竖向地震作用下超限高层混凝土大悬挑结构抗震性能试验

【摘   要】   为验证竖向地震对建筑结构的破坏性，选取某8层超限高层混凝土大悬挑框架结构建筑为試验对象。通过SAP2000软件建立试验对象的有限元分析模型，分析结构在水平两向和水平加竖向三向地震作用下的地震反应，以及不同工况、不同地震频率下，输入不同地震波的大悬挑结构时程。试验结果表明，竖向基底反力较易受竖向地震影响，导致剪力和弯矩均呈现增大趋势;结构的竖向位移受竖向地震影响较大，水平位移不易受其影响;El-Centro波作用下的楼层侧移相对较大，Pasadena波作用下的楼层位移相对较小;竖向地震作用下竖向分量对水平侧移所产生的影响不大。

【关键词】   建筑;竖向地震;超限高层;大悬挑;地震波

Experimental study on seismic performance of high rise concrete cantilever structure under vertical earthquake

Lin Qiuyi

（Chuzhou Vocational and Technical College， Chuzhou 239000，China）

Abstract：In order to verify the destructive effect of vertical earthquake on building structure， an 8-storey oversize  concrete cantilevered frame structure was selected as the test object. The finite element analysis model of the test object is established by SAP2000 software to analyze the seismic response of the structure under horizontal two-way earthquake and horizontal plus vertical three-way earthquake， and to input the time history of large cantilevered structures with different seismic waves under different conditions and different seismic frequencies. The results show that the vertical base reaction is easily influenced by the vertical earthquake， which leads to the increase of the shear force and bending moment， and the vertical displacement of the structure is largely influenced by the vertical earthquake， so the horizontal displacement is not easy to be influenced by it.

Key words： Building; Vertical earthquake; Transfinite high-rise building; Large cantilever; Earthquake resistance; Seismic wave

〔中图分类号〕  TU352            〔文献标识码〕  A             〔文章编号〕 1674 - 3229（2021）03- 0000 - 00

0     引言

随着经济的飞速发展，国民生活品质的提高，我国对建筑的要求也越来越高，超限高大悬挑结构具有实用和美观双重优势，在目前城市建筑中得到广泛应用，但是该结构建筑的安全性相比于平房来说具有更高的要求，抗震性能就是在设计过程中必须考量的重要因素[1-2]。传统观点认为引起结构破坏的主要因素是水平地震，而竖向地震的影响较小[3-4]。但是据全球近几年的大型地震报告显示，竖向地震对结构的破坏同样产生了不小的影响，严重的会直接破坏掉整体结构[5-6]。2008年5月12日发生在中国四川的汶川大地震，其中也有竖向地震破坏较大的发现[7]。为了研究竖向地震对超限高层混凝提大悬挑建筑结构的影响，本文利用SAP2000软件建立整个建筑结构的有限元分析模型，根据反应谱分析法和时程分析法对两种工况进行竖向地震作用下的结构试验，通过两种工况下的对比结果，分析竖向地震对整体结构的影响。

1     工程概况与模型建立

1.1   工程概况

以某8层超限高层混凝土大悬挑框架结构建筑为试验对象，其高度为32.5米，平面尺寸为64×12.2m，结构顶层平面图如图1所示。

该建筑将大悬挑结构设置在顶部，悬挑层数为2层，悬挑尺寸为12米，已超出规定悬挑长度最大值。悬挑结构设有混凝土斜撑和边柱，尺寸为0.6×0.6m，悬挑梁截面尺寸为0.5×0.6m。该建筑抗震设防类别、烈度和地震加速度分别为乙类、8度和0.3g。

1.2   模型建立

该建筑在地下建有三层地下室，建模从基础顶开始，地下室采用固结方式，柱底为刚性支座，采用刚性进行连接框架梁和楼面板，确保建筑具有较稳定的横向结构。

主体建筑的建模具有很高的复杂性，采用SAP2000建立模型时，利用截面设计器定义型钢混凝土截面[8]。出于对混凝土核心筒剪力墙内外平面刚度的考量，所以选择壳单元进行模拟，而无外平面刚度要求的楼板，则利用膜单元进行模拟，针对框架柱和框架梁的弯曲、剪切变形、扭转和轴向变形等效应则利用先单元的框架单元进行模拟[9，10]。为了确保悬挑结构的框架单元和混凝土核心筒的壳单元之间工作的协调性，采用在二者之间设置公共节点的方式进行控制[11]。

该建筑模型节点共17528个，梁单元共16288个，壳单元共8130个，该建筑整体模型如图2所示。

该建筑结构极其复杂，正立面外倾，不均匀分布质量，较大的悬挑跨度，竖向不规格结构。水平向振动波和水平向加竖向振动波两种形式的弹塑性时程分析通过SAP2000结构分析程序进行输入，针对两种工况下的结构动力响应进行对比，分析竖向地震对建筑物结构的影响。

1.3   地震波的选取和输入

时程分析的地震波根据两种工况进行输入，仅含水平向振动地震波为工况1;包含水平向加竖向振动地震波为工况2。输入为三条地震加速度时程曲线，分别为El-Centro波、Pasadena波和Kobe波[12-14]，其中覆盖范围最广的是El-Centro波，频率最低的是Pasadena波，竖向分量最大的是Kobe波。

根据抗震设防要求，地震波分别按照8度多遇和罕遇烈度进行输入，36cm/s2和220cm/s2分别表示两种地震波的加速度时程峰值。工况1涵盖[x、y]两个方向的地震波，加速度时程峰值比为100%：85%;工况2涵盖[x、y、z]三个方向的地震波，加速度时程峰值比为100%：85%：65%。[x]方向输入波为三条地震加速度时程曲线的南北向波，[y]方向输入波为东西向波设置，[z]方向输入波为竖向振动波。

由于建筑是混合结构，选取0.04的阻尼比，第1自振周期为1.41s;第2自振周期为1.6s，时程计算方法为Newmark法，设置γ值为0.5，β值为0.25。

在进行时程分析前进行初始载荷的加载，加载到结构上的初始载荷为重力载荷代表值，在标高屋面板上施加的水平预应力等效平衡载荷同属初始载荷[15]。

2     实验结果与分析

2.1   竖向反应谱分析

统计数据显示，大部分地震危害中都发生了较强的竖向振动，甚至有些竖向地震峰值加速度比水平峰值加速度更大，严重破坏了建筑物结构。根据我国竖向地震作用的规定，针对本文的大悬挑结构进行了竖向地震的作用分析研究，竖向反应谱与水平设计反应谱比例为100：65，水平两向和水平向加竖向三向反应谱的基底反力对比如表1所示。

由表1两种反应谱对比结果可知，竖向基底反力较易受竖向地震的影响，z方向的剪力和弯矩均呈现增大趋势。

两种工况条件下大悬挑端部节点在三个方向的节点位移进行比较，水平两向地震作用和三向地震作用时，[x]方向、[y]方向及[z]方向的位移值曲线分别如图3、图4、图5所示。

由图3、图4和图5的三个方向的位移等值曲线可知，建筑结构的竖向位移受竖向地震影响较大，水平位移不易受其影响，针对某个节点的具体数据显示，在x方向时，水平两向的位移为90.8mm，三向位移为90.8mm;在y方向时，水平两向的位移为113.5mm，三向位移为113.5mm;在[z]方向时，水平两向的位移为13.1mm，三向位移为17.4mm。表明当[x、y]方向位移保持一致时，竖向位移增大32.8%，其余竖向位移规律与此相同。

2.2   悬挑结构的弹性时程分析

大悬挑的结构特点是体形无规律、不规整。依据中华人民共和国抗震规范规定，在进行抗震分析时必须将竖向地震作用纳入考虑范围，由于大悬挑结构的第一振型为[y]方向的平动振型，所以沿结构的[y]方向进行三条地震波偏大分量的输入，利用两种工况的加速度时程峰值比，通过时程分析法对大悬挑结构在弹性状态下的地震反应进行计算，根据大悬挑结构内力的变化和变形的变化，获取竖向地震影响大悬挑结构抗震性能的规律。弹性时程分析的基底反力对比如表2所示。不同比例反应谱的基底反力对比如表3所示。

根据我国抗震规范规定，在进行弹性时程分析过程中，结构底部剪力平均值通过选取的多条时程曲线分级计算获取，该平均值大于或等于反应谱分析计算结果的80%，每条时程曲线分析计算获取的结果应大于或等于反应谱分析计算结果的65%。基于上述规定，结合表2、表3可知，三条时程曲线所有参数结果都大于65%反应谱的参数结果，同时三条时程曲线所有参数结果平均值均大于80%反应谱的参数结果。实验结果符合抗震规范规定，表明本文选取的地震波满足实验要求。

利用三条地震波在三向地震作用下对建筑结构进行时程分析，通过与反应谱分析法的比较，获取[x]方向和[y]方向的楼层侧移和层间位移角包络值，结构楼层侧移、层间位移的角包络示意图分别如图6、图7所示。

由图6和图7可知，三条地震波在x方向和y方向的楼层侧移和层间位移角变化趋势与反应谱变化不是很大，El-Centro波作用下的樓层侧移相对较大，Pasadena波作用下的楼层位移相对较小，反应谱分析法结果接近于El-Centro波作用下的结果。时程分析法和反应谱分析法的最大值可选用为结构设计的参考，该值对高层建筑结构进行弹性时程分析补充计算具有十分重要的意义。

2.3   不同地震频率的时程分析结果

根据8度多遇和罕遇输入地震波，针对大悬挑屋顶某角点的节点[x]方向和[z]方向位移时程最大幅度进行试验，具体节点位移时程最大幅值如表4所示。

由表4可知，在相同加速度峰值下，三条不同地震波作用下工况1和工况2之间结构位移时程反应区别较小，El-Centro波作用下的位移时程反应最大，Kobe波作用下的位移时程反应最小。表明在竖向地震作用下竖向分量对水平侧移所产生的影响不大。

针对大悬挑屋顶下的某大跨度梁跨中某个节点处在[z]方向的工况1、工况2下的弯矩时程和位移时程进行比对试验，试验结果如表5所示。

由表5可知，在相同加速度峰值下，三条不同地震波作用下z方向的工况1和工况2之间结构位移时程反应略大于弯矩时程反应，El-Centro波作用下的位移和弯矩时程反应最大，Kobe波作用下的位移和弯矩时程反应最小;8级罕遇条件下，位移幅值和弯矩幅值均高于8级多遇条件;8级多遇条件三条地震波的位移幅值和弯矩幅值差异较小;8级罕遇条件下Pasadena地震波作用时，工况2的弯矩幅值比工况1增加11%。

3     结论

本文通过SAP2000软件建立结构整体有限模型，分别利用竖向反应谱分析法和弹性时程分析法，针对输入的El-Centro波、Pasadena波和Kobe波作用下的结构的地震反应，总结出在竖向地震作用下对超限高层混凝土大悬挑结构的影响，结论如下：

（1）分别在水平两向和水平加竖向三向地震作用下对两种工况进行应谱基底反力和结构位移分析，竖向基底反力和竖向位移易受竖向地震的影响，而对水平位移影响几乎无任何影响。

（2）利用时程分析法对大悬挑结构在弹性状态下的地震反应进行计算，在三向地震作用时，El-Centro波作用下的楼层侧移相对较大，Pasadena波作用下的楼层位移相对较小。

（3）竖向地震在8度多遇条件下对建筑结构的弯矩影响不大，在8度罕遇条件时对该结构的弯矩影响较大。

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[收稿日期]   2021-04-16

[基金项目]   安徽省教育厅2019年度安徽高校优秀拔尖人才培育项目（重点青年人才）），“竖向地震作用下大悬挑结构的抗震性能分析”（ gxyqZD2019129）

[作者简介]   林秋怡（1984- ），女，硕士，滁州职业技术学院建筑工程学院讲师，研究方向：结构工程抗震及防灾减灾。