浅议近场地震作用效应在隔震设计中实践.pdf

078 浅议近场地震作用效应在隔震设计中实践浅议近场地震作用效应在隔震设计中实践 张 希 摘 要 国内随着昆明机场的建成投入使用 芦山地震中 隔震建筑的良好表现 全国特别是地震多发地区云南省掀 起了隔震建筑推广使用的高峰 规范中规定 距离断裂带 10 km 内的隔震建筑应考虑近场影响系数放大 设计过程中 如何实现 本文进行了探讨 关键词 近场效应 近场影响系数 设计实现 一 概述 目前人类对地震的其认识正在逐步加深 地震 的起因 机理 预防目前尚未完全研究清楚 现在 结构设计中面对地震造成结构损害 破坏 只能采 取被动防御的策略 随着地震研究逐步深入 建筑 抗震规范也在不断修正 新编规范努力将新成果 新技术展示在工程技术人员面前 努力将新成果 新技术不断在新工程中推广运用 但难免有一些新 成果 新理论理论或运用不够成熟 在开始阶段实 际运用中产生偏差 广大工程设计人员也不断探索 新方法 并逐步完善其方法思路 本文中讨论的近 场效应就是在设计中需完善的问题之一 本文就规 范第 12 2 2 2 条隔震设计中如何考虑近场效应影 响系数 提出解决方案 供同行探讨 1 近震 我国建筑抗震规范经历 1978 1989 2001 2010 等几个版本 随着地震学研究不断深入 建筑领域 在施工 材料 设计领域不断发展 抗震规范等一 批设计规范每 10 15 年进入一个更新修正的周期 从大体 78 规范 89 规范是苏联体系的规范 到 2001 版规范 2010 版规范以欧美等地震研究较为发达的 地区规范为指导 结合我国经济及国情制定规范 设计逐步与世界先进理论成果结合 赶上并逐步达 到世界先进水平 近震 通俗的说就是浅源地震震害较震源较深 的地震要危害大 在 1978 1989 版的规范中 当时 将地震分为近震 远震 作为考虑震源深浅影响的 因素 近震 远震按照当时区划的规定进行计算 2 近场效应 近场效应是建筑临近地震断裂带地震影响明显 比距离断裂带远的影响要大 新规范中随着对地震 研究 监测技术的提高 对近场效应也逐步明确 细化 2001 版后规范提出地震断裂带附近 20 km 范 围考虑地震影响系数放大 2010版规范又进行细化 可以看出 2010 版规范要求在进行性能设计 隔震设 计时应考虑近场效应 规范在第 3 10 3 条及第 12 2 2 条进行规定具体放大数值 但我们却发现在 规范中却没有明确在设计工作中如何操作的流程 导致在设计工作中对该条文理解的混乱 失去规范 编制此条文的初衷 二 近场效应在隔震中设计实践应用 要谈近场效应在隔震中设计实践应用 首先应 对隔震设计流程简单过程有所了解 1 隔震设计流程 在着手进行隔震设计时首先确定隔震层所在位 置和确定隔震目标 目前按照规范规定 及目前辅 助计算程序编制 应用状况 隔震设计采用分部隔 震设计方法 即在设计时将整栋隔震结构分成为 基础设计 隔震墩以下的下部结构设计 隔震层设 计及上部结构设计等部分 通常 上部结构设计 隔震墩以下的下部结构设计 基础设计等由普通设 计人员通过 PKPM YJK 等通常程序计算完成 隔震 层设计较为复杂 一般由专门从事隔震分析计算的 专业人员完成 隔震分析专业人员依据设计院提供 模型进行隔震层的分析计算 通常采用 ETABS SAP2000 MIDAS 等软件进行隔震层的设计 在采用 ETABS 等进行隔震分析计算前需对 ETABS 等软件与 上部结构设计采用的 PKPM 等对设计同一模型计算 结果一致性进行验证 通过验证后 通过选择满足 建筑所在地区抗震烈度及场地类别地震波进行弹性 动力时程分析计算 综合确定结构布置隔震垫以后 水平向减震系数 隔震层设计完毕后 将提供罕遇 地震下各支座的剪力 轴力 位移 设计院由此进 行隔震墩以下的下部结构设计 最后进行基础设计 一个完整的隔震结构设计结束 2 隔震设计中近场效应设计处理方法 为实现规范中第 12 2 2 条进行规定具体放大 数值 设计大体有以下几种方法 方法 1 隔震后直 接放大地震加速度 方法 2 计算隔震系数时 在 隔震前模型和隔震后模型同时考虑地震加速度放 大 方法 3 在减震系数确定后 将近场效应系数 乘以隔震后水平影响系数 以上 3 种处理方法是设 计人员在考虑隔震建筑近场效应设计中最多见采取 的方式 我们来分别分析 找出较为合理的解决方 法 1 方法 1 隔震后直接放大地震加速度 隔震分析计算的基本过程是对拟进行隔震建筑 先进行隔震前模型和隔震后模型进行时程分析计 算 通过对比隔震前后两个时程分析计算各层间剪 力的最大比值 高层尚应计及各层最大倾覆力矩的 最大比值 确定结构减震系数 隔震垫以上结构按 照隔震后 折减最大水平地震影响系数进行设计 但由于后期处理 PKPM 程序计算处理能力 及设计习 惯等问题 设计人员一般参照规范 12 2 7 条条文说 明 按照减震系数对应减震后对应烈度的最大水平 影响系数乘近场效应系数 实际上变为隔震后又对 地震加速度进行放大 这样做的结果是低估隔震的 作用 隔震后的上部结构设计偏于保守 2 方法 2 计算隔震系数时 在隔震前模型 和隔震后模型同时考虑地震加速度放大 时程分析计算法是 20 世纪 80 年代发展的一种 对结构抗震分析计算方法 其基本原理是将所观测 记录到的一定特性的地震反应即采集地震波 直接 输入到新设计的结构中 根据时程分析可得到各个 质点随地震波持时内结构位移 速度和加速度动力 等实际反应 进而计算构件内力和变形的时程变化 至地震持时结束 该设计方法可较为实际的模拟并 反映新结构在地震作用中的表现 使结构设计与结 构在实际地震中的表现更加一致 是当今研究结构 抗震的有效手段之一 但时程分析计算也存在不足 由于地震及建筑场地的多样性 复杂性 决定了时 程分析仅能通过已经发生并收集的地震波 或人工 合成地震波进行分析计算 没有完全相同的地震波 同一次地震中不同场地对不同的结构的反应也是不 同的 在隔震分析计算中 我们采用 Etabs 进行时程 分析计算 如在隔震前模型和隔震后模型均考虑了 近场效应 即在隔震前模型和隔震后模型对地震加 速度峰值均同时放大 由于计算出的剪力与地震水 平影响系数为一阶线性相关关系 隔震前模型和隔 震后模型计算得出剪力 倾覆力矩 相比后近场效 应系数抵消 实际上在计算中未能考虑近场效应 3 方法 3 在减震系数确定后 将近场效应 系数乘以隔震后水平影响系数 这种方法是按照时程分析计算后 对隔震结构 水平地震影响系数乘近场效应系数进行放大 与规 范本意较吻合 针对隔震建筑临近断裂带的情况有 较为有效地对应地加强 针对考虑近场效应后设计 时同样可以按照规范 12 2 7 条条文说明方式 对考 虑已考虑近场效应的隔震结构水平地震影响系数进 行有效数字取整后进行计算 遵循取整后数值不能 小于取整前数值的原则 三 其他问题 明确隔震建筑上部结构考虑近场效应的在多遇 地震下的设计方法后 在隔震层 基础设计时 以 及按照规范规定隔震建筑在罕遇地震下各类构件内 力 变形计算 是否考虑近场效应呢 按照规范规 范理解及相应条款规定中尚无罕遇地震下构件内 力 变形计算时考虑近场效应的规定 讨论一下规范条文 3 10 3 条结构性能设计中 亦有考虑近场效应的表述 针对此条文 笔者理解 近场效应实际是动力时程分析计算中针对建筑临近 地震断裂带的这一因素的一种补充加强手段 基于 时程分析是新发展出来的一种设计手段 目前对地 震波采集数量有限 罕遇地震下建筑逐步进入塑性 阶段 目前计算理论对建筑从开裂后到倒塌阶段塑 性发展及应力重分布情况尚未成熟 结构弹塑性阶 段动力时程分析计算量巨大 计算结果也不够可靠 目前动力时程多数情况尚多用于建筑弹性阶段分 析 用动力时程分析方法进行结构性能计算时应考 虑近场效应作用 四 结语 规范中近场效应主要基于时程分析计算时考 虑 在隔震设计时 近场效应系数应乘以隔震后水 平影响系数进行考虑 近期听闻新隔震规程正在起草征求意见稿 将 就近场效应在设计过程中如何体现的具体实施操作 办法进行详细规定 新规范出台后将解决近场效应 对设计人员在这方面的困扰 参考文献 1