竖向地震作用(Vertical Seismic Action)
我们已经知道,结构所受的地震作用(Seismic Action),实际上是地面运动引起的惯性力(Inertial Forces)。前面讲过的振型分解反应谱方法和底部剪力法确定的地震作用,都是针对水平地震而言,而地面运动时在竖向也会产生加速度,即也会存在竖向的地震作用。什么时候考虑竖向地震作用,该如何考虑竖向地震作用呢?
大部人可能会觉得,地震作用下,结构的底部是最危险的部位,因为此处地震作用下水平剪力最大,竖向荷载作用下也是内力最大的部分,因此最容易破坏。然而,在地震区观察高耸结构的震害情况,比如烟囱,经常不会在底部破坏,而是在离根部约2/3处破坏,如下图所示。
接下来,再看一段高层建筑结构地震破坏的视频。这段视频展示的是某实际高层建筑结构模型,在水平和竖向地震作用下的破坏情况。
可以看出,结构的破坏,是由于中上部在竖向惯性力作用下首先被拉断。因此,对于高层建筑、高耸结构及大跨结构,应该考虑竖向地震作用。对于竖向地震作用的计算方法,规范中规定具体如下:
(1)对于9度时的高层建筑,竖向地震作用的采取的是与水平地震作用底部剪力法相类似的方法。即先确定结构底部总竖向地震作用,再计算作用在结构各质点上的竖向地震作用,公式为
(2)设防烈度为8度和9度区的大跨度屋盖结构,长悬臂结构,烟囱及类似高耸结构,竖向地震作用内力与重力荷载的内力比值彼此相差一般不大,因而可以认为竖向地震作用的分布与重力荷载的分布相同,其大小可按下式计算
其中,为竖向地震作用标准值;G为重力荷载标准值;为竖向地震作用系数,对于平板型网架和跨度大于24m屋架按下表采用;对于长悬臂和其他大跨度结构,8度时取0.1,9度时取0.2。
竖向地震作用系数
结构类别 | 烈度 | 场地类别 |
Ⅰ | Ⅱ | Ⅲ、Ⅳ |
平板型网架 钢屋架 | 8 | 不考虑(0.10) | 0.08(0.12) | 0.10(0.15) |
9 | 0.15 | 0.15 | 0.20 |
钢筋混凝土屋架 | 8 | 0.10(0.15) | 0.13(0.19) | 0.13(0.19) |
9 | 0.20 | 0.25 | 0.25 |
注:括号中数值用于设计基本地震加速度为0.30g的地区。