建筑结构抗震设计与实例第5章

第五章

地震作用和构造抗震设计要点一、建筑物抗震设防类型确实定二、地震作用的计算规定及计算方法三、构造抗震验算5.1建筑抗震设防分类规范一、建筑抗震设防分类规范中国国家规范建筑抗震设防分类规范〔GB50223)，根据建筑物重要性、在地震中及地震后破坏对社会和经济呵斥的影响及在抗震防灾中的作用，将建筑明确分为四类：甲类建筑——地震破坏后会对社会有严重影响，对国民经济有宏大损失或有特殊要求的建筑物。专门研讨确定。乙类建筑——地震中运用功能不能中断或需迅速恢复的建筑物及破坏后会对社会有艰苦影响，对国民经济有艰苦损失。如生命线工程。丙类建筑——地震破坏后对社会有普通影响，对国民经济有普通损失的建筑物。如普通工业与民用建筑、公共建筑、住宅、旅馆、厂房等。丁类建筑——地震破坏后对社会影响细微，对国民经济影响细微，且不致影响其它甲、乙、丙类建筑的建筑物。附属建筑。二、各类建筑抗震设防的规范甲类建筑：地震作用应高于本地域抗震设防烈度的要求，其值应按同意的地震平安性评价结果确定。6~8度设防时，提高1度进展抗震设防，9度时应比9度设防更高的要求。乙类建筑：地震作用应符合本地域抗震设防烈度要求。普通情况6~8度时，提高1度进展抗震设防，9度时应比9度设防更高的要求。3.丙类建筑：地震作用和抗震措施均应符合本地域抗震设防烈度要求。丁类建筑：普通情况下〔详细规定除外〕，地震作用应符合本地域抗震设防烈度要求，抗震措施可适当降低，但6度抗震时不降低。抗震设防烈度为6度时，除特殊要求外，普通情况下对乙类、丙类和丁类建筑可不进展地震作用计算。“三水准〞，“两阶段〞抗震设计目的，即“小震不坏，中震可修，大震不倒〞，分别按弹性和弹塑性两阶段设计。三、各类建筑抗震设防的目的5.2地震作用计算一、地震作用计算的普通规定<抗震规范>规定的计算原那么普通情况下，应在建筑构造的两个主轴方向分别思索程度地震作用并进展抗震验算，各方向的程度地震作用全部由该方向的抗侧力构件承当；有斜交抗侧力构件的构造，当相交角度大于15度时，应分别思索各抗侧力构件方向的程度地震作用；质量和刚度明显不对称的构造，应思索双向程度地震作用下的改动影响。其他情况，可以采用调整地震作用效应的方法计入改动影响；不同方向抗侧力构造的共同构件，应思索双向程度地震作用的影响。8度和9度的大跨度构造、长悬臂构造及9度时的高层建筑，应思索竖向地震作用。二、地震作用计算方法确实定地震作用计算方法底部剪力法：把地震作用当作等效静力荷载，计算构造最大地震反响。实践将多自在度体系简化为等效单自在度体系进展分析。振型分解反响谱法：利用振型分解原理和反响谱实际进展构造最大地震反响分析。时程分析法：选定一定的地震波，直接输入到所设计的构造，然后对构造的平衡微分方程进展数值积分求得构造在整个地震时程范围内的地震反响。包括振型分解法和逐渐积分法。现行<抗震规范>的抗震设计计算采用以下三种方法：地震作用各计算方法的特点底部剪力法是一种拟静力法，计算量最小，但因忽略了高阶振型的影响，计算精度稍差；振型分解反响谱法，计算量稍大，计算精度较高，计算误差主要来至于振型组合时关于地震动随机性的假定；时程分析法是一种完全动力分析方法，计算量大，计算精度高。但时程分析法是某一确定地震动的时程反响，不像底部剪力法和振型分解反响谱法思索了不同地震动时程纪录的随机性。底部剪力法、振型分解反响谱法和振型分解时程分析法适宜于弹性分析，逐渐积分法可用于塑性分析。地震作用计算方法的选用情况根据不同的构造，不同的设计要求区别对待。底部剪力法适用情况：高度不超越40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的构造，以及近似于单质点体系的构造。振型分解反响谱法适用情况：除上述以外的建筑构造，宜采用振型分解反响谱法。时程分析法适用情况：特别不规那么的建筑，甲类建筑和P97表5.2所列的高层建筑。采用时程分析法进展计算应留意以下问题：满足地震动三要素：频谱特性、有效峰值和继续时间均要符合规定，频谱特性可根据地震影响系数曲线、所处的场地类别和设计地震分组确定。输入加速度时程曲线的继续时间，不论实践的地震记录还是人工模拟的波形，普通为构造周期的5~10倍。最小地震波数：不少于2组实践地震波记录和一组人工模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线应与振型分解反响谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符，其加速度时程的最大值可按P97表5.3采用。最小剪力要求(有效峰值〕输入加速度调整弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得的构造底部剪力不应小于振型分解反响谱法计算结果的65%。多条时程曲线计算所得构造底部剪力的平均值不应小于振型分解反响谱法计算结果的80%。如不满足，可将地震波峰值加大，使其满足要求。当构造采用三维空间模型等需求双向〔2个程度方向〕或3向〔2个程度方向和1个竖向〕地震波输入时，其加速度最大值通常按以下比例调整：1〔程度1〕：0.85〔程度2〕：0.65〔竖向〕表5.1采用时程分析的房屋高度范围表5.2 地震加速度时程曲线的最大值〔cm/s2〕烈度、场地类型房屋高度范围（米）7度及8度Ⅰ、Ⅱ类场地＞1008度Ⅲ、Ⅳ场地＞809度＞60地震影响6度7度8度9度多遇地震1835（55）70（110）140罕遇地震—220（310）400（510）620三、重力荷载代表值的计算进展构造抗震设计时思索的重力荷载称为重力荷载代表值。重力荷载包括恒载和活载。由于地震发生时，活载往往达不到其规范值，因此，在计算质点的重力荷载可对活载进展折减按P98表5.3采用。表5.3可变荷载组合值系数四、 程度地震作用计算的有关规定1〕思索改动振动的缘由地面运动存在转动分量，或地震时地面各点的运动存在相位差；构造本身存在偏心，即构造的刚度中心和质量中心不重合。震害调查分析阐明，改动作用会加重构造破坏，有时还会成为构造破坏的主要缘由。2〕思索改动的效应方法目前对地面运动转动分量引起的改动效应难以定量分析主要讨论构造由于偏心引起的地震改动效应。分析方法：思索振型耦合。1.思索改动藕联时程度地震作用计算3〕平扭耦合体系地震作用的计算方法第j振型i层的程度地震作用规范值：——j振型i层的x、y和转角方向的地震作用规范值;、、——j振型i层质心在x、y方向的程度相对位移;、——j振型i层的相对转角;——计入改动的j振型参与系数；——i层的转动半径;当仅取x方向地震作用时当仅取y方向地震作用时当取与x方向斜交的地震作用时4〕改动效应的计算方法单向程度地震作用的改动效应，可按以下公式确定：式中——地震作用规范值的改动效应；、——分别为j、k振型地震作用规范值的效应，可取前9～15个振型；——j振型与k振型的耦联络数；——分别为j、k振型的阻尼比；——k振型与j振型的自振周期比。、双向程度地震作用的改动效应，可按以下公式中较大者确定：平面规那么的建筑构造，中国<抗震规范>规定当规那么构造不思索改动藕联计算时，应采用增大边榀构造地震内力的简化方法思索由于施工、运用等缘由所产生的偶尔偏心引起的地震改动效应及地震地面运动转动分量的影响。平行于地震作用方向的两个边榀，其地震作用效应可乘以增大系数。普通情况下，短边可按1.15采用，长边可按1.05采用；当改动刚度较小时，宜按不小于1.3采用。式中、分别为x向、y向单向程度地震作用计算的改动效应。1)反响特点质量和刚度忽然变小，地震时产生鞭端效应而使其地震反响急剧增大；震害也阐明，突出屋面的小房间在地震中破坏较为严重。严厉地说，对带有突出屋面小房间的房屋构造，底部剪力法已不再适用，应采用振型分解反响谱法计算其程度地震作用。2.突出屋面小房间的地震作用2)实践情况简化处置思索到工程实际中带有突出屋面小房间的房屋构造数量极大，进展简化计算。<抗震规范>规定，对于这类构造，仍可采用底部剪力法计算其程度地震作用，在计算时，将突出屋面的小房间也作为一个质点，并将计算所得的该质点的程度地震作用乘以增大系数3予以调整，此增大部分不往下传送，但与该突出部分相连的构件在设计时应思索这种增大影响。3.楼层最小地震剪力的规定问题的提出地震影响系数曲线，在长周期段下降较快，对于根本周期大于3.5s的构造，由此计算所得的程度地震作用下的构造效应能够太小。而对于长周期构造，地震动作用中地面运动速度和位移能够对构造的破坏具有更大影响。目前<抗震规范>所采用的振型分解反响谱法尚无法对此作出估计。思索构造平安，添加了对各楼层程度地震剪力最小值的要求，规定了不同烈度下的剪力系数，不思索阻尼比的不同，构造程度地震作用效应应据此进展相应调整。P103表5.8最小剪力规定抗震验算时，构造任一楼层的程度地震剪力应符合下式要求：式中——第i层对应于程度地震作用规范值的楼层剪力；——剪力系数，不应小于表5.4规定的楼层最小地震剪力系数值，对竖向不规那么构造的薄弱层，尚应乘以1.15的增大系数。类别7度8度9度扭转效应明显或基本周期小于3.5s的结构0.016(0.024)0.032(0.048)0.064基本周期大于5.0s的结构0.012(0.018)0.024(0.032)0.040表5.4楼层最小地震剪力系数值4.楼层地震剪力的分配构造任一楼层的程度地震剪力求得后，可按以下原那么分配给该层的抗侧力构件：现浇和装配整体式混凝土楼、屋盖等刚性楼盖建筑，应按抗侧力构件等效刚度的比值分配；木楼盖、木屋盖等柔性楼盖建筑，宜按抗侧力构件从属面积上重力荷载代表值的比例分配；普通的预制装配式混凝土楼、屋盖等半刚性楼盖建筑，可取上述两种分配结果的平均值；计入空间作用、楼盖变形、墙体弹塑性变形和改动的影响时，可按<抗震规范>的有关规定对上述分配结果作适当调整。四、地基与构造相互作用的思索 1.地基与构造的相互作用概念地震时，构造遭到地基传来的地震波影响产生地震作用，在进展构造地震反响分析时，普通都假定地基是刚性的，实践上地基并非为刚性，故当上部构造的地震作用经过根底反响给地基时，地基将产生部分变形，从而引起构造的挪动和摆动，这种景象称为地基与构造的相互作用。2.相互作用的结果使得地基运动和构造动力特性发生改动：改动了地基运动的频谱组成，使接近构造自振频率的分量获得加强。同时改动了地基振动加速度峰值，使其小于临近自在场地的加速度幅值；由于地基的柔性，使构造的根本周期延伸；由于地基的柔性，有相当一部分振动能量将经过地基土的滞回作用和波的辐射作用逸散至地基，使得构造振动衰减，地基愈柔，衰减愈大。大量研讨阐明，普通来说由于地基与构造的相互作用，构造的地震作用将减少，但构造的位移和由P-Δ效应引起的附加内力将添加。相互作用对构造影响的大小与地基硬、软和构造的刚、柔等情况有关，硬质地基对柔性构造影响极小，对刚性构造有一定的影响；软土地基对刚性构造影响显著，而对柔性构造那么有一定的影响。构造抗震计算，普通情况下，可不思索地基与构造相互作用的影响；8度和9度时建造在Ⅲ，Ⅳ类场地土上，采用箱基、刚性较好的筏基和桩箱结合根底的钢筋混凝土高层建筑，当构造根本周期处于特征周期得1.2倍至5倍范围时，假设计入地基与构造动力相互作用得影响，对刚性地基假定计算的程度地震剪力可按以下规定折减，其层间变形可按折减后的楼层剪力计算。3.<抗震规范>规定高宽比不小于3的构造，底部的地震剪力按上一条的规定折减，顶部不折减，中间各层按线性插入值折减。折减后各楼层的程度地震剪力，应符合楼层最小地震剪力的规定。高宽比小于3的构造，各楼层程度地震剪力的折减系数，可按下式计算：式中——计入地基与构造动力相互作用后的地震剪力折减系数；——按刚性地基假定确定的构造根本自振周期(s)；——计入地基与构造动力相互作用的附加周期(s)，可按表5.5采用。表5.5 附加周期〔s〕烈度场地类别II类IV类第一组0.080.20第二组0.100.255.3 竖向地震作用的计算震害调查和分析阐明，在震中高烈度区，某些建筑物的破坏无法仅仅用程度地震作用解释。近年来国内外学者的实测和计算分析阐明，一些高层建筑和挺拔构造的竖向地震应力和重力荷载应力的比值沿建筑物高度向上逐渐增大。构造上部能够产生拉应力。所以各国现行抗震设计规范对竖向地震的作用都给与思索。我国<抗震规范>规定，8度和9度时的大跨度构造，长悬臂构造，9度时的高层建筑，应思索竖向地震作用。竖向地震作用的计算是根据建筑构造的不同类型采用不同的方法，烟囱和类似的挺拔构造，以及高层建筑其竖向地震作用的规范值可按反响谱法计算，而平板网架和大跨度构造等那么采用静力法。一、高层建筑的竖向地震作用竖向最大加速度幅值：竖向地震系数与程度地震系数之比取=2/3。统计阐明竖向最大加速度与地面程度最大加速度比值为1/2～2/3。接近震中区越近，其比值越大。所以，竖向地震影响系数。竖向地震作用计算方法：计算时可采用程度地震反响谱。<抗震规范>根据搜集到的几百条实践地震记录曲线绘制了竖向反响谱，并按场地类别进展分组，分别求出它们的平均反响谱，由统计分析结果阐明，各类场地的竖向反响谱与程度反响谱相差不大。其中，、分别为竖向和程度地震系数；、分别为竖向和程度动力系数；、分别为竖向和程度地震影响系数。竖向地震作用计算：高层建筑和挺拔构造取第一振型的竖向地震作用为构造总的竖向地震作用时其误差是不大的。第一振型接近于直线，于是，质点i上的地震作用可写成：总竖向地震作用——相应于构造根本周期的竖向地震影响系数，由于竖向根本周期较短，，故。将代入——第i质点上的地震作用规范值；——第i质点重力荷载代表值；——比例参数；——第一振型参与系数；——第一振型质点i的相对竖向位移，〔1〕构造总竖向地震作用规范值为：那么令式中——构造总重力荷载代表值；〔2〕各质点的竖向地震作用：——构造等效重力荷载；——等效重力荷载折减系数，<抗震规范>取0.75。式中——构造总重力荷载代表值;——第i质点的高度。 4.<抗震规范>规定，9度时高层建筑的竖向地震作用可按上式计算，并应乘以增大系数1.5。这主要是根据中国台湾921到大地震的阅历而提出的要求。对高层建筑楼层的竖向地震作用效应乘以1.5的增大系数后，使构造总竖向地震作用规范值，8、9度时分别略大于重力荷载代表值的10%和20%。二、网架及大跨度屋架的地震作用根据对跨度在24～60m的平板钢网架和18m以上的规范屋架以及大跨度构造竖向地震作用振型分解法的分析阐明，竖向地震作用的内力和重力荷载作用下内力比值比较稳定。因此，<抗震规范>规定，对平板型网架的屋盖、跨度大于24m的屋架、长悬臂构造及其它大跨度构造的竖向地震作用规范值，可用静力法计算。式中——竖向地震作用系数，对于平板型网架、钢屋架、钢筋混凝土屋架，可按表5.6采用；——构件重力荷载代表值。结构类型烈度场地类别IIIIIIIV平板型网架、钢屋架8不考虑0.080.100.1090.150.150.200.20钢筋混凝土屋架80.100.130.130.1390.200.250.250.25表5.6 竖向地震作用系数三、长悬臂和其他大跨度构造长悬臂构造和其他大跨度构造的竖向地震作用规范值，8度、9度可分别取该构造、构件重力荷载代表值的10%和20%；设计根本加速度为0.30g时，可取该构造、构件重力荷载代表值的15%。5.4 构造抗震验算内容一、构造抗震验算内容多遇地震下构造允许弹性变形验算，防止非构造构件破坏。多遇地震下强度验算，防止构造构件破坏。罕遇地震下构造的弹塑性变形验算，防止构造倒塌。二、构造抗震验算多遇地震下构造允许弹性变形验算式中——计算楼层层高；——多遇地震作用规范值产生的楼层内的最大弹性层间位移。——弹性层间位移角限值，按表5.7采用。结构类型钢筋混凝土框架1/550钢筋混凝土框架—抗震墙、板柱—抗震墙、框架—核心筒1/800钢筋混凝土抗震墙、筒中筒1/1000钢筋混凝土框支层1/1000多、高层钢结构1/300表5.7弹性层间位移角限值多遇地震下强度验算式中——承载力抗震调整系数，除另有规定外，可按表5.8采用，当仅计算竖向地震作用时，各类构造构件承载力抗震调整系数均可取1.0；——构造构件承载力设计值，按现行有关规范规定计算。抗震承载力调整：动力荷载下资料强度比静力荷载下高；地震是偶尔作用，可靠度要求可降低。表5.8承载力抗震调整系数构造构件的地震作用效应和其它荷载效应组合，可按下式计算：式中——构造构件内力组合的设计值，包括组合的弯矩、轴向力和剪力设计值；、——分别为程度和竖向地震作用分项系数，按表5.9采用；——重力荷载分项系数，普通情况取1.2。当重力荷载效应对构件承载力有利时,可取1.0；——风荷载分项系数，取1.4；——重力荷载代表值的效应，当有吊车时髦应包括悬吊物重力荷载规范值产生的效应；——程度地震作用规范值的效应，尚应按有关规定乘以相应的增大系数或调整系数；——竖向地震作用规范值的效应，尚应按有关规定乘以相应的增大系数或调整系数；——风荷载规范值的效应；——风荷载组合系数，普通构造取0.0，风荷载起控制造用的高层建筑可采用0.2。表5.9地震作用分项系数地震作用仅考虑水平地震作用1.30.0仅考虑竖向地震作用0.01.3同时考虑水平与竖向地震作用

1.30.5验算方法：应对构造的薄弱层〔变形大〕进展弹塑性变形验算，普通在强震作用下使其小于某一限值，以保证构造不致倒塌。〔1〕<抗震规范>规定罕遇地震作用下薄弱层〔部位〕的抗震变形验算范围：罕遇地震作用下构造弹塑性变形验算构造的弹塑性变形控制目的是保证构造不致倒塌8度Ⅲ、Ⅳ类场地，9度时高大的单层钢筋混凝土柱厂房；7～9度时楼层屈服强度系数最小的钢筋混凝土框架构造；高度大于150米的钢构造；甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋混凝土构造；采用隔震和消能减震设计的构造。<抗震规范>还规定了以下构造宜进展弹塑性变形验算：本章表5.2所列高度范围且属于竖向不规那么类型的高层建筑构造7度III、IV类场地和8度时乙类建筑中的钢筋混凝土构造和钢构造；板柱-抗震墙构造和底部框架砖房；高度不大于150米的钢构造。〔2〕弹塑性层间位移计算公式：式中：——弹塑性层间位移；——罕遇地震作用下按弹性分析的层间位移;——弹塑性层间位移增大系数，当薄弱层〔部位〕的屈服强度系数不小于相邻层〔部位〕该系数的0.8时，可按表5.10采用；当不大于该平均值的0.5时，可按表内相应值的1.5倍采用；其它情况可采用内插法取值。普通罕遇地震的地面运动加速度峰值是多遇地震的4～6倍左右。构造已无强度贮藏:所以在多遇地震烈度下处于弹性阶段的构造，在罕遇地震烈度下势必进入弹塑性阶段，构造接近或到