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研究亮點(diǎn)
高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)自振周期經(jīng)驗(yàn)公式擬合及分布的研究
發(fā)布時(shí)間： 2023-10-20 點(diǎn)擊數(shù)量：11275研究背景：
自振周期是結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，能夠用于計(jì)算結(jié)構(gòu)預(yù)期承受的地震作用以及地震作用下的預(yù)期位移。我國修建了大量的高層鋼筋混凝土建筑，如何高效、準(zhǔn)確的評(píng)估高層建筑的自振周期，進(jìn)而初步得到結(jié)構(gòu)在地震下的響應(yīng)是非常有意義的。
中國現(xiàn)行《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》 GB50009-2012附錄F中，對(duì)高層建筑的自振周期給出了經(jīng)驗(yàn)公式。該公式基于1974年的《工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（試行）》TJ 11-74和1987年的《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GBJ 9-87，通過大量建筑物自振周期的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行了修正和補(bǔ)充。但是，這一時(shí)期建筑樣本的高度基本都在50m以下，僅有少量建筑的高度在50-100m。當(dāng)前中國修建了大量50m以上的建筑，而高層建筑的自振周期經(jīng)驗(yàn)公式仍沿用于87規(guī)范，設(shè)計(jì)理論相比當(dāng)前工程現(xiàn)狀存在一定滯后。
本研究對(duì)我國東部地區(qū)120多棟高層鋼筋混凝土建筑進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)力測(cè)試，按板式剪力墻結(jié)構(gòu)和塔式剪力墻、框架—剪力墻、框架—核心筒結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)類型統(tǒng)計(jì)和分析了建筑在橫向和縱向兩個(gè)方向上的基本自振周期、二階自振周期和三階自振周期。在充分考慮建筑使用情況并對(duì)比現(xiàn)有規(guī)范的擬合情況的基礎(chǔ)上，給出了按新結(jié)構(gòu)類型分類建筑在兩個(gè)方向上前三階自振周期的經(jīng)驗(yàn)公式。利用頂點(diǎn)位移法、集中質(zhì)量法和瑞利—里茲能量法三種方法計(jì)算得到自振周期比值分布范圍，并根據(jù)超過500棟高層鋼筋混凝土建筑的橫向自振周期比值分布進(jìn)行了不同范圍的區(qū)分并給出建議界線。
研究方法及結(jié)果：
本文為今后的現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)試提供了參考和便捷的方法，對(duì)現(xiàn)行建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中振動(dòng)周期的經(jīng)驗(yàn)公式提出了新的建議。具體結(jié)論如下：
1） 將實(shí)測(cè)建筑的使用狀況分為未投入使用和已投入使用，按使用狀況對(duì)建筑自振周期的實(shí)測(cè)值進(jìn)行不同系數(shù)的修正，未投入使用建筑的修正系數(shù)為1.3，已投入使用建筑的修正系數(shù)為1.17。使用該修正系數(shù)在后續(xù)擬合中取得了較為理想的效果，補(bǔ)充了現(xiàn)有公式擬合的經(jīng)驗(yàn)；
2） 將現(xiàn)有規(guī)范中的剪力墻結(jié)構(gòu)細(xì)分為了板式剪力墻結(jié)構(gòu)和塔式剪力墻結(jié)構(gòu)，將塔式剪力墻結(jié)構(gòu)與框架—剪力墻結(jié)構(gòu)和框架—核心筒結(jié)構(gòu)一起進(jìn)行自振周期經(jīng)驗(yàn)公式擬合。對(duì)比了分類前后剪力墻結(jié)構(gòu)的擬合效果，提出的新的結(jié)構(gòu)分類方法取得了精度更高、更合理的效果；（如圖1和圖2所示）
3） 將頂點(diǎn)位移法、集中質(zhì)量法和瑞麗—里茲能量法三種理論計(jì)算方法得到的自振周期比值范圍與實(shí)測(cè)得到的結(jié)構(gòu)自振周期比值范圍有機(jī)結(jié)合，在縮窄比值的取值范圍的同時(shí)根據(jù)結(jié)構(gòu)類型提供了不同的取值范圍和區(qū)分界限。（圖3）
4） 根據(jù)所測(cè)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型選擇更精細(xì)的自振周期比值范圍，并利用測(cè)得結(jié)構(gòu)的一階自振周期反推得到二、三階自振周期范圍，為提高今后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的工作效率和后期數(shù)據(jù)中干擾頻率的排除提供了支撐依據(jù)和便捷手段。
該成果發(fā)表在國際權(quán)威期刊《Journal of Earthquake Engineering》（Zeren Tang, Hongfu Chen, Baitao Sun*, Xiangzhao Chen, Hao Wang. Study on Empirical Formulas and Distribution Ranges of Vibration Periods in High-Rise Reinforced Concrete Constructions. Journal of Earthquake Engineering, 2023, 27(9):2506-2532. DOI: 10.1080/13632469.2022.2120113）（IF: 2.997, *通訊作者）。
圖1 板式剪力墻結(jié)構(gòu)一階自振周期與建筑立面尺寸關(guān)系分布
圖2 板式剪力墻結(jié)構(gòu)一階自振周期參數(shù)擬合
圖3 不同剪力墻結(jié)構(gòu)類型的各階自振周期比值范圍
