第3章 结构抗震计算

1、3.1 结构抗震计算原则3.2 设计地震动3.3 水平地震作用计算3.4 竖向地震作用计算3.5 结构抗震验算第3章 结构抗震计算抗震设防分类抗震设防标准三水准抗震设防目标两阶段抗震设计方法结构抗震计算的一般规定3.1 结构抗震计算原则3.1 结构抗震计算原则抗震设防分类 根据建筑遭遇地震破坏后，可能造成人员伤亡、直接和间接经济损失、社会影响的程度及其在抗震救灾中的作用等因素，对各类建筑所做的设防类别划分。1、特殊设防类：指使用上有特殊设施，涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害等特别重大灾害后果，需要进行特殊设防的建筑。简称甲类。 2、 重点设防类：指地震时使用功能不能中

2、断或需尽快恢复的生命线相关建筑，以及地震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果，需要提高设防标准的建筑。简称乙类。 3、 标准设防类：指大量的除1、2、4款以外按标准要求进行设防的建筑。简称丙类。 4、 适度设防类：指使用上人员稀少且震损不致产生次生灾害，允许在一定条件下适度降低要求的建筑。简称丁类 抗震设防标准：衡量抗震设防要求高低的尺度，由抗震设防烈度或设计地震动参数及建筑抗震设防类别确定。3.1 结构抗震计算原则抗震设防标准要确定一个建设项目的“抗震设防标准”，不仅要知道建设项目所在地区的“抗震设防烈度”，还要确定该建设项目的建筑抗震设防类别。四类建筑的抗震设防标准建筑抗震设防类别地震作用

3、计算抗震措施甲 类应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定当抗震设防烈度为68度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求。当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求乙 类应符合本地区抗震设防烈度的要求6度时可不进行计算一般情况下，当抗震设防烈度为68度时， 应符合本地区抗震设防烈度提高一度的耍求。当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。丙 类应符合本地区抗震设防烈度的要求。（6度时可不进行计算）应符合本地区抗震设防烈度的要求丁 类一般情况下，应符合本地区抗震设防烈度的赛求（6度时可不进行计算）允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低，但抗震设防烈度为6度时不应降

4、低不规则建筑及建造于IVIV类场地上上较高的高层建筑除外。3.1 结构抗震计算原则抗震设防标准地震作用：由地震动引起的结构动态作用，包括水平地震作用和竖向地震作用 抗震措施：除地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容，包括抗震构造措施。抗震构造措施：根据抗震概念设计原则，一般不需计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。 3.1 结构抗震计算原则三水准抗震设防目标抗震设防目标：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需进行修理可继续使用；小震不坏当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，其损坏经一般性修理仍可继续使用；中震可修当遭受高于本地区抗震设防烈度

5、的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。大震不倒三种烈度水准比较烈度水准地震水准5050年超越概率烈度关系众值烈度多遇地震（小震）63.2%63.2%I0-1.55-1.55度基本烈度设防烈度地震（中震）10%10%I0罕遇烈度罕遇地震（大震）23%23%I0+1 1度度3.1 结构抗震计算原则两阶段抗震设计方法第一阶段设计为“小震”作用下的构件截面抗震承载力验算和相应的构造措施；在这一设计阶段中，要根据概念设计采取有效的抗震构造措施，从而使大多数结构可以定性地满足第三水准的要求。强烈地震震害表明，对于大多数建筑结构只需进行第一阶段设计即可做到“大震不倒”，其中包括多层砌体房屋结构

6、。第二阶段设计为“大震”作用下的弹塑性变形验算，并采取提髙结构变形能力的构造措施，目的是防倒塌。第二阶段设计是弹塑性变形验算，对地震时易倒塌的结构、有明显薄弱层的不规则结构以及有专门要求的建筑，除进行第一阶段设计外，还要迸行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算并采取相应的抗震构造措施，实现第三水准的设防要求。1、建筑结构的地震作用2、各类建筑结构的抗震计算方法3、结构的重力荷载代表值 3.1 结构抗震计算原则结构抗震计算的一般规定抗震计算：地震作用和结构抗震验算3.1 结构抗震计算原则结构抗震计算的一般规定 1、建筑结构的地震作用一般情况下，应至少在建筑结构的两个主轴方向分别计算水平地震作用，各方

7、向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担。有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。 质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响；其他情况，应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。 8、9度时的大跨度和长悬臂结构及9度时的高层建筑，应计算竖向地震作用。根据我国大陆和台湾地震的经验，根据我国大陆和台湾地震的经验，9 9度和度和9 9度以上时，跨度大于度以上时，跨度大于18m18m的屋架、的屋架、1.5m1.5m以上的悬挑阳台和走廊等震害严重甚至倒塌；以上的悬挑阳台和走廊等震害严重甚至倒塌；8 8度时，度时，跨度大于跨度大

8、于24m24m的屋架、的屋架、2m2m以上的悬挑阳台和走廊等震害严重。以上的悬挑阳台和走廊等震害严重。高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。除1款外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法。特别不规则的建筑（表3-1、表3-2）、甲类建筑和规范规定（表3-3）的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。 3.1 结构抗震计算原则结构抗震计算的一般规定2、各类建筑结构的抗震计算方法3.1 结构抗震计算原则结构抗震计算的一般规定3、结构的重力荷载代表值GE 计算水平地震作用和竖向地震作用时，都用到集中在质点

9、处的抗震设计的重力荷载代表值GE，即永久荷载标准值与有关可变荷载组合值之和 GE=Gk+QiQik可变荷载种类组合值系数Qi雪荷载、屋面积灰荷载0.50.5屋面活荷载不计入按实际情况计算的楼面活荷载1.0按等效均布荷载计算的楼面活荷载藏书库、档案库0.80.8其他民用建筑0.50.5起重机悬吊物重力硬钩吊车0.30.3软钩吊车不计入例题13.2 设计地震动地震影响：设计反应谱-T设计地震波:时程分析法要正确选用地震波抗震设防烈度1,2设计特征周期（表3-11）设计地震分组场地类别(分为4类）第一组 近震中距第二、三组 较远震中距:0,1 地震烈度、抗震设防烈度、抗震设防标准的区别地震烈度抗震设

10、防烈度抗震设防标准定义某地区遭受一次地震影响的强弱程度在一定时期内，一个地区可能遭遇到的最大地震烈度对毎一个具体建设工程项目，抗震设防时所采用的烈度确定依据地震发生后按中国地震烈度表来确定该地区的烈度根据中国地震动参数区划图确定的地震基本烈度应按建筑工程抗震设防分类标准确定用途用于评定一次地震对该地区的破坏（影响）程度用于评定该地区的地震危险性作为该建设工程项目的抗震设防依据与场地的关系次地震的烈度是针对该区域的所有场地的综合影响仅针对该区域的一般场地仅针对该建设工程项目的场地与建筑的关系无关无关同一地点不同的建设工程项目可有不同的抗震设防标准设计地震动地震影响抗震设防烈度6789设计基本地震

11、加速度值0.05g0.10g（0.15g）0.20g（0.30g）0.40g抗震设防烈度和设计基本地震加速度值的对应关系江苏主要城镇抗震设防烈度、设计江苏主要城镇抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组基本地震加速度和设计地震分组注：g为重力加速度设计地震动地震影响场地类别划分依据：由土层等效剪切波速vse（各类土剪切波速表3-8）和建筑场地覆盖层厚度土的等效剪切波速土的等效剪切波速(m/s)场地类别场地类别01Vse8000800Vse5000500Vse25015050Vse15080各类建筑场地的覆盖层厚度（m）设计地震动地震影响01(/)niseisidvttdv土层等效剪切波速

12、vseVse土层等效剪切波速； d0计算深度(m),取復覆盖层厚度和20m两者的较小值; t 剪切波在地面至计算深度之间的传播时间； di 计算深度范围内第i土层的厚度;Vsi 计算深度范围内第i土层的剪切波速; n计算深度范围内土层的分层数。例题例题2，3设计地震动地震影响作业：作业：1、地质资料如下：试确定该场地土类别。2、场地地层情况如下：试确定该场地土类别。3、某丁类建筑位于粘性土场地，地基承载力特征值fak=210kPa，未进行剪切波速测试，其土层剪切波速的估算值宜采用（ ）。（A）Vs=170m/s; (B)Vs=250m/s; (C) Vs=320m/s; (D) Vs=520m

13、/s设计地震动地震影响设计特征周期设计地震动设计反应谱地震影响系数曲线-T；max见表3-12。例题例题3-2（P65）单自由度体系受到最大地震作用F= G。求解水平地震作用步骤：（1）求结构体系的自振周期；（2）多遇地震时的水平地震作用；（Tg=0.4s） 根据曲线-T曲线和表3-12 max，查得， F=G（3）罕遇地震时的水平地震作用；（Tg=0.45s） 根据曲线-T曲线和表3-12 max ，查得， F=G注意：多遇与罕遇地震影响系数 max不一样。2mTk例题：例题：某框架剪力墙结构房屋，丙类建筑，场地为I1类，设防烈度为7度，设计地震分组为第一组，设计基本地震加速度为0.15g。

14、基本自振周期为1.3s。多遇地震作用时，求其水平地震影响系数？解: 查表3-12,max=0.12 查表3-11，Tg=0.25s T=1.3s5Tg=50.25=1.25s3.3 水平地震作用计算振型分解反应谱法底部剪力法：建筑物高度40m，以剪切变形为主，质量 和刚度分布比较均匀的结构时程分析法：一种动力分析方法平动的振型分解反应谱法（当相邻振型周期差距大于15%时， 采用平方和开方法SRSS）扭转藕联的振型分解反应谱法 公式3-26、3-27 、3-28、3-29楼层水平地震剪力最小值VEkiminnjEkij iVG楼层水平地震剪力最小值VEki剪力系数（剪重比），详表3-14楼层最小

15、地震剪力系数3.3 水平地震作用计算楼层最小水平地震剪力振型分解反应谱法求解步骤：振型分解反应谱法求解步骤：满足条件：相邻振型周期差距大于15%（SRSS平方和开方法）（1）第一振型的水平地震作用（2）第二振型的水平地震作用（3）绘制地震剪力图（4）验算各楼层最小地震剪力3.3 水平地震作用计算振型分解反应谱法振型分解反应谱法例题：例题：单跨二层框架结构的水平地震作用计算条件：某二层钢筋混凝土框架，集中于楼盖和屋盖处的重力荷载代表值相等，G1=G2=1200kN，H1=4m，H2=8m。自振周期T1=1.028s，T2=0.393s，第一振型、第二振型如图，X11=1，X12=1.618；X2

16、1=1，X22=-0.618。3.3 水平地震作用计算振型分解反应谱法振型分解反应谱法例题例题3-3 P75条件：条件：重力荷载G1、G2、G3，场地类别II类，设防烈度8度（0.20g），设计地震分组第二组。T1、T2、T3已知，振型X1、X2、X3已知。阻尼比 0.05。求解：求解：某3层框架在多遇地震作用时的层间地震剪力3.3 水平地震作用计算振型分解反应谱法振型分解反应谱法3.3 水平地震作用计算振型分解反应谱法振型分解反应谱法适用范围：高度不超过40m，以剪切变形为主，且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。结构振动位移第一振型为

17、主，第一振型接近于直线。3.3 水平地震作用计算底部剪力法基本思想：按结构底部总剪力相等的原则，把多质点体系简化为单质点体系，只用基本自振周期确定总底部剪力，然后按照一定规律将地震力（总底部剪力）沿高度分配给各质点。底部剪力法a）计算简图 b）基本振型 c）质点地震作用计算方法计算方法基本自振周期基本自振周期T T1 1、按反应谱曲线（、按反应谱曲线（T-T-）确定）确定1 1；（地震影响系数最大值地震影响系数最大值maxmax ；特征周期；特征周期T Tg g；曲线下降段衰减指数；曲线下降段衰减指数；直线；直线下降段下降斜率调整系数下降段下降斜率调整系数1 1；阻尼调整系数；阻尼调整系数2

18、2）计算底部总剪力计算底部总剪力F FEKEK： F FEKEK=1 1G Geqeq （G Geqeq=0.85G=0.85GE E=0.85=0.85 G Gi i）F FEKEK分配给各质点：分配给各质点：建筑为建筑为n n层时，各楼层处地震力为层时，各楼层处地震力为F Fi i。顶部附加荷载顶部附加荷载F Fn n近似考虑高振型影响。顶层等效地震力为近似考虑高振型影响。顶层等效地震力为F Fn n+ +F Fn n。多质点体系的水平地震作用分布特点：多质点体系的水平地震作用分布特点：当质量、刚度沿高度分当质量、刚度沿高度分布较均匀布较均匀（G Gi iGGj j）时，时，F Fi i与

19、与H Hi i成正比。成正比。采用底部剪力法时，突出屋面的屋顶间、女儿墙、烟囱等的地震作用效应，宜乘以增大系数3，此增大部分不应往下传递，但与该突出部分相连的构件应予计入；采用振型分解法时，突出屋面部分可作为一个质点。突出屋面的小建筑：一一般按其重力荷载小于标准层1/3控制。3.3 水平地震作用计算底部剪力法3.3 水平地震作用计算底部剪力法底部剪力法求解步骤：底部剪力法求解步骤：满足条件：H40m，质量和刚度分布均匀 以剪切变形为主（1）计算等效总重力荷载代表值Geq（2）计算水平地震影响系数1（3）计算总水平地震作用标准值FEk（4）判断T11.4Tg时，顶部附加水平地震 作用Fn（5）计

20、算各楼层水平地震作用（6）计算各层层间剪力（7）验算各楼层最小地震剪力条件：条件：北京市区有幢两跨不等高单层厂房，其结构简图和基本数据，厂房房位于类场地，基本自振周期T1=0.6s。要求：要求：用底部剪力法计算排架的横向地震作用。3.3 水平地震作用计算底部剪力法解：抗震设防烈度8度（0.20g）,第一组,查得max=0.16类场地，Tg=0.45s；阻尼比=0.05，衰减指数=0.9，阻尼调整系数2=1等效总重力荷载代表值：水平地震作用标准值：排架横向水平地震作用3.4 竖向地震作用计算 地震动不仅会引起建筑物水平向振动，还会引起建筑物竖向振动。震害调查表明，在烈度较高的震中区，竖向地震对结

21、构的影响是不可忽略的。根据竖向地震的时程分析结果，竖向地震作用呈倒三角形分布，结构上部的竖向地震作用明显大于下部；对于大跨度结构和长悬臂结构，竖向地震引起的结构上下振动的惯性力，类似于增加或减少结构的竖向静荷载。需计算竖向地震作用的主要有如下几类：髙（层、烈度）9度时的髙层建筑。大（跨度）8度区跨度大于24m及9度区跨度大于18m的结构。长（悬臂）8度区悬臂长度大于2m及9度区悬臂长度大于1.5m的结构。转（换）8度区高层的转换构件 （9度区高层建筑不允许结构转换）。连（接体）8度区髙层连体结构的连接体 （9度区髙层建筑不允许采用连体结构）3.4 竖向地震作用计算种类3.5 结构抗震验算包括截

22、面抗震验算和截面变形验算1、结构构件的地震作用效应和其他荷载效应的基本组合： S= GSGEGE+ +EhEhS SEhkEhk+ +EvEvS SEvkEvk+ +WWWWS SWkWk 地震作用分项系数见表3-18 S= GSGEGE+ +EhEhS SEhkEhk+ +EvEvS SEvkEvk+ +WWWWS SWkWk式中：式中： S S 荷载效应和地震作用效应组合的设计值；荷载效应和地震作用效应组合的设计值； S SGEGE重力荷载代表值的效应重力荷载代表值的效应 重力荷载代表值包括下列荷载：重力荷载代表值包括下列荷载：100100自重标准值，自重标准值，5050雪荷载标准值，雪荷

23、载标准值，50508080楼面活荷载楼面活荷载( (在书库及档案库中取在书库及档案库中取8080楼面活荷载楼面活荷载)； S SEhkEhk水平地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数水平地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；或调整系数； S SEvkEvk竖向地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数竖向地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；或调整系数； G G重力荷载分项系数；重力荷载分项系数； WW风荷载分项系数；风荷载分项系数； EhEh水平地震作用分项系数；水平地震作用分项系数； EvEv竖向地震作用分项系数；竖向地震作用分项系数； WW风荷

24、载的组合值系数，风起控制作用时取风荷载的组合值系数，风起控制作用时取0.200.20 ( (一般结构取一般结构取0 0）3.5 结构抗震验算截面抗震验算地震作用标准值的效应SEhk、SEvk（1）组合前的调整）组合前的调整 高振型影响的调整。 出屋面小建筑的内力增大。 结构薄弱层楼层剪力增大。 楼层剪重比调整（最小地震剪力系数要求） 扭转影响的调整。（2）组合后的调整）组合后的调整 强柱弱梁，调整柱的弯矩设计值。 “强剪弱弯”，调整柱、梁和抗震墙的剪力设计值。 “强节点弱构件”，调整框架节点核芯区的剪力设计值。 抗震墙弯矩设计值的调整等。 2、截面抗震验算 考虑地震作用的组合时考虑地震作用的组

25、合时 SR/SR/RERE R结构构件承载力设计值 v 地震作用下，构件承受反复作用力及变形，承载力R要降低v 抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数； RE 承载力抗震调整系数，考虑到地震作用的偶然性与短时性，对承载能力作相应的调整。按表3-19采用。3.5 结构抗震验算截面抗震验算3.5 结构抗震验算抗震变形验算抗震变形验算：多遇地震作用下的结构抗震变形验算罕遇地震作用下的结构抗震变形验算多遇地震作用下的结构抗震变形验算：结构楼层内的最大层间弹性位移uee h3.5 结构抗震验算抗震变形验算 结结 构构 类类 型型 e 框框 架架 1 1550550框架一剪力墙、框架框架一剪力墙、框架核心筒、核心筒、板柱板柱剪力墙剪力墙1 1800800筒中筒、剪力墙筒中筒、剪力墙1 110001000框