天津软土场地地震动特性对高层建筑物的影响

天津软土场地地震动特性对高层建筑物的影响 建筑科学与土木工程 Ξ 天津软土场地地震动特性对高层建筑物的影响 李 凡 ()天津城市建设学院 土木工程系 , 天津 300384 摘要 :随着天津经济的大发展 ,大量高层建筑迅速崛起 . 与此同时 ,针对天津地区大范围软土 属于抗震性能最差的一类 ,在软土场地上的高层建筑极易遭受震害这一特点 ,结合天津市中 心地区某工程场地的地震反应 ,着重论述了天津软土场地地震动特性对高层建筑物的 影响 ,并指出了应做进一步探讨的问题 . 关 键 词 :软土场地 ; 高层建筑 ; 地震动特性 ; 卓越周期 () 文章编号 :100626853 20040120021204 中图分类号 : TU471. 8 文献标识码 :A 近十几年来 ,天津高层建筑发展迅速 . 随着经济的 不同超越概率下的基岩地震动峰值加速度. 发展 ,今后还会有更多的高层建筑崛起 . 高层建筑主要 表 1 不同超越概率下基岩水平加速度峰值 用作住宅 、宾馆 、商厦 、办公楼 ,人口密集 、财产集中 ,在 063 10 5 2 超越概率/ / 地震中一旦发生倒塌等事故 ,其后果不堪设想. 天津地 0 区的大范围软土属于抗震性能最差的一类 ,地基的持 - 2基岩水平加速度峰值 A / cm?s 34 119 158 223 max 力特性较差 ,场地卓越周期较长 ,未来地震时软土场地 地震动对一些高层建筑来说可能非常不利 ,甚至是危 险的. 所以讨论软土地区地震动特性对高层建筑物的 2 软土场地地震动特性对高层建筑的影响 影响显得格外重要. 1 天津土质情况及基岩地震动特性 2 . 1 国内外震例 由于软土存在特殊的动力性能 ,建造在软土场地 ( ) ,第四纪松散沉 堆积物 天津平原的基岩埋深大 上的高层建筑其动力特性也与在普通土层上不同 ,国 () 很厚 300,400 m. 地下水位浅 ,存在饱和砂土层. 地 内外地震中有很多这样的情况发生 . 表以下 30 m 通常表现为陆相,海相,陆相的完整沉 1985 年 9 月 19 日 ,墨西哥发生了 7 级地震 ,属低 积旋回 ,地面 2,4 m 多为吹填土和杂填土. 一般 10 m 烈度区的墨西哥城距震中约 400 km. 在这次地震中 , 以上为淤泥质 、粘质土和砂质土 ,10,15 m 为黄土类 、 有多座高层建筑倾刻之间被严重破坏或倒塌 . 类似震 砂土和亚砂土 ,50 m 以下为砂土和砾土. 在 10,50 m 害情况 , 在委内瑞拉也发生过 . 1967 年在委内瑞拉发 之间存在着良好的持力层 ,而其上层不宜作天然地基 . 0 () /生的 6 . 5 级地震中 ,加拉加斯市 距震中 60 km建于厚 () 由于天津软土层结构松软 ,固结程度低 ,容易产生地质 160,230 m 土层上的高层建筑 14,24 层有 75 0 遭到 1 破坏 ,位于土厚 230,300 m 上的高层建筑破坏率达到 灾害 ,并容易形成砂土液化 、地裂缝等. 0/天津属于华北强震活动区 ,地处冀中凹陷与沧县 0 了 80,而建于以上地区的一般多层建筑 ,以及位于浅 隆起的新生代活动断裂带的东北端 . 基底构造复杂 ,活 覆盖层上的高层建筑 ,在这次地震中几乎没有遭到破 动断裂发育 ,历史及近期地震活动频繁 ,基本地震烈度 坏 . 在阪神大地震中 ,神户市建筑物破坏情况的分布也 高 . 表 1 是天津某工程场地进行地震安全性评价时 ,充 与地质条件有关 ,中高层以上的钢和钢筋混凝土结构 软土地基地震动普遍存在的特征2 . 2 以及钢骨混凝土结构 ,从神户市南部沿海地区到北部 山区 ,层害逐渐减轻 ,其原因是北部是覆盖层很薄的内 图 1 是某工程场地结合上述基岩特性合成人工波 陆土层 , 南部是软弱土 . 1999 年台湾集集地震也有类 计算 ,得到的不同概率水平的地表加速度反应谱. 从图 似的情况发生 . 中以及结合以往的经验可以得出 . 00() ( ) a50 a 超越概率 2// s b50 a 超越概率 5// s 0 0 00() ( ) c50 a 超越概率 10/ s d50 a 超越概率 63/ s //0 0 图 1 不同概率水平的地表加速度反应谱 () 1地表加速度反应谱特征 . 软土场地加速度反 的类型有 :喷水冒砂 、地基失效 、侧向扩展和流滑 、上浮 等 . 唐山地震中 , 天津海河故道可 液 化 粉 土 的 侧 向 扩 应谱峰值在较长周期处出现 ,且一般呈多峰形状 ,从地 展 ,造成了大量建筑物的严重破坏或倒塌. 沿南运河 、 表反应谱可以看出 ,峰值大多出现在 0 . 4,0 . 6 s ,但一 北运河 、子牙河等河道两侧可液化区范围大 ,由两岸滑 个明显的特征是中强震中 ,多数在 0 . 8,1 . 2 s 位有一 向河心的液化滑动带土体的宽度一般为 100,150 m. 突变. 国外如日本阪神大地震中 ,海岸填土广泛液化 ,液化侧 () 2软弱土层对周期的选择性. 高频减弱 ,低频放 向扩展使建筑物产生了可观的水平位移和不 均 匀 沉 大 ,对长周期 、低频地震波的地面运动反应更强烈 . 远 降 . 震中的长周期分量对软土地区的危害有时更大 ,1976 () 5软土震陷是平原地区地基基础震害的主要形 年唐山发生的 7 . 8 级地震 ,对天津东部造成的烈度仍 式之一. 软土是一种高压缩性土 , 在 强 烈 的 地 震 作 用 达到 ?度 . 下 ,土体受到扰动 ,絮状结构遭到破坏 ,强度显著降低 , () 3基岩以上覆盖土层对地震动的放大作用 ,取 压缩变形加大并发生程度不同的剪切破坏 ,在纵波的 决于场地条件及基岩地震动特征. 不同场地的放大作 2 影响下将导致软土产生震陷破坏 ,引起地基失效. 用不同 ,一般地 ,硬土的放大作用小一些 ,软土的放大 2 . 3 软土地震动特性对高层建筑的影响 作用大一 些 , 软 土 场 地 土 层 的 放 大 倍 数 可 达 1 . 6 , 2. 3 . 1 场地卓越周期与高层建筑物的自振周期接近 3 . 0 . 根 据《钢 筋 混 凝 土 高 层 建 筑 结 构 设 计 与 施 工 规 ) ( ) ,0. 1n n 为结构层数, 框架 —剪力墙结构和框架 会产生一定的影响. 因此 ,在进行简化计算时 ,若取地 5 ( ) —筒体结构可采用 T= 0. 06,0. 08n . 这样算出高 震输入深度为 50 m ,则需考虑上述因素的影响. 1 层建筑的自振周期大约为 0 . 6,1 . 2 s ,和天津软土场 深覆盖层软弱土的工程场地卓越频带一般低而 () 地地震动卓越周期 0 . 6,0 . 9 s较接近. 窄 ,百米左右的高层建筑如高层住宅楼 ,前几阶自振频 2 . 3 . 2 地震动放大效应 地震动卓越周期是随着场地( ) 率也低而集中 . 高层建筑 包括上部结构和下部结构 土层增厚变软而增长 的低阶自振频率接近或等于场地和地震波输入的卓越 的 ,高层建筑物的自振周期普遍属于长周期 ,较强地震 频率时 ,高层建筑结构的“共振”或“强烈振动”就难以 避所引起的长周期地震动分量对软土地基上的某些高层 免. 3 建筑来说可能是致命的. 软土场地上的高层建筑不 2 . 3 . 6 液化问题 仅由于共振等产生放大 ,更由于高层建筑突出于地面 由于目前高层建筑埋深大 ,对承载力要求高 ,极少 数十米至数百米 ,地震动的放大作用明显 ,这也促使深 可能建在未经过处理的液化土层上 ,而且基础形式基 软土场地上的高层建筑易遭震害. 所以高层建筑应尽 本都是桩基和复合地基 . 喷冒与液化承载力下降引起 可能建于基岩或薄土层上 ,避免建于软弱的厚土层上 . 地基失稳对高层建筑基本上不构成威胁. 浮力与土侧 2 . 3 . 3 地震力作用下高层建筑与地基的共同作用 高压力的增加 ,侧向扩展引起的土体滑移 ,液化对桩的影 层建筑与地基的破坏机理为 : ? 共振破坏 . 建 响是造成高层建筑抗震不利的因素 . 应做进一步探讨的一些问题3 筑物的固有周期与地基的卓越周期相等或接近从而产 生共振 ,增 大 了 振 幅 , 导 致 建 筑 物 破 坏 ; ? 驻 波 的 破 3 . 1 地基深开挖对地震波放大倍数的影响 坏 . 两个方向相反的波列 ,其频相与幅值均相同 ,在同 实验证明 ,地基深开挖后 ,对地震波的放大倍数减 一直线上相遇时 , 幅值叠加产生 很 大 的 破 坏 作 用 . 例 小 . 随着场地深开挖 ,地表反应谱峰值会随之移动 ,对 如 ,在对称的河岸边 、谷地 ,常会产生反射的表面波 ,沿 长周期的放大作用有相应的减弱. 由于缺乏天津场地 着相反方向相遇 ,导致建在古河道上的建筑物破坏严 深开挖后的地震动对比资料 ,现参照文献 3 中的南京 重 ; ? 相位差的破坏 . 建筑物与地基的振动特性相差 地区某高层建筑地基深开挖后的情况 ,经深开挖后 ,土 0 0 //层对水平向地震动的放大倍数降低 17 0 , 27 0 ,平均 悬殊 ,导致两者不协调的波动而产生破坏 ,对高耸建筑 4影响 ,在许多地震中都有发现 . 00//降低 21 0 0 ;土层对竖向地震动的放大倍数降低 7, 物应控制其长度不超过场地运动的面波波长 . 另外 ,地 2 . 3 . 4 地震时桩的破坏 00//18 0 0 ,平均降低 14. 基土液化对桩 —土 —结构体系的协调工作性能有重大 软土场地震害中一个严重 、突出的问题是桩的破 3 . 2 高层建筑选型上应注意避免与场地卓越周 坏 . 由于摩擦桩在地震中竖向荷载增大和桩周的摩阻 期接近 力下降 ,突然产生震陷和倾斜 ,致使许多高层建筑产生 就结构体系而言 ,通常认为采用框架体系时周期 不均匀沉降以致严重倾斜 ,框架结构严重破坏. 最长 ,框剪体系周期较短 ,剪力墙或筒中筒体系周期最 在日本阪神地震之后 ,地下桩身的震害资料得到 短 . 这些研究结果和经验可以因在建筑方案中采取措 了充实 ,对地震作用下桩的工作状态有了更深的认识 . 施避免共振时作为参考 ,但具体问题还要具体分析 ,什 桩在地震作用下的受力可以分解为两部分 : ? 桩顶惯 么样的建筑物适合天津软土场地还需进一步研究 . 性力 ,它使桩的上部受力最大 , 以 下 的 弯 矩 则 逐 渐 减 3 . 3 加强地震安全性评价力度 小 ; ? 地层的剪切运动 ,它使桩身的深部及桩顶受力 虽然防震减灾法第 17 条“重大建设工程 ?必 最大 ,特别是在软 、硬土层交界处 ,对液化地基而言就 须进行地震安全性评价”,但是对重大工程的界限不清 是液化与非液化土层的交界处. 楚 ,导致许多应做地震安全性评价的工程没有做 ,但地 2 . 3 . 5 覆盖层厚度对高层建筑的影响 厚覆盖土层对震时正是这些十几层的民用住宅伤亡最大. 天津市政 地震动力反应的影响主要表现在以 府已经规定 :凡是列入科委计划的建设项目一定要做 下方面 :随着覆盖土层的增厚 ,地表反应的卓越周期也 地震安全性评价 ,全国很多城市也在做这方面的规定 . 增大 ,即厚覆盖土层的自振频率较小 ,对地震波的高频 加大建筑物尤其是高层建筑的安评工作力度是非常必 3 . 4 加强建造高层建筑前的勘察工作城市都分布在沿海 、沿江或湖滨地区 ,无法使所有的高 勘察部门对于场地勘察应注意合理地评价场地地 层建筑包括高层住宅楼都建在非深软土场地上. 因此 震稳定和地震效应. 例如地基失效的重要原因是砂土 加强软土场地在振动下 ,尤其是在强震下对高层建筑 液化 ,应尽量不在非常不利的地基上建造高层建筑 ,尤 影响的研究 ,会具有很强的经济意义和社会意义 . 其是处在海河故道可液化区域内 . 致谢 :中国地震局第一监测中心为本文提供了工程场地 数据 ,在此作者深表感谢 . 3 . 5 加强对软土地区地震动特性的研究 参考文献 : 虽然在国内很多地区已经开展了软土动力特性的 研究 ,并有一些成果应用到了工程实践当中 ,但仍有相 1 崔玉红 ,邱 虎 . 天津市震害预测的特点与方法 J . 工程 ) (力学 ,2001 , 增刊:7992804. 当多的问题有待解决 . 例如高层建筑中筏 %桩基础约 2 0袁丽侠 . 场地土对地震波的放大效应 J . 世界地震工程 , /0 占 50左右 ,但桩 %土 %上部结构之间的关系尚未完 () 2003 ,19 1:1132120. 全明确 ;强震中软土的大变形 、软土动力软化等过程还 3 杨伟林 ,陈国兴. 软土地基深开挖对场地地震动的影 需要更深入地认识 ; 软土与硬土交界处 ,刚度差异大 , () 响 J . 地震工程与工程振动 ,2000 , 20 3:93299. 4 常常成为剪切或弯曲的危险断面 ,但常用均只考 陈国兴 ,谢君斐. 考虑地基土液化影响的桩基高层建筑体 虑均质土 ,对天津这样的多层土刚度差异较大的地区 , () 系地震反应分析 J . 地震工程与工程振动 ,1995 , 15 4: 适用性问题也有待于探讨 . 932103. 5 4 结语 蔡宏英. 周 健 . 深厚覆盖软土地层多向地震动力反应分 () 析 J . 同济大学学报 ,2000 ,28 2:1772182. 6 笔者总结了天津软土场地震动特点以及对高层建 郑熙铭. 史美文. 天津市滨海地区综合防灾减灾的策略研 筑的影响 ,对怎样解决问题进行了探讨. 由于许多大中 () 究 J . 灾害学 ,2002. 17 2:28231. Influence of soft land seismic dyna mic characteristics on high2rise building in Tianjin L I Fan ()Department of Civil Engineering , TIUC , Tianjin 300384 , China Abstract :With a high speed development of the economy in Tianjin ,plenty of high2rise buildings appear promptly. The large scope of soft soil in Tianjin has the worst anti2seismic characteristics , and the high2rise building on the soft site is apt to suffer the dam2 age of earthquake . The influence of the soft land seismic dynamic characteristics on the high2rise buildings in Tianjin is discussed emphatically in the light of an analysis of the seismic reaction for an engineering site in a central area in Tianjin. And some prob2 lems that should be discussed further are put forward. Key words :soft land ; high2rise building ; seismic dynamic characteristics ; preeminence period file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt df机及ov及ojxlkvjlkxcmvkmxclkjlk;jsdfljklem,.xmv/.,mzxlkjvolfdjiojvkldf file:///D|/新建 Microsoft Word 文档.txt2012/8/2 16:09:56