值，见表1。

表1 地震加速度时程曲线峰值

注：1 gal=0.01 m/s2，括号中的值依次用于设计地震加速度是0.15g与地震加速度是0.3g的区域，g为重力加速度。

通过式(6)对选择地震记录的加速度峰值施行调整。

(6)

式(6)中：a′(t)为调整后地震加速度曲线；W′max为调整后地震峰值；a(t)为地震原加速度，Wmax为地震原峰值。

2.2 选用地震波

为了保证时程分析结果的精度，本节选用三组真实地震波，依次是EL Centro-NS地震、Taft-NS地震与天津-NS地震波[14-15]。输入地震波都含有相互垂直的水平分量，三种地震波加速度时程曲线如图1所示。

2.3 模型建立

高层建筑模型选用十二层框架，场地类别是Ⅳ类[16]，地震分组是第二组，抗震等级是二级，通过ANSYS软件[17]建立模型，得到高层建筑模型如图2所示。

图1 输入地震波加速度时程曲线

图2 研究模型

3 非结构构件抗震性能试验分析

3.1 吊顶抗震性能试验分析

通过ANSYS软件获取不同楼层楼面反应谱，通过时程分析，采用ANSYS软件对非结构构件-吊顶进行分析。分析模型中，主次龙骨都选用梁模块，吊杆选用杆模块，将楼面反应谱看作输入对地震作用下的吊顶进行分析。

依次输入二层和顶层的楼面反应谱，对二层及顶层的地震反应进行模拟，获取二层及顶层吊顶加速度、速度以及位移反应时程曲线，结果依次如图3和图4所示。

图3 二层吊顶时程曲线

图4 顶层吊顶时程曲线

分析图3和图4可以看出，吊顶相对速度随激励的降低逐渐降低，最后趋于0，位移时程曲线在激励峰值达到最高值。将二层与顶层吊顶时程曲线进行对比发现，吊顶加速度、速度和位移随楼面响应的升高而升高，因子楼层越高，吊顶越需增强抗震性能。

下面对没有设置45°悬吊线吊顶与设置45°悬吊线吊顶抗震性能进行分析，二者ANSYS模型如图5所示。

设置45°悬吊线吊顶与设置45°悬吊线吊顶中间节点在不同楼层的时程曲线峰值见表2。

分析表2可知，在设置45°悬吊线后，吊顶位移峰值、加速度峰值和速度峰值均显著降低，说明设置45°悬吊线能够有效提高抗震性能。

图5 有无设置45°悬吊线吊顶模型

表2 吊顶中间节点时程曲线峰值

3.2 浮放设备抗震性能分析

高层建筑中若干非结构构件通常有相互作用，所以非结构构件体系通常存在位移与加速度敏感性，本节通过非结构构件模拟器进行试验分析。

非结构构件模拟器含上、下两个加载平台，用来实现高层建筑两个连续楼层的模拟，所有加载平台均通过高性能电液伺服驱动，完成地震模拟，非结构构件模拟器如图6所示。

本节依据非结构构件抗震结果，获取楼面反应谱加载曲线，采用的加载方式可同时输入期望加速度与位移。本节以一层加载时程曲线为例，给出一层位移、速度、加速度时程曲线，如图7所示，并按照相同方式绘制其它层位移、速度、加速度时程曲线，限于篇幅，不一一给出。

在上述分析的基础上，给出相应层浮放设备时程曲线，以一层为例，得到的时程曲线如图8所示。

按照同样方式获取不同层浮放设备时程曲线，以底层一层、中间层流程和顶层十二层为代表，给出浮放设备在上述三层楼层的时程曲线峰值，见表3。

分析表3可知，随着高层建筑楼层的升高，浮放设备Y向位移峰值、速度峰值及加速度峰值均相应升高，说明楼层越高浮放设备抗震性能越差。

图6 非结构构件模拟器

图7 高层建筑一层时程曲线

图8 一层浮放设备时程曲线

表3 浮放设备在不同楼层的时程曲线峰值

4 结论

通过ANSYS软件建立十二层高层建筑模型，对非结构构件抗震性能进行试验分析，得出以下结论：吊顶加速度、速度和位移随楼面响应的升高而升高，楼层越高，吊顶越需增强抗震性能；设置45°悬吊线能够有效提高抗震性能；随着高层建筑楼层的升高，浮放设备Y向位移峰值、速度峰值及加速度峰值均相应升高，楼层越高浮放设备抗震性能越差。