路建波,石樹中,陸吉赟,陳 濤,劉小龍

(浙江省工程地震研究所,浙江 杭州 310013)

超高層建筑場地地震反應(yīng)分析及長周期設(shè)計反應(yīng)譜研究

路建波,石樹中,陸吉赟,陳 濤,劉小龍

(浙江省工程地震研究所,浙江 杭州 310013)

建筑抗震設(shè)計規(guī)范中的標準設(shè)計反應(yīng)譜不能滿足基本自振周期大于6 s的超高層建筑抗震設(shè)計需要。今結(jié)合某超高層建筑,討論了場地地震反應(yīng)特性及其長周期設(shè)計反應(yīng)譜,并根據(jù)擬建場地長周期設(shè)計反應(yīng)譜選擇了天然地震動記錄,為工程抗震驗算提供數(shù)據(jù),可為同類型超限高層結(jié)構(gòu)設(shè)計提供經(jīng)驗參考。

超高層建筑；地震反應(yīng)分析；長周期設(shè)計反應(yīng)譜；天然地震動記錄

隨著現(xiàn)代社會經(jīng)濟的發(fā)展和人口的快速增長，以及城鎮(zhèn)化的進行,土地被越來越多地開發(fā)利用,于是人們將視線逐漸轉(zhuǎn)移到超高層建筑[1]。根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB 50011—2010)》[2]可知,底部剪力法和振型分解反應(yīng)譜法仍然是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本方法,時程分析法是作為補充計算的方法。由于建筑抗震設(shè)計規(guī)范中給定的標準設(shè)計反應(yīng)譜最大周期只到6 s,所以對于超高層建筑場地的設(shè)計長周期反應(yīng)譜的確定就顯得尤為重要[3-4]。本文針對杭州某超高層建筑場地,介紹了為工程結(jié)構(gòu)設(shè)計而進行的地震反應(yīng)分析以及長周期反應(yīng)譜的確定研究,并根據(jù)場地條件以及設(shè)計地震分組情況獲得了具有統(tǒng)計學(xué)意義上的天然地震動記錄,為超高層結(jié)構(gòu)抗震驗算提供了可靠的依據(jù)。

1 工程概況

本項目位于杭州市濱江區(qū),擬建4幢辦公樓及附屬裙房、外擴地下室：其中A樓、B樓地上均為64層,建筑高度280 m,地下設(shè)4層地下室,基底埋深18 m,B樓附屬1層裙房；C樓地上為22層(建筑高度100 m),地下設(shè)3層地下室,基底埋深15 m；D樓地上為6層(建筑高度32 m),地下設(shè)3層地下室,基底埋深15 m；外擴地下室為地下3層,基底埋深15 m。A樓和B樓主塔樓擬采用鋼管混凝土框架-混凝土核心筒結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)自振周期最大約為6.7 s?；A(chǔ)均采用樁基礎(chǔ)。見圖1。

圖1 擬建項目效果圖

2 區(qū)域及近場區(qū)構(gòu)造分析和評價

擬建場地所在區(qū)域以江山—紹興斷裂為界跨越了揚子準地臺和華南褶皺系兩個大地構(gòu)造單元,新構(gòu)造運動以差異升降運動為主,區(qū)域斷裂中的茅山東側(cè)斷裂、鎮(zhèn)海—寧海斷裂的育王山山前斷層?xùn)|支為晚更新世活動斷裂,其他斷裂為前第四紀至早中更新世斷裂。區(qū)域內(nèi)最大地震為1979年7月9日的江蘇溧陽M6.0級地震。區(qū)域平均震源深度為11.2 km,屬于淺源地震。

對擬建場地近場區(qū)主要斷裂開展了野外調(diào)查，發(fā)現(xiàn):北東向的馬金—烏鎮(zhèn)斷裂、蕭山—球川斷裂；北西向的長興—奉化斷裂和孝豐—三門灣斷裂；近東西向的昌化—普陀斷裂以及一些規(guī)模較小的斷裂。這些斷裂均為晚更新世以來不活動的斷裂,其中,蕭山—球川斷裂的一分支斷裂在場地西北約500 m處通過。近場區(qū)自有文字記載以來發(fā)生3次破壞性地震,為929年杭州M5級地震，1856年富陽M43/4級地震和1867年海寧鹽官M43/4級地震。歷史地震對擬建場地的影響烈度最大為Ⅶ度。綜合分析,近場具備發(fā)生5～6級地震的地震構(gòu)造背景。

3 基巖地震危險性分析

地震危險性分析方法的基本理論框架是Cornell于1968年最先提出的(Cornell C.A.1968)。根據(jù)區(qū)域和近場地震地質(zhì)和地震活動性分析,充分考慮區(qū)域地震活動時空不均勻分布的基礎(chǔ)上,采用三級潛在震源區(qū)劃分方法,使用適用于本地區(qū)的長周期地震動衰減關(guān)系[5],采用地震危險性綜合概率分析計算方法,得到了場地不同年限內(nèi)不同超越概率水準下基巖水平地震動加速度以及加速度反應(yīng)譜,見表1和圖2。

表1 擬建場地基巖水平峰值加速度

圖2 擬建場地不同年限不同超越概率基巖水平地震加速度反應(yīng)譜

由表1可以看出,相同重現(xiàn)期內(nèi)超越概率值越小,其峰值加速度越高;相同的超越概率,重現(xiàn)期越長,峰值加速度越高。由圖2可知,基巖水平加速度反應(yīng)譜也有同樣的規(guī)律。

4 場地設(shè)計長周期反應(yīng)譜

以地震危險性分析計算得到的基巖地震動參數(shù)

為目標譜,每個超越概率水平隨機合成6條基巖地震動時程,結(jié)合場地工程地質(zhì)條件,采用一維等效線性化分析方法,建立場地土層地震反應(yīng)分析模型,進行土層地震反應(yīng)分析計算,得到場地實際計算的地表水平地震加速度地震反應(yīng)譜[6]。為方便工程應(yīng)用,考慮到工程設(shè)計使用的安全性和合理性以及與《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB 50011—2010)》等相應(yīng)規(guī)范的銜接,結(jié)合相關(guān)規(guī)范的有關(guān)規(guī)定,擬建場地水平加速度反應(yīng)譜以地震影響系數(shù)的形式給出。為了確定工程抗震所需的設(shè)計地震動參數(shù),采用下面公式擬合場地地表實際計算的長周期加速度反應(yīng)譜,得到地震影響系數(shù)最大值αm和特征周期Tg。其表達式為：

α(T)=A(m)×β(T)/g

(1)

式中:α(T)為地震影響系數(shù)；A(m)為設(shè)計地震動峰值加速度(g),lg= 10 m/s2；β(T)為設(shè)計地震動加速度放大系數(shù)譜；T為周期。

其中：β(T)可以表示為

0.04 s

T1

Tg

(2)

最終得到擬建場地地表不同超越概率水平下長周期設(shè)計地震動影響系數(shù)曲線,見圖3?？拐鹪O(shè)計驗算時,可根據(jù)不同的地震重現(xiàn)期選擇不同超越概率水平影響系數(shù)曲線進行抗震驗算。

圖3 擬建場地不同超越概率水平影響系數(shù)曲線

5 天然地震動記錄選取

《建筑抗震設(shè)計規(guī)范(GB50011—2010)》規(guī)定,采用時程分析法時,應(yīng)按照建筑場地類別和設(shè)計地震分組選取實際強震記錄,多組時程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符。根據(jù)擬建工程場地設(shè)計地震動影響系數(shù)曲線選取了50年超越概率2%(大震)的5組天然地震動記錄,天然地震動記錄信息見表2。選取的5條天然地震動記錄規(guī)準化以后與擬建場地的大震設(shè)計譜對比見圖4,可見5條天然波反應(yīng)譜與擬建場地大震設(shè)計譜基本相符。表明根據(jù)擬建場地設(shè)計反應(yīng)譜的確定比較準確、經(jīng)濟,天然地震動記錄可用于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計驗算。

圖4 擬建場地大震設(shè)計譜和天然地震反應(yīng)譜比較

編號年份地震震級臺站名稱記錄分量11952KernCounty7.36“TaftLincolnSchool”水平21968BorregoMtn6.63“ElCentroArray#9”水平31971SanFernando6.61“LA-HollywoodStorFF”水平41971SanFernando6.61“WhittierNarrowsDam”(南北向)水平51971SanFernando6.61“WhittierNarrowsDam”(東西向)水平

6 結(jié) 語

通過對某超高層建筑場地地震反應(yīng)分析及設(shè)計反應(yīng)譜研究,可得出如下結(jié)論：

1)歷史地震對擬建場地的最大影響烈度為Ⅶ度,擬建場地屬于淺源地震區(qū)域,近場區(qū)具備5～6級地震的地震構(gòu)造背景。

2)確定了擬建場地6個超越概率水平下的長周期設(shè)計地震動反應(yīng)譜,可供不同階段抗震設(shè)計驗算使用。

3)通過與場地設(shè)計反應(yīng)譜比較,選取的天然地震動記錄同設(shè)計反應(yīng)譜較為一致,可供抗震設(shè)計驗算使用。

[1] 江靜.南昌地區(qū)框架-核心筒超高層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)之抗風(fēng)與抗震承載力能力對比研究[D].南昌：南昌大學(xué),2014.

[2] 中國建筑科學(xué)研究院.GB50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[3] 劉國光,武志瑋,徐有華.某超高層場地地震反應(yīng)及設(shè)計反應(yīng)譜研究[J].廣東土木與建筑,2010(6):14-16.

[4] 劉國光,路建波,徐有華.某超高層建筑場地地震設(shè)計反應(yīng)譜研究[J].四川建筑科學(xué)研究,2012(4):174-177.

[5] 石樹中.上海及鄰近地區(qū)地震動參數(shù)衰減關(guān)系研究[D].上海：同濟大學(xué),2005.

[6] 中國地震局地球物理研究所.GB17741—2005工程場地地震安全性評價[S].北京：中國標準出版社，2005.

Analysis on the Seismic Response of the Super-High-Rise Buildings Area and Study on the Response Spectrum of the Long Period Design

LUJianbo,SHIShuzhong,LUJiyun,CHENTao,LIUXiaolong

2016-05-23

路建波(1984—)，男,河北邢臺人，工程師,主要從事地震工程方面研究工作。

TU973+.31

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1008-3707(2017)01-0015-03