地震作用与建筑结构抗震设计.ppt

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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 j振型i层的相对转角 计入扭转的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 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 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 j振型与k振型的耦联系数 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 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 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 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 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 由于地基的柔性 使结构的基本周期延长 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 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 效应引起的附加内力将增加 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 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 8度和9度时建造在 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平地震剪力可按下列规定折减 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的结构 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 折减后各楼层的水平地震剪力 应符合楼层最小地震剪力的规定 高宽比小于3的结构 各楼层水平地震剪力的折减系数 可按下式计算 式中 计入地基与结构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结构基本自振周期 s 计入地基与结构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 5 3竖向地震作用的计算 震害调查和分析表明 在震中高烈度区 某些建筑物的破坏无法仅仅用水平地震作用解释 近年来国内外学者的实测和计算分析表明 一些高层建筑和高耸结构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 结构上部可能产生拉应力 所以各国现行抗震设计规范对竖向地震的作用都给与考虑 我国 抗震规范 规定 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 竖向地震作用的计算是根据建筑结构的不同类型采用不同的方法 烟囱和类似的高耸结构 以及高层建筑其竖向地震作用的标准值可按反应谱法计算 而平板网架和大跨度结构等则采用静力法 一 高层建筑的竖向地震作用 竖向最大加速度幅值 竖向地震系数与水平地震系数之比取 2 3 统计表明竖向最大加速度与地面水平最大加速度比值为1 2 2 3 靠近震中区越近 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 计算时可采用水平地震反应谱 抗震规范 根据收集到的几百条实际地震记录曲线绘制了竖向反应谱 并按场地类别进行分组 分别求出它们的平均反应谱 由统计分析结果表明 各类场地的竖向反应谱与水平反应谱相差不大 其中 分别为竖向和水平地震系数 分别为竖向和水平动力系数 分别为竖向和水平地震影响系数 竖向地震作用计算 高层建筑和高耸结构取第一振型的竖向地震作用为结构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 相应于结构基本周期的竖向地震影响系数 由于竖向基本周期较短 故 将代入 第i质点上的地震作用标准值 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 结构总竖向地震作用标准值为 则 令 式中 结构总重力荷载代表值 2 各质点的竖向地震作用 结构等效重力荷载 等效重力荷载折减系数 抗震规范 取0 75 式中 结构总重力荷载代表值 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到大地震的经验而提出的要求 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 使结构总竖向地震作用标准值 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以上的标准屋架以及大跨度结构竖向地震作用振型分解法的分析表明 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 长悬臂结构及其它大跨度结构的竖向地震作用标准值 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 表5 6竖向地震作用系数 三 长悬臂和其他大跨度结构 长悬臂结构和其他大跨度结构的竖向地震作用标准值 8度 9度可分别取该结构 构件重力荷载代表值的10 和20 设计基本加速度为0 30g时 可取该结构 构件重力荷载代表值的15 5 4结构抗震验算内容 一 结构抗震验算内容 多遇地震下结构允许弹性变形验算 防止非结构构件破坏 多遇地震下强度验算 防止结构构件破坏 罕遇地震下结构的弹塑性变形验算 防止结构倒塌 二 结构抗震验算 多遇地震下结构允许弹性变形验算 式中 计算楼层层高 多遇地震作用标准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 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 各类结构构件承载力抗震调整系数均可取1 0 结构构件承载力设计值 按现行有关规范规定计算 抗震承载力调整 动力荷载下材料强度比静力荷载下高 地震是偶然作用 可靠度要求可降低 表5 8承载力抗震调整系数 结构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 结构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 分别为水平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 一般情况取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 当有吊车时尚应包括悬吊物重力荷载标准值产生的效应 水平地震作用标准值的效应 尚应按有关规定乘以相应的增大系数或调整系数 竖向地震作用标准值的效应 尚应按有关规定乘以相应的增大系数或调整系数 风荷载标准值的效应 风荷载组合系数 一般结构取0 0 风荷载起控制作用的高层建筑可采用0 2 表5 9地震作用分项系数 验算方法 应对结构的薄弱层 变形大 进行弹塑性变形验算 一般在强震作用下使其小于某一限值 以保证结构不致倒塌 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 罕遇地震作用下结构弹塑性变形验算 结构的弹塑性变形控制目标是保证结构不致倒塌 8度 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结构 高度大于150米的钢结构 甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构 采用隔震和消能减震设计的结构 抗震规范 还规定了下列结构宜进行弹塑性变形验算 本章表5 2所列高度范围且属于竖向不规则类型的高层建筑结构7度III IV类场地和8度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构 板柱 抗震墙结构和底部框架砖房 高度不大于150米的钢结构 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