建筑结构抗震设计与实例第5章

第五章地震作用和结构抗震设计要点一、建筑物抗震设防类型的确定二、地震作用的计算规定及计算方法三、结构抗震验算5.1建筑抗震设防分类标准一、建筑抗震设防分类标准中国国家标准建筑抗震设防分类标准（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造成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，对国民经济有巨大损失或有特殊要求的建筑物。专门研究确定。乙类建筑——地震中使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重大影响，对国民经济有重大损失。如生命线工程。丙类建筑——地震破坏后对社会有一般影响，对国民经济有一般损失的建筑物。如一般工业与民用建筑、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轻微，对国民经济影响轻微，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标准1.甲类建筑：地震作用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。6~8度设防时，提高1度进行抗震设防，9度时应比9度设防更高的要求。2.乙类建筑：地震作用应符合本地区抗震设防烈度要求。一般情况6~8度时，提高1度进行抗震设防，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区抗震设防烈度要求。4.丁类建筑：一般情况下（具体规定除外），地震作用应符合本地区抗震设防烈度要求，抗震措施可适当降低，但6度抗震时不降低。5.抗震设防烈度为6度时，除特殊要求外，一般情况下对乙类、丙类和丁类建筑可不进行地震作用计算。“三水准”，“两阶段”抗震设计目标，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标5.2地震作用计算一、地震作用计算的一般规定《抗震规范》规定的计算原则1)一般情况下，应在建筑结构的两个主轴方向分别考虑水平地震作用并进行抗震验算，各方向的水平地震作用全部由该方向的抗侧力构件承担；2)有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15度时，应分别考虑各抗侧力构件方向的水平地震作用；3)质量和刚度明显不对称的结构，应考虑双向水平地震作用下的扭转影响。其他情况，可以采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响；4)不同方向抗侧力结构的共同构件，应考虑双向水平地震作用的影响。5)8度和9度的大跨度结构、长悬臂结构及9度时的高层建筑，应考虑竖向地震作用。二、地震作用计算方法的确定1.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，计算结构最大地震反应。实际将多自由度体系简化为等效单自由度体系进行分析。•振型分解反应谱法：利用振型分解原理和反应谱理论进行结构最大地震反应分析。•时程分析法：选定一定的地震波，直接输入到所设计的结构，然后对结构的平衡微分方程进行数值积分求得结构在整个地震时程范围内的地震反应。包括振型分解法和逐步积分法。现行《抗震规范》的抗震设计计算采用以下三种方法：2.地震作用各计算方法的特点1)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；2)振型分解反应谱法，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；3)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应，不像底部剪力法和振型分解反应谱法考虑了不同地震动时程纪录的随机性。底部剪力法、振型分解反应谱法和振型分解时程分析法适合于弹性分析，逐步积分法可用于塑性分析。3.地震作用计算方法的选用情况根据不同的结构，不同的设计要求区别对待。1)底部剪力法适用情况：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。2)振型分解反应谱法适用情况：除上述以外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法。3)时程分析法适用情况：特别不规则的建筑，甲类建筑和P97表5.2所列的高层建筑。4.采用时程分析法进行计算应注意以下问题：满足地震动三要素：频谱特性、有效峰值和持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持续时间，不论实际的地震记录还是人工模拟的波形，一般为结构周期的5~10倍。最小地震波数：不少于2组实际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应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结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%。多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。如不满足，可将地震波峰值加大，使其满足要求。当结构采用三维空间模型等需要双向（2个水平方向）或3向（2个水平方向和1个竖向）地震波输入时，其加速度最大值通常按下列比例调整：1（水平1）：0.85（水平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进行结构抗震设计时考虑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，活载往往达不到其标准值，因此，在计算质点的重力荷载可对活载进行折减按P98表5.3采用。表5.3可变荷载组合值系数四、水平地震作用计算的有关规定1）考虑扭转振动的原因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；结构本身存在偏心，即结构的刚度中心和质量中心不重合。震害调查分析表明，扭转作用会加重结构破坏，有时还会成为结构破坏的主要原因。2）考虑扭转的效应方法目前对地面运动转动分量引起的扭转效应难以定量分析主要讨论结构由于偏心引起的地震扭转效应。分析方法：考虑振型耦合。1.考虑扭转藕联时水平地震作用计算3）平扭耦合体系地震作用的计算方法第j振型i层的水平地震作用标准值：xjijtjjiiFXG2tjijtjijiiFrGyjijtjjiiFYG——j振型i层的x、y和转角方向的地震作用标准值;、、xjiFyjiFtjiF——j振型i层质心在x、y方向的水平相对位移;、jiXjiY——j振型i层的相对转角;ji——计入扭转的j振型参与系数；tj——i层的转动半径;ir当仅取x方向地震作用时222211/nnxtjjiijijijiiiiiXGXYrG当仅取y方向地震作用时222211/nnytjjiijijijiiiiiYGXYrG当取与x方向斜交的地震作用时cossintjxtjytj4）扭转效应的计算方法单向水平地震作用的扭转效应，可按下列公式确定：11mmEkjkjkjkSSS式中——地震作用标准值的扭转效应；、——分别为j、k振型地震作用标准值的效应，可取前9～15个振型；EkSjSkS——j振型与k振型的耦联系数；jk——分别为j、k振型的阻尼比；——k振型与j振型的自振周期比。jk、T1.522281141jkTTjkTjkTT双向水平地震作用的扭转效应，可按下列公式中较大者确定：平面规则的建筑结构，中国《抗震规范》规定当规则结构不考虑扭转藕联计算时，应采用增大边榀结构地震内力的简化方法考虑由于施工、使用等原因所产生的偶然偏心引起的地震扭转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。一般情况下，短边可按1.15采用，长边可按1.05采用；当扭转刚度较小时，宜按不小于1.3采用。220.85EkxySSS220.85EkyxSSSxSyS式中、分别为x向、y向单向水平地震作用计算的扭转效应。1)反应特点质量和刚度突然变小，地震时产生鞭端效应而使其地震反应急剧增大；震害也表明，突出屋面的小房间在地震中破坏较为严重。严格地说，对带有突出屋面小房间的房屋结构，底部剪力法已不再适用，应采用振型分解反应谱法计算其水平地震作用。2.突出屋面小房间的地震作用2)实际情况简化处理考虑到工程实践中带有突出屋面小房间的房屋结构数量极大，进行简化计算。《抗震规范》规定，对于这类结构，仍可采用底部剪力法计算其水平地震作用，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水平地震作用乘以增大系数3予以调整，此增大部分不往下传递，但与该突出部分相连的构件在设计时应考虑这种增大影响。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，对于基本周期大于3.5s的结构，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，地震动作用中地面运动速度和位移可能对结构的破坏具有更大影响。目前《抗震规范》所采用的振型分解反应谱法尚无法对此作出估计。考虑结构安全，增加了对各楼层水平地震剪力最小值的要求，规定了不同烈度下的剪力系数，不考虑阻尼比的不同，结构水平地震作用效应应据此进行相应调整。P103表5.8最小剪力规定抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力应符合下式要求：nEkijjiVG式中——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5.4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。EkiV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结构任一楼层的水平地震剪力求得后，可按下列原则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、墙体弹塑性变形和扭转的影响时，可按《抗震规范》的有关规定对上述分配结果作适当调整。四、地基与结构相互作用的考虑1.地基与结构的相互作用概念地震时，结构受到地基传来的地震波影响产生地震作用，在进行结构地震反应分析时，一般都假定地基是刚性的，实际上地基并非为刚性，故当上部结构的地震作用通过基础反馈给地基时，地基将产生局部变形，从而引起结构的移动和摆动，这种现象称为地基与结构的相互作用。2.相互作用的结果使得地基运动和结构动力特性发生改变：1)改变了地基运动的频谱组成，使接近结构自振频率的分量获得加强。同时改变了地基振动加速度峰值，使其小于邻近自由场地的加速度幅值；2)由于地基的柔性，使结构的基本周期延长；3)由于地基的柔性，有相当一部分振动能量将通过地基土的滞回作用和波的辐射作用逸散至地基，使得结构振动衰减，地基愈柔，衰减愈大。4)大量研究表明，一般来说由于地基与结构的相互作用，结构的地震作用将减少，但结构的位移和由P-Δ效应引起的附加内力将增加。5)相互作用对结构影响的大小与地基硬、软和结构的刚、柔等情况有关，硬质地基对柔性结构影响极小，对刚性结构有一定的影响；软土地基对刚性结构影响显著，而对柔性结构则有一定的影响。1)结构抗震计算，一般情况下，可不考虑地基与结构相互作用的影响；2)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联合基础的钢筋混凝土高层建筑，当结构基本周期处于特征周期得1.2倍至5倍范围时，若计入地基与结构动力相互作用得影响，对刚性地基假定计算的水