竖向地震作用与变形验算教学PPT.ppt

第 10 讲,扭转耦联地震效应与竖向地震作用,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,2,本讲内容,扭转耦联地震作用和作用效应计算； 竖向地震作用计算； 截面抗震验算； 抗震变形验算。,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,3,产生扭转地震反应的原因：,1. 建筑结构存在偏心；,质心,刚心, 建筑物的柱体与墙体等抗 侧力构件布置不对称。, 建筑物的平面不对称。, 建筑物的立面不对称。, 建筑物的平面、立面均不对称。, 建筑物各层质心与刚心重合， 但上下层不在同一垂直线上。,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,4,产生扭转地震反应的原因：,1. 建筑结构存在偏心；,2. 地震地面运动存在转动分量。,结构平动与扭转振动耦合！,结构平动与扭转振动不耦合！,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,5,5.2.3 水平地震作用下，建筑结构的扭转耦联地震效应应符合 下列要求：,1 规则结构不进行扭转耦联计算时，平行于地震作用方向的两个边榀各构件，其地震作用效应应乘以增大系数。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，周边各构件宜按不小于1.3 采用。角部构件宜同时乘以两个方向各自的增大系数。,2 按扭转耦联振型分解法计算时，各楼层可取两个正交的水平位移和一个转角共三个自由度，计算结构的地震作用和作用效应。确有依据时，尚可采用简化计算方法确定地震作用效应。,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,6,考虑扭转的振型分解反应谱法,1、平扭耦联体系的自由振动分析,基本假定：,(1) 楼板在其自身平面内为绝对刚性，在平面外的刚度很小可以忽略不计；,(2) 各榀抗侧力结构（框架或剪力墙）在其自身平面内刚度很大，在平面外的刚度很小可以忽略不计；,(3) 所有构件都不考虑其自身的抗扭作用；,(4) 将质量（包括柱、墙的质量）都集中于各层楼板处。,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,7,考虑扭转的振型分解反应谱法,1、平扭耦联体系的自由振动分析,计算简图如图所示，坐标原点一般选在各楼层的质心处。每一层楼质量有三个自由度。,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,8,考虑扭转的振型分解反应谱法,1、平扭耦联体系的自由振动分析,结构运动方程：,式中,：质量矩阵,：位移矩阵,：阻尼矩阵,：刚度矩阵,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,9,结构运动方程：,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,10,结构运动方程：,：平行于x轴第s榀框架的刚度矩阵；,：平行于x轴框架的榀数；,：平行于y轴第r榀框架的刚度矩阵；,：平行于y轴框架的榀数；,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,11,结构运动方程：,：第i层第s榀x方向的y向座标；,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,12,结构运动方程：,：第i层第r榀y方向框架的x向座标;,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,13,结构运动方程：,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,14,求解频率和振型：,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,15,考虑扭转的振型分解反应谱法,2、考虑扭转影响的水平地震作用,：地震地面加速度；,：地面运动方向与x轴夹角。,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,16,设,代入方程，并利用振型正交性，可得,经过与前面单向平移振动类似的推导，可得到考虑扭转地震效应时水平地震作用标准值的计算公式：,分别为j振型i层的x方向、y方向和转角方向的地震作用标准值,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,17,考虑扭转地震效应时水平地震作用标准值的计算公式：,-分别为j振型i层的x、y方 向的水平相对位移；,-为j振型i层的相对扭转角；,-j振型周期tj对应的地震 影响系数；,-i层转动半径；,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,18,考虑扭转地震效应时水平地震作用标准值的计算公式:,-考虑扭转的j振型参与系数；,仅考虑x方向地震时,仅考虑y方向地震时,与x方向斜交地震时,地震作用方向与x轴方向夹角,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,19,3、考虑扭转影响的水平地震作用效应,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,20,考虑双向水平地震作用下扭转的地震作用效应,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,21,3.8 结构竖向地震作用,竖向地震运动是可观的：,根据观测资料的统计分析，在震中距小于200km范围内，同一地震的竖向地面加速度峰值与水平地面加速度峰值之比av/ah平均值约为1/2，甚至有时可达1.6。,竖向地震作用的影响是显著的：,根据地震计算分析，对于高层建筑、高耸及大跨结构影响显著。结构竖向地震内力ne/与重力荷载产生的内力ng的比值沿高度自下向上逐渐增大，烈度为8度时为50%至90%，9度时可达或超过1；335m高的电视塔上部，8度时为138%；高层建筑上部，8度时为50%至110%。,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,22,目前，国外抗震设计规定中要求考虑竖向地震作用的结构或构件有：,1.长悬臂结构； 2.大跨度结构； 3.高耸结构和较高的高层建筑； 4.以轴向力为主的结构构件（柱或悬挂结构）； 5.砌体结构； 6.突出于建筑顶部的小构件。,我国抗震设计规范规定前三类结构要考虑向上或向下竖向地震作用的不利影响。,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,23,计算结构竖向地震作用的方法：,静力法：取结构或构件重力的某个百分数作为其竖向地震 作用；,水平地震作用折减法：取结构或构件水平地震作用的某个 百分数其竖向地震作用；,竖向地震反应谱法：与水平地震反应谱法相同。,规范采用的是基于竖向地震反应谱法的拟静力法。,时程反应分析：采用竖向地震波时程，按直接动力法计算,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,24,一、竖向地震反应谱,竖向地震反应谱与水平地震反应谱的比较:,类场地竖向地震 平均反应谱与水平 地震平均反应谱,形状相差不大,加速度峰值约为水平的1/2至2/3。,可利用水平地震反应谱进行分析。,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,25,分析结果表明： 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。,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,26,二、高耸结构和高层建筑竖向地震作用的计算公式,-结构总竖向地震作用标准值；,-竖向、水平地震影响系数最大值。,-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。,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,27,三、平板型网架屋盖与大于24m屋架的竖向地震作用计算,-第i杆件的竖向地震内力；,-第i杆件的重力内力。,反应谱法计算结果表明,1.比值虽不相同,但相差不大,故可取最大值作为设计依据；,2.比值与烈度和场地类别有关；,3.比值与跨度有关，但在常用的范围内，变化不很大；为了简化，略去其影响；,-竖向地震作用系 数，按表采用；,-重力荷载代表值。,采用静力法,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,28,对于长悬臂和其它大跨度结构的竖向地震作用标准值，8度和9度可分别取该结构、构件重力荷载代表值的10%和20%，设计基本地震加速度为0.30g时，可取该结构构件重力荷载代表值的15%。,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,29,一、结构抗震计算原则,3.9 结构抗震验算,各类建筑结构的抗震计算应遵循下列原则：,1、一般情况下，可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应由该方向抗侧力构件承担。,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。,4、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。,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,30,二、结构抗震计算方法的确定,1、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， 宜采用底部剪力法等简化方法。,2、除上述以外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法。,3、特别不规则的建筑、甲类建筑和下表所列高度范围的 高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充 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。,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,31,时程分析方法要点：,按建筑场地类别和设计地震分组选用不少于二组的实际强震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。,采用时程分析法的房屋高度范围,时程分析所用地震加速度时程的最大峰值,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,32,采用二阶段设计法：,第一阶段：对绝大多数结构进行多遇地震作用下的结构和构件承载力验算,以及多遇地震作用下的弹性变形验算。,第二阶段：对一些结构进行罕遇地震作用下的弹塑性变形验算。,三、结构抗震验算内容,1.多遇地震下结构允许弹性变形验算,除砌体结构、厂房外的框架结构、填充墙框架结构、框架-剪力墙结构等需验算允许弹性变形。,对于按底部剪力法分析结构地震作用时，其弹性位移计算公式为,-第i层的层间位移；,-第i层的侧移刚度；,-第i层的水平地震剪力标准值。,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,33,楼层内最大弹性层间位移应符合下式,-多遇地震作用标准值产生的楼层内最大的弹性层间位移；,-计算楼层层高；,-弹性层间位移角限值，按下表采用。,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,34,2.多遇地震下结构强度验算,下列情况可不进行结构强度验算：,（1）6度时的建筑（类场地上较高的高层建筑与高耸结构除外）；,（2）7度时、类场地、柱高不超过10m且两端有山墙的单跨及多跨等高的钢筋混凝土厂房，或柱顶标高不超过4.5m，两端均有山墙的单跨及多跨等高的砖柱厂房。,除上述情况的所有结构都要进行结构构件承载力的抗震验算，验算公式为,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,35,承载力抗震调整系数,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,36,-重力荷载分项系数，一般取1.2，当重力荷载效应对构件承载能力 有利时，不应大于1.0；,-分别为水平、竖向 地震作用分项系数， 按右表采用；,-风荷载分项系数，应采用1.4；,-重力荷载代表值的效应；,-水平、竖向地震作用的标准值效应,尚应乘以相应的增大系数或调整系数;,-风荷载标准值的效应；,-风荷载组合系数;一般结构可不考虑,风荷载起控制作用的高层建筑应采用0.2;,2019/4/6,第10讲 竖向地震作用与变形验算,37,3.罕遇地震下结构弹塑性变形验算,需要进行结构罕遇地震作用下薄弱层弹塑性变形验算的范围,(a)下列结构应进行弹塑性变形验算,1）8度、类场地和9度时,高大的单层钢筋混凝土柱 厂房的横向排架; 2）7-9度时楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框 架结构； 3）高度大于150m的钢结构； 4）甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋