超高层建筑场地地震反应分析及长周期设计反应谱研究

路建波,石树中,陆吉赟,陈 涛,刘小龙

(浙江省工程地震研究所,浙江 杭州 310013)

超高层建筑场地地震反应分析及长周期设计反应谱研究

路建波,石树中,陆吉赟,陈 涛,刘小龙

(浙江省工程地震研究所,浙江 杭州 310013)

建筑抗震设计规范中的标准设计反应谱不能满足基本自振周期大于6 s的超高层建筑抗震设计需要。今结合某超高层建筑,讨论了场地地震反应特性及其长周期设计反应谱,并根据拟建场地长周期设计反应谱选择了天然地震动记录,为工程抗震验算提供数据,可为同类型超限高层结构设计提供经验参考。

超高层建筑；地震反应分析；长周期设计反应谱；天然地震动记录

随着现代社会经济的发展和人口的快速增长，以及城镇化的进行,土地被越来越多地开发利用,于是人们将视线逐渐转移到超高层建筑[1]。根据《建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)》[2]可知,底部剪力法和振型分解反应谱法仍然是结构抗震设计的基本方法,时程分析法是作为补充计算的方法。由于建筑抗震设计规范中给定的标准设计反应谱最大周期只到6 s,所以对于超高层建筑场地的设计长周期反应谱的确定就显得尤为重要[3-4]。本文针对杭州某超高层建筑场地,介绍了为工程结构设计而进行的地震反应分析以及长周期反应谱的确定研究,并根据场地条件以及设计地震分组情况获得了具有统计学意义上的天然地震动记录,为超高层结构抗震验算提供了可靠的依据。

1 工程概况

本项目位于杭州市滨江区,拟建4幢办公楼及附属裙房、外扩地下室：其中A楼、B楼地上均为64层,建筑高度280 m,地下设4层地下室,基底埋深18 m,B楼附属1层裙房；C楼地上为22层(建筑高度100 m),地下设3层地下室,基底埋深15 m；D楼地上为6层(建筑高度32 m),地下设3层地下室,基底埋深15 m；外扩地下室为地下3层,基底埋深15 m。A楼和B楼主塔楼拟采用钢管混凝土框架-混凝土核心筒结构,结构自振周期最大约为6.7 s。基础均采用桩基础。见图1。

图1 拟建项目效果图

2 区域及近场区构造分析和评价

拟建场地所在区域以江山—绍兴断裂为界跨越了扬子准地台和华南褶皱系两个大地构造单元,新构造运动以差异升降运动为主,区域断裂中的茅山东侧断裂、镇海—宁海断裂的育王山山前断层东支为晚更新世活动断裂,其他断裂为前第四纪至早中更新世断裂。区域内最大地震为1979年7月9日的江苏溧阳M6.0级地震。区域平均震源深度为11.2 km,属于浅源地震。

对拟建场地近场区主要断裂开展了野外调查，发现:北东向的马金—乌镇断裂、萧山—球川断裂；北西向的长兴—奉化断裂和孝丰—三门湾断裂；近东西向的昌化—普陀断裂以及一些规模较小的断裂。这些断裂均为晚更新世以来不活动的断裂,其中,萧山—球川断裂的一分支断裂在场地西北约500 m处通过。近场区自有文字记载以来发生3次破坏性地震,为929年杭州M5级地震，1856年富阳M43/4级地震和1867年海宁盐官M43/4级地震。历史地震对拟建场地的影响烈度最大为Ⅶ度。综合分析,近场具备发生5～6级地震的地震构造背景。

3 基岩地震危险性分析

地震危险性分析方法的基本理论框架是Cornell于1968年最先提出的(Cornell C.A.1968)。根据区域和近场地震地质和地震活动性分析,充分考虑区域地震活动时空不均匀分布的基础上,采用三级潜在震源区划分方法,使用适用于本地区的长周期地震动衰减关系[5],采用地震危险性综合概率分析计算方法,得到了场地不同年限内不同超越概率水准下基岩水平地震动加速度以及加速度反应谱,见表1和图2。

表1 拟建场地基岩水平峰值加速度

图2 拟建场地不同年限不同超越概率基岩水平地震加速度反应谱

由表1可以看出,相同重现期内超越概率值越小,其峰值加速度越高;相同的超越概率,重现期越长,峰值加速度越高。由图2可知,基岩水平加速度反应谱也有同样的规律。

4 场地设计长周期反应谱

以地震危险性分析计算得到的基岩地震动参数

为目标谱,每个超越概率水平随机合成6条基岩地震动时程,结合场地工程地质条件,采用一维等效线性化分析方法,建立场地土层地震反应分析模型,进行土层地震反应分析计算,得到场地实际计算的地表水平地震加速度地震反应谱[6]。为方便工程应用,考虑到工程设计使用的安全性和合理性以及与《建筑抗震设计规范(GB 50011—2010)》等相应规范的衔接,结合相关规范的有关规定,拟建场地水平加速度反应谱以地震影响系数的形式给出。为了确定工程抗震所需的设计地震动参数,采用下面公式拟合场地地表实际计算的长周期加速度反应谱,得到地震影响系数最大值αm和特征周期Tg。其表达式为：

α(T)=A(m)×β(T)/g

(1)

式中:α(T)为地震影响系数；A(m)为设计地震动峰值加速度(g),lg= 10 m/s2；β(T)为设计地震动加速度放大系数谱；T为周期。

其中：β(T)可以表示为

0.04 s

T1

Tg

(2)

最终得到拟建场地地表不同超越概率水平下长周期设计地震动影响系数曲线,见图3。抗震设计验算时,可根据不同的地震重现期选择不同超越概率水平影响系数曲线进行抗震验算。

图3 拟建场地不同超越概率水平影响系数曲线

5 天然地震动记录选取

《建筑抗震设计规范(GB50011—2010)》规定,采用时程分析法时,应按照建筑场地类别和设计地震分组选取实际强震记录,多组时程曲线的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符。根据拟建工程场地设计地震动影响系数曲线选取了50年超越概率2%(大震)的5组天然地震动记录,天然地震动记录信息见表2。选取的5条天然地震动记录规准化以后与拟建场地的大震设计谱对比见图4,可见5条天然波反应谱与拟建场地大震设计谱基本相符。表明根据拟建场地设计反应谱的确定比较准确、经济,天然地震动记录可用于结构抗震设计验算。

图4 拟建场地大震设计谱和天然地震反应谱比较

编号年份地震震级台站名称记录分量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”(东西向)水平

6 结 语

通过对某超高层建筑场地地震反应分析及设计反应谱研究,可得出如下结论：

1)历史地震对拟建场地的最大影响烈度为Ⅶ度,拟建场地属于浅源地震区域,近场区具备5～6级地震的地震构造背景。

2)确定了拟建场地6个超越概率水平下的长周期设计地震动反应谱,可供不同阶段抗震设计验算使用。

3)通过与场地设计反应谱比较,选取的天然地震动记录同设计反应谱较为一致,可供抗震设计验算使用。

[1] 江静.南昌地区框架-核心筒超高层抗侧力结构之抗风与抗震承载力能力对比研究[D].南昌：南昌大学,2014.

[2] 中国建筑科学研究院.GB50011—2010建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3] 刘国光,武志玮,徐有华.某超高层场地地震反应及设计反应谱研究[J].广东土木与建筑,2010(6):14-16.

[4] 刘国光,路建波,徐有华.某超高层建筑场地地震设计反应谱研究[J].四川建筑科学研究,2012(4):174-177.

[5] 石树中.上海及邻近地区地震动参数衰减关系研究[D].上海：同济大学,2005.

[6] 中国地震局地球物理研究所.GB17741—2005工程场地地震安全性评价[S].北京：中国标准出版社，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,河北邢台人，工程师,主要从事地震工程方面研究工作。

TU973+.31

B

1008-3707(2017)01-0015-03