大跨度钢桁架转换层结构的竖向地震反应分析_吴玉华
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第 31卷 第 4期
地 震 工 程 与 工 程 振 动
2011年 8月
JOURNALOFEARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGVIBRATION
文章编号 :1000 -1301(2011)04 -0089 -05
Βιβλιοθήκη Baidu
Vol.31 No.4 Aug.2 011
1 工程背景及结构布置特点
某大楼采用全现浇钢筋混凝土框架 -剪力墙结构 , 主要柱网为 8.1 ×8.0 m, 房屋总高度为 65.4 m, 总长 度为 138.5 m, 总宽度为 48.8 m, 其中大楼 A座采用了大跨高位钢桁架转换层结构 , 在结构的第 10层有 3榀 转换桁架 HJ1、HJ2和 HJ3支承于端部两个核心筒上 , 如图 1、图 2所示 。钢桁架高 8 m, 占两个楼层的高度 , 其上方承托 3层楼房和 1层构架层 , 形成建筑立面大门洞 。
Fig.5 Thefirst4 verticalmodeshapes
2.2 地震响应分析及不同方法之间的比较
从振型分解反应谱方法的基本原理可以看出 , 影响该方法的主要因素有 2 个 :一是振型组合方法的选
取 , 二是组合时所截取的振型阶数 。 我国现行 《建筑抗震设计规范 》 (GB50011 -2001)对计算结构的水平地 震效应振型组合方法作了规定 :不考虑扭转耦联时采用 SRSS法 ;考虑扭转耦联时采用 CQC法 , 而对于结构
将反应谱分析结果与时程分析结果进行比较 。 在时程分析中 , 根据场地土的类别 , 同时考虑远近震及加速度
峰值两项因素 , 选择具有相同或相近场地类别的地震记录作为备选地震动 。按照 《建筑抗震设计规范 》中的
竖向地震作用效应的振型组合方法则没有明确的规定 。那么 , 应用这两种方法求解大跨度钢桁架转换层结
构的竖向地震作用效应是否合适 、其精度如何 、组合时应该选取多少阶振型 , 是采用振型分解反应谱法计算
大跨度钢桁架转换层结构竖向地震反应时必须探讨的问题 。
对于普通高层建筑而言 , 在利用振型分解反应谱法求解结构的水平地震力时 , 采用 9个振型参与组合已
的竖向地震反应分析是假设在 8度多遇地震作用下进行的 , 对整个 A座采用大型通用软件 Sap2000进行有
限元建模计算 。
第 4期 吴玉华 等 :大跨度钢桁架转换层结构的竖向地震反应分析
91
2.1 结构自振特性分析
采用子空间迭代法对该结构的自振特性进行
了分析 , 其前 60阶自振周期分布如图 4所示 。前 3
90
地 震 工 程 与 工 程 振 动 第 31卷
如已建的北京中国银行总部大厦[ 1] , 转换钢桁架跨度达 55.0 m;在建的浙江省电力调度大楼 , 单跨跨度最大
达 50.8 m。 由于转换钢桁架跨度大 , 上面又承托着相当大的质量 , 因而近年来其竖向地震作用 受到了关 注 [ 2, 3] 。宏观震害和理论分析也均表明 , 在高烈度区 , 竖向地震作用对结构特别是大跨度结构的影响是较显 著的 。 如 1957年钱培风教授首先提出了竖向地震作用是造成某些砖烟囱破坏的主要原因 [ 4] , 1958年王光 远教授对高耸结构在竖向地震作用下的反应提出了一种数学模拟和计算方法 [ 5] 。 1995年 1月 17日日本阪 神大地震 , 使神户市各类建筑结构 , 遭遇不同程度的破坏 , 大跨度空间结构及其支承结构的震害较严重[ 6] 。
Fig.4 Naturalvibrationperiodofmodal
其振型如图 5所示 。 根据模态分析结果 , 第 57个振型时结构 Z向的振型质量参与系数达到了 0.95。 因此
可以假定有 57个振型参与组合时的计算结果作为大跨高位钢桁架结构的竖向地震反应的 “标准值 ”。
图 5 前四阶以 Z向为主的振型
图 1 结构立面图 Fig.1 Elevationviewofbuilding
三榀桁架中位于内侧的一榀桁架 HJ1单跨跨 度最大 , 达 50.865 m, 桁架 HJ2、桁架 HJ3 在 15 轴 处设了中间支承 , 跨度分别为 39.492 m+19.271 m 和 40.000 m+24.820 m。钢桁架上 、下弦设现浇钢 筋混凝土楼板 , 确保钢桁架的整体工作和足够的空 间刚度 。钢桁架弦杆横截面为焊接箱形截面 (600 mm×600 mm), 腹部为焊接工字形截面 (500 mm× 600 mm), 跨中部位弦杆壁厚达 60 mm, 端部 斜腹 杆壁厚达 40mm, 单榀桁架重达 200 t左右 , 弦杆与 腹杆典型截面形式如图 3所示 。
引言
为适应建筑功能的需要 , 高层建筑常含有转换层 。 钢桁架以其优良的力学性能适用于大跨转换层结构 ,
收稿日期 :2011 -01 -06; 修订日期 :2011 -06 -10 作者简介 :吴玉华 (1973 -), 女 , 博士 , 主要从事结构抗震研究 .E-mail:wuyuhua2000@163.com
大跨度钢桁架转换层结构的竖向地震反应分析
吴玉华 1 , 楼文娟2 , 叶小刚3
(1.浙江工业大学 之江学院 , 浙江 杭州 310024;2.浙江大学 结构工程研究所 , 浙江 杭州 310027; 3.宁波市城建设计研究院有限公司 , 浙江 宁波 315012)
摘 要 :对某一带钢桁架转换层的复杂高层结构进行了有限 元建模 , 分别采用 振型分解 反应谱法 、时 程分析法和 《建筑抗震设计规范 》 (GB50011 -2001)的设 计反应 谱法对大 跨高位 钢桁架 转换层 结构 的竖向地震响应进行了分析 。 对采用振型分解反 应谱法 计算此 类结构响 应时所 要选取 的振型 数及 振型组合方法进行了探讨 , 并对规范采用 10%的重力荷载 代表值 (8度 )来考虑竖向地震作用影 响的 规定也进行了适用性分析 。 结果表明 :对带钢 桁架转 换层且 平 、立面不规 则结构 的竖向 地震效 应进 行分析 时 , 建议考虑振型的交叉项 , 采用 CQC法 进行组合 ;采 用 10%重力 荷载代 表值计 算的竖 向地 震作用标准值对桁架部分杆件偏于不安全 。 关键词 :钢桁架 ;转换层 ;竖向地震 ;时程分析 ;反应谱法 中图分类号 :P315.952;TU973.31 文献 标志码 :A
阶自振周期分别为 0.921 s、0.772 s和 0.658 s。 由
于高层建筑结构的竖向刚度很大 , 因而竖向振动的
周期很短 , 频率较高 。 由图 4可知 , 本结构竖向第 1
振型出现在 13阶 , 周期为 0.241 s, 前 30阶振型包
图 4 各阶模态的自振 周期
括 2阶竖向振型 , 前 50阶振型包括 4阶竖向振型 ,
Abstract:AFEAmodelwasestablishedforahigh-risebuildingwithsteeltrusstransferstory.Theverticalseismic responsesofthisstructurewereanalyzedbyusingthemodedecompositionresponse-spectramethod, thetimehistoryanalysismethodandthedesignresponse-spectramethodoftheChineseCodeforseismicdesignofbuildings (GB5001 -2001).Themodenumberandthemodecombinationmethod, whichwereselectedinanalyzingseismic responseusingthemodedecompositionresponsespectrummethod, wereinvestigated.Andtheapplicabilityofone oftheprovisionsintheCode, whichconsideredtheeffectofverticalseismicactionby10% gravityloadrepresentativevalue, wasalsoinvestigated.Theresultsshowthatthecross-correlationbetweenmodalresponsesisproposedto betakenintoaccountandtheCQCcombinationmethodisproposedtobeadoptedintheanalysisofverticalseismic responseoflargespantransferstorystructurewithirregularelevationand/orplandesign.Forsomemembersofthe truss, thenominalvalueofverticalseismicactioncalculatedby10% gravityloadrepresentativevalueisunsafe. Keywords:steeltruss;transferstorystructure;verticalseismic;timehistoryanalysis;responsespectramethod
可达到很高的计算精度 ;但是对于求解带高位大跨转换层建筑结构的竖向地震力来说 , 情况就不一样了 。 为
探讨振型截断问题 , 令
a=
∑ ∑ Q - Q 57 2
1/2
jmax
N 2
1/2
jmax
j=1
j=1
∑ Q 57 2
1 /2
jmax
j=1
(1)
式中 :a表示结构前 N阶振型组合值与 “标准值 ”的相对误差 , 取 a小于 5%的 N值作为振型截断值 。表 1给
出了按振型分解反应谱法计算结构在 8度 、II类场地条件下的竖向地震反应时取前 N阶振型的相对误差 。
从表 1可知 , 采用振型分解反应谱法计算大跨高位钢桁架转换层结构的竖向地震效应时 , 取包含前 2阶
竖向振型数的相对误差小于 3%, 可满足工程要求的精度 。 为了验证 SRSS、CQC两种振型组合方法对计算大跨度高位钢桁架转换层结构竖向地震效应的有效性 ,
Verticalseismicresponseanalysisofahigh-risebuildingcontaining asteeltrusstransferstorystructurewithlargespan
WUYuhua1 , LOUWenjuan2 , YEXiaogang3
(1.ZhijiangCollegeofZhejiangUniversityofTechnology, Hangzhou310024, China;2.InstituteofStructuralEngineeringof ZhejiangUniversity, Hangzhou310027, China;3.NingboUrbanConstructionDesignandResearchInstitute, Ningbo315012, China)
各国现行抗震设计规范对竖向地震作用都有所反映 , 但有关规定均是针对烟囱 、电视塔 , 平板网架等结 构而制定的 [ 7, 8] , 但对于大跨度钢桁架转换层结构如何计算其竖向地震作用 、这种结构形式的竖向地震反应
究竟具有怎样的特点 , 目前的研究工作还很少涉及 。文中将重点讨论和研究上述两个问题 。
图 2 钢桁架下部楼层平面图 Fig.2 Underfloorofsteeltruss
2 转换钢桁架的竖向抗震性能
图 3 HJ1、HJ2、HJ3钢桁架示意图
该大楼工程为框架 -剪力墙大跨度结构 , 我国
Fig.3 SketchofsteeltrussofHJ1、HJ2 andHJ3
《建筑抗震设计规范 》 (GB50011 -2001)中规定了 8度 、9度时的大跨度结构应计算竖向地震作用 , 因此本文
地 震 工 程 与 工 程 振 动
2011年 8月
JOURNALOFEARTHQUAKEENGINEERINGANDENGINEERINGVIBRATION
文章编号 :1000 -1301(2011)04 -0089 -05
Βιβλιοθήκη Baidu
Vol.31 No.4 Aug.2 011
1 工程背景及结构布置特点
某大楼采用全现浇钢筋混凝土框架 -剪力墙结构 , 主要柱网为 8.1 ×8.0 m, 房屋总高度为 65.4 m, 总长 度为 138.5 m, 总宽度为 48.8 m, 其中大楼 A座采用了大跨高位钢桁架转换层结构 , 在结构的第 10层有 3榀 转换桁架 HJ1、HJ2和 HJ3支承于端部两个核心筒上 , 如图 1、图 2所示 。钢桁架高 8 m, 占两个楼层的高度 , 其上方承托 3层楼房和 1层构架层 , 形成建筑立面大门洞 。
Fig.5 Thefirst4 verticalmodeshapes
2.2 地震响应分析及不同方法之间的比较
从振型分解反应谱方法的基本原理可以看出 , 影响该方法的主要因素有 2 个 :一是振型组合方法的选
取 , 二是组合时所截取的振型阶数 。 我国现行 《建筑抗震设计规范 》 (GB50011 -2001)对计算结构的水平地 震效应振型组合方法作了规定 :不考虑扭转耦联时采用 SRSS法 ;考虑扭转耦联时采用 CQC法 , 而对于结构
将反应谱分析结果与时程分析结果进行比较 。 在时程分析中 , 根据场地土的类别 , 同时考虑远近震及加速度
峰值两项因素 , 选择具有相同或相近场地类别的地震记录作为备选地震动 。按照 《建筑抗震设计规范 》中的
竖向地震作用效应的振型组合方法则没有明确的规定 。那么 , 应用这两种方法求解大跨度钢桁架转换层结
构的竖向地震作用效应是否合适 、其精度如何 、组合时应该选取多少阶振型 , 是采用振型分解反应谱法计算
大跨度钢桁架转换层结构竖向地震反应时必须探讨的问题 。
对于普通高层建筑而言 , 在利用振型分解反应谱法求解结构的水平地震力时 , 采用 9个振型参与组合已
的竖向地震反应分析是假设在 8度多遇地震作用下进行的 , 对整个 A座采用大型通用软件 Sap2000进行有
限元建模计算 。
第 4期 吴玉华 等 :大跨度钢桁架转换层结构的竖向地震反应分析
91
2.1 结构自振特性分析
采用子空间迭代法对该结构的自振特性进行
了分析 , 其前 60阶自振周期分布如图 4所示 。前 3
90
地 震 工 程 与 工 程 振 动 第 31卷
如已建的北京中国银行总部大厦[ 1] , 转换钢桁架跨度达 55.0 m;在建的浙江省电力调度大楼 , 单跨跨度最大
达 50.8 m。 由于转换钢桁架跨度大 , 上面又承托着相当大的质量 , 因而近年来其竖向地震作用 受到了关 注 [ 2, 3] 。宏观震害和理论分析也均表明 , 在高烈度区 , 竖向地震作用对结构特别是大跨度结构的影响是较显 著的 。 如 1957年钱培风教授首先提出了竖向地震作用是造成某些砖烟囱破坏的主要原因 [ 4] , 1958年王光 远教授对高耸结构在竖向地震作用下的反应提出了一种数学模拟和计算方法 [ 5] 。 1995年 1月 17日日本阪 神大地震 , 使神户市各类建筑结构 , 遭遇不同程度的破坏 , 大跨度空间结构及其支承结构的震害较严重[ 6] 。
Fig.4 Naturalvibrationperiodofmodal
其振型如图 5所示 。 根据模态分析结果 , 第 57个振型时结构 Z向的振型质量参与系数达到了 0.95。 因此
可以假定有 57个振型参与组合时的计算结果作为大跨高位钢桁架结构的竖向地震反应的 “标准值 ”。
图 5 前四阶以 Z向为主的振型
图 1 结构立面图 Fig.1 Elevationviewofbuilding
三榀桁架中位于内侧的一榀桁架 HJ1单跨跨 度最大 , 达 50.865 m, 桁架 HJ2、桁架 HJ3 在 15 轴 处设了中间支承 , 跨度分别为 39.492 m+19.271 m 和 40.000 m+24.820 m。钢桁架上 、下弦设现浇钢 筋混凝土楼板 , 确保钢桁架的整体工作和足够的空 间刚度 。钢桁架弦杆横截面为焊接箱形截面 (600 mm×600 mm), 腹部为焊接工字形截面 (500 mm× 600 mm), 跨中部位弦杆壁厚达 60 mm, 端部 斜腹 杆壁厚达 40mm, 单榀桁架重达 200 t左右 , 弦杆与 腹杆典型截面形式如图 3所示 。
引言
为适应建筑功能的需要 , 高层建筑常含有转换层 。 钢桁架以其优良的力学性能适用于大跨转换层结构 ,
收稿日期 :2011 -01 -06; 修订日期 :2011 -06 -10 作者简介 :吴玉华 (1973 -), 女 , 博士 , 主要从事结构抗震研究 .E-mail:wuyuhua2000@163.com
大跨度钢桁架转换层结构的竖向地震反应分析
吴玉华 1 , 楼文娟2 , 叶小刚3
(1.浙江工业大学 之江学院 , 浙江 杭州 310024;2.浙江大学 结构工程研究所 , 浙江 杭州 310027; 3.宁波市城建设计研究院有限公司 , 浙江 宁波 315012)
摘 要 :对某一带钢桁架转换层的复杂高层结构进行了有限 元建模 , 分别采用 振型分解 反应谱法 、时 程分析法和 《建筑抗震设计规范 》 (GB50011 -2001)的设 计反应 谱法对大 跨高位 钢桁架 转换层 结构 的竖向地震响应进行了分析 。 对采用振型分解反 应谱法 计算此 类结构响 应时所 要选取 的振型 数及 振型组合方法进行了探讨 , 并对规范采用 10%的重力荷载 代表值 (8度 )来考虑竖向地震作用影 响的 规定也进行了适用性分析 。 结果表明 :对带钢 桁架转 换层且 平 、立面不规 则结构 的竖向 地震效 应进 行分析 时 , 建议考虑振型的交叉项 , 采用 CQC法 进行组合 ;采 用 10%重力 荷载代 表值计 算的竖 向地 震作用标准值对桁架部分杆件偏于不安全 。 关键词 :钢桁架 ;转换层 ;竖向地震 ;时程分析 ;反应谱法 中图分类号 :P315.952;TU973.31 文献 标志码 :A
阶自振周期分别为 0.921 s、0.772 s和 0.658 s。 由
于高层建筑结构的竖向刚度很大 , 因而竖向振动的
周期很短 , 频率较高 。 由图 4可知 , 本结构竖向第 1
振型出现在 13阶 , 周期为 0.241 s, 前 30阶振型包
图 4 各阶模态的自振 周期
括 2阶竖向振型 , 前 50阶振型包括 4阶竖向振型 ,
Abstract:AFEAmodelwasestablishedforahigh-risebuildingwithsteeltrusstransferstory.Theverticalseismic responsesofthisstructurewereanalyzedbyusingthemodedecompositionresponse-spectramethod, thetimehistoryanalysismethodandthedesignresponse-spectramethodoftheChineseCodeforseismicdesignofbuildings (GB5001 -2001).Themodenumberandthemodecombinationmethod, whichwereselectedinanalyzingseismic responseusingthemodedecompositionresponsespectrummethod, wereinvestigated.Andtheapplicabilityofone oftheprovisionsintheCode, whichconsideredtheeffectofverticalseismicactionby10% gravityloadrepresentativevalue, wasalsoinvestigated.Theresultsshowthatthecross-correlationbetweenmodalresponsesisproposedto betakenintoaccountandtheCQCcombinationmethodisproposedtobeadoptedintheanalysisofverticalseismic responseoflargespantransferstorystructurewithirregularelevationand/orplandesign.Forsomemembersofthe truss, thenominalvalueofverticalseismicactioncalculatedby10% gravityloadrepresentativevalueisunsafe. Keywords:steeltruss;transferstorystructure;verticalseismic;timehistoryanalysis;responsespectramethod
可达到很高的计算精度 ;但是对于求解带高位大跨转换层建筑结构的竖向地震力来说 , 情况就不一样了 。 为
探讨振型截断问题 , 令
a=
∑ ∑ Q - Q 57 2
1/2
jmax
N 2
1/2
jmax
j=1
j=1
∑ Q 57 2
1 /2
jmax
j=1
(1)
式中 :a表示结构前 N阶振型组合值与 “标准值 ”的相对误差 , 取 a小于 5%的 N值作为振型截断值 。表 1给
出了按振型分解反应谱法计算结构在 8度 、II类场地条件下的竖向地震反应时取前 N阶振型的相对误差 。
从表 1可知 , 采用振型分解反应谱法计算大跨高位钢桁架转换层结构的竖向地震效应时 , 取包含前 2阶
竖向振型数的相对误差小于 3%, 可满足工程要求的精度 。 为了验证 SRSS、CQC两种振型组合方法对计算大跨度高位钢桁架转换层结构竖向地震效应的有效性 ,
Verticalseismicresponseanalysisofahigh-risebuildingcontaining asteeltrusstransferstorystructurewithlargespan
WUYuhua1 , LOUWenjuan2 , YEXiaogang3
(1.ZhijiangCollegeofZhejiangUniversityofTechnology, Hangzhou310024, China;2.InstituteofStructuralEngineeringof ZhejiangUniversity, Hangzhou310027, China;3.NingboUrbanConstructionDesignandResearchInstitute, Ningbo315012, China)
各国现行抗震设计规范对竖向地震作用都有所反映 , 但有关规定均是针对烟囱 、电视塔 , 平板网架等结 构而制定的 [ 7, 8] , 但对于大跨度钢桁架转换层结构如何计算其竖向地震作用 、这种结构形式的竖向地震反应
究竟具有怎样的特点 , 目前的研究工作还很少涉及 。文中将重点讨论和研究上述两个问题 。
图 2 钢桁架下部楼层平面图 Fig.2 Underfloorofsteeltruss
2 转换钢桁架的竖向抗震性能
图 3 HJ1、HJ2、HJ3钢桁架示意图
该大楼工程为框架 -剪力墙大跨度结构 , 我国
Fig.3 SketchofsteeltrussofHJ1、HJ2 andHJ3
《建筑抗震设计规范 》 (GB50011 -2001)中规定了 8度 、9度时的大跨度结构应计算竖向地震作用 , 因此本文