混凝土结构抗震设计自振周期折减系数的讨论

【关键词】混凝土结构；抗震设计；自振周期；折减系数  

　　1 前言 

　　采用结构动力学的方法计算结构周期，一般均未考虑结构填充墙的作用，未考虑填充墙对结构刚度的贡献，同时由于在结构计算过程中，对计算模型进行了简化，致使混凝土结构的计算周期长于实际自振周期，大量工程实测周期表明：实际建筑物自振周期短于计算周期，尤其是有实心砖填充墙的框架结构，由于实心砖填充墙的刚度大于框架柱的刚度，其影响更为显著，实测周期约为计算周期的50%~60%；剪力墙结构中，由于砖墙数量较少，其刚度又远小于钢筋混凝土墙的刚度，实测周期与计算周期比较接近。 

　　2 影响结构自振周期的因素 

　　2.1 填充墙的刚度与分布 

　　根据结构结构动力学原理 , 

　　结构的自振周期主要与结构的质量与分布、结构的刚度与分布有关，填充墙的质量一般都以荷载的形式输入，而混凝土结构设计计算中，并未计入填充墙（含装饰材料、设备、支撑等非结构构件）的刚度，实际工程中，由于未考虑填充墙的刚度，而使计算周期比实测周期大许多，而填充墙的刚度又与填充墙的材料性能、数量、墙体完整性、与主体结构的连接情况等密切联系。各种填充墙材料，由于其自身的刚度、延性的不同，其对结构的空间刚度贡献亦不同，如填充墙采用接近实心粘土砖的实心砌体，其对结构空间刚度贡献则大，若采用轻型砌体，则其对空间结构刚度的贡献小，同时填充墙的数量多、填充墙单片长度长、墙体开洞小、与主体结构连接紧密，则其对结构空间的贡献亦大，反之则小。 

　　2.2 结构自身的变形以及外界干扰力的大小 

　　结构构件及非结构构件在随结构变形增加、裂缝开展的过程中，其刚度将逐渐衰减，从而使结构自振周期发生变化；另外，钢筋混凝土结构的自振周期，在大振幅振动与微幅振动下是不同的，对同一结构来说，地震作用由小至大，其自振周期也由短变长，如北京饭店东楼横向基本实测周期，在地震前（脉动法实测值）、海城地震时、唐山地震时分别测得其自振周期为0.90秒、0.95秒、1.40秒，而且，结构并未进入明显的塑性变形，震后仅有填充墙轻微开裂，也就是说，结构构件进入塑性变形之前，建筑物的抗侧移刚度已经明显降低，自振周期比微幅振动时（脉动法实测值）已经增加了许多。 

　　2.3 模型化误差的影响 

　　在利用计算机软件建模进行结构计算时，通常需按一定原则将原结构进行模型简化，而模型化的误差必然使计算自振周期产生误差，实际结构的质量沿竖向是连续分布的，振动质点的简化与实际建筑存在连续介质离散化的物理意义上的模型化差异；计算模型的嵌固部位及嵌固效果与实际结构亦会有出入；为计算模型计算结果合理，将某些梁的刚度进行折减，将一些梁端“点铰”等，都必然会使计算模型与实际模型产生数值差异。 

　　3 周期折减系数对地震作用的影响 

　　框架结构、框架剪力墙结构等结构设计通常未考虑非承重对结构刚度的贡献，计算地震作用时，使地震影响系数中结构自振周期乘以周期折减系数来进行折减，从而使地震力放大，周期折减系数与填充墙的刚度呈负相关，填充墙总体的刚度越大，周期折减系数越小；填充墙自身刚度越小，相对布置越少，其总体刚度也越小，周期折减系数越大；在设计中，周期折减系数取值偏大，会使结构物的地震作用偏小，设计偏于不安全；但取值偏小，会造成结构物地震作用偏大，可能造成结构物造价的上升；因此，有必要探讨周期折减系数的合理取值，使结构设计安全可靠、经济合理。如下七层框架结构算例表明，周期折减系数由0.7减小为0.6，地震力增大13.6%，位移角增大14.8%。 

　　如下是二十三层剪力墙结构算例，周期折减系数由0.9减小为0.8，地震力增大3.7%，位移角增大1.6%。从以上两算例也可看出，周期折减系数对框架结构影响尤为明显。 

　　4 目前有关周期折减系数的规定 

　　4.1 《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)的规定 

　　当非承重墙体为砌体墙时，高层建筑结构的技术自振周期折减系数可按下列规定取值：1）框架结构可取0.6~0.7；2)框架--剪力墙结构可取0.7~0.8；3)框架―核心筒结构可取0.8~0.9；4）剪力墙结构可取0.8~1.0。对于其他结构体系或采用其他非承重其墙体时，可根据工程情况确定周期折减系数。 

　　4.2 《全国民用建筑工程设计技术措施-结构》的规定 

　　《全国民用建筑工程设计技术措施-结构》的规定：当填充墙为砖墙时，根据填充墙的多少可按下表取值 

　　4.3 建筑抗震设计手册关于周期折减系数的取值 

　　《建筑抗震设计手册》（第二版）中有关于钢筋混凝土框架结构抗震设计周期折减系数的取值：对未计入填充墙刚度时，对于多孔砖和小型砌块填充墙，按表3取值，当采用轻质墙体或外墙挂板时折减系数取0.8~0.9。 

　　5 结语 

　　5.1 结构计算模型未考虑非结构构件的刚度，客观上，由于非结构构件（填充墙、现浇板、刚性地坪等）参与构成了实际建筑结构的刚度，目前，通过经验系数对计算周期进行折减，适当增大结构抵御地震作用的能力是必要的，也是可行的。抗震设计时，设计周期=计算周期×折减系数。 

　　5.2 周期折减系数对结构的地震力影响较大，其对框架结构影响尤为明显；周期折减系数的选取应充分考虑影响结构自振周期的各种因数，根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2010)、《全国民用建筑工程设计技术措施-结构》等的规定合理取值，使结构地震力计算安全经济。 

　　参考文献： 

　　[1]建筑抗震设计规范（GB 50011- 2010），中国建筑工业出版社，2010。 

　　[2]中国建筑科学研究院工程抗震研究所主编，建筑抗震设计手册，中国建筑工业出版社，2002。 

　　[3]高层建筑混凝土结构技术规程（JGJ3 -2010），中国建筑工业出版社，2010。 

　　[4]混凝土结构设计规范（GB50010- 2010），中国建筑工业出版社，2010。 

　　[5]包世华，方鄂华 高层建筑结构设计（第二版）。清华大学出版社。1989。 

　　[6]全国民用建筑工程设计技术措施-结构 中国计划出版社 2003