高層框架結構建筑豎向地震分析

■劉雙

（黑龍江省地震局 黑龍江哈爾濱150090）

高層框架結構建筑豎向地震分析

■劉雙

（黑龍江省地震局 黑龍江哈爾濱150090）

近年來全球范圍內發生的幾次強烈地震的震害調查表明：許多土木結構的破壞中有豎向地震作用的跡象，有時甚至會直接導致結構破壞。在高烈度區，特別是震中區，豎向地震作用是非常明顯的。本文通過用SAP2000有限元軟件對某框架高層進行振型分解反應譜法分析，反應譜分析法能滿足大部分結構規范要求和工程師需求。

高層建筑豎向地震抗震反應譜分析

1　引言

地震是一種人類無法避免的自然災害，而我國處于環太平洋地震帶及歐亞地震帶之間，歷史上全國除個別省份外，都發生過里氏6級以上地震，給國家和人民的生命財產造成了無法統計的巨大損失。

2　豎向地震分析方法

2.1規范建議的簡化方法

高層建筑的豎向地震作用計算可采用類似于水平地震作用的底部剪力法，即先確定結構底部總豎向地震作用，然后由總豎向地震作用計算結構各個質點上的地震作用。這種方法不用求解豎向周期和振型。規范對9度時的高層建筑的豎向地震作用標準值計算給出了計算方法，并規定樓層的豎向地震作用效應可按各構件承受的重力荷載代表值的比例分配，并宜乘以增大系數1.5。

2.2豎向地震反應譜法

豎向地震作用的反應譜法與水平地震反應譜法相同，先計算結構的豎向自振周期和振型，再由豎向振型周期從豎向反應譜求得等效豎向力。求出各振型的豎向地震作用和內力后，用平方和開方法進行振型的內力組合。此法較合理，然而需要計算結構的豎向自振特性，并需要建立相應的豎向地震反應譜。

2.3豎向地震時程分析法

時程分析法又稱直接動力法，是將高層建筑結構作為一個多質點的振動體系，輸入已知的地震波，用結構動力學的方法，分析地震全過程中每一時刻結構的振動狀況，從而了解地震過程中結構的反應，計算量較大。豎向地震的時程分析結果應滿足規范對時程法的相應要求，每條時程曲線計算所得的結構底部剪力不應小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的65%，多條時程曲線計算所得的結構底部剪力的平均值不應小于振型分解反應譜法求得的底部剪力的80%。

3　框架結構的豎向地震分析

高層框架結構在高烈度區的建筑高度受到限制，本文只分析8度區(0.39)某10層框架結構。

3.1框架結構模型

串聯簡化模型、串并聯簡化模型都存在著較多的不合理性，在反映結構的水平地震作用時較為精確，對于情況相反的結構豎向地震反應卻不適應。

3.2時程分析法

雖然能較好的計算出結構豎向地震反應，但其計算過程和數據分析過程復雜繁瑣，在實際應中受到諸多限制。本文用SAP2000有限元軟件對某框架高層進行振型分解反應譜法分析。

3.3模型簡介

為了方便數據的提取和整理，本模型在豎向和平面都是規則結構。此框架結構高33米，10層，層高3.3米。軸網間距都取6米。高寬比和長寬比都滿足規定要求。以下是框架結構構件的基本信息。

本框架結構按8度(0.39)設防，場地為II類場地，設計地震分組為第二組，特振周期Tg=0.4s，水平地震影響最大影響系數0.24，豎向地震最大影響系數為水平地震最大影響系數的65%。C30混凝土彈性模量取3.00x104N/mm2，梁柱主筋采用HRB335級鋼筋，箍筋采用HPB235級鋼筋，樓、屋面活荷載分別為2.0KN/m2，填充墻采用加氣混凝土砌塊，200mm厚，引起的附加線荷載為5.2KN/m2。有限元軟件SAP2000建立框架結構模型。

表1　框架結構構件的基本信息

在MODAL分析結果中提取豎向自振周期得出表2。在6個豎向自振振型的質量參與系數為92.6%，滿足大于90%的要求。

表2　框架結構豎向振型質量參與系數

根據框架結構模型的豎向振型質量參與系數表1可以知道以下幾點。（1）框架結構模型的豎向第一振型質量參與系數為0.691，即第一振型參與系數近70%，在豎向振動中起著重要的作用。這是因為框架結構在平面和立面的剛度分布都比較均勻，可以把質量向節點簡化；（2）框架結構模型的水平第一自振周期為1.713s；（3）雖然在對框架結構模型進行模態分析時取用12個振型，但由于此框架模型較為規則，僅前6振型就滿足了振型質量參與系數大于90%的要求。此外為了計算出豎向各個振型要素，實際計算時取用的振型數遠不止12個；（4）從水平自振周期表中容易發現此框架結構第一振型為Y向平動。第二振型是繞z軸的扭轉振型，扭轉因素要小于平動因素。

4　結語

豎向地震作用振型分解反應譜法分析本質是一種擬動力分析，首先使用動力方法計算質點地震響應，并使用統計的方法形成反應譜曲線，然后在使用靜力方法進行結構分析。雖然時程分析更為真實的結構動力分析，但是能滿足大部分結構規范要求和工程師需求的仍然是地震作用的反應譜分析。

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P315[文獻碼]B

1000-405X（2016）-2-357-1