剪力系數(shù)對多層建筑抗震性能的影響

梁亮,李朝紅,康忠山

剪力系數(shù)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(xué)基建處, 河北 石家莊 050043 2. 石家莊鐵道大學(xué)土木工程學(xué)院, 河北 石家莊 050043 3. 石家莊鐵道大學(xué) 四方學(xué)院, 河北 石家莊 050043

采用當(dāng)前常見的反應(yīng)譜法對地震剪力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果通常較小。為此，需研究不同地震剪力系數(shù)對多層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，分析了中外有關(guān)地震剪力系數(shù)的規(guī)范，設(shè)計(jì)了三種模型，分析不同模型的彈性設(shè)計(jì)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)三種模型位移角可達(dá)到1/500的規(guī)范要求，經(jīng)處理后，樓層地震剪力系數(shù)都高于0.024的規(guī)范值。選擇輸入地震，完成抗倒塌性能比較、建筑結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)分析、彈塑性時(shí)程分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)經(jīng)調(diào)整達(dá)到規(guī)范的模型結(jié)構(gòu)抗震性能更好。

地震; 剪力系數(shù); 建筑結(jié)構(gòu); 抗震性能

現(xiàn)階段在對多層建筑結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的過程中，為了保證建筑結(jié)構(gòu)的長時(shí)間抗震，需設(shè)定最小剪力系數(shù)，對建筑結(jié)構(gòu)地震剪力系數(shù)進(jìn)行約束，最小剪力系數(shù)能夠有效實(shí)現(xiàn)多層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)剪力的控制，增強(qiáng)了建筑結(jié)構(gòu)的安全性[1,2]。因此，研究不同地震剪力系數(shù)對多層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的影響具有重要意義。

采用當(dāng)前常見的反應(yīng)譜法對地震剪力系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得到的結(jié)果通常較小，無法達(dá)到我國當(dāng)前對最小地震剪力系數(shù)的要求[3]。為此，文章研究不同地震剪力系數(shù)對多層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，為多層建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 背景分析

1.1 中外有關(guān)地震剪力系數(shù)的規(guī)范

1.1.1 我國對地震剪力系數(shù)的規(guī)范闡述當(dāng)前對長時(shí)期的地震探究較少，為了保證多層建筑具有穩(wěn)固且安全的結(jié)構(gòu)，《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中指出，在對抗震能力進(jìn)行核算時(shí)，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(shù)[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(shù)的規(guī)范闡述美國對于地震剪力系數(shù)提出了以下規(guī)范：ASCE 7-05、IBC2000-2012以及UBC-1997[5]，這里，UBC中指出運(yùn)算建筑結(jié)構(gòu)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(shù)；用于描述結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；結(jié)構(gòu)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(shù)需符合下述要求：

式中，表示烈度區(qū)影響系數(shù)；N表示近斷層的影響系數(shù)；表示荷載折減系數(shù)。

在IBC標(biāo)準(zhǔn)中，若求出的基底總剪力比標(biāo)準(zhǔn)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(shè)計(jì)和分析

1.2.1 模型設(shè)計(jì)為了地震剪力系數(shù)對多層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，將我國地震烈度7度區(qū)某多層建筑看作原型[6]，設(shè)計(jì)了三種模型，針對模型1，對建筑結(jié)構(gòu)布置進(jìn)行調(diào)整，令每個樓層的計(jì)算地震剪力系數(shù)均符合相關(guān)規(guī)范，該模型屬于剛度調(diào)整方案；針對模型2，增加不符合最小地震剪力系數(shù)條件樓層的剪力系數(shù)，令其達(dá)到要求，該模型屬于剛度調(diào)整方案；針對模型3，首先對是否符合位移規(guī)范要求進(jìn)行校驗(yàn)，然而增加最小地震剪力系數(shù)不符合要求的樓層的地震剪力系數(shù)，令其達(dá)到要求，該模型屬于承載力調(diào)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(shè)計(jì)結(jié)果用圖1進(jìn)行描述。

圖 1 三種模型典型彈性設(shè)計(jì)結(jié)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(dá)到1/500的規(guī)范要求[7]。分析圖1（b）可知，模型1的樓層地震建立系數(shù)都高于0.024的規(guī)范值，針對模型2和模型3，其計(jì)算樓層剪力系數(shù)較規(guī)范值低，需對依據(jù)放大后的樓層剪力實(shí)現(xiàn)構(gòu)件設(shè)計(jì)，所以三個模型的樓層剪力系數(shù)都可達(dá)到規(guī)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(jié)果具有較高的準(zhǔn)確性，對彈塑性進(jìn)行分析時(shí)，地震波持時(shí)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(yīng)譜狀況。

對地震波的峰值進(jìn)行調(diào)幅處理：標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定挑出的地震波的峰值加速度值需同預(yù)防烈度規(guī)定的多遇地震（多發(fā)小地震）或者罕見地震（少發(fā)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(diào)整。

圖 2 地震波的反應(yīng)譜圖

2 不同地震剪力系數(shù)對多層建筑結(jié)構(gòu)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(jié)依據(jù)多層建筑結(jié)構(gòu)倒塌仿真技術(shù)，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?qū)SN6622作為地震輸入，逐漸升高地震強(qiáng)度，直到多層建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌，獲取倒塌瞬間的臨界地震強(qiáng)度，對建筑結(jié)構(gòu)的抗倒塌能力進(jìn)行比較。

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，在RSN6622地震強(qiáng)度達(dá)到1.3 g的情況下，模型1結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌；在RSN6622地震強(qiáng)度達(dá)到1.8 g的情況下，模型2結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌；在RSN6622地震強(qiáng)度達(dá)到1.9 g的情況下，模型3結(jié)構(gòu)出現(xiàn)倒塌。所以在RSN6622地震作用下，模型3抗倒塌能力最強(qiáng)。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)

在ACC1地震作用下，建筑結(jié)構(gòu)位移曲線與層間位移角曲線用表1和表2進(jìn)行描述。

表 1 建筑結(jié)構(gòu)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(guī)定值，模型1的剛度值最高，位移響應(yīng)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(jié)構(gòu)在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)載荷影響下的位移響應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，所以多層建筑結(jié)構(gòu)主要受地震影響。

2.3 彈塑性時(shí)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(shí)程分析，表3描述的是輸入不同地震時(shí)，建筑結(jié)構(gòu)最大剪力應(yīng)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(jié)構(gòu)彈塑性時(shí)程參數(shù)分析

分析表3可知，模型2與模型3的最大剪應(yīng)變均值無顯著差異，在設(shè)防地震與罕見地震影響下，模型1結(jié)構(gòu)最大剪應(yīng)變均值低于其它兩種模型。除此之外，在地震輸入強(qiáng)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(jié)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(qiáng)。

研究建筑結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)結(jié)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(guī)定值，但模型3最高。

研究彈塑性時(shí)程結(jié)果可知，模型2與模型3的最大剪應(yīng)變均值無顯著差異。除此之外，在地震輸入強(qiáng)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(shù)控制方案對某超高層建筑結(jié)構(gòu)抗震性能的影響[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2014,35(8):1-7

[2] 史慶軒,戎羽中,王秋維,等.村鎮(zhèn)建筑砌體結(jié)構(gòu)滑移隔震性能研究[J].震災(zāi)防御技術(shù),2014,9(4):891-897

[3] 高劍,王忠凱,潘毅,等.罕遇地震下石化鋼結(jié)構(gòu)減震的關(guān)鍵影響因素[J].土木建筑與環(huán)境工程,2016,38(1):92-99

[4] 楊曉敏.鋼結(jié)構(gòu)建筑頂棚的抗震性測試分析研究[J].科技通報(bào),2015,31(10):151-153

[5] Dezhkam B. The effect of opening in concrete shear walls on seismic performance of link beams[J]. Acta Technica CSAV, 2017,62(4):387-394

[6] 魏東,王遠(yuǎn)鎖,趙智姝.基于B樣條有限元機(jī)載激光陀螺測量裝置系統(tǒng)的建模與仿真[J].計(jì)算機(jī)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?yàn)榻ㄔO(shè)工程管理、綠色建筑技術(shù). E-mail:liangliang3413@163.com