浅谈高层建筑结构在地震作用下的受力特点及地震反应分析方法
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1.引言
地震由于其强破坏力和难预见性,对 人民生命财产安全造成了极大的威胁。中 国地处世界上两个最活跃的地震带之间, 是世界上多地震的国家之一。1976 年发生 的唐山大地震,震级达到里氏 7.8 级,震中 烈度为 11 度。直接经济损失近 100 亿元[1]。 我国 2008 年 5 月 12 日发生的汶川地震,震 中烈度 11 度,损失极为严重。地震作用对 于结构的影响很大,而高层建筑的地震反 应更加强烈,因此,加强对结构抗震研究具 有非常重要的意义。
工 程
中国科技信息 2009 年第 5 期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2009
浅谈高层建筑结构在地震作用下的
受力特点及地震反应分析方法
刘海峰 青海建筑职业技术学院 810012
摘 要 介绍了高层建筑结构在地震作用下的受力特 点及目前高层建筑结构地震反应分析方法和 具体的适用用范围,为工程设计人员提供一 定的参考。 关键词 高层建筑;抗震概念设计;地震反应分析方法
百度文库
地震动加速度很大,结构也不会破坏。这 种方法只能适用于平面和立面都较为规 则、各结构构件的抗震性能也都相近的结 构,对于体形较复杂的高层建筑,则有较 大出入,应该采用动力方法即时程分析 法。采用时程分析法分析,可以较为准确 地反应复杂高层结构对地震作用的反应。
目前的地震反应分析方法都是选用已 有的地震动或者人工合成的地震动来计 算,即结构的地震反应分析是在某一确定 性的条件下进行的。虽然地震是随机的、 不确定的事件,但这并不能否认地震反应 分析的实用价值。地震反应分析是确定的 事件,它同时考虑了许多因素,如地震动 的峰值、频谱、持时、结构的动力特性 以及场地土的卓越周期等等,并且己被多 次实践证实是可靠的。
随着高层建筑的发展、社会审美能力 的提高,人们已经不能满足于原来的规则 齐整、千篇一律的建筑,于是体型复杂 的、不规则的高层建筑逐渐出现了。这一 方面由于使用功能、建筑方案和城市规划 等方面的需要,另一方面由于计算机技 术、结构计算程序和结构分析理论的发 展,也为复杂体型高层建筑的大量涌现提 供了技术基础,但是,随着复杂体型高层 建筑的大量出现,也产生了一些问题。 1960 年摩洛哥加迪尔地震中,一个倒置的 阶梯形建筑上部几乎全部坍塌。1971 年美 国 San Fernando 地震时,位于高烈度区 的 Olive-View 医院为框支剪力墙体系, 由于上下部分的抗侧刚度相差较大,上部 震害较轻,而下部震害较重,位移达 600mm。在我国唐山地震中,天津市一个 高 25 米的五层框架厂房,由于结构的较大 偏心,扭转振动非常强烈,从而引起了框架 中柱全部破坏。在 1995 年日本阪神地震中 破坏的高层建筑也大都是因为扭转及刚度 突变引起的。从上面的例子可以看出,结构 体系的复杂与不规则容易引起结构在地震 中产生严重破坏。因而,在条件允许的情况 下,要尽可能满足结构体型简单、规则、对 称等要求。
-60-
构所受到的地震作用简化为作用于结构的 等效水平静力,结构所受到的地震力为
(1 )
式中:W 为结构重量,amax 为结构的静 力等效水平最大加速度( 即地面最大加速 度),k=amax / g 为地震系数。该理论假定 结构是绝对刚性的,所以结构任一点单位 质量所受的地震力都是相等的。
(2).反应谱方法:本世纪 40 年代,美 国学者 M.Biot 提出了利用已有的地震记 录来计算反应谱的概念。50年代初,G.W. Housner 将这一设想加以应用并且推广。 反应谱方法考虑了结构的动力特性(自振周 期和阻尼) 和地震动的动力特性之间的关 系,同时保持了原来的静力形式。结构所受 的最大地震基底剪力为:
V=k(T)W (2) 式中:β(T)为加速度反应谱 Sa(T)与 地震动最大加速度 a 之比,k 为地震动最大 加速度 amax 与重力加速度 g 之比。该方法 考虑了结构动力特性所引起的共振效应。 但是,反应谱方法并未考虑地震动持续时 间的影响,仍然将地震动引起的惯性力按 照静力来考虑,因而是拟动力方法。这一方 法只能适用于平面、立面都比较规则的结 构。 (3 ). 时程分析法( 动力方法):6 0 年 代以后,人们不仅记录了大量的地震动数 据。而且还获得了许多结构的地震反应记 录,尤其是一些遭到严重破坏的结构的地 震反应记录,这大大地促进了结构地震反 应分析方法的发展。该方法采用地震动的 加速度时程作为输入,来进行结构的地震 反应分析。该方法较为全面地考虑了地震 动的三要素一振幅、振型以及持续时间对 结构反应的影响。 由于反应谱分析法比较成熟,包括我 国在内的一些主要国家的抗震规范均将它 作为基本设计方法。我国现行的《建筑抗 震设计规范》(GB 50011-2001)和《钢筋 混凝土高层建筑结构设计与施工规程》 (JGJ3-2002),根据房屋的类型、高度和 结构平立面布置等状况对各类建筑结构计 算应采用的方法做了许多规定。但是,由 于反应谱方法不能考虑地震动持续时间的 影响,只能给出某一时刻结构所受到的最 大地震作用,所以不能反映地震动输入的 能量大小。如果地震作用时间很短,即使
3.2 高层建筑结构地震反应分析方法 一般来说,高层建筑的地震反应分析 方法可分为确定性分析方法和随机分析方 法两种。由于地震动是随机发生的,结构的 地震反应也是随机的,因而应该用随机振 动理论,通过概率统计的方法得到结构的 地震反应。但是由于建立完整的随机过程 模型十分困难,所以目前这方面的研究较 少。确定性的分析方法按照其发展历史可 以分为三类[ 4 ]: (1 ). 静力方法:这一理论由日本学者 大森房吉于 1990 年最早提出。该方法把结
总之,在了解高层建筑结构在地震作 用下的受力特点和地震反应分析方法的基 础上,在高层建筑结构抗震设计中,还要从 整体上遵循抗震概念设计的基本原则,从 结构的总体布置到细部构造,确保结构体 系可靠,结构体型、传力途径合理,使结构 具有较大的延性,在地震作用下具有较好 的抗震性能。
参考文献 [1] 吕西林,周得源,李思明.房屋结构抗震 设计理论与实践[M]上海:同济大学出版社. 1994. [2] GB 50011-2001.建筑抗震设计规范[S]. [3] JGJ3-2002.高层建筑混凝土结构技术 规程[S]. [4] 刘大海,杨翠茹,钟锡根.高层建筑抗震 设计[M] .北京:中国建筑工业出版社. 2004.
3.高层建筑的地震反应分析方法
3.1 抗震设防的三水准、二阶段 地震是多发性的,一个地区在未来一 定时期内可能遭遇的地震将不止一次,烈 度或高或低。当今我国的建筑抗震设计,
是采用以概率理论为基础的多水准设计方 法。根据唐山、海城地震经验,并参考 国外抗震设计思想,我国抗震规范对建筑 的抗震设防提出“三水准、两阶段”的 要求,“ 三 水 准 ”即“ 小 震 不 坏 、中震 可 修 、 大 震 不 倒 ”。 其 具 体 内 容 是 :
4 、结语
木兰溪大桥¢3.0m 钻孔桩施工中,水 文地质情况复杂,成孔质量要求高(设计 允许孔位偏差 10mm,规范允许孔位偏差 为 5 0 m m;沉渣厚度为 1 0 m m ),施工 难度大,经过对钻孔施工的工艺不断改进 和严格控制,施工的进度和质量均得到了 有效的控制,两根桩基经超声波检测均一 次合格(I 类桩),为木兰溪大桥上部异型钢 箱拱桥施工打下了坚实的基础。
(1 ). 遭遇第一水准烈度地震(多遇地 震)时,结构处于弹性变形阶段,建筑物处 于正常使用状态。建筑物一般不受损坏或 者不需要修理仍可继续使用。
(2 ). 遭遇第二水准烈度地震(设防烈 度,也就是基本地震)时,结构屈服进入非 弹性变形阶段,建筑物可能出现一定程度 的破坏,但经一般修理或者不需修理仍可 继续使用。
(3 ). 遭遇第三水准烈度地震(罕遇地 震)时,结构虽然破坏较重,但结构的非弹 性变形与结构的倒塌尚有一段距离。不至 倒塌或者发生危及生命的严重破坏,从而 保障了人员的安全。
三个水准烈度的关系:不同超越概率 下的地震影响烈度,即“小震(50 年超越 概率为 63.2% 的地震烈度)”、“中震(50 年 超越概率为 10% 的地震烈度)”、“大震(50 年超越概率为 2~3% 的地震烈度)”之间的 关系大致为 1~1.55,1,1+1.0 的关系。
3 . 5 、混凝土浇筑 桩基水下砼浇筑原设计建议采用¢ 3 5 0 m m 的导管进行浇筑,在浇筑前,考 虑到桩基的孔径较大,为确保浇筑的混凝 土能扩散到孔桩四周,最初设想采用两根 导管同时浇筑,这样就可大大增加导管内 混凝土的扩散范围,确保浇筑质量,但又 担心采用两根导管同时浇筑时,两根导管 之间可能会夹杂泥浆,影响混凝土的内在 质量;另一方面,采用两根导管需同时采 用两个漏斗,也需增加一台机械进行浇 筑,现场的场地也非常有限,同时施工难 度也非常大,后将导管的直径加大到¢ 450mm,经对比,直径¢450mm 的导管 是直径¢350mm 导管流量的 1.6 倍之多, 导管内混凝土可完全扩散到桩基四周,施 工又比较简便,因而采用加大导管直径的 方法进行混凝土浇筑。 在混凝土的浇筑过程中,我们经常性 的对桩基四周及中部砼高度进行量测对 比,混凝土完全可扩散到桩基四周,且桩 基四周混凝土的上升速度与中部混凝土的 上升速度也基本保持一致。整个浇筑过程 还是比较顺利。
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2.高层建筑结构在地震作用下的特 点
对于一般的单层或多层建筑,以重力 为代表的竖向荷载对结构起着控制作用; 而对于高层建筑来说,尽管竖向荷载对结 构仍起着重要作用,但水平荷载对于结构 的影响越来越大。这主要因为竖向荷载引 起在竖向构件中的轴力和弯矩仅与建筑高 度的一次方成正比,而水平荷载引起的轴 力和弯矩与建筑高度的平方成正比;并且 建筑的顶点位移几乎与高度的四次方成正 比,存在着“鞭梢效应”。所以地震力对高 层和超高层建筑的影响是非常巨大的。
地震荷载属于动力荷载,不同于静力 荷载。静力荷载与结构的刚度基本上没有 关系;而地震所产生的动力荷载的大小与 结构自身的特性密切相关,结构的质量与
刚度的变化将直接影响地震作用的强弱。 所以一般要求设计时合理布置建筑的平面 和立面。平面要简单、规则、均匀、对称, 不宜有较大的凹进凸出,避免过大的外挑 内收等等。这些要求在我国的抗震规范、规 程[2],[3] 和国内外许多文献中都有提及,并 且在高层建筑的早期严格执行。
上接第 59 页
设计要求。 3 . 4 、钢筋笼加工及安装 本桩基钢筋笼长 47.5m,重达 55t,在
加工时,将其分成4 段进行加工,每段重量 为 14 吨左右。钢筋的加工与普通的钢筋笼 加工一样,这里不作详述。
在孔桩终孔及清孔完成后,即可安装 钢筋笼。钢筋笼安装时在前三节采用一部 5 0 t 汽车起重机进行起吊安装,在施工最 后一节钢筋笼整体起吊时,采用一部 5 0 t 汽车起重机和一部35t汽车式起重机联合抬 吊,将钢筋笼起吊入孔。
地震由于其强破坏力和难预见性,对 人民生命财产安全造成了极大的威胁。中 国地处世界上两个最活跃的地震带之间, 是世界上多地震的国家之一。1976 年发生 的唐山大地震,震级达到里氏 7.8 级,震中 烈度为 11 度。直接经济损失近 100 亿元[1]。 我国 2008 年 5 月 12 日发生的汶川地震,震 中烈度 11 度,损失极为严重。地震作用对 于结构的影响很大,而高层建筑的地震反 应更加强烈,因此,加强对结构抗震研究具 有非常重要的意义。
工 程
中国科技信息 2009 年第 5 期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Mar.2009
浅谈高层建筑结构在地震作用下的
受力特点及地震反应分析方法
刘海峰 青海建筑职业技术学院 810012
摘 要 介绍了高层建筑结构在地震作用下的受力特 点及目前高层建筑结构地震反应分析方法和 具体的适用用范围,为工程设计人员提供一 定的参考。 关键词 高层建筑;抗震概念设计;地震反应分析方法
百度文库
地震动加速度很大,结构也不会破坏。这 种方法只能适用于平面和立面都较为规 则、各结构构件的抗震性能也都相近的结 构,对于体形较复杂的高层建筑,则有较 大出入,应该采用动力方法即时程分析 法。采用时程分析法分析,可以较为准确 地反应复杂高层结构对地震作用的反应。
目前的地震反应分析方法都是选用已 有的地震动或者人工合成的地震动来计 算,即结构的地震反应分析是在某一确定 性的条件下进行的。虽然地震是随机的、 不确定的事件,但这并不能否认地震反应 分析的实用价值。地震反应分析是确定的 事件,它同时考虑了许多因素,如地震动 的峰值、频谱、持时、结构的动力特性 以及场地土的卓越周期等等,并且己被多 次实践证实是可靠的。
随着高层建筑的发展、社会审美能力 的提高,人们已经不能满足于原来的规则 齐整、千篇一律的建筑,于是体型复杂 的、不规则的高层建筑逐渐出现了。这一 方面由于使用功能、建筑方案和城市规划 等方面的需要,另一方面由于计算机技 术、结构计算程序和结构分析理论的发 展,也为复杂体型高层建筑的大量涌现提 供了技术基础,但是,随着复杂体型高层 建筑的大量出现,也产生了一些问题。 1960 年摩洛哥加迪尔地震中,一个倒置的 阶梯形建筑上部几乎全部坍塌。1971 年美 国 San Fernando 地震时,位于高烈度区 的 Olive-View 医院为框支剪力墙体系, 由于上下部分的抗侧刚度相差较大,上部 震害较轻,而下部震害较重,位移达 600mm。在我国唐山地震中,天津市一个 高 25 米的五层框架厂房,由于结构的较大 偏心,扭转振动非常强烈,从而引起了框架 中柱全部破坏。在 1995 年日本阪神地震中 破坏的高层建筑也大都是因为扭转及刚度 突变引起的。从上面的例子可以看出,结构 体系的复杂与不规则容易引起结构在地震 中产生严重破坏。因而,在条件允许的情况 下,要尽可能满足结构体型简单、规则、对 称等要求。
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构所受到的地震作用简化为作用于结构的 等效水平静力,结构所受到的地震力为
(1 )
式中:W 为结构重量,amax 为结构的静 力等效水平最大加速度( 即地面最大加速 度),k=amax / g 为地震系数。该理论假定 结构是绝对刚性的,所以结构任一点单位 质量所受的地震力都是相等的。
(2).反应谱方法:本世纪 40 年代,美 国学者 M.Biot 提出了利用已有的地震记 录来计算反应谱的概念。50年代初,G.W. Housner 将这一设想加以应用并且推广。 反应谱方法考虑了结构的动力特性(自振周 期和阻尼) 和地震动的动力特性之间的关 系,同时保持了原来的静力形式。结构所受 的最大地震基底剪力为:
V=k(T)W (2) 式中:β(T)为加速度反应谱 Sa(T)与 地震动最大加速度 a 之比,k 为地震动最大 加速度 amax 与重力加速度 g 之比。该方法 考虑了结构动力特性所引起的共振效应。 但是,反应谱方法并未考虑地震动持续时 间的影响,仍然将地震动引起的惯性力按 照静力来考虑,因而是拟动力方法。这一方 法只能适用于平面、立面都比较规则的结 构。 (3 ). 时程分析法( 动力方法):6 0 年 代以后,人们不仅记录了大量的地震动数 据。而且还获得了许多结构的地震反应记 录,尤其是一些遭到严重破坏的结构的地 震反应记录,这大大地促进了结构地震反 应分析方法的发展。该方法采用地震动的 加速度时程作为输入,来进行结构的地震 反应分析。该方法较为全面地考虑了地震 动的三要素一振幅、振型以及持续时间对 结构反应的影响。 由于反应谱分析法比较成熟,包括我 国在内的一些主要国家的抗震规范均将它 作为基本设计方法。我国现行的《建筑抗 震设计规范》(GB 50011-2001)和《钢筋 混凝土高层建筑结构设计与施工规程》 (JGJ3-2002),根据房屋的类型、高度和 结构平立面布置等状况对各类建筑结构计 算应采用的方法做了许多规定。但是,由 于反应谱方法不能考虑地震动持续时间的 影响,只能给出某一时刻结构所受到的最 大地震作用,所以不能反映地震动输入的 能量大小。如果地震作用时间很短,即使
3.2 高层建筑结构地震反应分析方法 一般来说,高层建筑的地震反应分析 方法可分为确定性分析方法和随机分析方 法两种。由于地震动是随机发生的,结构的 地震反应也是随机的,因而应该用随机振 动理论,通过概率统计的方法得到结构的 地震反应。但是由于建立完整的随机过程 模型十分困难,所以目前这方面的研究较 少。确定性的分析方法按照其发展历史可 以分为三类[ 4 ]: (1 ). 静力方法:这一理论由日本学者 大森房吉于 1990 年最早提出。该方法把结
总之,在了解高层建筑结构在地震作 用下的受力特点和地震反应分析方法的基 础上,在高层建筑结构抗震设计中,还要从 整体上遵循抗震概念设计的基本原则,从 结构的总体布置到细部构造,确保结构体 系可靠,结构体型、传力途径合理,使结构 具有较大的延性,在地震作用下具有较好 的抗震性能。
参考文献 [1] 吕西林,周得源,李思明.房屋结构抗震 设计理论与实践[M]上海:同济大学出版社. 1994. [2] GB 50011-2001.建筑抗震设计规范[S]. [3] JGJ3-2002.高层建筑混凝土结构技术 规程[S]. [4] 刘大海,杨翠茹,钟锡根.高层建筑抗震 设计[M] .北京:中国建筑工业出版社. 2004.
3.高层建筑的地震反应分析方法
3.1 抗震设防的三水准、二阶段 地震是多发性的,一个地区在未来一 定时期内可能遭遇的地震将不止一次,烈 度或高或低。当今我国的建筑抗震设计,
是采用以概率理论为基础的多水准设计方 法。根据唐山、海城地震经验,并参考 国外抗震设计思想,我国抗震规范对建筑 的抗震设防提出“三水准、两阶段”的 要求,“ 三 水 准 ”即“ 小 震 不 坏 、中震 可 修 、 大 震 不 倒 ”。 其 具 体 内 容 是 :
4 、结语
木兰溪大桥¢3.0m 钻孔桩施工中,水 文地质情况复杂,成孔质量要求高(设计 允许孔位偏差 10mm,规范允许孔位偏差 为 5 0 m m;沉渣厚度为 1 0 m m ),施工 难度大,经过对钻孔施工的工艺不断改进 和严格控制,施工的进度和质量均得到了 有效的控制,两根桩基经超声波检测均一 次合格(I 类桩),为木兰溪大桥上部异型钢 箱拱桥施工打下了坚实的基础。
(1 ). 遭遇第一水准烈度地震(多遇地 震)时,结构处于弹性变形阶段,建筑物处 于正常使用状态。建筑物一般不受损坏或 者不需要修理仍可继续使用。
(2 ). 遭遇第二水准烈度地震(设防烈 度,也就是基本地震)时,结构屈服进入非 弹性变形阶段,建筑物可能出现一定程度 的破坏,但经一般修理或者不需修理仍可 继续使用。
(3 ). 遭遇第三水准烈度地震(罕遇地 震)时,结构虽然破坏较重,但结构的非弹 性变形与结构的倒塌尚有一段距离。不至 倒塌或者发生危及生命的严重破坏,从而 保障了人员的安全。
三个水准烈度的关系:不同超越概率 下的地震影响烈度,即“小震(50 年超越 概率为 63.2% 的地震烈度)”、“中震(50 年 超越概率为 10% 的地震烈度)”、“大震(50 年超越概率为 2~3% 的地震烈度)”之间的 关系大致为 1~1.55,1,1+1.0 的关系。
3 . 5 、混凝土浇筑 桩基水下砼浇筑原设计建议采用¢ 3 5 0 m m 的导管进行浇筑,在浇筑前,考 虑到桩基的孔径较大,为确保浇筑的混凝 土能扩散到孔桩四周,最初设想采用两根 导管同时浇筑,这样就可大大增加导管内 混凝土的扩散范围,确保浇筑质量,但又 担心采用两根导管同时浇筑时,两根导管 之间可能会夹杂泥浆,影响混凝土的内在 质量;另一方面,采用两根导管需同时采 用两个漏斗,也需增加一台机械进行浇 筑,现场的场地也非常有限,同时施工难 度也非常大,后将导管的直径加大到¢ 450mm,经对比,直径¢450mm 的导管 是直径¢350mm 导管流量的 1.6 倍之多, 导管内混凝土可完全扩散到桩基四周,施 工又比较简便,因而采用加大导管直径的 方法进行混凝土浇筑。 在混凝土的浇筑过程中,我们经常性 的对桩基四周及中部砼高度进行量测对 比,混凝土完全可扩散到桩基四周,且桩 基四周混凝土的上升速度与中部混凝土的 上升速度也基本保持一致。整个浇筑过程 还是比较顺利。
-61-
2.高层建筑结构在地震作用下的特 点
对于一般的单层或多层建筑,以重力 为代表的竖向荷载对结构起着控制作用; 而对于高层建筑来说,尽管竖向荷载对结 构仍起着重要作用,但水平荷载对于结构 的影响越来越大。这主要因为竖向荷载引 起在竖向构件中的轴力和弯矩仅与建筑高 度的一次方成正比,而水平荷载引起的轴 力和弯矩与建筑高度的平方成正比;并且 建筑的顶点位移几乎与高度的四次方成正 比,存在着“鞭梢效应”。所以地震力对高 层和超高层建筑的影响是非常巨大的。
地震荷载属于动力荷载,不同于静力 荷载。静力荷载与结构的刚度基本上没有 关系;而地震所产生的动力荷载的大小与 结构自身的特性密切相关,结构的质量与
刚度的变化将直接影响地震作用的强弱。 所以一般要求设计时合理布置建筑的平面 和立面。平面要简单、规则、均匀、对称, 不宜有较大的凹进凸出,避免过大的外挑 内收等等。这些要求在我国的抗震规范、规 程[2],[3] 和国内外许多文献中都有提及,并 且在高层建筑的早期严格执行。
上接第 59 页
设计要求。 3 . 4 、钢筋笼加工及安装 本桩基钢筋笼长 47.5m,重达 55t,在
加工时,将其分成4 段进行加工,每段重量 为 14 吨左右。钢筋的加工与普通的钢筋笼 加工一样,这里不作详述。
在孔桩终孔及清孔完成后,即可安装 钢筋笼。钢筋笼安装时在前三节采用一部 5 0 t 汽车起重机进行起吊安装,在施工最 后一节钢筋笼整体起吊时,采用一部 5 0 t 汽车起重机和一部35t汽车式起重机联合抬 吊,将钢筋笼起吊入孔。