工程结构抗震设计课程设计指导书

《建筑结构抗震设计》课程设计指导书一、课程设计的目标《建筑结构抗震设计》课程主要向学生介绍地震及其影响、我国的抗震设防思想、地震作用的计算理论、地震作用和地震作用效应的分析方法以及各类结构的抗震设计要点等内容。本次课程设计的目标是使学生能更加熟练地应用工程规范，对我国的抗震设防思想、地震作用的计算理论、地震作用和地震作用效应的分析方法有进一步的掌握和理解，为将来的毕业设计和工程应用打下良好基础。二、课程设计的实施1、设计资料教师给定合适的设计对象，考虑到时间因素，允许对工程实例作部分简化。钢筋混凝土框架结构具有典型性，可选为训练对象，也可采用其它的结构形式。设计对象的资料包括结构物的名称、功能、地点，建筑和结构方案、布置和做法、场地条件等；地震资料包括工程所在地的设防烈度，设计基本地震加速度，设计地震分组等。所给资料应能使得学生通过查阅规范和有关材料，明确工程的设防类别和标准，工程设防目标，本次设计的阶段和任务，能按规范的要求，正确确定有关计算参数以及正确选择计算模型和方法。2、分组课程设计分小组进行，每小组5-6人，通过改变设计对象、地震资料、轴线选择、计算方法等尽量做到没有雷同。3、设计在教师指导下，学生通过查阅资料，独立完成以下主要设计内容：（1）审阅设计资料，确定计算参数和方案（2）计算重力荷载代表值学生根据设计对象的资料，正确计算重力荷载代表值。（3）计算结构抗侧刚度根据结构类型，较准确地计算结构抗侧刚度。（4）结构动力特性和地震作用计算根据设计内容、学生的知识结构和要求，提供多种实现方案，如：方案A：简化方法计算周期，采用底部剪力法计算地震作用。要求学生全面掌握底部剪力法的应用，正确使用设计反应谱。方案B：迭代法计算前几阶周期和振型，采用振型分解反应谱法计算。要求学生全面掌握振型分解反应谱法的应用，正确使用设计反应谱。方案C：对已掌握计算动力学、PKPM等工程设计软件的同学，可以通过电算得到各阶周期和振型，再用振型分解反应谱法计算。要求学生掌握电算的原理和方法，掌握振型分解反应谱法的应用，正确使用设计反应谱。（5）楼层地震剪力、水平地震作用下内力计算正确确定楼层地震剪力，正确进行计算榀结构在水平地震作用下的内力（根据工作量酌情处理）。（6）层间弹性变形验算正确计算层间弹性变形，理解其含义，并作出判断。4、成果整理报告书应整洁清晰地反应设计过程和内容。三、要求和评价设计时间为1周，独立查阅资料、规范，独立演算、绘图。基本要求如下：1.独立按时完成设计；2.设计内容完整，设计思路、方法正确；3.计算书和图纸清晰、整洁，表达内容完整、正确、规范。计算书应包含：目录，必要的建筑、结构说明，设计思路描述，分步的计算步骤，采用的方法及依据，附有相应图、表的计算过程；4.掌握钢筋混凝土结构抗震设计主要过程；5.熟悉相关结构规范，掌握结构抗震设计的有关规定。课程设计考核分优秀、良好、中等、及格、不及格五级进行，参考标准如下：优秀：计算模型正确，计算参数合理，计算思路、结果正确；说明书、计算书及图表清晰，文笔流畅；熟悉并能正确使用相关规范；设计内容完整；积极性和工作表现好，独立工作能力强。良好：计算模型正确，计算参数合理，计算思路、结果正确；说明书、计算书及图表较清晰，文笔较流畅；能正确使用相关规范；设计内容完整；积极性和工作表现较好，独立工作能力较强。中等：计算模型、参数、思路、结果基本正确；说明书、计算书及图表较清晰，文笔较流畅；能正确使用相关规范；设计内容完整；积极性、工作表现较好，独立工作能力一般。及格：计算模型、参数、思路、结果有部分错误；说明书、计算书及图表尚清晰；能正确使用相关规范；设计内容不够完整；积极性、工作表现一般，独立工作能力一般。不及格：计算模型、参数、思路、结果有严重错误，或设计内容残缺，说明书、计算书及图表不能表达设计要求，或工作表现和独立工作能力很差。四、主要内容4.1审阅设计资料，确定计算参数和方案1.根据设计资料，判断结构抗震设防类别，明确抗震设防标准。根据我国的抗震设防目标，明确本次设计的阶段我国的设防目标可简述为“小震不坏，中震可修，大震不倒”，分两个阶段实现：第一阶段为承载力设计，采用第一水准（多遇）地震动参数，按弹性方法计算地震作用及其效应，与其它荷载进行组合，再进行构件截面设计，这样既满足了第一水准下具有必要的承载力可靠度，又满足第二水准损坏可修的目标。大多建筑可只进行第一阶段设计，而通过合理的结构布置等概念设计和抗震构造措施保证第三水准性能目标。第二阶段为弹塑性变形验算，对于特殊要求的建筑、易倒塌的建筑或存在明显薄弱层的不规则结构，还要取罕遇地震参数对结构薄弱层的弹塑性层间变形进行验算，并采取相应的构造措施来保证“大震不倒”。本次设计是针对第一阶段。2.根据设计资料，明确场地类别、设防烈度、设计地震分组，确定地震设计参数根据设计资料提供的场地类别、设防烈度、设计地震分组、结构类型和抗震设防标准，确定结构阻尼比（一般混凝土结构取0.05,钢结构可取0.03）、场地特征周期Tg、水平地震影响系数最大值max。根据烈度、结构类型和房屋高度确定抗震等级。3.明确抗震计算原则根据抗震概念设计的要求，从质量分布、平面及竖向布置等方面对结构的规则性进行判断，确定按层间模型和平面模型进行分析的合理性以及其它结构分析的原则。4.2重力荷载代表值计算计算地震作用时，建筑结构的重量采用重力荷载代表值。建筑结构的重力荷载代表值应取永久荷载标准值和可变荷载组合值之和。雪荷载和屋面积灰荷载的组合系数取0.5，不计屋面活载；按实际情况计算的楼面活载取1.0；按等效均布荷载时，藏书库、档案库、库房取0.8，一般民用建筑取0.5。计算各层重力荷载代表值，局部突出屋面的质量等效到主体结构的顶层。4.3结构抗侧刚度计算根据结构类型，较准确地计算结构抗侧刚度。对框架结构可以采用D值法用柱修正的抗侧刚度计算，梁的线刚度可以考虑翼缘的影响，即现浇边框架梁取1.5I0，装配整体式边框架梁取1.2I0，现浇中部框架梁取2.0I0，边框架梁取1.5I0，装配式框架梁取1.0I0，I0为矩形部分的惯性矩。4.4结构动力特性计算根据设计内容、学生的知识结构和要求，提供多种实现方案，如简化方法计算周期；迭代法计算前几阶周期和振型；对已掌握计算动力学、PKPM等工程设计软件的同学，可以通过电算得到各阶周期和振型。1.顶点位移法适用于质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架、框剪、剪力墙结构。将集中于楼盖的重力荷载代表值作水平力，计算顶点弹性水平位移（单位：m），用下述公式计算结构的基本周期：7.11T为考虑填充墙影响的折减系数，框架结构取0.6-0.7，框剪结构取0.7-0.8，剪力墙结构取0.9-1.0。2.迭代法（1）求结构质量矩阵[M]和柔度矩阵[]，单位t/kN或kg/N（2）求第一振型和频率假定一初始振型向量，如全为1的向量)0(X=[11…1]T或其它值计算X(1)=][D)0(X，][D=][][M将X(1)标准化，即X(1)=1)1(X进行第2步迭代：X(2)=[D])1(XX(2)=X(2)第k次迭代X(k)=[D]X(k-1)X(k)=X(k)如果X(k-1)与X(k)已很接近，迭代结束，第一振型向量X(k),第一频率w12=1/（3）求高阶振型和频率设初始向量)0(X=[11…1]T或其它值求Mi*=iT[M]i求[D]s+1=[D]s-ssT[M]/(ws2Ms*)迭代X(1)=[D]s+1X(0)X(1)=X(1)X(2)=[D]s+1X(1)X(2)=X(2)第k次迭代，X(k)=[D]s+1X(k-1)X(k)=X(k)如果X(k-1)与X(k)已很接近，迭代结束，s+1=X(k),ws+12=1/4.5地震作用计算底部剪力法和振型分解反应谱法是工程中最常用的两种计算地震作用的方法。要求学生全面掌握底部剪力法、振型分解反应谱法的应用，正确使用设计反应谱。1.底部剪力法适用条件：建筑高度不超过40m，质量和刚度沿高度分布均匀，以剪切变形为主，位移反应以第一振型为主以及近似于单质点体系的结构。首先求出等效单质点体系的作用力（即底部剪力），然后再按一定的规则分配到各个质点，最后按静力法计算结构的内力和变形。结构底部的总地震剪力eqEkGF11——对应基本周期的地震影响系数Geq——结构等效总重力荷载代表值顶层的地震作用：F=nnFFEKnnFF其余层的地震作用：)1(1nEKnjjjiiiFGHGHF顶部附加地震作用系数n查阅规范。对局部突出屋面的小房间注意鞭稍效应的处理。2.振型分解反应谱法对不考虑扭转耦联时，j振型i质点处水平地震作用标准值：ijijjjiGXFj——相应于j振型自振周期的水平地震影响系数Xji——j振型i质点的振型位移j——j振型的参与系数Gi——集中于i质点的重力荷载代表值4.6地震作用效应计算正确确定楼层地震剪力，当采用振型分解反应谱法时要进行振型遇合。“抗震规范”假定地面运动为平稳随机过程，各振型反应间相互独立，对各阶周期不很接近的情形，采用SRSS方法（平方和开方）对各阶振型反应值Sj进行组合，作为总的地震效应：2jEKSS组合时，一般可采取3个振型；当自振周期大于1.5s或高宽比大于5时，振型个数应适当增加，才能满足精度要求。验算楼层最小地震剪力。结构任一楼层水平地震剪力应符合EkiVniiG1，iG为重力荷载代表值，剪力系数查阅规范。正确进行计算榀结构在水平地震作用下的内力（对采用振型分解反应谱法可仅计算第一振型）。框架结构可采用D值法计算水平地震作用下的内力，其它类型结构可采取相应的简化计算方法。对剪力墙、框剪结构尚应符合有关规定，如框剪结构框架剪力要求、剪力墙连梁刚度折减等。4.7层间弹性变形验算正确计算层间弹性变形，理解其含义，并作出判断。弹性变形验算的目的是保证结构“小震不坏”设防目标以及避免建筑物非结构构件在小震下出现严重破坏。