剪力系數對多層建筑抗震性能的影響

梁亮,李朝紅,康忠山

剪力系數對多層建筑抗震性能的影響

梁亮1,李朝紅2,康忠山3

1. 石家莊鐵道大學基建處, 河北 石家莊 050043 2. 石家莊鐵道大學土木工程學院, 河北 石家莊 050043 3. 石家莊鐵道大學 四方學院, 河北 石家莊 050043

采用當前常見的反應譜法對地震剪力系數進行計算，得到的結果通常較小。為此，需研究不同地震剪力系數對多層建筑結構抗震性能的影響，分析了中外有關地震剪力系數的規范，設計了三種模型，分析不同模型的彈性設計結果，發現三種模型位移角可達到1/500的規范要求，經處理后，樓層地震剪力系數都高于0.024的規范值。選擇輸入地震，完成抗倒塌性能比較、建筑結構位移響應分析、彈塑性時程分析。結果發現經調整達到規范的模型結構抗震性能更好。

地震; 剪力系數; 建筑結構; 抗震性能

現階段在對多層建筑結構進行抗震設計的過程中，為了保證建筑結構的長時間抗震，需設定最小剪力系數，對建筑結構地震剪力系數進行約束，最小剪力系數能夠有效實現多層建筑結構設計剪力的控制，增強了建筑結構的安全性[1,2]。因此，研究不同地震剪力系數對多層建筑結構抗震性能的影響具有重要意義。

采用當前常見的反應譜法對地震剪力系數進行計算，得到的結果通常較小，無法達到我國當前對最小地震剪力系數的要求[3]。為此，文章研究不同地震剪力系數對多層建筑結構抗震性能的影響，為多層建筑結構抗震設計提供依據。

1 背景分析

1.1 中外有關地震剪力系數的規范

1.1.1 我國對地震剪力系數的規范闡述當前對長時期的地震探究較少，為了保證多層建筑具有穩固且安全的結構，《建筑抗震設計規范》中指出，在對抗震能力進行核算時，每層樓的水平地震剪力需滿足下述條件：

這里，V用于描述第層樓水平地震作用的樓層剪力；用于描述剪力系數[4]；G用于描述第層樓的重力載荷代表值。

1.1.2 國外對地震剪力系數的規范闡述美國對于地震剪力系數提出了以下規范：ASCE 7-05、IBC2000-2012以及UBC-1997[5]，這里，UBC中指出運算建筑結構總水平剪力最小值的公式為：

min=0.11CIW (2)

這里，C用于描述地震影響系數；用于描述結構重要性系數；結構總重力荷載代表值。針對坐落在高烈度地域的建筑，其底層的最小建立系數需符合下述要求：

式中，表示烈度區影響系數；N表示近斷層的影響系數；表示荷載折減系數。

在IBC標準中，若求出的基底總剪力比標準中最小基底剪力小，則需遵循最小剪力要求對各層樓施行配置。

1.2 模型設計和分析

1.2.1 模型設計為了地震剪力系數對多層建筑結構抗震性能的影響，將我國地震烈度7度區某多層建筑看作原型[6]，設計了三種模型，針對模型1，對建筑結構布置進行調整，令每個樓層的計算地震剪力系數均符合相關規范，該模型屬于剛度調整方案；針對模型2，增加不符合最小地震剪力系數條件樓層的剪力系數，令其達到要求，該模型屬于剛度調整方案；針對模型3，首先對是否符合位移規范要求進行校驗，然而增加最小地震剪力系數不符合要求的樓層的地震剪力系數，令其達到要求，該模型屬于承載力調整方案。

1.2.2 模型分析模型1、模型2以及模型3典型的彈性設計結果用圖1進行描述。

圖 1 三種模型典型彈性設計結果比較

分析圖1（a）可知，模型2與模型3的層間位移角比模型1高，然而基本可達到1/500的規范要求[7]。分析圖1（b）可知，模型1的樓層地震建立系數都高于0.024的規范值，針對模型2和模型3，其計算樓層剪力系數較規范值低，需對依據放大后的樓層剪力實現構件設計，所以三個模型的樓層剪力系數都可達到規范要求。

1.3 地震輸入的選擇與處理

通過3到5個地震大致就能確保分析結果具有較高的準確性，對彈塑性進行分析時，地震波持時至少需高于基本周期的5倍。圖2描述的是所選地震波反應譜狀況。

對地震波的峰值進行調幅處理：標準規定挑出的地震波的峰值加速度值需同預防烈度規定的多遇地震（多發小地震）或者罕見地震（少發大地震）下的峰值一致，所以需對挑出的地震波峰值加速度值施行調整。

圖 2 地震波的反應譜圖

2 不同地震剪力系數對多層建筑結構抗震性能的影響

2.1 抗倒塌性能比較

為了比較三種模型的抗倒塌能力，本節依據多層建筑結構倒塌仿真技術，通過有限元軟件和生死單元子程序完成對三種模型在地震影響下的倒塌仿真。

沿水平方向將RSN6622作為地震輸入，逐漸升高地震強度，直到多層建筑結構出現倒塌，獲取倒塌瞬間的臨界地震強度，對建筑結構的抗倒塌能力進行比較。

經統計，在RSN6622地震強度達到1.3 g的情況下，模型1結構出現倒塌；在RSN6622地震強度達到1.8 g的情況下，模型2結構出現倒塌；在RSN6622地震強度達到1.9 g的情況下，模型3結構出現倒塌。所以在RSN6622地震作用下，模型3抗倒塌能力最強。

2.2 建筑結構位移響應

在ACC1地震作用下，建筑結構位移曲線與層間位移角曲線用表1和表2進行描述。

表 1 建筑結構位移曲線

表 2 層間位移角曲線

分析表1與表2可以看出，在ACC1地震作用下，三種模型的最高層間位移角都符合規定值，模型1的剛度值最高，位移響應最低，樓層位移最高是0.15 m，層間位移角最高是1/722。模型3的樓層位移最高是0.345 m，層間位移角最高是1/511。模型2的位移比模型3低，模型2的樓層位移最高是0.221 m，層間位移角是1/531。

多層建筑結構在標準風載荷影響下的位移響應遠遠低于規范標準，所以多層建筑結構主要受地震影響。

2.3 彈塑性時程分析

完成對模型1、模型2和模型3在地震影響下的彈塑性時程分析，表3描述的是輸入不同地震時，建筑結構最大剪力應變平均值和最大層間位移角平均值。

表 3 不同地震作用下建筑結構彈塑性時程參數分析

分析表3可知，模型2與模型3的最大剪應變均值無顯著差異，在設防地震與罕見地震影響下，模型1結構最大剪應變均值低于其它兩種模型。除此之外，在地震輸入強度相同的情況下，模型3最高層間位移角均值高于模型2，這主要是由于模型2承載力高于模型3。

3 結論

分析抗倒塌性能可知，在RSN6622地震作用下，模型3抗倒塌能力最強。

研究建筑結構位移響應結果可知，在RSN6622地震作用下，三種模型的最高層間位移角都符合規定值，但模型3最高。

研究彈塑性時程結果可知，模型2與模型3的最大剪應變均值無顯著差異。除此之外，在地震輸入強度相同的情況下，模型3最高層間位移角均值高于模型2。

[1] 劉斌,齊五輝,葉列平,等.不同地震剪力系數控制方案對某超高層建筑結構抗震性能的影響[J].建筑結構學報,2014,35(8):1-7

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[6] 魏東,王遠鎖,趙智姝.基于B樣條有限元機載激光陀螺測量裝置系統的建模與仿真[J].計算機測量與控制,2015,23(4):1421-1424

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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,碩士,高級工程師,主要研究方向為建設工程管理、綠色建筑技術. E-mail:liangliang3413@163.com