建筑概念设计之抗震设计内容2

1、建筑抗震概念设计徐 军博士、教授级高工 二O一五年四月十八日讲授内容 一、建筑抗震设防目标； 二、抗震概念设计主要内容： 三、地震震害分析与启示。 二 抗震概念设计主要内容（一）工程结构的场地选择（二）建筑物的平立面布置（三）结构选型与结构布置（四）设置多道抗震防线（五）保证结构的整体性等（五）抗震结构整体计算1轴压比：主要为控制结构的延性，规范对墙肢和柱均有相应限值要求。2周期比：主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响。3剪重比：主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性。4刚度比：主要为控制结构竖向规则性，以免竖向刚度突变，形成薄弱层。5位移比：主要为控制结构平面规则性，以

2、免形成扭转，对结构产生不利影响。6刚重比：主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆。1、轴压比 结构体系中，柱及剪力墙都是最主要的承重构件，为了使结构具有较好的抗侧力性能，结构设计时，应该保证柱及剪力墙有足够的承载力和必要的延性。 控制柱及剪力墙构件的轴压比就是保证其有足够延性的关键性指标。柱轴压比规范条文 柱轴压比是影响柱子竖向构件破坏形态和延性的主要因素之一。试验表明，柱的位移延性随轴压比增大而急剧下降。尤其在高轴压比条件下，箍筋对柱的变形能力的影响越来越不明显。随轴压比的大小，柱将呈两种破坏形态，即混凝土压碎而受拉钢筋并未屈服的小偏心受压破坏，和受拉钢筋首先屈服具有较好延性的大偏心

3、受压破坏。框架柱的抗侧力设计一般应控制在大偏心受压破坏范围。 所以，结构设计时我们应该控制柱的轴压比。抗震规范第637条，建造于类场地且较高的高层建筑，柱轴压比限值应适当减小；高规第642条；混凝土规范第11 416条。柱轴压比估算柱截面1)、估算公式：Ac=Nc/(u*fc) 其中：a-轴压比（一级0.65、二级0.75、三级0.85，短柱减0.05） fc-砼轴心抗压强度设计值 Nc-估算柱轴力设计值 2)、柱轴力设计值：Nc=1.25CN 其中：N-竖向荷载作用下柱轴力标准值（已包含活载） -水平力作用对柱轴力的放大系数 七度抗震：=1.05、八度抗震：=1.10 C-中柱C1、边柱C1

4、.1、角柱C1.2 估算柱截面3）、竖向荷载作用下柱轴力标准值：N=nAq 其中：n-柱承受楼层数 A-柱子从属面积 q-竖向荷载标准值（已包含活载） 框架结构：1012（轻质砖）、1214（机制砖） 框剪结构：1214（轻质砖）、1416（机制砖） 筒体、剪力墙结构：1518 单位：KN/(M*M) 4）、适用范围 轴压比控制小偏心受压或轴心受压柱的破坏，因此适用于高层建筑中的底部楼层柱截面的估算。普通钢筋混凝土柱钢筋混凝土柱的设计,一般首先根据规范有关规定确定柱子的轴压比，由此初选柱子截面尺寸，再进行整体结构分析、构件内力组合和配筋计算、构造设计等。对多层及小高层建筑的底层柱，应首选普通钢

5、筋混凝土柱,由于柱子轴向力不是很大，多数情况下柱子既可满足规范规定的轴压比限值,截面尺寸又不致很大。很多层数为2030层的高层建筑,采用C50C60级混凝土,也能很好地满足设计要求。普通钢筋混凝土柱是目前高层建筑中使用最多的柱子类型。由于大家都比较熟悉，这里不再赘述。高强钢筋混凝土柱由柱轴压比计算公式可知,当N(轴压力)、(轴压比)一定时,要减小A(截面尺寸),可加大fc(混凝土强度等级),即采用高强钢筋混凝土柱。其设计方法和普通钢筋混凝土柱完全一致。据分析采用C60C80高强度混凝土可以减小柱截面面积约30%左右(与C40相比)，目前不少高层建筑底部柱多采用C60混凝土，效果较好。但高强混凝

6、土延性差，容易造成柱子的脆性破坏，混凝土强度越高,其延性越差,须配置较多的箍筋约束混凝土,方可使其具有较好的延性和抗震性能。高规表6.4.2注2规定: 当混凝土强度等级为C65C70时，轴压比限值应比表中数值减小0.05，当混凝土强度等级为C75C80时，轴压比限值应比表中数值减小0.10。这就不同程度地降低了采用高强混凝土减小柱截面尺寸的效果。同时,在长期荷载下柱子的徐变也较大，故建议少用或不用。目前国内采用C65以上高强混凝土柱的高层建筑尚很少见。配有螺旋箍筋的钢筋混凝土柱混凝土处于三向受压状态，不仅可提高其强度，还可提高其延性。配有螺旋箍筋的钢筋混凝土柱正是利用了混凝土的这个性质。现行规

7、范虽未给出柱的承载力计算方法和设计方法,但对其延性的提高有规定(高规表6.4.2注4):当沿柱全高采用井字复合箍且箍筋肢距不大于200mm，间距不大于100mm，直径不小于12mm，轴压比限值可增加0.10；当沿柱全高采用复合螺旋箍筋，箍筋肢距不大于200mm，螺距不大于100mm，直径不小于12mm，或沿柱全高采用连续复合螺旋箍筋，箍筋肢距不大于200mm，螺距不大于80mm，直径不小于10mm，轴压比限值可增加0.10。显然，按增大后的轴压比也可以减小柱子截面尺寸。但须注意：1). 柱长细比L0/h应2 ; 短柱：1.52; 极短柱：1.5 判别长短柱，主要的原因： 试验表明：长柱一般发生

8、弯曲破坏； 短柱多数发生剪切破坏； 极短柱发生剪切斜拉破坏，这种破坏属于脆性破坏。 抗震设计的框架结构柱，柱端剪力一般较大，从而剪跨比较小，易形成短柱或极短柱，产生斜裂缝导致剪切破坏。 柱的剪切受拉和剪切斜拉破坏属于脆性破坏，在设计中应特别注意避免发生这类破坏。通常要注意比如说：剪跨比不大于2的一级框架柱，为每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%；短柱的箍筋要全高加密；短柱的轴压比取值要注意降低0.05等。柱剪压比 定义：截面上平均剪应力与混凝土轴心抗压强度设计值的比值，用于说明截面上承受名义剪应力的大小。 控制剪压比的原因： 剪压比主要是控制名义剪力。梁柱截面上的名义剪应力V/BH0 与混凝土轴

9、心抗压强度设计值的比值：梁塑性铰区的截面剪压比对梁的延性、耗能能力及保持梁的强度、刚度有明显的影响， 当剪压比大于 0.15 的时候，梁的强度和刚度有明显的退化现象，此时再增加箍筋用量，也不能发挥作用，因此对梁柱的截面尺寸有所要求。 在这种情况下，必须控制截面上的名义剪力，先阻止它发生剪压破坏，再然后配钢筋，阻止它剪拉破坏。所以你看剪切计算公式都有两个，里面一个是只和混凝土有关的，一个是和混凝土与钢筋同时有关的，就是一个在阻止剪压破坏，一个在阻止剪拉破坏。 因此这里的三个比都是为了控制不出现脆性破坏。只有保证各个重要构件不出现脆性破坏，才能保证整个结构体系不出现脆性破坏。剪力墙轴压比试验表明，

10、抗震墙在周期反复荷载作用下的塑性变形能力，与截面纵向钢筋的配筋、端部边缘构件范围、端部边缘构件内纵向钢筋及箍筋的配置，以及截面形状、截面轴压比等因素有关，而墙肢的轴压比是更重要的影响因素。当轴压比较小时，即使在墙端部不设约束边缘构件，抗震墙也具有较好的延性和耗能能力：而当轴压比超过一定值时，不设约束边缘构件的抗震墙，其延性和耗能能力降低。因此，结构设计时我们应该控制剪力墙的轴压比。规范条文抗震规范第645条、高规第7214条和混凝土规范第11713条，规定了剪力墙轴压比的限值。如高规第72。14条抗震设计时，一、二级抗震等级的剪力墙底部加强部位，其重力荷载代表值作用下墙肢的轴压比不宜超过表4的

11、限值。高规第725条规定：矩形截面独立墙肢的截面高度hw不宜小于截面厚度bw的5倍；当h、Vbw小于5时，其在重力荷载代表值作用下的轴压力设计值的轴压比，一、二级时不宜大于高规表7214的限值减01，三级是不宜大于0.6剪力墙轴压比2、周期比 周期比是控制结构扭转效应的重要指标。它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理，使结构不至于出现过大的扭转。也就是说，周期比不是要求结构足够结实，而是要求结构承载布局合理。 JGJ 3-2010第345条对结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比的要求给出规定。 结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比，A

12、级高度高层建筑不应大于09，B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于085。 周期比不满足时的调整方法： 1）程序调整：SATWE程序不能实现。 2）人工调整：只能通过人工调整改变结构布置，提高结构的扭转刚度；总的调整原则是加强结构外围墙、柱或梁的刚度，适当削弱结构中间墙、柱的刚度。 周期比调整方法 第一或第二振型为扭转时的调整方法： 1）SATWE程序中的振型是以其周期的长短排序的。 2）结构的第一、第二振型宜为平动，扭转周期宜出现在第三振型及以后。见抗规第3.5.3条3款及条文说明“结构在两个主轴方向的动力特性(周期和振型)宜相近”。 3）当第一振型为扭转时，说明结构的扭转

13、刚度相对于其两个主轴（第二振型转角方向和第三振型转角方向，一般都靠近X轴和Y轴）方向的侧移刚度过小，此时宜沿两主轴适当加强结构外围的刚度，并适当削弱结构内部的刚度。 4）当第二振型为扭转时，说明结构沿两个主轴方向的侧移刚度相差较大，结构的扭转刚度相对其中一主轴（第一振型转角方向）的侧移刚度是合理的；但相对于另一主轴（第三振型转角方向）的侧移刚度则过小，此时宜适当削弱结构内部沿“第三振型转角方向”的刚度，并适当加强结构外围（主要是沿第一振型转角方向）的刚度。 5）在进行上述调整的同时，应注意使周期比满足规范的要求。 6）当第一振型为扭转时，周期比肯定不满足规范的要求；当第二振型为扭转时，周期比较

14、难满足规范的要求。 算例1 周期比调整工程概况： 某工程为一幢高层住宅建筑，纯剪力墙结构，结构外形呈对称Y形。一层地下室，地上共23层，层高2.8m。工程按8度抗震烈度设防，地震基本加速度为0.2g,建筑抗震等级为二级，计算中考虑偶然偏心的影响。其结构平面图如图1所示。 构平面图如图1所示。 算例1初步设计这个工程的主要特点是：（1）每一个楼层沿Y向对称。（2）结构的角部布置了一定数量的角窗 。（3）结构平面沿Y向凹进的尺寸10.2m， Y向投影方向总尺寸为22.3m。开口率达45%，大于相应投影方向总尺寸的30%，属于平面布置不规则结构，对结构抗震性能不利。本工程在初步设计时，结构外墙取25

15、0厚，内墙取200厚。经试算结果：结构周期：T1=1.4995s，平动系数：0.21(X)，扭转系数：0.79T2=1.0954s，平动系数：0.79(X)，扭转系数：0.21T3=1.0768s，平动系数：1.00(Y)，扭转系数：0.00周期比：T1/T2=1.37，T1/T3=1.39最大层间位移比：1.54最大值层间位移角: 1/1163通过对上述计算结果的分析可以看出，该结构不仅周期比大于规范规定的0.9限值，而且在偶然偏心作用下的最大层间位移比也超过1.5的最高限值 经过分析我们得知，之所以产生这样的结果，主要是由于结构的抗扭转能力太差引起的。算例1 拉梁与连接板为了有效地提高结构

16、的抗扭转能力，经与建筑协商，在该结构的深开口处每隔3层布置两道高1m的拉梁，拉梁间布置200mm厚的连接板算例1 第一步调整经过上述调整后，计算结果如下：T1=1.3383s，平动系数：0.22(X)，扭转系数：0.78T2=1.0775s，平动系数：0.78(X)，扭转系数：0.22T3=1.0488s，平动系数：1.00(Y)，扭转系数：0.00周期比：T1/T2=1.24，T1/T3=1.28最大层间位移比：1.48最大值层间位移角: 1/1250.从上述结果中可以看出，由于设置了拉梁和连接板，使结构的整体性有所提高，抗扭转能力得到了一定的改善。结构的周期比和位移比均有所降低，但仍不满足

17、要求。经过分析得知，一方面，必须进一步提高结构的抗扭转能力以控制周期比；另一方面，结构的最大位移值出现在角窗部位，因此，控制最大位移值就成为改善位移比的关键。算例1 第二步调整 为此，对本工程采取如下措施：（1）尽量加大将周边砼构件的刚度。具体做法是将结构外围剪力墙厚增加到300以提高抗扭转能力。（2）将角窗处的折梁按反梁设计，其断面尺寸由原来的200*310改为350*1000，从而控制其最大位移。（3）将外墙洞口高度由2490mm降为2000mm，以增大周边构件连梁的刚度。（4）加大结构内部剪力墙洞口的宽度和高度，以降低结构内部的刚度。经过上述调整后，计算结果如下：T1=1.0250s，平

18、动系数：1.00(X)，扭转系数：0.00T2=0.9963s，平动系数：1.00(Y)，扭转系数：0.00T3=0.8820s，平动系数：0.00， 扭转系数：1.00周期比：T3/T1=0.86； T3/T2=0.88最大层间位移比：1.29最大值层间位移角: 1/1566算例1 计算结果该工程最大最大层间位移比为1.29，根据复杂高层建筑结构设计建议的表7.2.31(如下表所示)可知，本工程在小震下最大水平层间位移角限值为1/1240，满足要求。扭转变形指标=Umax/U 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8中震下最大水平层间位移角限值/0 2.8 2.26 1.81

19、1.4 1.05 0.74 0.47小震下最大水平层间位移角限值/0 1 1/1.24 1/1.55 1/2 1/2.67 1/3.78 1/6通过以上调整后，可以看出结构的整体抗扭转能力得到了很大的提高，周期比和位移比都能满足规范要求，设计合理。对于角窗结构，宜在角窗处的楼板内设置暗梁等措施以提高结构端部的整体性。算例2 某超高层商办楼，主楼41层，结构高度为.m，地下室共层，深19.5m。结构体系为钢筋混凝土筒体和框架组成的钢混结构体系，框架由钢骨混凝土(SRC)柱和钢柱组成。本工程按度抗震烈度设防，建筑抗震等级按二级，因工程平面体形复杂，构造措施按一级其结构平面图如图1所示：算例2 工程

20、特点 本工程筒体刚度大，但延性较差。结构初算侧移很小，但平扭周期比偏大，在地震作用下质心与其它角点以及与边缘点的位移比亦不满足要求。究其原因，因筒体偏离整个平面较大，中部联接板带尺寸过小。调整方法a、剪力墙核心筒开计算洞以降低刚度；b、结构角部加水平隅撑以加强结构边缘节点的约束；c、薄弱层楼板加厚以提高楼板刚度，增加结构水平的协调能力。d、筒体内主要角部暗埋了竖向H型钢，在周边连梁内暗埋H型钢 ，以提高筒体的延性。结构自振周期计算结果如下表所示： Mode No Period Angle Movement Torsion 1 4.8103 14.53 0.93 0.07 2 3.8697 97

21、.38 0.85 0.15 3 3.1442 136.60 0.23 0.77周期比：T3/T1=0.653；T3/T2=0.813；地震作用下的位移比均小于1.4；地震作用下的最大层间相对位移：X向为1/1220， Y向为1/1328。基本周期自振周期T：结构按某一振型完成一次自由振动所需的时间，是结构固有的特性。基本周期T1：结构按基本振型完成一次自由振动所需的时间。通常需要考虑两个主轴方向的和扭转方向的基本周期。设计特征周期Tg：抗震设计用的地震影响系数曲线的下降阶段起始点所对应的周期值，与地震震级、震中距和场地类别等因素有关。场地卓越周期Ts：根据场地覆盖层厚度H和土层平均剪切波速Vs

22、计算的周期，表示场地土最主要的振动特征。场地卓越周期只反映场地的固有特征，不等同于设计特征周期。场地脉动周期Tm：应用微震仪对场地的脉动、又称为”常时微动”进行观测所得到的振动周期。场地脉动周期反映了微震动情况下场地的动力特征，与强地震作用下场地的动力特性既有关系又有区别。基本周期计算理论方法： 1.单质点体系结构 2.多层建筑的能量法 3.等截面悬臂杆经验公式 E.1.1 一般情况 T1=(0.0070.013)H 钢结构可取高值，钢筋混凝土结构可取低值。 框架结构： T=（0.08-0.10）N 框剪结构、框筒结构：T=（0.06-0.08）N 剪力墙结构、筒中筒结构：T=（0.05-0.

23、06）N 其中N为结构层数。 也可采用结构分析得到的结构第1平动周期。基本周期控制用PKPM的SATWE结构整体分析后，一定要在分析结果的周期、地震力与振型输出文件WZQOUT中校核自振周期T1是否在上述范围。如果计算结果偏离上述数值太远，应考虑工程的刚度是否合适，截面是否太大、太小，剪力墙数量是否合理，应适当予以调整。反之，如果截面尺寸、结构布置都正常，无特殊情况而偏离太远，则应检查输入数据是否有错误。3、剪重比建筑抗震设计规范GB50011-2010，5.2.5条，明确规定了抗震设计剪重比的概念： 5.2.5 抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力应符合下式抗震验算时，结构任一楼层的水平地

24、震剪力应符合下式要求：要求： VEKi Gj 式中： VEKi 第i层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力 剪力系数，不应小于表5.2.5规定的楼层最小地震剪力系数值，对竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以1.15的增大系数 Gj第j层的重力荷载代表值表5.2.5楼层最小地震剪力系数值 注：1 基本周期介于3.5s和5s之间的结构，按插值法取值；2 括号内数值分别用于设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区。类别6度7度8度9度扭转效应明显或基本周期小于3.5s的结构0.0080.016(0.024) 0.032(0.048)0.064基本周期大于5.0s的结构0.0060.012(0.01

25、8) 0.024(0.036)0.048 水平地震作用计算确定地震作用的方法可分为静力法、反应谱法和时程分析法三大类。多自由度体系可以按振型分解方法得到多个振型，通常n 层结构可看成n 个自由度，有n 个振型，则第j 个振型第i质点的等效水平地震力 Fji jj Xji Gi （i ， n，j ， m）用各振型的地震力分别计算结构的内力与位移，然后通过振型组合方法计算各个截面的内力及各层位移即 SEK S剪重比确定原则剪重比确定原则扭转效应明显或基本周期小于扭转效应明显或基本周期小于3.5s结构结构对于扭转效应明显或基本周期小于3.5s的结构，引入剪重比控制条件主要是为了在计算地震力过小时，提

26、高地震剪力，保证结构在抗震时具有足够的安全度。确定楼层最小地震剪力系数值时，针对扭转效应明显或基本周期小于3.5s的结构，剪力系数取0.2_max 。 水平地震影响系数最大值地震影响6度7度8度9度多遇地震0.040.08(0.12)0.16(0.24)0.32罕遇地震0.280.50(0.72)0.90(1.20)1.40基本周期大于基本周期大于3.5s的结构的结构（1）为了在设计计算地震力过小时，提高地震剪力，保证结构在抗震时具有足够的安全度。（2）对于长周期结构，地震影响系数在长周期段下降较快，由此计算所得的水平地震作用下的结构效应可能太小。而对于长周期结构，地震动态作用中的地面运动速度

27、和位移可能对结构的破坏具有更大的影响，但规范所采用的振型分解反应谱法尚无法对此作出估计。出于结构安全的考虑，提出了对结构总水平地震剪力及各楼层水平地震剪力最小值的要求，即规定了不同烈度下的水平地震剪力系数。 当不满足时，结构总剪力和各楼层剪力均需要作适当的调整或改变结构布置以满足要求（3）基本周期大于3.5s的超高层结构一般高度较高，刚度较短周期结构弱。剪重比不满足要求，且底部剪力与要求相差较多时，说明结构刚度弱，刚度应予以增加。剪重比调整方法剪重比指标规定了结构总水平地震剪力及各楼层水平地震剪力的最小值，当不满足时，结构总剪力和各楼层剪力均需要作适当的调整或改变结构布置以满足规范剪重比要求。

28、当底部剪力与规范要求相差较少时（通常地震剪力达到规范剪重比85%），则可仅对剪力作调整；当底部剪力与规范要求相差较多时（通常地震剪力未达到规范剪重比85%），必须先进行结构刚度调整，使地震剪力达到规范剪重比85%以上，然后根据需要进行剪力调整。调整结构地震剪力调整结构地震剪力当底部剪力与要求相差较少时（通常地震剪力达到规范剪重比85%），可仅对剪力作调整，实质上是把剪力放大。放大的方法根据结构基本周期处于地震反应谱不同阶段有所不同。剪重比调整当结构的基本周期位于设计反应谱的加速度控制段时，各楼层均需乘以同样大小的增大系数0/。当结构的基本周期位于设计反应谱的位移控制段时，各楼层均需按底部剪力系

29、数差值0增加该层地震剪力FEKi=0 GEi。当结构的基本周期位于设计反应谱的速度控制段时，增加值应大于FEKi=0 GEi，顶部增加值可取按加速度控制段计算的顶层增加值F1，和位移控制段计算的顶层增加值F2的平均值；底部可取按位移控制段计算的增大值FEKi=0 GEi；其余中间各层增加值按线性分布取值。调整结构刚度调整结构刚度当底部剪力与要求相差较多时（通常地震剪力未达到规范剪重比85%），必须进行结构布置甚至结构体系的调整，使之至少满足规范剪重比85%的要求。实质上是加大结构的整体抗侧刚度，此时需要对结构体系或构件尺寸作较大的改变。 注意事项注意事项满足最小地震剪力是后续抗震计算的前提，只

30、有调整到符合最小剪力要求才能进行相应的地震倾覆力矩、构件内力、位移等计算分析。剪重比调整后，原先计算的地震倾覆力矩、构件内力、位移等均需进行调整。采用时程分析法计算的总地震剪力也需进行剪重比调整。时程分析进行的剪力调整应与剪重比调整相互独立并叠加。影响剪重比的因素影响剪重比的因素综上所述，结构体系内在刚度决定了结构的剪重比，这也是影响结构剪重比最重要的因素。除结构体系本身的刚度外还存在人为主观因素和场地因素。人为主观因素：剪重比调整时，计算地震剪力所采用的阻尼比、周期折减系数规范并未明确规定。例如：混合结构阻尼比取0.035还是0.04；周期折减系数取0.85还是0.9。最终取值可以由设计者掌

31、握，但必须在合理范围。减少阻尼比、减小周期折减系数可以增加地震力，在剪重比相差不多时，此方法可以增加结构剪重比，从而避免了结构体系的调整。场地因素：规范规定的剪重比楼层最小剪力系数不考虑场地土类别，对于同样的结构体系在不同的场地类别中计算的剪重比不同，在场地土较差的场地中，更易满足剪重比要求。规范在制定剪重比指标时宜适当考虑场地因素对剪重比影响。算例3 剪重比调整一中学教学楼，乙类，框架结构，4层，8 度0.2g，每层的重力荷载代表值均为10000kN，竖向规则，无薄弱层，假设调整前的剪力系数前=0.02。详细解答：为了简化计算，顶部附加水平地震不考虑，计算结果均列于后面表中。查抗规5.2.5

32、 条，最小剪力系数=0.032,即后=0.032 ， GE=4*10000=40000 ， FEk= 前*GE=800kN。周期 TTg T 位于加速度控制段（TTg），层间剪力调整最大；各楼层均需乘以同样大小的增大系数，增大系数=后/前=1.6，结果列于表1。表1 加速度控制段计算结果周期 TTg 楼层 调整前Vek 调整后Vek Vek增量 调整前F 调整后F F增量 4 320 512 192 320 512 192 3 560 896 336 240 384 144 2 720 1152 432 160 256 96 1 800 1280 480 80 128 48周期T5TgT 位于

33、位移控制段（T5Tg），层间剪力调整最小，结果列于表2。0=后-前=0.012，FEki0GEi表2 位移控制段计算结果周期T5Tg楼层 调整前Vek 调整后Vek Vek增量 调整前F 调整后F F增量 4 320 440 120 320 440 120 3 560 800 240 240 360 120 2 720 1080 360 160 280 1201 800 1280 480 80 200 120位于速度控制段(TgT5Tg）剪力调整介于两者之间，其中顶层的剪力增量为第一种和第二种情况的平均，（192+120）/2=156，其余各层的剪力增量值，采用顶层的156、底层的480，中间

34、各层按照楼层线性内插（480-156）/3=108，3层的剪力增量=156+ （ 4-3 ） /(4-1)*（480-156）=264，二层的剪力增量=156+（4-2）/(4-1)* （480-156）=372，结果列于表3。表3 速度控制段计算结果楼层 调整前Vek 调整后Vek Vek增量 调整前F 调整后F F增量 4 320 476 156 320 476 156 3 560 824 264 240 348 108 2 720 1092 372 160 268 108 1 800 1280 480 80 188 108算例讨论上述算例采用的结构底部非薄弱层，如果底部是薄弱层，将剪力系

35、数增大1.15 倍后=1.15*0.032=0.0368，即后=0.0368，采用这个后，相同的方法求算增大系数=后/前=1.84，用0=后-前=0.0168 即可重新求算，列表计算出来的结果依然符合上述结论，只是剪力增量略有增大。上面采用的前是未经过任何调整过的剪力系数，只有比较未经任何调整过的剪力系数，才能真正意义上知道这个结构的剪力是否合适，才能反映出结构平面竖向布置及各层的刚度是否合适。水平地震作用F 是外力范畴，属于作用，各层剪力是内力范畴，属于效应，不管如何调整各层剪力都是调整的内力，内力调整最终能不能反应在结构分析模型中，最终都要归到外力是否被调整，即最终都是要调整结构水平地震作

36、用F。算例4初始条件： 层住宅剪力墙结构体系，结构高度畅米。地面粗糙度为 类，风荷载体型系数畅，基本风压. （重现期 年，承载力设计时风荷载效应放大系数.）抗震设防烈度 度，场地类别类。算例分析a1）改变设防烈度（类场地）在不同的烈度区，剪重比在基本满足规范要求时，地震作用下的位移角相差很多。在低烈度区位移角远小于规范限值，而在高烈度区位移角则不能满足规范要求，因此在高烈度区同等条件下控制位移角显得更重要一些设防烈度 度 度 度地震作用下最大层间位移角1（第 层）（第 层） （第 层）底下 层 向剪重比.、 .、 .、 .、 .、.、.底下 层 向剪重比、 .、 .、 .、 .、.、.算例分析

37、b 2)改变剪力墙厚度（ 度设防，类场地）结构受力构件截面的增加，结构单位面积质量增加，结构整体刚度在加大，地震作用下的层间位移角减小，剪重比加大。可见增加受力构件截面或数量，提高结构刚度是改善剪重比的一个有效手段。但实际工程中由于使用功能及经济性等方面要求，通常对剪力墙的厚度和数量都有限制并不允许有过多的剪力墙存在。剪力墙厚度（） 地震作用下最大层间位移角 （ 第 层） （ 第 层） （ 第 层） （ 第 层）底下 层 向剪重比1.77 1.83 1.871.83 1.88 1.92 1.86 1.91 1.961.92 1.96 2.00底下 层 向剪重比2.02 2.08 2.122.0

38、7 2.13 2.182.11 2.17 2.222.17 2.23 2.27单位面积质量（ ） 算例分析c3)改变场地类别 这组数据表明，类场地剪重比最大，类场地剪重比最小。建于类场地剪重比满足规范要求时，高层建筑各项指标（如位移、强度等）若满足要求，则同一栋建筑建于类场地时，结构安全是有保障的。但如何处理场地类别与剪重比的关系，有关规范还需深入讨论。场地类别类场地类场地类场地地震作用下最大层间位移角 186 （ 第6 层） 4 （ 第9 层） 777 （ 第 层）底下 层 向剪重比1.40 1.45 1.481.83 1.88 1.92 2.36 2.44 2.50底下 层 向剪重比1.6

39、1 1.66 1.702.09 2.15 2.202.61 2.70 2.77算例分析d4）单位面积质量改变单位面积重度是衡量结构构件截面取值是否合理和楼层荷载是否正确的一个重要指标。荷载的增加会使单位面积重度加大，则剪重比减小，位移角增加，反之亦然。一般高层建筑单位面积重度在 之间，多数在 。因此适当的控制荷载可以使剪重比更容易满足规范要求算例讨论剪重比是结构设计中控制建筑安全的重要指标。结构设计中剪重比达不到设计要求时可采用如下方法进行调整： ）增加参与计算振型数，可将振型数定在 附近； ）在规范规定的范围内减小周期折减系数； ）加大结构受力构件截面，加大结构整体刚度； ）适当的减小单位面

40、积重度，精细化荷载，剪重比更容易满足规范要求 ）加大全楼地震力放大系数。（此方法在剪重比达到规范限值以上方可使用）剪重比的调整仅反映在相应楼层，不会向下层传递，若此处同时是薄弱层还应乘以畅 的放大系数。但对长周期超高层建筑，考虑到反应谱长周期段本身的一些缺陷，第一阶振型参与质量系数对计算剪重比的影响有可能大于刚度和质量对计算剪重比的影响，导致计算剪重比偏小，并不一定是结构刚度偏小或质量偏大不能简单用上述方法对剪重比进行调整。4、刚度比建筑结构楼层侧向刚度及侧向刚度比计算，是抗震设计时判断结构沿竖向是否发生刚度突变、是否存在柔软层的重要依据。抗震规范第3.4.2 条、3.4.3 条的条文说明将结

41、构侧向刚度不规则的楼层称为“柔软层”，将竖向抗侧力构件不连续或楼层承载力突变的楼层称为“薄弱层”。工程习惯上，除超限高层建筑工程外，一般将竖向不规则的楼层均称为“薄弱层” 。抗震规范第3.4.2 条的规定，楼层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%时，则结构属于有薄弱层的竖向不规则结构。竖向不规则的建筑结构，应采用空间结构计算模型，其薄弱层的地震剪力应乘以1.15 的增大系数。 楼层刚度计算根据抗震规范和高层建筑规程的建议，建筑结构的楼层侧向刚度有三种计算方法： 1）高层建筑规程附录E.0.1 建议的“等效剪切刚度法” （简称剪切刚度法），Ki=GiAi

42、/hi； 2）高层建筑规程附录E.0.2 建议的“等效侧向刚度法” （简称剪弯刚度法），Ki= i/hi； 3）抗震规范第3.4.2 条、3.4.3 条条文说明及高层建筑规程第3.5.2 条条文说明建议的“层间剪力与层间位移之比”的方法，Ki= Vi/i。刚度比计算抗震设计时，对框架结构，楼层与上部相邻楼层的侧向刚度比1不宜小于0.7，与上部相邻三层侧向刚度比的平均值不宜小于0.8；对框架-剪力墙和板柱-剪力墙结构、剪力墙结构、框架-核心筒结构、筒中筒结构，楼层与上部相邻楼层侧向刚度比2不宜小于0.9，楼层层高大于相邻上部楼层层高1.5倍时，不应小于1.1，底部嵌固楼层不应小于1.5。 V为楼

43、层地震剪力； 为层间位移。 刚度比计算刚度比计算 一般情况下，采用抗震规范建议的方法，即上述的第3 种计算方法采用“层间剪力与层间位移之比”的方法计算结构楼层侧向刚度比时，一般要采用“刚性楼板假定”。 对于弹性楼板或板厚为零的建筑结构，应计算两次。在刚性楼板假定条件下计算楼层刚度比，并找出薄弱层；在弹性楼板假定条件下完成其余计算，并检查原找出的薄弱层是否得到确认。地下室顶板嵌固 判断结构的地下室顶板是否可以作为上部结构嵌固部位时，地下一层的楼层侧向刚度与地上一层的楼层侧向刚度，在方案设计阶段，通常也采用剪切刚度法进行计算。当地下一层的侧向刚度与地上一层的侧向刚度之比不小于2（可按有效数字控制）

44、时，在满足抗震规范第6.1.14 条其他构造要求条件下，地下室顶板可作为上部结构的嵌固部位。 判断结构的地下室顶板是否可以作为上部结构的嵌固部位时，地下一层的楼层侧向刚度与地上一层的楼层侧向刚度，也可以按高层建筑混凝土结构技术规程理解与应用一书的建议，采用“层间剪力与层间位移之比”的方法计算，认为基坑回填土对结构没有约束作用，反映结构楼层的实际侧向刚度。地下室嵌固要求 6.1.14满足地上一层的柱底出现塑性铰。采用提高地下室顶板梁和地下室柱顶的受弯承载力的方法来实现。(1)地下室顶板厚度不宜小于180mm 且无较大洞口。(2)地上一层侧向刚度与地下室结构的侧向刚度之比不大于0.5，可计入相邻不

45、大于20m 的地下部分结构。(3)地下室柱截面每侧纵向钢筋面积，不小于地上一层对应柱每侧纵筋面积的1.1倍（多出的纵向钢筋不向上延伸，应锚固于地下室顶板的框架梁内），地下室抗震墙的配筋不应少于地上一层抗震墙的配筋。 与地下室有关的抗震等级高层建筑混凝土结构技术规程第 395 条：抗震设计的高层建筑，当地下室顶层作为上部结构的嵌固端时，地下一层相关范围的抗震等级应按上部结构采用，地下一层以下抗震构造措施的抗震等级可逐层降低一级，但不应低于四级；地下室中超出上部主楼相关范围且无上部结构的部分，其抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。抗震等级第3.9.6条：抗震设计时，与主楼连为整体的裙房的抗震等级

46、，除应按裙房本身确定外，相关范围不应低于主楼的抗震等级；主楼结构在裙房顶板上、下各一层应适当加强抗震构造措施。裙房与主楼分离时，应按裙房本身确定抗震等级。抗震等级当地下室为大底盘其上有多个独立的塔楼时，若嵌固部位在地下室顶板，地下一层高层部分及高层部分受影响范围以内部分的抗震等级应与高层部分底部结构的抗震等级相同。地下一层其余部分及地下室二层以下各层（含二层）的抗震等级可按3.9.6条的方法确定。 算例5工程建设由两座地下2层，上部32层的商住楼及l座l层的地下停车库组成总建筑平面6万m2。地下层为水池设备用房及自行车库，首层业主考虑作商业用房要求大空间，故l层设计为结构转换层，2层及以上为住

47、宅。本工程抗震设防烈度为7度，为丙类建筑基本风压0.7kNm2，并考虑11的放大系数。建筑场地类别为类，场地卓越周期为033S。计算程序采用TBsA42和TBFEM。l号商住楼标准层、转换层平面图见图。算例转换层布置 算例结果抗侧刚度、周期与位移。在方案及扩初阶段，混凝土剪力墙数量较多，抗侧刚度很大，周期短位移很小，因此将内部混凝土剪力墙进行很大程度的削减，核心筒处墙体只保留较完整的封闭墙体外墙则考虑到建筑功能因素，只将部分小墙肢改作填充墙。本工程为竖向不规则结构，为了减小转换层上、下层结构抗侧力刚度比，采取了下列措施： 尽量减小转换层上剪力墙的厚度及数量； 增加下层剪力墙墙厚； 增加了转换上

48、第l层的层高，由28m提高至3m； 提高转换层下层混凝土的强度等级。最终转换层上下层刚度比为： rl=181，r2=126。 框支梁的计算是在TBsA整体计算完后采用TBFEM进行有限元分析，综合分析后配筋。框支柱为短柱，因此应严格控制其轴压比基本为047，小于06的要求。提高柱的配箍率，按短柱全高加密。 5、位移比位移比是指楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移与本楼层平均值的比值。结构平面刚度和质量分布是否均匀、对称，可以用结构刚心与质心的相对位置表示，二者相距较远的结构，在地震作用下，发生扭转的可能较大，形成扭转不规则结构。为了避免过大扭转的影响。高规第3.4.5条：结构平面布置应减少扭转

49、的影响。在考虑偶然偏心影响的地震力作用下，楼层竖向构件的最大水平位移和层间位移，A级高度高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.5倍；B级高度高层建筑、超过A级高度的混合结构及本规程第10章所指的复杂高层建筑不宜大于该楼层平均值的1.2倍，不应大于该楼层平均值的1.4倍。位移比调整方法结构调整：只能通过调整改变结构平面布置，减小结构刚心与质心的偏心距；调整方法如下：1）由于位移比是在刚性楼板假定下计算的，结构最大水平位移与层间位移往往出现在结构的边角部位；因此应注意调整结构外围对应位置抗侧力构件的刚度，减小结构刚心与质心的偏心距。同时在设计中，应在构造措施上对楼板的刚

50、度予以保证。2）对于位移比不满足规范要求的楼层，也可利用程序的节点搜索功能在SATWE的“分析结果图形和文本显示”中的“各层配筋构件编号简图”中，快速找到位移最大的节点，加强该节点对应的墙、柱等构件的刚度。节点号在“SATWE位移输出文件”中查找。也可找出位移最小的节点削弱其刚度，直到位移比满足要求。水平位移按近似概率理论的极限状态设计法要求，在承载能力极限状态时，为防止高层建筑在重力荷载作用下产生二阶P-厶效应，使建筑突然倒塌，要求对水平位移进行严格的限制。在正常使用极限状态时，为了保证混凝土结构的裂缝和变形在允许范围之内、非结构构件等设施的完好性以及居住者的舒适度等要求，也必须对水平位移进

51、行严格限制。在高层建筑结构设计中，不同国家采用的水平位移限值是不同的。我国高规和GB5001120010建筑抗震设计规范H1(以下简称抗规)中，采用了层间最大位移与层高之比Auh，即层间位移角p作为控制指标，且不扣除整体弯曲转角产生的侧移。因高层建筑结构在水平荷载作用下几乎都会产生扭转，故楼层层间最大位移配的最大值一般出现在结构单元的尽端处。 水平位移限值高规规定在正常使用条件下，结构的水平位移按风荷载、地震作用(小震)下的弹性方法进行计算，其限值见表l。表1楼层层间最大位移与层高之比的限值结构体系 uh限值 钢筋混凝土框架 1550钢筋混凝土框架一剪力墙框架一核心筒板柱一剪力墙1800钢筋混

52、凝土筒中筒、剪力墙 11000钢筋混凝土框支层 11000多、高层钢结构1300对于一些特殊的结构，高规和抗规要求对弹塑性位移角限值对于一些特殊的结构，高规和抗规要求对其进行罕遇地震作用下薄弱层弹塑性变形验算。且对结构薄弱层层问弹塑性位移提出了要求：厶upph，其限值见表2。表2层问弹塑性位移角限值 结构类型 p 框架结构 150 框架一剪力墙结构、框架一核心筒结构、板柱一剪力墙结构 1100 剪力墙结构和筒中筒结构 1120 框支层 1120 高层建筑结构的侧向刚度是控制结构水平位移的关键，控制结构水平位移是为了保证高层建筑结构具有必要的刚度。当水平位移不满足要求时，一般通过增大抗侧向力构件

53、的刚度、调整抗侧向力构算例6工程由三层设备及人防地下室、五层商业裙楼及4个住宅塔楼（编号为14号楼）三部分组成，见总平面图1。塔楼为剪力墙结构，在商业裙楼顶部进行结构转换（如图2所示），裙楼为部分框支剪力墙结构，整个建筑物形成大底盘，底层大空间的复杂结构。该工程结构设计使用年限为50年，建筑结构安全等级为二级；抗震设防烈度为7度，地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第一组，建筑场地类别为类，抗震设防分类为丙类。该工程经过优化设计后，依然属于超限高层建筑结构。其超限情况如下：一为高度超限:该工程首层层高6.0m，二层四层层高5.0m，五层层高6.0m，五层以上层高3.0m， 1、2号塔楼高度1

54、47m，3、4号塔楼高度149.1m；四个塔楼高度均超过120m，为超B级高度。二是结构扭转不规则;三是结构竖向抗侧力构件不连续：四个塔楼均为转换结构，剪力墙不连续。四是平面凹凸不规则:1、2号楼塔楼平面突出部分 0.39大于0.35，为平面凹凸不规则。五是属于高位转换：在第五层进行梁式结构转换。 平面示意图 采取的方法与措施该工程结构状况复杂, 采取了如下主要分析方法与加强措施： 1)对关键构件如加强区剪力墙框支柱、转换梁、关键层连梁等，按两个不同力学模型的空间结构分析结果的包络值进行设计。 2)采用合理的抗侧力体系，均匀的刚度变化。该工程为部分框支剪力墙结构体系，针对转换层上下抗侧力构件引

55、起的刚度差异，采取了加强落地筒体剪力墙等措施，减少沿结构竖向的楼层侧向刚度不规则。 3)选用两组II类场地上的地震波和一组地震安全性评价报告所提供的场地人工波，对结构作弹性时程分析，并将结果与反应谱分析结果相比较，对反应谱结果未能反映的情况加以专门的处理。 4)采用软件对结构进行罕遇地震下的弹塑性时程分析，以确保结构满足第二阶段抗震设防水准要求。 5) 对结构进行中震作用下的关键构件的承载能力校核。 6）针对1、2号楼扭转位移比超限的情况，施工图设计阶段将加强外围墙肢的水平筋，提高构件抗剪能力，同时将扭转超限楼层的外围连梁提高配箍率、增加其抗扭筋，以提高结构抗扭刚度和构件延性。 7）标准层中间

56、电梯井附近楼盖在地震作用下应力集中较严重，采取加大板厚和加强配筋构造的措施，以保证楼盖的整体性和合理的水平传力路径。周期比各栋第一扭转周期与第一平动周期之比均小于0.85。从表1可见：ETABS的周期比SATWE周期要小，表明SATWE计算的刚度略小，主要原因是软件ETABS和SATWE软件墙元构造的差别。前者采用的时Wilson墙元，由两侧的边柱和顶部的刚性梁以及平面内的膜单元组成，后者采用壳元模型，单元刚度上ETABS略刚于SATWE。总体上，两者的计算结果十分接近。 位移比该工程在地震作用、风荷载作用下，楼层位移角的见表2: 1、2号楼在偶然偏心影响的地震作用下，最大扭转位移比为1.30，属扭转I类不规则平面；3、4号楼在偶然偏心地震荷载作用下，最大扭转位移比为1.20，属扭转规则平面；各塔楼在地震作用和风荷载作用下层间位移角均小于1/800。 结构水平位移结构水平位移：两种设计软件计算所得的结构在地震作用下的位移见表3。该工程各栋转换层以上均为剪力墙结构体系，在场地的地震波作用下各楼层(以剪切变形为主的)平均有害位移小于整体平均位移的20%，远小于楼层整体平均位移的50%，也从侧面证明了该工程结构体系在水平作用下的变形是以弯曲变形为主的特性。 剪重比