减隔震建筑满足规范要求最小地震剪力系数研究

郑子芃 崔博森

中国城市建设研究院有限公司，北京  100120

摘要：回顾了我国《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010)和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3-2010）中最小剪重比提出的背景,并对满足现行规范减重比的减震、隔震结构自振周期以及阻尼比进行了分析。依据规范有关地震影响系数与最小地震剪力系数条文按照场地类别、设计地震分组分析了不同周期以及阻尼比情况满足最小地震剪力系数的条件。

[关键词] 最小地震剪力系数；减震隔震建筑

[中图分类号] TU758.11 [文献标识码] A [文章编号]

Study on the minimum seismic shear coefficient required to meet the code requirements for seismic isolation buildings

Zheng Zi Peng¹, Cui Bo Sen¹

CHINA URBAN CONSTRUCTION DESIGN & RESEARCH INSTITUTE CO.TLD

Abstract: Reviews the background of the minimum shear weight ratio proposed in code for seismic design of buildings (gb50011-2010) and technical code for concrete structures of high rise buildings (JGJ 3-2010), and analyzes the natural vibration period and damping ratio of shock absorption and isolation structures that meet the current code. According to the provisions of the code on seismic influence coefficient and minimum seismic shear coefficient, the conditions of satisfying the minimum seismic shear coefficient in different periods and damping ratio are analyzed according to site category and design earthquake grouping.

Key words: Minimum seismic shear coefficient; Shock absorption and isolation building

0引言¹

加速度谱给出了作用在结构上的力，作用在结构上的最大剪力 式中 为绝对加速度，m为结构物质量。我们把最大剪力与结构物重量W=mg之比

称为基底剪力系数。式中 为绝对加速度反应谱。

但是，加速度反应谱用于抗震设计具有一定的局限性^[1]。反应谱法采用的结构动力学基本方程是利用d'Alembert原理建立平衡方程，我国反应谱法设计即是加速度反应谱。对于长周期段地震地面运动，速度和位移可能才是起决定性作用的因素，采用加速度谱无法对此作出估计：

1)、强震地面运动长周期成分的存在。

2）、现有强震加速度记录长周期成分的缺失。基于这些记录所构建的设计反应谱，致使长周期结构计算的地震作用可能会偏小。

3）、长周期结构对加速度激励的响应迟钝和滞后。

因此，《建筑抗震设计规范》(GB 50011—2010)作为强制性条文(5.2.5)对楼层最小地震剪力系数作出了规定。

1 最小地震剪力系数与结构自振周期的关系

《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010)和《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ3-2010）对地震影响系数α和结构总水平地震剪力系数及各楼层水平地震剪力系数最小值的都做出来相应规定。综合上述2条规定在同一绘制出：

以8度（0.3g）多遇地震为例，水平地震影响系数最大值0.24；阻尼比0.05。

表1 特征周期

Table 1 Characteristic Period

图1a 8度（0.3g)多遇地震地震影响系数曲线

Fig. 1a influence coefficient curve of 8 degree (0.3g) frequent Earthquake

图1b 8度（0.3g)多遇地震地震影响系数曲线(2.5s~6s)

Fig. 1b 8 degree (0.3g) frequent earthquake influence coefficient curve (2.5s-6s)

注：8度（0.3g）多遇地震下各种地震分组、场地类型下水平地震影响系数α与最小地震剪力系数

求解可得：

　阻尼比ζ＝0.05时符合规范最小地震剪力系数要求的基本周期Ｔ

2 最小地震剪力系数与减震、隔震结构周期关系

为了达到较好的隔震效果一般情况下，隔震后体系自振周期为原周期3倍左右，随着隔震结构在高层中应用越来越频繁，经常出现原结构自振周期大于1.0s情况。为了限制隔震层变形，一般情况下隔震层阻尼比多数为10%～25%之间。仍以8度（0.3g)多遇地震为例，隔震层阻尼比分别取10%、15%、20%：

图2a 8度（0.3g)多遇地震地震影响系数曲线(ξ=10%)

Fig. 2a 8 degree (0.3g) frequent earthquake influence coefficient curve (ξ = 10%)

图2b 8度（0.3g)多遇地震地震影响系数曲线(ξ=10%)

Fig. 2b 8 degree (0.3g) frequent earthquake influence coefficient curve (ξ = 10%)

图2c 8度（0.3g)多遇地震地震影响系数曲线(ξ=10%)

Fig. 2c 8 degree (0.3g) frequent earthquake influence coefficient curve (ξ = 10%)

随周期增长及阻尼比增大，地震力主要由最小地震剪力系数控制^[2]。在隔震设计中如果不加以注意，则可能存在预期水平减震系数设定不合理的情况，最终导致结构设计偏于不安全。

同理，对于附加阻尼比比较大的减震结构中也可能存在类型情况^[3]，在概念设计中应加以注意，避免预期减震设定不合理。

图3 各阻尼比地震影响系数曲线(ξ=5%，10%，15%)

Fig. 3 seismic influence coefficient curve of each damping ratio (ξ = 5%, 10%, 15%)

设计实例

某农业大学图书馆隔震项目，该工程为钢筋混凝土框架-剪力墙结构，建筑类别为乙类建筑。结构的建筑高度为50.0m，地上11 层，第一层层高6.0m，第二至十层层高4.5m，第十一层层高3.5m。该建筑场地的抗震设防烈度为8 度（基本地震加速度为0.20g）。建筑场地为Ⅱ类三组，场地特征周期Tg= 0.45s。

表2 隔震支座信息汇总

Table 2 summary of isolation bearing information

非隔震结构总质量：73429.3吨

非隔震结构自振周期T1：1.0831秒

隔震层阻尼比ζeq：12.8%

原方案预期水平地震响应降低1度。

图4 本项目地震影响系数曲线与最新地震剪力系数关系

考虑到隔震层刚度和变形，显而易见，原隔震布置方案不合理，预期隔震水平地震响应降低1度目标较难实现^[4]。

结语

1）不考虑最小地震剪力系数作用有可能导致不安全，建议《建筑隔震设计标准》（征求意见稿）中予以明确。

2）尤其隔震建筑均未曾考虑爆炸冲击波的作用效应，有必要加以研究。

参考文献：

王亚勇.关于建筑抗震设计最小地震剪力系数的讨论[J][J].建筑结构学报, 2013

谢礼立等.长周期反应谱汇编 第1集[M].地震出版社, 1991, 05:51-56

王福明, 沈蒲生.满足规范剪重比要求的高层结构基本自振周期研究[J].湖南大学学报, 2015

周丽芳, 邓雪松, 周云.高层黏滞阻尼减震结构最小地震剪力系数分析研究[J].地震工程与工程振动, 2013

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