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观点汇总（四）——“中日长周期地震动长周期结构地震作用”

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长周期地震动问题一直是行业热点问题。2012年7月20~22日的“长周期地震动长周期结构地震作用高层建筑隔减震技术专题研讨会”上，中日双方60余名该领域专家针对主题自由发言。本期为专家们发言摘录连载的第四期。
 
发言人：傅学怡（中建国际（深圳）设计顾问有限公司 设计大师）
主题：深圳平安金融中心长周期结构抗震设计研究
 
1   工程简介
深圳平安金融中心（图1）塔尖高度660m，塔楼屋面高度597m，楼层总数地上120层，地下5层，总建筑面积460,069m2。塔楼主体结构由巨型钢斜撑外框架+劲性钢筋混凝土核心筒+伸臂钢桁架结构+空间带状桁架+角部V支撑构成。工程位于深圳，7度区，Ⅲ类场地αmax=0.08，场地特征周期Tg=0.45s，结构阻尼比ζ=0.035。第1振型为平动振型，周期长8.67s，质量参与系数均为36%，第2振型为另一方向平动振型，这个楼是对称的。第三振型为扭转振型。到第4振型周期已经到了2.38s，基本上是5倍的场地特征周期，一共做了72个振型。高振型（T≤5Tg）的累计质量参与系数占主要贡献，72振型组合累计质量参与系数达98%。
 
      2   反应谱长周期段处理
由于我国现行建筑抗震设计规范中的设计加速度谱只到6s，对超过6s的范围设计中参照了上海地方规程的建议，采用将规范谱第二段直线延伸的方法，但是，对参数略作提高，适当提高结构的安全储备（图2）。原规范直线下降延伸段的地震影响系数与上海规程延伸段基本相等，差值≤2%。平安金融中心直线延伸段较原规范和上海规程略有放大，α平安/α上规=1.05~1.19。地震作用增大(0.05~0.19)×36%=1.8~6.84%，影响不大。      
 
3   平安金融中心反应谱分析
高振型对平安金融中心长周期结构地震作用影响巨大。虽然高振型的质量参与比例比第一振型低，但它们对地震作用的贡献并不低。所以对长周期结构来说，更重要的是要关注高振型的影响。我们做了3种谱的分析，楼层剪力差别不大，在5%~6%，底部弯矩相差在7%。对不同振型数做了比较:比较结构说明高振型对平安金融中心长周期结构地震作用影响巨大。对长周期结构，振型截断宜滞后，质量参与系数应大于95% 。
4   平安金融中心小震弹性时程分析
做了7条常用波（没找到长周期波）进行弹性时程分析。顶部楼层弹性时程分析7条波的平均值要比反应谱72个振型组合大5%~28%。所以，长周期结构高振型顶部鞭梢效应是不容忽略的。反应谱计算时要注意两点：第一，振型数要取足；第二，顶部楼层剪力宜进一步适当放大20%左右。此结论也为深圳平安金融中心的结构振动台试验结果所验证。
5   结论
（1）反应谱曲线延伸段对于长周结构地震作用影响是有的，但是有限；
（2）高振型鞭梢效应对长周期结构影响较大，反应谱振型分解组合求解时，模态截断宜滞后，确保结构质量参与系数累计应达95%以上；
（3）弹性时程分析表明，顶部楼层剪力及倾覆弯矩均大于反应谱分析的结果，反应谱结构分析时，顶部楼层的剪力、倾覆弯矩应适当放大20%左右。
问题：1）竖向振型有，在2~3s ；2）持时有时短好，有时长好；3）持续累积损失，还是存在的。
 
发言人：松井和幸（清水建設 技术开发部主查）
主题：超高层钢筋混凝土结构在长周期地震动作用下响应
选取6个高度在90~240m、基本周期在1.86~5.44s，基本接近实际建筑的超高层钢筋混凝土结构模型，分析了在前述东海、东南海、南海三联动预测地震动作用下的响应。结构参数见表1，主要分析结果见表2，其中240m级模型的结构平面和立面布置图如图1，分析结果的层间位移角分布图如图2。主要结论为：平均波的响应大致控制在层间位移角1/100、层塑性变形倍率2以下，平均+σ波的响应为平均波响应的1.6-2.0倍，响应大小与场地卓越周期和结构基本周期的相互关系非常密切，并且钢筋混凝土结构随着裂缝的开展，自振周期有延长1.5-2倍的可能。
 
  六栋高层钢筋混凝土结构的分析结果                              表2
建筑规模
設計用
CB
方向
周期
(s)
平均波
平均＋σ波
KONOHANA
(大阪)
TSUSHIMA
(名古屋)
HAMAMATSU
(静岡)
SHINJUKU
(東京)
KONOHANA
(大阪)
TSUSHIMA
(名古屋)
HAMAMATSU
(静岡)
SHINJUKU
(東京)
RC90m級
0.103
X
1.99
1/231
1/215
1/151
1/649
1/121
1/115
1/79
1/347
Y
1.86
1/247
1/221
1/159
1/745
1/142
1/136
1/89
1/386
RC115m級
0.078
X
2.16
1/191
1/193
1/138
1/450
1/64
1/127
1/68
1/323
Y
2.16
1/191
1/193
1/138
1/450
1/64
1/127
1/68
1/323
RC130m級
0.073
X
3.12
1/101
1/101
1/141
1/244
1/48
1/53
1/99
1/161
Y
3.04
―
―
―
―
―
―
―
―
RC150m級
(1)
0.060
X
2.37
1/213
1/183
1/183
1/559
1/63
1/164
1/94
1/303
Y
3.48
1/104
1/164
1/142
1/375
1/59
1/92
1/125
1/167
RC150m級
(2)
0.060
X
2.92
1/93
1/158
1/140
1/440
1/51
1/77
1/97
1/208
Y
3.28
1/99
1/125
1/128
1/455
1/62
1/99
1/96
1/192
RC180m級
0.050
X
4.23
1/67
1/199
1/179
1/101
1/48
1/101
1/91
1/51
Y
4.31
1/68
1/195
1/172
1/95
1/53
1/104
1/84
1/51
RC240m級
0.032
X
5.44
1/133
1/199
1/163
1/123
1/91
1/142
1/106
1/77
Y
5.44
1/133
1/199
1/163
1/123
1/91
1/142
1/106
1/77

 
长周期结构最小剪力控制的若干问题
 
肖从真 中国建筑科学研究院结构所 总工程师
 
 1 长周期结构的最小剪力系数控制
 
为什么要控制？主要考虑两个方面。一个是结构安全。由于已有的地面运动记录不完善和已有长周期地面运动记录的缺乏，为防止对长周期结构的地震响应被低估，所以建立一个最小地震剪力。第二，要控制结构刚度。国内的设计主要通过侧移限值、整体稳定限值及最小剪力系数的限值。最小剪力系数的限值也是超高层设计感到困难最大的因素，影响材料用量增大。
我的观点：最小剪力系数控制还是有必要的。但控制值要做一定的调整；应该选择与场地类型有一定关系的表达；并且调整控制的方法；对结构刚度的控制适当放松。

 

2   地震波基底输入的影响
取一条存在位移基线偏移的天然波。位移反应谱调整后，在长周期段差别还是比较大的，速度反应谱在长周期段有一些，加速度反应谱还是比较小的。对修正前后进行对比计算。
 
 建立了两个计算模型，模型二的弹性模量是模型一的1/25外，其他都一样。模型一的结构基本周期为1.95s，模型二的基本周期为9.75s。地震波分别采用无位移漂移修正和有位移漂移修正的天然波（加速度、速度、位移），输入方式采用支座输入和上部结构输入（惯性力）。
通过这个假想算例的分析对比，从结构的基底反力、相对顶点位移、层间位移角、单元内力等结果来看，认为在支座输入地震加速度、速度、位移的计算模型的结构分析结果基本一致，并且与在结构上部直接输入地震加速度惯性力的结果一致，对位移输入时位移基线漂移的修正与否对计算结果没有明显影响。
如何理解抗震规范的5.2.5条的条文说明：“对于长周期结构，地震动态作用中的地面运动速度和位移可能对结构的破坏具有更大影响，但是规范所采用的振型分解反应谱法尚无法对此作出估计”。我感觉，速度和位移还是不会直接造成破坏，是加速度的长周期部分对速度和位移比较敏感的分量对结构造成的破坏。
一个天津工程实例的计算，可以看到虽然基底剪力很小，但是长周期造成的位移、层间位移还是比较大的。
 
3   加速度谱修正对结构基底剪力及位移的影响
 
算例是平安国际金融中心，结构高度588m，115层，结构体系：巨型框架-核心筒-外伸臂，抗震设防烈度为7度(0.1g)，小震位移角控制1/500。加速度谱分别采用规范谱、规范谱3.5s后取平、规范谱6.0s后取平进行调整，对比基底剪力。 
 
 
结论：将反应谱的长周期段抬高，能提高结构的剪重比，使之尽量满足规范要求；提高剪重比后，结构的位移提高幅度更大；规范条文说明给出的调整结构基底剪力方法对结构的位移影响最小。
 
发言人：赵作周 清华大学土木工程系 副教授
主题：中国抗震规范中反应谱长周期部分的探讨
对部分汶川地震加速度记录、日本311地震加速度记录与美国ATC63推荐的典型地震加速度记录的谱分析结果表明，长周期部分的谱加速度与谱速度变化不敏感，对日本311地震记录的分析发现，谱位移在长周期段与结构周期呈线形关系。建议对长周期结构，通过控制谱速度与谱位移参数来选择结构设计计算用加速度记录可能比简单按照峰值加速度计算更合理。我国现行建筑抗震设计规范中加速度反应谱的适用范围为0～6s，对超过6s的情况，规定了层最小剪重比取值。比较了将现行规范谱曲线水平延伸到10s的方法、将第一衰减段直接延伸到10s的方法、将现行规范谱第二段直接延伸到10s的方法、或按现行我国公路桥梁抗震设计规范中采用一次的衰减曲线四种方法下的地震作用系数的差异，发现最后两种方法的计算结果均低于第二种，也低于第一种方法。比较了6，7，8，9度设防、二类场地下的弹性反应谱曲线，发现除7.5度外，对5s以上的情况均是剪重比控制，而且计算地震响应远低于剪重比要求，同时，比较了不同阻尼比下的加速度谱变化，如果将现行规范曲线简单延伸到10s，会出现阻尼比越大，响应越大的现象。建议对长周期结构，可按速度谱或位移谱调整地震波的加速度。对长周期结构如何达到最小剪重比需要进一步研究(如：调整地震作用或层设计剪力,不提高结构刚度)，将现行规范直线段延伸后，出现不同阻尼比曲线“交叉”问题，大阻尼比下影响系数大于小阻尼比的情况是不合理。

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作者： 来源： 发布时间：2013年09月12日