结构抗震设计PPT学习教案

1、会计学1结构抗震设计结构抗震设计n3.6 结构的地震扭转效应n3.8 结构竖向地震作用n3.10 结构的抗震验算本章是全课的重点！第1页/共68页第2页/共68页设防安全要求的关键步骤。由于地震作用的复杂性和地震作用发生的强度的不确定性，以及结构和体形的差异等，地震作用的计算方法是不同的。第3页/共68页n于结构上的等效水平静力F，其大小n等于结构重力荷载G的k倍，即GkxgGxmFgg maxmax gxkg max 地震系数：反映震级、震中距、地基等的影响)(txg m)(txmg 第4页/共68页以实际地震记录求得的加速度反应谱，提出的“弹性反应谱理论”。第5页/共68页重力荷载的代表值

2、。:G）特性，如周期、阻尼等动力系数(反映结构的: GKF 按静力计算方法计算结构的地震效应。由于反应谱理论正确而简单地反映了地震特性以及结构的动力特性，从而得到了国际上广泛的承认。实际上到50年代，反应谱理论已基本取代了静力法。目前，世界上普遍采用此方法。 第6页/共68页时程分析法用于大震分析计算，借助于计算机计算。第7页/共68页特别不规则、甲类和超过规定范围的高层建筑：一维或二维时程分析法的补充计算。第8页/共68页个水平方向的分量，然后分别计算这些分量对结构的影响。第9页/共68页)(tx)(txgmm)(gxxm kxxc)(tx：地面（基础）的水平位移：质点对地面的的相对位移：质

3、点的总位移：质点的绝对加速度)()(txtxg )()(txtxg )(txg取质点为隔离体，作用在质点上的力惯性力：弹性恢复力：阻尼力：（粘滞阻尼理论）)(txcR )()(txtxmIg )(tkxS 第10页/共68页 )()()()(0)()()()(txmtkxtxctxmtkxtxctxtxmgg 或或进一步简化为：kmcmcmkxxxxg2222 这是一个二阶常系数非齐次微分方程。令方程式左边=0，得该方程的齐次解。非齐次微分方程解由有上述的齐次解和特解两部分组成。第11页/共68页gxxxx 22 ttteFmtx0d)(Edd)(sin)(1)(tttex0d)(gdd)(s

4、in)(1 max0)(gmaxd)(sin)(1)(ttdtextxS 质点相对于地面的最大加速度反应为相对于地面最大位移反应max0)(gmaxd)(sin)()(ttgatexxtxS 第12页/共68页时刻的瞬时惯性力成正比。因此可认为这一相对位移是在惯性力的作用下引起的，惯性力对结构体系的作用和地震对结构体系的作用效果相当，可认为是一种反映地震影响效果的等效力，利用它的最大值来对结构进行抗震验算，就可以使抗震设计这一动力计算问题转化为相当于静力荷载作用下的静力计算问题。 )()(txtxmIg 0)()()()( tkxtxctxtxmg )()()()()(tkxtkxtxctxt

5、xmg 第13页/共68页质点相对于地面的最大加速度反应为max0)(gmaxd)(sin)()(ttgatexxtxS max0)(2g)(2sin)(2 ttTdtTexT 质点的绝对最大加速度取决于地震时地面运动加速度、结构的自振周期及结构的阻尼比。在阻尼比、地面运动确定后，最大反应只是结构周期的函数。单自由度体系在给定的地震作用下某个最大反应与体系自振周期的关系曲线称为该反应的地震反应谱。 曲线被称为加速度反应谱 。 aS第14页/共68页期的增大其反应逐渐衰减，而且渐趋平缓。根据反应谱曲线，对于任何n一个单自由度弹性体系，如果n已知其自振周期和阻尼比，就n可以从曲线中查得该体系在特n

6、定地震记录下的最大加速度。第15页/共68页1、把水平地震作用的基本公式变换为重力加速度之比。 动的最大加速度与地震系数，表示地面运 g(t)xk0 kGgtxtxSmgmStxtxmFaa )()()()(00max0 基本烈度 6 7 8 9 设计基本地震加速度值 0.05g 0.1g 0.2g 0.4g 0.05 0.1 0.2 0.4 规范根据烈度所对应的地面加速度峰值进行调整后得到地震系数k与地震烈度的关系表第16页/共68页max0)(txSa max0)(20max0)(2sin)()(12ttTdtTextxT 与T的关系曲线称为谱曲线，实质也是一条加速度反应谱曲线。速度放大了

7、多少倍。加速度比地面最大加力效应，质点最大绝对度之比。即表示由于动大加速大绝对加速度与地面最动力系数，是单质点最 )(0txSa maxmaxmaxmax( )()gagagFF tm xxm SxSmggxFGKG 第17页/共68页震记录的反应谱曲线，然后统计求出的最有代表性的平均曲线。周期（ ）加速度（ ）周期（ ）加速度（ ）标准化第18页/共68页kgSa kGgtxtxSmgmSFaa )()(00 因GF 则水平地震力第19页/共68页)(sT0 1 . 0gTgT50 . 6max2max45. 0max2)(TTgmax12)5(2 . 0gTT2、各系数意义（1）（2）设计

8、地震设计地震分组分组场场 地地 类类 别别IIIIIIIV第一组第一组0.250.350.450.65第二组第二组0.300.400.550.75第三组第三组0.350.450.650.90（3）Tg为特征周期值，与场地类别和地震分组有关，见下表。T-结构周期；-地震影响系数；第20页/共68页 55 . 005. 09 . 0 曲线下降段的衰减指数00, 8/ )05. 0(02. 0111 时时，取取当当 1.706. 005. 0155. 055. 02222 时，取时，取阻尼调整系数，)(sT0 1 . 0gTgT50 . 6max2max45. 0max2)(TTgmax12)5(2

9、 . 0gTT第21页/共68页地震影响系数最大值（阻尼比为0.05）1.400.90(1.20)0.50(0.72)-罕遇地震0.320.16(0.24)0.08(0.12)0.04多遇地震 9 8 7 6地震影响烈度 括号数字分别对应于设计基本加速度0.15g和0.30g地区的地震影响系数maxmaxmaxmaxmax45. 01252 k.,k此时,与地面加速度相等，即其加速度0时，结构为一刚体，T注意：当结构自振周期表见 水平地震系数的最大值max下下：)(sT0 1 . 0gTgT50 . 6max2max45. 0max2)(TTgmax12)5(2 . 0gTT第22页/共68页

10、 在进行建筑结构的动力分析时，对于质量比较分散的结构，为了能够比较真实地反映其动力性能，可将其简化为多质点体系，并按多质点体系进行结构的地震反应分析。一般n层结构有n个质点，n个自由度。第23页/共68页m1m2mimNxixg(t)Ni, 2 , 1）giiixxmI (惯性力弹性恢复力niniiixkxkxkS2211阻尼力niniiixcxcxcR2211运动方程giinjijnjiijiixmxkxcxm 11 )(txImxkxcxmg 第24页/共68页1( )( )nijijjxtX qt 3( )2( )1( )1213111(t)1(t)2122232(t)3132333+第

11、25页/共68页。与与第第二二振振型型所所占占的的分分量量时时刻刻的的变变位位中中第第一一振振型型一一义义坐坐标标，表表示示在在质质点点任任是是时时间间的的函函数数，称称为为广广、来来表表示示，即即：其其两两个个振振型型的的线线性性组组合合用用和和的的位位移移在在地地震震作作用用下下任任一一时时刻刻和和将将质质点点)()()()()()()()()()(21222121221211112121tqtqXtqXtqtxXtqXtqtxtxtxmm 以两个自由度线性体系为例 )(txImxkxcxmg 代入运动方程第26页/共68页 值值。时时的的即即当当各各质质点点位位移移振振型型的的振振型型参

12、参与与系系数数。体体系系在在地地震震反反应应中中第第式式中中理理后后得得刚刚度度矩矩阵阵的的正正交交性性，整整根根据据振振型型对对质质量量矩矩阵阵和和，得得：将将上上式式等等号号两两边边各各乘乘以以故故得得：比比例例常常数数、式式中中的的耦耦合合，即即令令：条条件件，以以消消除除振振型型之之间间阻阻尼尼矩矩阵阵亦亦能能满满足足正正交交合合，从从而而使使阵阵和和刚刚度度矩矩阵阵的的线线性性组组假假定定阻阻尼尼矩矩阵阵是是质质量量矩矩jnjjnijiinijiijTjTjjjjjjjjTjTjTjTjTjqxxxxjXmXmXmXmXnjxqqqxmXqXkXqXkmXqXmXXxmqXkqXkm

13、qXmkmc11), 2, 1(;21121022210210212121 第27页/共68页 222221112121210222122),2,1(22 解解得得：阻阻尼尼比比确确定定，即即由由下下式式型型的的频频率率和和通通常常根根据据第第一一、第第二二振振、系系数数振振型型的的阻阻尼尼比比，对对应应于于式式中中则则上上式式可可写写成成令令：jnjxqqqjjjjjjjjjjj 02221xqqqjjjjjj 第28页/共68页。的的中任一质点中任一质点在地震作用下其在地震作用下其得的多自由度弹性体系得的多自由度弹性体系这就是用振型分解法求这就是用振型分解法求将解代回式得：将解代回式得：。

14、相应的相应的自由度体系称作与振型自由度体系称作与振型下的位移反应，这个单下的位移反应，这个单反应反应的单自由度体系在地震的单自由度体系在地震、自振频率为、自振频率为相当于阻尼比为相当于阻尼比为式中式中或写为：或写为：可写出式的解：可写出式的解：动微分方程的解，动微分方程的解，参照单自由度体系的运参照单自由度体系的运位移公式振子injjijjnjjijijjtjtjjjjjtjtjjjmXtXtqtxjdtextttqdtextqjjjj 110)(00)(0)()()()(sin)(1)()()()(sin)()( 第29页/共68页第30页/共68页 地震作用效应。地震作用效应。应，以求得结

15、构的最大应，以求得结构的最大效应，然后组合这些效效应，然后组合这些效相应的地震作用相应的地震作用型的最大地震作用及其型的最大地震作用及其一般采用先求出每一振一般采用先求出每一振算繁琐，算繁琐，最大地震作用。由于计最大地震作用。由于计的最大值就是设计用的的最大值就是设计用的线上线上时程曲线。曲时程曲线。曲随时间变化的曲线，即随时间变化的曲线，即根据上式作出根据上式作出速度。速度。振型相应振子的绝对加振型相应振子的绝对加与第与第的相对加速度；的相对加速度；质点质点地面运动的加速度；地面运动的加速度；式中式中)()()()()()()()()()()(00010tFtFjttxitxtxttxXmt

16、xtxmtFiijijnjjijiiii 第31页/共68页 。质点的重力荷载代表值质点的重力荷载代表值集中于集中于即振型位移；即振型位移；质点的水平相对位移，质点的水平相对位移，振型振型的振型参与系数；的振型参与系数；振型振型的地震影响系数；的地震影响系数；振型自振周期振型自振周期相应于第相应于第式中式中则上式写为：则上式写为：令令绝对最大标准值：绝对最大标准值：质点上的水平地震作用质点上的水平地震作用振型第振型第作用在第作用在第iGijXjTjGXFgmGgttxttxXmFijijijjjijijjjiiijjjjijiji max0max0)()()()( 用1、振型的最大地震作第32

17、页/共68页和变形。和变形。的作用效应，包括内力的作用效应，包括内力振型水平地震作用产生振型水平地震作用产生水平地震作用效应；水平地震作用效应；式中式中即：即：”的方法确定，”的方法确定，近似采用“平方和开方近似采用“平方和开方结构总的地震作用效应结构总的地震作用效应也达最大值。则也达最大值。则震作用及效应并不一定震作用及效应并不一定值时，其他各振型的地值时，其他各振型的地的效应）达最大的效应）达最大的地震作用（使其相应的地震作用（使其相应但任一时刻当某一振型但任一时刻当某一振型也是最大值。也是最大值。变形），这里的变形），这里的（弯矩、剪力、轴力、（弯矩、剪力、轴力、用效应用效应震作震作后，

18、就可计算结构的地后，就可计算结构的地质点上的最大地震作用质点上的最大地震作用振型振型求出求出jSSSSSSijjjjj 22、振型组合第33页/共68页层的重力荷载代表值。层的重力荷载代表值。第第的增大系数；的增大系数；尚应乘以尚应乘以规则结构的薄弱层，规则结构的薄弱层，向不向不规范规定的数值，对竖规范规定的数值，对竖剪力系数，不应小于剪力系数，不应小于标准值的楼层剪力；标准值的楼层剪力；层对应于水平地震作用层对应于水平地震作用第第jGiVGVjEkinijjEki1.15 第34页/共68页点体系的结构，可以采用底部剪力法。假定：位移反应以第一振型为主，为一直线。第35页/共68页GeqGi

19、GeqFekFekGiFi第36页/共68页eqEkGF1 1 对应基本周期的地震影响系数，对于多层砌体房屋、底部框架和多层内框架砖房，可取水平地震影响系数最大值； Geq 结构等效总重力荷载代表值，c等效系数；单质点：c=1；多质点：c=0.85eqiGcG GeqGi第37页/共68页1HkHH1G1GkHknF1FkFiiiiGxFF1111iiGH11nkkknkkEKGHFF11111nkkkGH111nkkkEKGHF111/EKnkkkiiiFGHGHF1地震作用下各楼层水平地震层间剪力为 nikkiFV1iixH 的结构。的结构。适用于基本周期适用于基本周期gTT4 . 11

20、第38页/共68页gTT4 . 11 H1G1GkHk1HkHnF1FkF)1(1nEKnkkkiiiFGHGHFeqEkGF1EKnnFF第39页/共68页gTT4 . 11gTT4 . 11)(sTg35. 055. 035. 055. 007. 008. 01T01. 008. 01T02. 008. 01T000顶部附加地震作用系数n 顶部附加地震作用系数，多层内框架砖房0.2,多层钢混、钢结构房屋按下表,其它可不考虑。 当房屋顶部有突出屋面的小建筑物时，上述附加集中水平地震作用应置于主体房屋的顶层而不应置于小建筑物的顶部，但小建筑物顶部的地震作用仍可按上式计算。第40页/共68页为了

21、简化计算，抗震规范规定，当采用底部剪力法计算这类小建筑的地震作用效应时，宜乘以增大系数3，但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；当采用振型分解法计算时，突出屋面部分可作为一个质点 。第41页/共68页震害调查表明，扭转作用会加重结构的破坏，并且在某些情况下还将成为导致结构破坏的主要因素。m)(tug质心刚心第42页/共68页1.31.151.05第43页/共68页各楼层可取两个正交的水平移动和一个转角共3个自由度，然后按振型分解法计算地震作用和作用效应。确有依据时，也可采用简化计算方法确定地震作用效应。具体计算方法可参照规范进行。第44页/共68页较高的高层建筑，其竖向地

22、震作用在结构上部可达其重量的40以上。抗震规范规定，对于烈度为8度和9 度的大跨和长悬臂结构、烟囱和类似的高耸结构以及9度时的高层建筑等，应考虑竖向地震作用的影响。第45页/共68页n2高耸结构和高层建筑竖向第一振型的地震内力与竖向前5个振型按平方和开方组合的地震内力相比较，误差仅在5%-15%。此外，竖向第一振型的数值大致呈倒三角形式，基本周期小于场地特征周期。因此，高耸结构和高层建筑竖向地震作用可按与底部剪力法类似的方法计算，即先求出结构的总竖向地震作用。maxmax0.65vH第46页/共68页eqVEVKGFmax ieqGG75.0maxmax65.0HV 结构总竖向地震作用标准值；

23、EVKFmaxmax,HV 竖向、水平地震影响系数最大值。H1G1HinGiGEVKFViFEVKnjjjiiViFHGHGF 1质点i的竖向地震作用标准值。规范要求：9度时，高层建筑楼层的竖向地震作用效应应乘以1.5的增大系数。第47页/共68页0.250.250.2090.13(0.19)0.13(0.19)0.10(0.15)80.200.150.1590.10(0.15)0.08(0.12)可不计算（0.10)8、 钢筋混凝土屋架平板型网架钢屋架结构类型烈度场地类别viviFG iGv 第48页/共68页0.1(0.2)viiFG 或或iviGF15. 0 第49页/共68页相交角度大

24、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，应考虑双向水平地震作用下的扭转影响其他情况宜采用调整地震作用效应的方法考虑扭转影响。8度和9度时的大跨度结构、长悬臂结构，9度时的高层建筑，应考虑竖向地震作用。第50页/共68页遇地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。烈度、场地类别烈度、场地类别房屋高度范围（房屋高度范围（m）8度度、类场地和类场地和7 7度度 100 8度度、类场地类场地 80 9度度 60第51页/共68页数数，查查规规范范表表取取值值。个个可可变变荷荷载载的的组组合合值值系系第第个个可可变变

25、荷荷载载的的标标准准值值；结结构构或或构构件件第第载载标标准准值值；结结构构或或构构件件的的永永久久荷荷iiQGQGGEiKiKKiEiKE 抗震计算时重力荷载代表值集中到每个楼层质点处。第52页/共68页n截面承载力验算按下式进行：RERS/S包含地震作用效应的结构构件内力组合的设计值；R结构构件承载力设计值； 承载力抗震调整系数，用以反映不同材料和受力状态的结构构件具有不同的抗震可靠指标。 其值查表采用。当仅考虑竖向地震作用时，对各类构件均取为1.0。RE第53页/共68页竖向地震作用分项系数，应按下表采用；WkWWEvkEvEhkEhGEGSSSSSG EvEh 、地震作用分项系数 0.

26、51.3同时计算水平与竖向地震作用1.30.0仅计算竖向地震作用0.01.3仅计算水平地震作用地震作用Eh Ev 第54页/共68页的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；n风荷载标准值的效应；n风荷载组合值系数，一般结构取0.0，风荷载起控制作用的高层建筑应采用0.2。WkWWEvkEvEhkEhGEGSSSSSEvkSWkSW GESEhkSW 第55页/共68页其层间弹性位移不超过一定的限值，以免非结构构件(包括围护墙、隔墙和各种装修等)在多遇地震作用下出现破坏，保证小震不坏。第56页/共68页 计算楼层层高。计算楼层层高。，查规范表采用；，查规范表采用；弹性层间位移角限值弹性层间位移

27、角限值刚度；刚度；的截面刚度可采用弹性的截面刚度可采用弹性。钢筋混凝土结构构件。钢筋混凝土结构构件各作用分项系数取各作用分项系数取形。形。整体弯曲变形和扭转变整体弯曲变形和扭转变建筑外，不应扣除结构建筑外，不应扣除结构以弯曲变形为主的高层以弯曲变形为主的高层间位移，计算时除间位移，计算时除产生的楼层最大弹性层产生的楼层最大弹性层多遇地震作用标准值多遇地震作用标准值huhueeee 1.0 2）验算公式 楼层内最大弹性层间位移应符合下式第57页/共68页第i层的层间位移；)(iue 第i层的侧移刚度；iK第i层的水平地震剪力标准值。)(iVeieeKiViu/ )()( 第58页/共68页下的变形能力，判断结构是否具有足够的安全性。n2）验算范围经过第一阶段抗震设计的结构，构件已经具备了必要的延性，多数构件可以满足在罕遇地震下不倒塌的要求；对某些处于特殊条件的结构，尚须计算其在罕遇地震作用下的变形，即进行第二阶段抗震设计，以考察安全性。第59页/共68页地震作用下薄弱层的弹塑性变形验算的结构，详见规范。第60页/共68页范规定的不规则结构应采用空间结构模型。n4）结构弹塑性层间位移的简化计算方法n计算各楼层的屈