长周期结构最小水平地震剪力影响因素分析

2022-05-17于佳欢

科技创新与应用 2022年13期

于佳欢

（南京城市建设管理集团有限公司，江苏南京 210000）

最小水平地震剪力是控制长周期结构整体性的主要指标之一，《建筑抗震设计规范》对其进行明确规定，也是施工图审查阶段必查的指标，结构专业的设计结果文件必须满足最小水平地震剪力的要求。如何满足最小水平地震剪力要求又不增加工程投资是设计人员不断求索的方向。本文采用理论与实践相结合的方法，分析了最小水平地震剪力的影响因素，从多个方向调整设计输入对实际工程的最小水平地震剪力进行计算，探索出一套实用的最小水平地震剪力调整方法，供相关工程人员参考。

1 最小水平地震剪力要求的来源

结构的水平地震作用与地震影响系数α和重力荷载代表值G成正比。建筑方案确定后，各个空间区域的恒、活荷载可根据使用功能查GB 50009—2019《建筑结构荷载规范》得到相应的数值。重力荷载代表值基本不变。而地震影响系数α则根据结构的自振周期，落在地震影响系数曲线中，对于长周期段，此系数的变化幅度较大。根据经验可知：长周期结构，地震相关的地面运动速度响应可能会明显地破坏结构。规范中提出的振型分解反应谱法在分析时，只单纯考虑到地面运动加速度的影响，未涉及到地面运动速度的影响，因而所得结果一般低于实测值，为此就需要限制楼层最小剪力[1]。

2 最小水平地震剪力影响要素分析

本工程位于辽宁省抚顺市，抗震7度（0.10 g）设防烈度，设计地震分组为第一组，αmax=0.08。影响本工程最小水平地震剪力的主要因素包括结构周期、整体刚度、场地类别、质量参与系数等。每一种要素的影响机理分析如下。

2.1 周期

本项目各结构周期值详见表1。

从表1中可以看出，本项目各结构基本周期均小于3.5 s，而且根据最大位移与该层平均位移的比值大于1.2，属于“扭转效应明显”的结构，需要满足最小水平地震剪力要求。根据7度（0.10 g）和周期小于3.5 s查表，本工程最小水平地震剪力取λ=0.016，即1.6%。多遇地震工况下，水平地震影响系数最大值取αmax=0.08，则λ=0.2αmax。对长周期剪力墙结构，一般情况下结构的自振周期大于5Tg，即T＞5Tg，地震影响系数α落在地震影响系数曲线对应的直线段。由此分析可知周期提高后，地震影响系数逐渐减小。一般情况下，当水平地震影响系数小于0.2倍的水平地震影响系数最大值，即α<0.2αmax时，需要控制最小水平地震剪力。

表1 各楼基本周期（s）

2.2 结构整体刚度

结构所受到的地震作用与其刚度成正比。长周期结构刚度越大，周期越小，地震影响系数越大，地震作用变大。当地震作用增大到最小水平地震剪力计算所得的水平地震力以上时，不需要控制最小水平地震剪力。

本项目9号楼1号塔楼住宅范围墙体均为200 mm厚，最小水平地震剪力数据详见表2。

将200 mm厚的墙全部改为250 mm和300 mm后，刚度变大，地震作用变大，最小水平地震剪力也更加容易满足最小1.6%的要求，但是通过表2、表3和表4的对比可知，即使所有墙加厚，墙体混凝土用量提高了25%和50%的情况下，最小水平地震剪力数据变化的情况并不明显。

表2 最小水平地震剪力数据（墙厚200 mm）

表3 最小水平地震剪力数据（墙厚250 mm）

表4 最小水平地震剪力数据（墙厚300 mm）

2.3 场地类别

根据表5可知，特征周期Tg由场地类别与地震分组信息决定，抚顺市地震分组信息属于第一组。

表5 特征周期值（s）

水平地震影响系数α随着特征周期Tg的增大而增加，即水平地震作用随着场地类别从I到IV逐渐增大。以本项目9号楼1号塔楼为例。通过表6和表7的对比，可知对于同一栋楼，随着场地类别的增大，最小水平地震剪力要求更容易满足1.6%的要求。因此，规范中最小水平地震剪力不考虑场地类别并不合理。

表6 最小水平地震剪力数据（II类场地）

表7 最小水平地震剪力数据（III类场地）

2.4 其他因素

影响最小水平地震剪力的因素还有总阵型数、质量参与系数、楼面恒活荷载、梁上恒活荷载等因素，与以上三大因素相比，对水平地震作用的影响相对较小或该因素很难被修改。

3 最小水平地震剪力调整方法

以本项目9号楼1号塔楼为例，其他各项指标都满足要求，质量参与系数刚达到规范要求的90%，层间位移角控制在规范限制1/1000以内。但有较多楼层不满足最小水平地震剪力要求（详见表2），底层最小水平地震剪力远小于最小水平地震剪力要求，不满足规范对“前提”的要求。下面通过增加结构刚度、提高质量参与系数、降低周期折减系数等方法，在不增加投资或者尽量少增加投资的情况下，使计算指标满足最小水平地震剪力调整的“前提”。

3.1 增加结构刚度

3.1.1 增加墙体刚度

增加结构刚度可以将墙普遍加长，但不宜大于规范要求的3.0长高比和8 m限制，还可以将墙厚普遍增大，但增加厚度后容易出现新的短肢剪力墙。不论墙加长还是加厚，对建筑方案都产生影响，剪力墙加长可能影响门窗布置，加厚则影响得房率，增加项目成本。表2-表4的对比说明增加墙厚对于刚度调整有效果，但在满足最小水平地震剪力调整方面的效果并不明显。

3.1.2 提高连梁折减系数

除了在“墙”身上找刚度以外，还可以借助连接剪力墙的连梁，连梁的跨高比小于5，刚度相对较大，但是在模型计算中为了保证连梁不超筋，一般将连梁的折减系数取到0.5，连梁刚度折减后，结构总体刚度也随之下降。相反如果将连梁刚度适当提高，结构的总体刚度也随之提高，最小水平地震剪力要求就更容易得到满足。笔者建议设计人员可以建立两个模型：一个用于计算结构总体信息，连梁折减系数取值可以偏高；另一个模型用于连梁的配筋计算，连梁折减系数可以折减至一个合理的低值。当连梁所处的位置不影响其他各个专业的功能要求和业主的使用要求时，还可以加大连梁截面，增加连梁刚度。由表8和表9对比可知连梁刚度折减系数增大后，更容易满足最小水平地震剪力调整“前提”。

表8 最小水平地震剪力数据（连梁刚度折减系数取0.6）

表9 最小水平地震剪力数据（连梁刚度折减系数取1.0）

3.1.3 “减少”结构层数

根据《建筑抗震设计规范》，当地上一层的侧向刚度不超过地下一层的0.5倍，结构设计时，可将地下室顶板当做相应的嵌固端。由于地下室结构变形也会受到附近填土的约束，这样在计算时会对地下室结构刚度进行适当的放大[2]。因而在结构的地下室顶板作为嵌固端建模分析时，为简化处理可将嵌固端以上部分划分出来，进行独立的分析。这样就在不增加造价的前提下提高了结构刚度，满足了最小水平地震剪力要求。与表2相比，表10去掉地下室，X方向更容易满足最小水平地震剪力调整“前提”。