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研究亮點
高層鋼筋混凝土結構自振周期經驗公式擬合及分布的研究
發布時間： 2023-10-20 點擊數量：18075研究背景：
自振周期是結構動力特性中的一項重要指標，能夠用于計算結構預期承受的地震作用以及地震作用下的預期位移。我國修建了大量的高層鋼筋混凝土建筑，如何高效、準確的評估高層建筑的自振周期，進而初步得到結構在地震下的響應是非常有意義的。
中國現行《建筑結構荷載規范》 GB50009-2012附錄F中，對高層建筑的自振周期給出了經驗公式。該公式基于1974年的《工業與民用建筑抗震設計規范（試行）》TJ 11-74和1987年的《建筑結構荷載規范》GBJ 9-87，通過大量建筑物自振周期的實測數據對其進行了修正和補充。但是，這一時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驗公式仍沿用于87規范，設計理論相比當前工程現狀存在一定滯后。
本研究對我國東部地區120多棟高層鋼筋混凝土建筑進行了現場動力測試，按板式剪力墻結構和塔式剪力墻、框架—剪力墻、框架—核心筒結構兩種結構類型統計和分析了建筑在橫向和縱向兩個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比現有規范的擬合情況的基礎上，給出了按新結構類型分類建筑在兩個方向上前三階自振周期的經驗公式。利用頂點位移法、集中質量法和瑞利—里茲能量法三種方法計算得到自振周期比值分布范圍，并根據超過500棟高層鋼筋混凝土建筑的橫向自振周期比值分布進行了不同范圍的區分并給出建議界線。
研究方法及結果：
本文為今后的現場動態測試提供了參考和便捷的方法，對現行建筑抗震設計規范中振動周期的經驗公式提出了新的建議。具體結論如下：
1） 將實測建筑的使用狀況分為未投入使用和已投入使用，按使用狀況對建筑自振周期的實測值進行不同系數的修正，未投入使用建筑的修正系數為1.3，已投入使用建筑的修正系數為1.17。使用該修正系數在后續擬合中取得了較為理想的效果，補充了現有公式擬合的經驗；
2） 將現有規范中的剪力墻結構細分為了板式剪力墻結構和塔式剪力墻結構，將塔式剪力墻結構與框架—剪力墻結構和框架—核心筒結構一起進行自振周期經驗公式擬合。對比了分類前后剪力墻結構的擬合效果，提出的新的結構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） 將頂點位移法、集中質量法和瑞麗—里茲能量法三種理論計算方法得到的自振周期比值范圍與實測得到的結構自振周期比值范圍有機結合，在縮窄比值的取值范圍的同時根據結構類型提供了不同的取值范圍和區分界限。（圖3）
4） 根據所測結構的結構類型選擇更精細的自振周期比值范圍，并利用測得結構的一階自振周期反推得到二、三階自振周期范圍，為提高今后現場測量的工作效率和后期數據中干擾頻率的排除提供了支撐依據和便捷手段。
該成果發表在國際權威期刊《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 板式剪力墻結構一階自振周期與建筑立面尺寸關系分布
圖2 板式剪力墻結構一階自振周期參數擬合
圖3 不同剪力墻結構類型的各階自振周期比值范圍
