L形平面高层建筑结构抗震性能探讨.pdf

第6 期 2 11 0 7 年6月 广东 土木与 建筑 GU ANGDONG ARCHI TE C T URE CI VI L EN GI NE ERI NG N o ． 6 J I J N 2 0 o 7 L形平面高层建筑结构抗震性能探讨 谭玮 广 东省重 工 建筑设计 院 广 州 5 1 0 0 3 4 摘 要 大量震害分析和观察表 明， 结构在地震时存在扭转振动 ， 且平扭耦合效应也 不可忽视 ， 文 申总结归纳现 有的研究成果， 利用某L形平面高层建筑结构1 ／ 3 o 模型模拟振动台试验研究， 对同类结构抗震性能进行了探讨。 关 键 词 L形 平 面 ；扭 转 ；振 动 台试 验 ；抗 震 性 能 1 引言 高层建筑结构无论规则与否 ． 在地震作用下的 扭转振动都是难以避免的．这主要是 因为地面运动 的相位差会引发建筑物的扭转振动．建筑物质量分 布不均匀、 结构刚度计算 的局限性导致结构的质量 和刚度偏心 ， 设计假定的正确程度 、 计算方法的精确 度也将引起结构强度的差异 ． 抗扭构件 的非对称性 破坏等也将引起扭振效应 不仅如此 ． 结构在地震 力作用下产生的水平振动与平面扭转振动 ． 还会互 相耦联 ． 产生平扭耦联振动效应 ． 研究表明该效应对 结构扭转效应还会产 生明显的动力放大作用[ 1 - 2 ] 。 2 国内外对偏心结构地震效应和影响参数研究现状 大量的震害调查表明 ． 由于结构平面布置不规 则所产生的扭转效应而导致的结构破坏是相当严重 的． 因此不规则结构的地震反应分析研究一直是结 构抗震领域的重要研究内容 近 2 O年来对偏心结 构地震反应的研究工作主要集中在分析影响平扭耦 合程度的因素方面 ． 并得出了一些有价值的结论。 2 ． 1 单层偏心结构 已有研究表明[ 3 - 4 ] ． 影响单层偏心结构弹性地震 反应的主要结构参数为楼层静力偏心距 e 结构的 质量中心与刚度 中心的距离 、 平扭频率 比 结构 扭转为主的第 1自振周期 与平动为主 的第 1自 振周期 7 ’l 之比， r t ／ r 和阻尼、 基本周期等 辅助 结构即对称结构的基本平动周期 静偏心距 e 对 结构平扭耦合程度 的影响是显而易见的 ， e 越大则 结构耦合就越严重 0则结构在水平地震作用下 不存在耦合问题 对于 的影响尽管不如偏心距 的 影响那么直接 ．但其影响还是可 以从结构共振的角 度来解释的。当 1 ． 称其为刚性扭转结构 当 1 ． 称其为柔性扭转结构 ． 结构在很小的扭转激励下就可 以产生较大的扭转响应． 对该类结构各国的抗震规范 多数是严格要求避免的 ， 我国的 高规 就明确规定 了 的限值 当 1 ． 结构的扭转频率接近平动频 率 ．该类结构在水平激励作用下结构的扭转耦合振 动程度最高 ． 此时即使结构的偏心距很小． 实际的扭 转作用还是很大 ． 从动偏心距的角度来看 ． 此时的偏 心距被放大了许多倍 2 ． 2 多高层偏心结构 由于结构形式和楼层偏一 t2 , 情况的多样性 ．使得 多层偏心结构的地震反应规律比单层偏心结构更为 复杂 目前对多层偏心结构参数影响规律的研究主 要是集中在均匀偏 t2 , 结构上 即质量中心和刚度 中 心分别在各 自的竖轴上 ． 对于具有一般形式 的多层 偏心结构 ．其地震反应规律尤其是非弹性反应阶段 尚有待进一步研究 早期的研究多集 中在弹性结构 方面． 其侧重点放在求解方法上 对非弹性扭转反应 影响明显的结构参数为楼层强度分布状态和超强 ． 因此在控制结构弹性反应的前提下合理调整楼层中 抗侧力构件的屈服强度 ． 可较好地控制偏心结构的非 弹性扭转变形 此外 ． 由于地震动频率成分的不同而 使结构反应峰值出现的时间存在明显差异 。结构构 件的位移延性与结构基本周期的相关变化曲线也有 所区别 ．这表明地震动因素对结构扭转耦联反应的 影响也是非常明显的。 目前我国也有学者对地震动强度以及多维地震 作用对偏心结构平扭耦合反应进行了研究 ，结果表 明平扭耦合强度与构件的强度分布有关 ．其影响不 容忽视衡量建筑结构扭转振动效应时应考虑地震 的作用方 向． 在不能明确震源与结构 的相对方位时． 7 维普资讯 2 O O 7 年6 月 第6 期 谭玮 L 形平 面高 层建 筑结构 抗震 性能探 讨 J U N 2 0 0 7 N o 。 6 选取扭转变形能与平动变形能之 比或扭转变 形能的最大值出现时的角度作为衡量结构扭 转效应的地震作用方 向。不规则框架结构在 双向水平地震输入下 ．其非弹性变形比单 向 输入情况的反应结果大 ．并对框架结构的底 表 1原型与模 型的相似关系表 层角柱产生更为明显的破坏作用 高层建筑结构在 双向水平地震作用下 ． 结构顶部相对扭转响应 主要 与相对偏心距 以及抗扭周期与侧振周期 的比值有 关 ． 且都随二者增大而增大 总体说来 ． 当前对双向水平地震作用下偏心结构 反应规律的研究相对较少 ，与单向地震动输入相比， 双向水平地震作用下偏心结构地震反应的研究不仅 涉及到结构的偏心形式． 还与地震动输入因素有关。 在双向水平地震作用下． 偏心结构的各种影响因素 在反应中的表现 ． 尤其是在非弹性反应阶段 ， 还缺乏 足够的分析依据 [2 ] 。 3工程 实例研 究 3 ． 1 工程概况 某高层公寓楼高 4 7层 屋面层以下 ， 地面至屋 面和屋顶层分别高 1 6 5 ． 6 m和 1 6 6 ． 1 m． 结构平面呈 L 型． 设有 6层裙房和 4层地下室。 在第 5层进行结构 转换 ． 采用部分框支钢筋混凝土剪力墙结构。本工 程建筑场地类别为 Ⅱ类 ． 设计 时地震作用计算所用 的特征周期 0 ． 3 5 s 。本工程位于 7度抗震设防区， 其抗震设防重要性类别为乙类建筑 ． 地震作用按 7度 设计地震分组为第一组 、 抗震措施按 8度考虑。 裙 楼和上部结构平面如图 1 2所示 3 ． 2 试验设计 1 模型相似关系 本次试验的相似关系见表 1 。 奇数层有楼 2 量测仪器与测点布置 3 O个压电式加速度传感器及 6 8个位移传感器 沿结构高度布置． 平面位置分别位于公寓楼的上肢内 角点 A点 、 下肢南端点 B点 、 上肢西端点 C点 、 下 肢 内 角 点 D 点 。 应 变 测 点 布 肢 套 置 在重 点 观测 的 剪 力 墙 和 梁 上 ． 激光位移传感器 布 置在 转换 层 上 下 和 平面 收缩 处 E、 F点 第 8层 以 测 定 层 间 位 移 ．测点布置如 图 3所示 {卜 一F 卜 I 一 图 3 测 点 布 置 图 肢端 f 3 试验工况及模态分析 在每个能级试验前后 ．各输入一次 白噪声用以 测定结构的频率变化情况 在小震作用下， 输入场地 波、 E 1 一 C e n t r o 、 T a f t 三个地震波 向和 y向， 然后进 行 X Y双向单 向输入 ． 在中震及大震阶段 ， 地震波 分别按 X Y双 向输入 试验工况主要按照七度小 震、 七度中震 、 七度大震的顺序施加地震波。模型吊 装到振动台上准备试验如图 4所示 3 ． 3 模型结构试验现象和裂缝分析 模型结构在 7度小震作用下无裂缝产生 ，其结 构反应处于弹性阶段 在 7度设防烈度地震作用下 ， 4 1 层 阳角 左 边剪 力 墙 与 楼 板交 接 处 出 现水 平 裂缝 一端裂开 图 5的 K L 1 处 ； 在 7度罕遇地震作用 图 ’ 结 平 面 图 图 2 上 部结构层结构 平面 图9 0 逆时钟转 ‘ ’ 。 8 图 4模 型 振 动 台试 验 现 场 维普资讯 2 O 0 7 年6 月 第6 期 广 东土木 与建 筑 J U N 2 0 0 7 N o ． 6 下 ． 以 上裂 缝 有所扩展 ． 并 在 3 9层 相 应 水 平 位 置 也 出 现 水 平 裂 缝 ． 说明结构 在 此 处 较 薄 弱 模型结构 在 经 受 历 次 地震 后 ． 发 现 图 5 模型结构裂缝位置示意图 第 3 9层在测点 E附近的剪力墙根部已断裂 图 5的 K L 2 处 ； 在第 3 4 、 3 6 、 3 8 、 3 9 、 4 1 、 4 2 、 4 4各层的阳角下 方附近的剪力墙根部产生裂缝 ， 如图 5的 K L 3处。 纵观结构的开裂情况 ． 可见结构在大震下的破 坏情况较严重 ． 而在小震 、 中震下的破坏情况较轻 微 ． 从而定性地说明了该结构按“ 三水准 、 两阶段 ” 进 行抗震设计后 ， 能满足“ 小震不坏 、 中震可修、 大震不 倒” 的预定功能 目标 4结论 对该L型平面建筑结构进行了比例为1 ／ 3 0的 微粒混凝土结构模型模 拟地震振动 台试验 ． 采用场 地人 工波 、 E l C e n t r o波 、 T 波三 种 地 面运 动 ， 以不 同的地震加速度幅值进行 、 y两个主轴单 、 双方向 和X Y Z三方向的地震试验 通过对试验现象及数 据的分析． 得到以下结论 4 ． 1 结构在三种地震波 7度多遇地震 、 设防烈度地 震 、 罕遇地震作用后 ． 从宏观现象的观察和实测数据 的分析表明． 结构总体上满足抗震设防三水准 、 两阶 段设计的要求 ． 具有抵抗 7度罕遇地震作用的能力 4 ． 2 模型结构在 7度多遇地震作用下 ． 结构无明显 裂缝产生 在 7度设防烈度地震作用下 ． 4 1 层出现 水平裂缝 在 7度罕遇地震作用下 ， 以上裂缝有所扩 展 ， 并在 3 9层相应水平位置也 出现水平裂缝 ． 说 明 结构在此处较薄弱 4 - 3 模型结构在经受历次地震后发现 ． 第 3 9层剪力 墙根部已裂断． 建议对该片剪力墙进行加强 ． 在其余 某些 楼层也 发现 间剪 力墙根 部裂缝 参考文献 『 1 ]徐培福 ， 黄吉锋 ， 韦承基．高层建筑结构在地震作用下的 扭转振动效应[ J ] ．建筑科学 ， 2 0 0 0 1 [ 2 ]吴大鹏 ， 徐忠根．偏心结构地震效应分析及改善[ C ] ． 第 七届全 国地震工程学术会议．广州 2 0 0 6 ． 1 1 [ 3 ] C h a n d l e r A M， H u t c h i n s i o n ， G L ． E v a l u a t i o n o f c o d e t o r s i o n a l p r o v i s i o n s b y a t i m e h i s t o r y a p p ro a c h[ J ] ．E a r t h q u a k e En g i n e e ri n g a n d S t r u c t u r al Dy n a mi c s ， 1 9 8 7 4 [ 4 ]D e mp s e y K M a n d T s o WK ． ，S e i s mi c t o rs i o n a l p r o v i s i o n s f o r d y n a m i c e c c e n t ri c i t y [ J ] ．E a rt h q u a k e E n g i n e e ri n g a n d S t ruc t u r a l D y n a mi c s ， 1 9 9 0 2 『 5 ]徐忠根 等．超高层 住宅建筑模 拟地震振 动 台试验 研究 [ J ] ．建筑结构， 2 0 0 1 4 上接第 3 2页 4结论 4 ． 1 冲 f 钻 孔灌 注 桩 基本 不 受 岩 溶 地质 条 件 的限 制 ． 广泛应用在花都岩溶地区的中高层建筑和重要 建筑中． 关键是要勘查桩底持力层的地质情况 。 4 ． 2 沉管夯扩灌注桩成桩质量可靠 ， 适用于场地较 空 旷 的小高 层 建筑 和工 业 厂房 工 程 ． 关 键是 要 注 意 对 土洞和 软弱层 的处 理 4 ． 3 C F G桩复合地基成桩质量可靠 ． 施工时无泥浆 、 污染 、 振动和噪音 ， 且符合岩溶地区宜浅不宜深 的处 理原则 ， 但应注意对土洞和软弱层的处理 ． 且复合地 基承载力应根据地质情况合理取值 ， 不可盲 目提高。 4 ． 4静压预制桩 由于在岩溶地区施工 中断桩率较 高 ， 且存在土洞的不利影响， 故应慎重采用。 4 ． 5 搅拌水泥土桩复合地基 由于桩身 的匀质性较 差 ．且施工质量难以监控 ．作为工程桩使用受到限 制 ， 一般只应用于低层或多层建筑和工业厂房工程。 参考文献 [ 1 ]阎明礼．C F G桩复 合地基技术 及工程 实践 [ M] ．北京 中国水利 电力 出版社 ． 2 0 0 1 [ 2 ]徐至钧 ， 曹名葆．水泥土搅拌法 处理 地基[ M] ．北京 机 械 工 业 出 版社 ． 2 0 0 4 9 维普资讯