设计特征周期对结构成本的影响分析

1、概述

设计特征周期，抗震设计用的地震影响系数曲线中，反映地震震级、震中距和场地类别等因素的下降段起始点对应的周期值，简称特征周期。

设计特征周期Tg。当结构的自振周期超过设计特征周期时，地震作用就会随其自振周期的增大而减小，当结构的自振周期小于0.1s时，地震作用会随其自振周期的增大而急剧增大，实际的建筑结构的自振周期大都会大于设计特征周期Tg，但一般不大于6.0s。当自振周期一定，且自振周期大于特征周期时，地震作用就会随着特征周期的增大而增大。因此，特征周期取值对地震作用计算尤为重要。

特征周期根据其所在地的设计地震分组和场地类别确定。

根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）（2016版）规定，当剪切波速和覆盖层厚度在边界线附近±15%范围内时，允许按插值计算特征周期。

《建筑与市政工程抗震通用规范》（GB55002-2021）4.2.2-3条，同样规定，分界线±15%范围内时，应按插值方法确定特征周期。 《通用规范》为强制性工程建设规范，且其描述为“应按”，比《抗震规范》“应允许”，更加肯定插值方法的可行性。

分界线范围内，通过插值合理确定特征周期，采取恰当的地震参数，符合现行规范的要求，也能有效提高设计的经济性。

项目地点：福建省漳州市

建筑面积：总面积253454.11m2（地上：226388.14m2,地下：27065.97m2）

结构体系：除变配电室外均为剪力墙结构。

抗震等级：地上部分为剪力墙二级，框架二级；地下主楼相关范围同地上，其余三级。

结构主要参数：风荷载0.8kN/m2，A类粗糙度，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度0.2g，设计地震分组属第三组，场地类别II、Ⅲ类，特征周期0.45~0.65s。

如上图所示，在结构自振周期一定的情况下，优化特征周期Tg，能有效减少地震作用。 减小地震力约4.18%~28.18%（平均11.90%） ，对降低塔楼钢筋、混凝土非常有利。

位置1：原梁断面300x450改为300x550。

位置2：框架柱500x400取消。

位置3：剪力墙厚400mm改为300mm；

位置4：第4层及其以上各层原墙厚250mm改为200mm；

位置5：Y向剪力墙取消，改200x400梁；

位置6：原墙厚400mm，1~3层改为350mm，4层及以上改为300mm；

位置7：加700x500端柱；

位置8：建议梁高450mm改500mm。

位置9：Y向剪力墙缩短2.1m；

位置10：原梁断面200x450建议改为200x400。

位置11：原梁断面250x500改为300x500。

位置12：第4层及其以上各层原墙厚400mm改为350mm，梁宽相应改小。

特征周期Tg减小，地震力相应减小，塔楼钢筋、混凝土能相应减小；5#右单元 可节省造价约23.9元/㎡；

整个项目可节省钢筋约1.5~2kg，节省砼约0.005~0.01m3／㎡，总节省造价约100~150万元。

根据地勘报告得到可靠的剪切波速和覆盖厚度，查《抗规》表4.1.6，得到场地类别；

如上图所示输入条件，查表可知，场地类别为Ⅲ类，也可在Excel表中，利用IF函数计算。

根据场地类别及设计分组，查《抗规》表5.1.4-2，得到设计特征周期；

如上图所示输入条件，查表可知，特征周期Tg为0.65s；

可在Excel表中，利用Vlookup函数，进行矩阵自动查找。

第三步：

判断是否在分界线±15%范围内。

可在Excel表中，利用IF函数，判断输入的剪切波速、覆盖厚度是否在分界相关范围内。

如上图所示输入条件，查表可知，在分界线相关范围内。

第四步：

如不在相关范围内，则直接按表5.1.4-2，查表得到特征周期，如在分界线±15%范围内，则进行插值计算，插值计算参考《建筑抗震设计规范应用与分析》（GB50011-2010）（朱炳寅编著）。

根据参数输入剪切波速、覆盖厚度与表中数值是否相等，插值查表自动计算分四种情况：

1）波速相等、覆盖厚度相等，直接查表；

2）波速相等、覆盖厚度不相等，波速查表，覆盖厚度插值计算；

3）波速不相等、覆盖厚度相等，波速插值计算，覆盖厚度查表；

4）波速不相等、覆盖厚度不相等，波速、覆盖厚度均插值计算；

如上图所示输入条件，波速与覆盖厚度均与插值表不相等，属于第四种情况，通过插值计算表，可计算得到插值特征周期为0.533s。

插值特征周期较查表5.1.4-2的值，减小约18%。