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竖向地震作用

竖向地震作用指的是建筑物在竖向地震分量的作用下所产生的地震效应。这一领域的研究始于钱培风先生在工力所的工作期间,他曾大力提倡竖向地震作用的研究。唐山地震中的一座烟囱被截断,其顶部以90度的角度旋转后落在底部上方,未掉落,这种震害现象引起了关于是由水平地震作用还是竖向地震作用导致的热烈讨论。

地震原因

地震工程研究通常更关注水平地震作用,这有两个主要原因。首先,从强震观测数据来看,竖向地震动的峰值通常低于水平地震动峰值,大约为其一半至三分之二。其次,大多数结构体系能够承受较大的竖向荷载,因为它们的设计考虑到死荷载和活荷载的影响,从而具备足够的竖向抵抗力。然而,实际情况表明,竖向地震动的峰值也可能超过1g,特别是在现代结构体系中,大跨度和超高结构变得常见,这意味着竖向地震动的重要性不容忽视,尤其是P-Delt效应的问题。理论上来讲,竖向地震作用下的结构反应分析与水平地震反应分析的方法并无本质差异,使用空间模型并输入三维地震地面运动,即可同时获得结构的水平和竖向反应结果。

研究现状

尽管竖向地震作用的研究相对较少,现有的研究表明,主要集中在建筑结构简化为单质点或多质点模型在竖向地震作用下的地震反应。此外,竖向地震作用在隔震结构中表现得更为明显,因此在这些结构中对竖向地震作用给予了更多的关注。

抗震设计规范

中国抗震设计规范规定,对于位于高烈度区8度和9度的大跨结构、长悬臂结构、烟囱和其他高耸结构,以及9度的高层建筑,应考虑竖向地震作用。在计算过程中,竖向地震作用通常设定为水平地震作用的65%。根据现有地震记录,竖向地震作用通常占水平地震作用的三分之一至三分之二,但在高烈度地区,竖向地震作用可能会达到或超过1g,甚至与水平地震作用的比例可达2:1。

计算方法

在进行竖向地震时程分析的结构计算模型时,为了确保计算准确性,水平构件的跨中至少应设置一个有质量的节点。这是因为有限元方法通常采用聚集质量法,即将杆件单元的质量集中到杆端节点上,以便更好地模拟实际地震竖向作用。竖向地震与水平地震相似,惯性力与整个结构的质量有关,而不是单独构件的质量。

参考资料