竖向地震作用对山地隔震框架结构抗震性能的影响

竖向地震作用对山地隔震框架结构抗震性能的影响
王继武;凌玲
【摘要】为研究竖向地震动作用对典型山地隔震框架结构抗震性能的影响,参考我国现行设计规范对掉层框架结构进行抗震设计.通过对基础隔震掉层框架结构在仅水平地震作用和竖向与水平地震共同作用下的非线性地震反应进行对比,得出近场地震动中的竖向分量对基础隔震掉层框架结构的强震破坏机理影响非常大.通过对非线性地震反应的综合分析得出,在近场地震动的多发地区,基于安全考虑在基础隔震掉层框架结构的计算中应引入竖向地震作用.
【期刊名称】《黑龙江科技信息》
【年(卷),期】2017(000)019
【总页数】3页(P136-138)
【关键词】掉层框架结构;基础隔震;竖向地震作用;非线性地震反应分析;抗震性能【作者】王继武;凌玲
【作者单位】中国建筑标准设计研究院有限公司重庆分公司,重庆 400010;重庆大学土木工程学院,重庆 400045
【正文语种】中文
传统观念认为水平地震力对结构的破坏起主导作用，因此推断地震对结构产生的破坏就是其水平剪切作用造成的[1]，但已发地震震害表明，在高烈度区竖向地震力对建筑的破坏作用也不容忽视[2]。

在以往，普遍认为地震动中的竖向分量约为水平分量的65%，文献[3]通过对近场地震动的统计分析表明竖向与水平分量的比会
随震源距的增加而减小。

我国的唐山地震余震中也曾测到较高的竖向加速度峰值，有的甚至达到水平向加速度峰值[4]，可见，地震动的竖向分量不容忽视。

人类一直在防控地震灾害的道路上摸索与进步着，结构振动控制的概念也在过程中产生并将抗震理论和技术发展到一个新的阶段[5-6]，其中基础隔震结构因其卓越
的抗震性能受到业内的高度重视。

掉层结构作为山地建筑中的常见形式被广泛应用，该结构依山而建能很好地适应地形[7]，另外其上下底界面相差高度为建筑的层高
或者层高的倍数[8]，掉层部分将作为正常使用空间。

目前，针对山地建筑结构隔
震技术引入竖向地震作用的相关研究还鲜有报道。

本文对比水平向地震作用下、竖向与水平向地震共同作用下结构的地震损伤机理，分析竖向地震作用对基础隔震掉层框架抗震性能的影响。

算例为八层四跨（掉两层两跨）RC框架结构办公楼，层高均为3.6m；抗震设防
烈度为7度，按Ⅱ类场地、第1设计地震分组进行设计。

不计风荷载，其它荷载
标准值取值如下：① 楼面：恒载 2.0kN/m2，活载 2.0kN/m2；② 屋面：恒载
6.0 kN/m2，活载 2.0 kN/m2；③ 墙体（D轴未设计填充墙）：内墙9kN/m，
外墙12N/m，女儿墙8N/m。

参考我国现行规范采用PKPM系列软件对结构进行设计。

外圈梁截面尺寸均为
250mm 550mm；内圈中6m跨梁截面尺寸为250mm 500mm，4m跨与2.7m 跨梁截面均为250mm 400mm；1、2层柱（即掉层部分）截面尺寸为 450mm 600mm，3、4层柱截面尺寸为450mm 450mm，5～8层柱截面尺寸为
400mm 400mm；楼板厚120mm。

梁、板、柱采用的混凝土强度等级为C30。

结构平面布置如图1所示。

纵向钢筋均采用HRB400，箍筋采用HPB300。

选取
抗震能力相对较弱的短轴方向框架（图1中阴影部分所示）建模进行非线性地震
反应分析。

本文掉层框架结构的非线性地震反应分析均在OpenSees的平台上完成。

混凝土
材料采用Concrete02 Material，钢筋材料采用Steel02 Material；梁、柱单元均采用基于柔度法的纤维模型。

框架梁为T形截面以考虑两侧楼板的加强作用。

OpenSEES模态分析得到平面模型的基本周期T1=1.264s，采用PKPM得到的结构基本周期T1=1.244s，两者非常接近，检验了有限元模型的准确度。

本文隔震
支座的设计原则为：使隔震支座的屈服力略大于小震作用下的柱底剪力，使其在小震下保持弹性。

通过多次试算，最后确定在同一掉层结构中采用两种性能的隔震器，屈服前后刚度比均取0.1，在下接地柱柱底采用的隔震支座主要参数为屈服力
65kN，初始刚度2000kN/m，在上接地柱柱底采用的隔震支座主要参数为屈服力90kN，初始刚度3000kN/m。

模态分析得到基础隔震掉层框架结构平面模型的基本周期T2=2.019s，相比于无控结构的基本周期T1=1.264s，隔震掉层结构的基
本周期延长了60%。

参考美国ATC-63报告中针对中硬土场地建议的14组近场脉冲型地震波记录[9]，选取三条地震波（编号分别为1、2、3），名称分别为：Northridge-01、Kocaeli,Turkey和 Erzican,Turkey。

三条地震波的水平分量均按7度罕遇进行调整，取原始的竖向分量与水平分量的峰值比。

表1中，竖向地震动的加入并没有引起基础隔震掉层结构顶点最大水平位移的显
著改变，但顶点竖向位移的变化较为明显，相比于H下的结果，地震波1作用时
H+V下的值增大了约24%，地震波2作用时H+V下的值增大了约9%，地震波
3作用时H+V下的值增大了约8%；引入竖向地震作用后，隔震支座位移稍有减小，说明竖向地震对支座的性能产生了一定的影响。

表2中在地震波1和地震波2在竖向地震作用加入后，对应的层间位移最大值均
有所增大，但幅度很小，并且所在位置不变；而地震波3在竖向地震作用加入后
虽然最大层间位移所在位置没变，但值却相差较大，由1.37cm增大到了2.71cm，但还是小于无控结构H+V下的最大层间位移4.07cm。

图2给出了左、右边柱中各层柱端最大曲率的分布情况。

地震波1作用时，竖向
地震的引入使结构左边柱中第5层及其以下楼层的柱端曲率有一定程度的增大，
右柱中较为明显增大了第3层的柱端曲率；地震波2作用时，竖向地震的引入对左、右边柱的柱端曲率影响很小；地震波3作用时，竖向地震的引入大幅度地增
大了结构左、右边柱中第5、第6层的柱端曲率，使该部分更易形成薄弱部位。

针对山地典型框架结构，主要探讨基础隔震掉层框架结构的动力反应受竖向地震动作用的影响程度，可以得到以下结论：
4.1引入竖向地震作用后，基础隔震掉层框架结构的顶点最大水平位移的改变并不明显，但其顶点竖向位移的变化显著；且隔震支座的位移有所减小，说明引入竖向地震作用对支座的性能会产生影响。

4.2仅水平地震作用时若隔震支座未进入塑性状态，考虑竖向地震作用对结构的柱端曲率影响不大；而仅水平地震作用时若隔震支座进入了塑性状态，考虑竖向地震作用对结构的柱端曲率的影响较大，结构的破坏程度明显增大。

4.3在近场地震动多发地区，针对基础隔震掉层框架结构的抗震性能，为保守研究，应考虑水平与竖向地震荷载的共同作用。

[3]周正华,周雍年,卢滔.竖向地震动特征研究[J].地震工程与工程振动,2003(6):25-29.
[4]程岩.竖向地震作用对高柔结构的影响 [J].西北地震学报,1999,21(4):424-426.
[5]J.T.P.Yao.Concept of structure control[J].Journal of structure
division,ASCE,1972,98(7):1567-157.
[6]欧进萍.结构振动控制:主动、半主动和智能控制[M].北京:科学出版社,2003.
[7]王惠.当代皖西南山地建筑本土化研究[D].合肥:合肥工业大学,2004.
[8]孔令凯,沙薇.掉层建筑结构不同接坡方式抗震性能对比[J].江西建材,2015(9):32-
33.
[9]ATC-63.Quantification of building seismic performance factors[M].ATC-63 Project Report,FEMA P695,2009.
【相关文献】
[1]晓燕,周健,胡晓虎.地震引起的竖向应力对地铁隧道的影响[J].工程抗震,2002(2):32-35.
[2]王涛.竖向地震若干问题研究[J].河南城建学院学（转下页）报,2010,19(2).。