高層建筑中非結構構件的抗震性能試驗

蔣貴華, 李 楊, 江 鎖2, 黨少輝, 王 帆

(1.中建七局安裝工程有限公司，西安 710000; 2.河南工業大學，鄭州 450001)

非結構構件為高層建筑中除結構承載體系外的剩余構件，亦被稱作二次結構或附屬結構[1-2]。當前，高層建筑結構抗震研究頗有成效，主體結構抗震性能大大提升。然而，非結構構件抗震研究卻很少，導致地震作用下，主體結構雖然不發生倒塌，而非結構構建的損毀引起建筑功能喪失，對人們的生命財產安全產生威脅[3-4]。為了有效實現高層建筑抗震性設計，需分析高層建筑中非結構構建的抗震性能，保持主體結構和非結構構建抗震性能的統一性。

1 非結構構件抗震計算及地震分析

1.1 非結構構件抗震計算

依據震害經驗，工程人員對非結構構件抗震性逐漸了解，產生相應防御方案被添加至抗震規范。統一建筑規范[5]對非結構構件抗震計算進行規定，之后，FEMA273、FEMA356依次對非結構構件性能與設計方法進行規定，下面進行詳細分析。

1.1.1 統計建筑規范

統計建筑規范側重于非結構構件和主體結構間的連接強度，利用規定連接強度保證非結構構件在地震作用下的安全性，忽略主體結構位移與非結構構件抗震性的關系[6]。作用于非結構構件重心水平地震作用為

Fs=AUsDGs

(1)

式(1)中：A為和地震及地質種類有關的系數；Us為關鍵程度的系數；D為非結構構件屬性的系數；Gs為非結構構件重力。上述規范僅分析水平地震作用，不分析垂直地震作用。

1.1.2 FEMA273/356

美國聯邦緊急事務管理署在20世紀末和21世紀初提出了建筑抗震加固規范FEMA273、FEMA356[7-8]，對非結構構件設計了4個抗震性能等級，依次是完好、立即使用、生命安全以及降低災害[9]，上述規范也僅分析非結構構件和主體結構的連接強度。

規范按照非結構構件地震響應特征，將其劃分成變形敏感型、加速度敏感型以及混合敏感型[10]。針對各種非結構構件，選用相應抗震法。針對加速度敏感型，FEMA273與FEMA356都選用等效側立法，利用式(2)獲取非結構構件水平地震作用。

(2)

式(2)中：bs為非結構構件的放大系數；Sxs為在某地震水平下短期加速度反應譜；k為高層建筑頂端和地面間的相對距離；Rs為非結構構件反應調整系數；x為非結構構件和地面間的相對距離。

FEMA273忽略了非結構構件的垂直地震作用，通過FEMA356對其進行規范：

(3)

針對變形敏感型構件，非結構構件支承點位移角或各支承點間相對位移需符合下述條件：

θ=(δAx-δAy)/(X-Y)

(4)

Lp=|δAx|+|δBx|

(5)

式中：θ為位移角；Lp為各支承點間相對位移；X為上支承點和地面的相對距離；Y為下支承點和地面的相對距離；δAx為高層建筑A在x點處的位移；δAy為高層建筑A在y點處的位移；δBx為高層建筑B在x點處的位移。

1.2 非結構構件地震分析

針對非結構構件，選用等效側力法或樓面反應譜法對其抗震性能進行分析[11]。在高層建筑非結構構件自振周期超過0.1 s，同時構件重力高于所處樓層重力的1%或10%的情況下，選用樓面反應譜法，在實際應用中，通常采用樓面反應譜法，下面進行詳細分析。

樓面反應譜法是一種由置于樓面的單自由度系統采集的地震作用下樓面時程歷史最高值的約值繪制的曲線。

樓面譜反應法歷經兩個階段，最初，樓面譜反應法把主系統樓面反應看作輸入，計算自振周期存在差異情況下單自由度系統的反應譜，具有解耦的特點，無需計算運動方程[12]。然而忽略了附屬系統和主系統的關系，獲取的樓面譜誤差大。

為此，提出第二代方法，綜合分析了附屬系統和主系統之間的關系，獲取有效的樓面譜，按照得到的樓面譜，依據其特性即可實現地震作用的分析。

2 地震波的調整和選擇以及模型建立

2.1 輸入地震波調整

當前真實地震記錄峰值加速度大部分和高層建筑所處位置基本烈度不符，無法直接采用，需對其進行調整。本節將加速度看作調整核心[13]，完成對加速度時程曲線振幅的調整，將其看作試驗加速度波。

在對輸入地震進行調整時，依據建筑抗震設計規范(GB 50011—2001)，給出加速度峰值基值以及基本加速度峰值，見表1。

表1 地震加速度時程曲線峰值

注：1 gal=0.01 m/s2，括號中的值依次用于設計地震加速度是0.15g與地震加速度是0.3g的區域，g為重力加速度。

通過式(6)對選擇地震記錄的加速度峰值施行調整。

(6)

式(6)中：a′(t)為調整后地震加速度曲線；W′max為調整后地震峰值；a(t)為地震原加速度，Wmax為地震原峰值。

2.2 選用地震波

為了保證時程分析結果的精度，本節選用三組真實地震波，依次是EL Centro-NS地震、Taft-NS地震與天津-NS地震波[14-15]。輸入地震波都含有相互垂直的水平分量，三種地震波加速度時程曲線如圖1所示。

2.3 模型建立

高層建筑模型選用十二層框架，場地類別是Ⅳ類[16]，地震分組是第二組，抗震等級是二級，通過ANSYS軟件[17]建立模型，得到高層建筑模型如圖2所示。

圖1 輸入地震波加速度時程曲線

圖2 研究模型

3 非結構構件抗震性能試驗分析

3.1 吊頂抗震性能試驗分析

通過ANSYS軟件獲取不同樓層樓面反應譜，通過時程分析，采用ANSYS軟件對非結構構件-吊頂進行分析。分析模型中，主次龍骨都選用梁模塊，吊桿選用桿模塊，將樓面反應譜看作輸入對地震作用下的吊頂進行分析。

依次輸入二層和頂層的樓面反應譜，對二層及頂層的地震反應進行模擬，獲取二層及頂層吊頂加速度、速度以及位移反應時程曲線，結果依次如圖3和圖4所示。

圖3 二層吊頂時程曲線

圖4 頂層吊頂時程曲線

分析圖3和圖4可以看出，吊頂相對速度隨激勵的降低逐漸降低，最后趨于0，位移時程曲線在激勵峰值達到最高值。將二層與頂層吊頂時程曲線進行對比發現，吊頂加速度、速度和位移隨樓面響應的升高而升高，因子樓層越高，吊頂越需增強抗震性能。

下面對沒有設置45°懸吊線吊頂與設置45°懸吊線吊頂抗震性能進行分析，二者ANSYS模型如圖5所示。

設置45°懸吊線吊頂與設置45°懸吊線吊頂中間節點在不同樓層的時程曲線峰值見表2。

分析表2可知，在設置45°懸吊線后，吊頂位移峰值、加速度峰值和速度峰值均顯著降低，說明設置45°懸吊線能夠有效提高抗震性能。

圖5 有無設置45°懸吊線吊頂模型

表2 吊頂中間節點時程曲線峰值

3.2 浮放設備抗震性能分析

高層建筑中若干非結構構件通常有相互作用，所以非結構構件體系通常存在位移與加速度敏感性，本節通過非結構構件模擬器進行試驗分析。

非結構構件模擬器含上、下兩個加載平臺，用來實現高層建筑兩個連續樓層的模擬，所有加載平臺均通過高性能電液伺服驅動，完成地震模擬，非結構構件模擬器如圖6所示。

本節依據非結構構件抗震結果，獲取樓面反應譜加載曲線，采用的加載方式可同時輸入期望加速度與位移。本節以一層加載時程曲線為例，給出一層位移、速度、加速度時程曲線，如圖7所示，并按照相同方式繪制其它層位移、速度、加速度時程曲線，限于篇幅，不一一給出。

在上述分析的基礎上，給出相應層浮放設備時程曲線，以一層為例，得到的時程曲線如圖8所示。

按照同樣方式獲取不同層浮放設備時程曲線，以底層一層、中間層流程和頂層十二層為代表，給出浮放設備在上述三層樓層的時程曲線峰值，見表3。

分析表3可知，隨著高層建筑樓層的升高，浮放設備Y向位移峰值、速度峰值及加速度峰值均相應升高，說明樓層越高浮放設備抗震性能越差。

圖6 非結構構件模擬器

圖7 高層建筑一層時程曲線

圖8 一層浮放設備時程曲線

表3 浮放設備在不同樓層的時程曲線峰值

4 結論

通過ANSYS軟件建立十二層高層建筑模型，對非結構構件抗震性能進行試驗分析，得出以下結論：吊頂加速度、速度和位移隨樓面響應的升高而升高，樓層越高，吊頂越需增強抗震性能；設置45°懸吊線能夠有效提高抗震性能；隨著高層建筑樓層的升高，浮放設備Y向位移峰值、速度峰值及加速度峰值均相應升高，樓層越高浮放設備抗震性能越差。