中震弹性设计与中震不屈服设计的理解及实施

1、第24卷第6期结 构 工 程 师Vo124No62008年 12月Structural EngineersDec2008中震弹性设计与中震不屈服设计的理解及实施周 颖吕西林(同济大学土木工程防灾国家重点实验室，上海 200092)摘 要 我国目前的抗震规范规定结构抗震设计时，进行小震作用下的承载力验算、弹性变形验算和大震作用下的弹塑性变形验算，对中震设计的具体内容涉及很少。近年来随着我国复杂和超限结构的不断出现，国内一些专家提出对此类重要结构实施中震作用下的抗震设计，具体包含“中震弹性”和“中震不屈服”两种方法。文中首先就这两种设计方法的概念、具体设计参数进行了对比分析；然后以某一高层混合结构

2、为例，对比了按 7度丙类建筑小震、乙类建筑小震 、丙类建筑中震不屈服、丙类建筑中震弹性下的设计结果，得到的一系列结论可供设计人员和规范修编参考。关键词 中震弹性设计，中震不屈服设计，设计参数，混合结构Interpretation and Implementation of Elastic and Non-YieldingDesign under M oderate EarthquakeZHOU Ying LU Xilin(StateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineering，TongjiUniversity，Shanghai20009

3、2，China)Abstract In Chinese code for seismic design，the structuralexamination willinclude force carrying capacityandelastic deformation check underminorearthquake，and elastoplastic deformation check undermajorearthquakeThere is no prohibited structuralcalculation formoderate earthquakesWith therapid

4、 rush ofthecomplex structuresin recentyears，however，Chinese structuralexpertspropose to perform structuraldesign of those buildingsundermoderate earthquake Those methodsare term ed as“elastic design”and“non-yielding design”undermoderate earthquake，respectivelyFirstthe conceptand design parameterofth

5、ese two methodswere compared in this paper， Then the analytical results of a tall hybrid structure were analyzed understructure class B and C of minor earthquake， and under elastic and nonyielding design of moderateearthquakeThe results and conclusionsdrawn in thispapercan be referred by the structu

6、raldesign and coderevisionKeywords elastic design under moderate eahquake， nonyielding design under moderate earthquake，design parameter，hybrid structure震规范)采用“三水准，二阶段 ”的抗震设计 方1 引 言法，其通俗说法即为“小震不坏，中震可修，大震不倒”。抗震设防目标是一个国家或地区的抗震规范 我国“三水准”的抗震设防目标：第一水准，在现有科学水平和经济条件基础上提出来的，抗 建筑物在遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影震设防目标的实现则采

7、用不同水准下不同的抗震 响时，一般不受损坏或不需修理仍可继续使用。设计方法和要求来实现。具体来讲，我国 GB 第二水准，建筑物在遭受相当于本地区抗震设防500112O01建筑抗震设计规范(以下简称抗 烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需收稿日期：20080530基金项目：973计划项目(2006BAIl3BO1)，国家自然科学基金项目(50708071)，上海市晨光计划项目(2007CG27)StructuralEngineersVo124，No6修理仍可继续使用。第三水准，建筑物在遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。在具体做法上，为简化计

8、算，抗震规范采用了“二阶段”的设计方法：第一阶段，按小震作用效应和其他荷载效应的基本组合验算结构构件的承载能力，以及在小震作用下验算结构弹性变形。第二阶段，在大震作用下验算结构的弹塑性变形。第一阶段的设计保证结构满足第一水准抗震设防目标的要求，第二阶段的设计保证结构满足第三水准抗震设防目标的要求。至于第二水准抗震设防目标的要求主要是以概念设计和抗震构造措施来加以保证的 。由此可见，我国目前的抗震设计仍是以小震为基础，中震设计的具体内容涉及很少，仅通过各种抗震构造措施来予以保证。在美国 2005年洛杉矶颁布的洛杉矶地区高层建筑抗震分析与设计方法(An Alternative Proceduref

9、or Seismic Analysi andDesignof TalBuildingsLocatedintheLosAngelesRegion)和2007年旧金山颁布的高层建筑抗震设计和评审公告(RecommendedAdministrative Bulletin on the Seismic Design &Review of Tal Buildings Using Non-prescriptiveProcedures)，在正常使用极限状态(小震)、生命安全极限状态(中震 )和防止倒塌极限状态(大震 )下均需对该地区的高层结构进行结构分析与设计。近年来随着我国复杂结构、超限结构越来越多，国内

10、一些专家、学者提出，对此类超限高层结构的抗震设计应按照不同性能目标进行分析和验算，即对整体结构或结构关键部位、关键构件进行中震作用下的抗震设计 J，这种做法 也被看成是基于性能抗震设计思想在我国结构设计中的一种体现。全国超限高层建筑工程抗震设防审查专家委员会在关于发送 的通知(建抗超委2006(函)005号)中说明：“中震，一般指地震影响系数取小震的285倍。承载力性能要求中，保持弹性指不考虑构件内力调整(如抗震等级四级)的抗震验算，规范规定的多道防线增大系数可适当调整；不屈服指内力、材料强度均按标准值计算，并且不考虑抗震承载力调整系数，必要时阻尼比可适当增加。”因而，目前工程常见的对于结构中

11、震阶段的设计方法有两种：一种为“中震弹性 ”设计 ；一种Study ofDesign Method为“中震不屈服 ”设计 。本文首先就这两种设计方法的概念、具体设计参数进行了对比分析；然后以一高层混合结构为例，分别对比了按丙类建筑小震、乙类建筑小震、丙类建筑中震不屈服、丙类建筑中震弹性下的设计结果。2 中震弹性设计与中震不屈服设计参数对比分析中震弹性与中震不屈服两种设计方法本身既有联系又有区别。第一，设计阶段相同。中震弹性设计和中震不屈服设计均属于中震阶段的设计方法，也就是说，两种方法均按基本烈度地震作用而不是多遇地震作用进行结构抗震设计。具体来讲，在反应谱法计算中，水平地震影响系数最大值应按

12、基本烈度地震水平取值(表 1)；在时程分析法中，地震加速度时程曲线最大值也应按基本烈度地震进行取值(表 2)。为方便起见 ，中震阶段的水平地震影响系数最大值和加速度时程曲线最大值也可按小震阶段相应值的 285倍计算。表 1水平地震影响系数最大值Table 1The maximum value of thehorizontalseismic coefficient地震影响 6度 7度 75度 8度 85度 9度多遇地震 004 0O8 O12 ()16 O24 O32基本烈度地震 O11 O23 O33 046 066 091罕遇地震O5O O72 O9O 12O 140表 2时程分析所用地震加

13、速度时程曲线的最大值Table2 Thepeak value ofthetim ehistoryg地震影响 6度 7度 75度 8度 85度 9度多遇地震 0018 0035 0055 0070 O110 O140基本烈度地震01OO O150 0200 0300 0400罕遇地震022003100400O5100620第二，构件应力状态相近。在中震弹性设计中，构件处于弹性状态；在中震不屈服设计中，大部分构件处于弹性状态且已经达到弹性状态的极限状态，即将进入屈服阶段。具体实施时，小震作用下的结构设计在进行内力组合后，需按 GB 500112o02混凝土结构设计规范 进行内力调整(乘以增大系数，

14、现行规范的内力调整系数参见表 3)，以考虑“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱构件”的设计思想，保证结构的安全度；而设计方法研究 中震作用下进行的弹性设计和不屈服设计则需取消组合内力调整，构件的抗震等级均取为四级。表 3混凝土框架柱、框架梁、剪力墙设计内力调整系数Table 3 Internalmomentforce modificationfactorofreinforced concrete(RC)columns，RC beams，shear wals抗震等级弯矩调整系数剪力调整系数框架梁156特连 梁13框架柱、非底层底层非底层底层框支柱16818282243024级般剪加强区非加强区

15、加强区非加强区力墙11131912框架梁13连 梁13框架柱、非底层底层14级框支柱1415般剪加强区非加强区加强区非加强区力墙1O12161O框架梁12连 梁12框架柱、非底层底层12级框支柱12125般剪加强区非加强区加强区非加强区力墙1O1O141O框架梁11连 梁11二二框架柱、非底层底层11级框支柱11115般剪加强区非加强区加强区非加强区力墙101O1210四级调整系数均取 10注：根据规范I 第 726条及 条文说明，一级抗震等级剪力墙的底部加强部位的弯矩设计值，应按墙底截面组合弯矩计算值采用；其余部位可按墙肢组合弯矩计算值的12倍采用。故非加强区的内力调整系数大于加强区值，这样

16、做的主要目的是保证级剪力墙，应按设计意图控制塑性铰出现部位，在其他部位则应保证不出现塑性铰。第三，设计结构安全度不同。按中震弹性进行结构设计，虽取消了内力调整系数，但保留了荷载分项系数，材料强度按设计强度取值，这就使设计构件既在中震作用下处于弹性状态又从一定程度上保留了结构的安全度和可靠度；按中震不屈服进行结构设计，则使设计构件在中震作用下达到弹性极限状态，即在取消内力调整系数的基础上，使荷载分项系数、承载力抗震调整系数取为10，且材料强度取为标准值。可以看出，中震不屈服设计是中震弹性设计的承载能力极限状态，结构工程师第 24卷第 6期因而中震弹性设计较中震不屈服设计的安全储备更大、抗震要求更

17、严。通过以上分析，中震弹性设计和中震不屈服设计参数要求可以总结如表4所示。表4 中震弹性设计和中震不屈服设计要求Table4Requirementfor the elasticand non-yielding design设计参数中震弹性中震不屈服水平地震影响系数最 按表 1基本烈度按表 1基 本烈度大值地震地震时程分析地震加速度 按表 1基本烈度按表 1基本烈度时程曲线最大值地震地震内力调整系数1O(四级抗震等级)10(四级抗震等级)荷载分项系数按规范要求1O承载力抗震调整系数 按规范要求10材料强度取值设计强度材料标准值3 按不同设计方法设计高层混合结构对比分析下面就以某 25层钢框架一混

18、凝土核心筒高层混合结构为例，对比该结构在丙类建筑小震、乙类建筑小震、丙类建筑中震不屈服、丙类建筑中震弹性下的设计结果。其 中，选用不同设防类别建筑主要是为了对比改善结构抗震构造措施和提高结构抗震性能目标的有效性。31 结构基本信息某 25层钢框架 一混凝土核心筒混合结构结构(以下称为 Benchmark)层高 4 m，结构总高度100m，平面尺寸为 243m x228 m，标准层平面图如图1所示。结 构混凝土强度等级为C40，外 - 1LlL1LILlLlLILl囱LILI自LlKL11 w3W3KL1L1一 l釜一Ll 一_ KL1lKLlW2W 2KLlW2W2KLlLlKL1w3呈W3K

19、Ll_1L】L JL JLlL)一一LI 自LI目LI盘LILl。l J【KL ，KL4 L KL1 注：所有柱均为KZl图 1 结构标准层平面图Fig1 Plane layoutofthe standard loorfStructuralEngineersVo124，No6Study ofDesign Method钢框架钢材强度等级为 Q345。该结构按丙类建 多遇地震标准值作用下的层间位移角接近但不超筑“恰能满足规范要求 ”进行设计 ，即在选定构件 过规范 1800的限值。结构构件信息见表 5，利截面尺寸时，在保证柱、墙轴压比和纵筋配筋率不 用中国建筑科学研究院 PKPM工程计算软件建立超

20、过截面抗剪能力上限的前提下，尽量使结构在计算模型如图2所示。表 5Benchmark结构构件基本信息Table 5M ember sectiOIlSofthe benchmark structurenlm构件15层61O层1115层162O层2125层KZ1600 600 18550 550 x18500 50016450 450 x14400 x400 12KL115O x3008 1015O x300 x8 x1015O 300 x8 x10150 300 x8 1015O 300 x8 x10KI2100 x200 x6 8100 2006 x8100 2006 x8100200 6 x

21、8100 x200 x6 x8KL3200 40010 14200 x40010 x14200 x400 x10 x14200 x400 10 x1420()x400 x10 x14KL411O x220 6 811O x220 x6 x811O x220 x6 x8110220 68110 x220 x6 x8L1120 2508 x1012O 2508 10120 x250 8 x10120 x250 8 x10120 250 x8 10W 15OO450400300200W24003503002002003450400350250200图2 PKPM计算模型图Fig2 PKPM comp

22、utationalmodel32 荷载信息楼面恒载 60 kNm ，屋面恒载 75kNm ，楼面和屋面活载 20kNm ，梁间恒载按玻璃幕墙 15kNm。考虑。地震信息：按 7类设 防，第一组，上海 类场地土。风荷载信息：基本风压 055kNm ，地面粗糙度类别为 B类。33 结构动力特性对 Benchmark进行丙类小震作用下的结构分析，结构满足规范规定的要求。再分别进行乙类小震作用，中震不屈服，中震弹性作用下的结构设计。计算表明，结构性能目标提高后 Benchmark 出现超筋现象，调整构件截面直至满足规范要求。此时得到的不同结构自振特如表 6所示 ，从表中可以看出，按 7度中震进行结构设

23、计时 ，结构地震作用提高 285倍 ，结构周期调整为小震的 70左右方能满足要求。表 6结构动力特性Table6Dynam ic characteristicsofthe structure参 数丙类小震乙类小震中震不屈服中震弹性Benchmark不变剪力墙截剪力墙截结构调整面增大面增大第 1周期s224224159153第 2周期s173173128124第 3周期s095O95O63O53第 4周期s(J52052040036第 5周期sO42042032030第 6周期sO36036024O20前 15阶 向振型参与质933933921928量系数前 15阶 l，向振型参与质 926 9

24、26 919 927量系数第 3周期0第 1周期42042039O3534 结构位移反应按丙类小震、乙类中震、丙类中震不屈服及丙类中震弹性计算结构的位移反应如图 3所示 ，可以看出： 在小震和中震作用下，结构变形均呈现弯曲型为主的特点，表明核心筒对整体结构的抗侧刚度具有重要贡献； 中震地震力为小震的285倍，而结构中震下的整体位移反应为小震位移的 1922倍。设计方法研究 图3 结构位移反应Fig3 Displacementresponse ofthe structure35 结构层间位移反应图 4给出了按丙类小震 、乙类中震、丙类中震不屈服及丙类中震弹性计算结构的层间位移角，可以看出结构满足

25、小震作用下层间位移角 1800限值的要求，中震作用下的层间位移角则远超过此限值；但中震下的层间位移角基本变化规律与小震趋势相同，其值为小震量值的 1923倍 ，最大层问位移角分别为 1384(y向，中震 不屈服)和 1402(Y向 ，中震弹性)。丙类小震 丙类中震弹性 乙类小震一 丙类中震不屈服 18001O2 030层间位移】，图4 结构层间位移角Fig4 Interstory driftofthe structure36 结构工程量对比按丙类小震、乙类中震、丙类中震不屈服及丙类中震弹性设计结构的工程量有很大差别，尤其是剪力墙厚度及配筋等。例如乙类小震设计与丙类小震设计的主要差别在于剪力墙抗

26、震等级由二级提高到一级，剪力墙配筋相对提高较少，约4；而中震不屈服设计较小震设计剪力墙混凝土用量将提高 48 ，中震弹性设计较小震设计剪力墙混凝土用量将提高 72 ；按中震不屈服、中震弹性设计的剪力墙钢筋用量较小震设计将提分别结构工程师第 24卷第 6期高 101和 159。因而 ，在含有剪力墙结构中，要求整体结构的在中震作用下“保持弹性”和“弹性不屈服”都将引起剪力墙厚度过大和工程量数倍增加。建议仅在超限高层结构中采用 “中震弹性”和“中震不屈服”的抗震思想，且仅对含剪力墙结构的关键部位或关键构件采用中震设计的方法，并在此类工程中尽可能采用带型钢或钢板的混凝土剪力墙，以减小构件截面尺寸，降低

27、造价。例如，上海环球金融中心结构总高 492Il，核心筒内暗埋型钢，标准层剪力墙厚度为 175m，试验表明结构在中震作用下的频率仅下降 6，大震作用下的频率下降 14E83，基本可以实现整体结构“中震弹性”的设防目标。4 结论及建议本文通过详细分析结构设计基本烈度地震作用下“中震弹性 ”和“中震不屈服”两种结构设计要求及参数设置，并以某高层混合结构为例，对比了分别按 7度丙类小震 、乙类小震、丙类建筑中震不屈服、丙类建筑中震弹性设计结构的动力特性、结构反应和工程量，得到以下结论：(1)按基本烈度地震 (中震 )作用进行结构设计时，为方便起见，中震阶段的水平地震影响系数最大值和加速度时程曲线最大

28、值可按小震阶段相应值的 285倍计算。(2)工程常用的设计方法有 “中震弹性”和“中震不屈服”两种，两种方法均属于中震阶段的设计方法。中震弹性方法设计 的主要构件均处于弹性状态，虽取消了内力调整系数，但保留了荷载分项系数，材料强度按设计强度取值。(3)按中震不屈服进行结构设计，主要构件处于弹性极限，即将进入屈服阶段，因而中震不屈服设计可以看作是中震弹性设计的承载能力极限状态。即在取消内力调整系数的基础上，使荷载分项系数、承载力抗震调整系数取为 10，且材料强度取为标准值。显然，中震弹性设计较中震不屈服设计的安全储备更大、抗震要求更严。(4)按 7度中震进行高层混合结构设计时，结构地震作用提高

29、285倍，结构周期调整为小震的 70左右方能满足要求 ；结构的位移及层间位移角基本变化规律与小震趋势相同，其值为小震量值的1923倍。(下转第21页)StructuralEngineersVo124，No612Study ofDesign Method(a1详图(b)现场照片图10 雨篷详图及现场照片Fig10 Detailsofauning中对预应力管桩和预应力楼盖进行了经济性和施工应用的比较，并对楼盖预应力的施加效果进行了测试，同时在屋顶及天桥等部位应用了比较精巧的钢结构。本工程现已竣工投入使用，其实际效果较好。有关楼盖预应力布置的工程数据以及钢结构的形式，可供类似工程的设计者参考。rLr L注：参加本工程结构设计的工程师还有邵1J晓健、姜文 J辉、常23丽华、沈懿洁、周培红、孙海等参考文献1 中华人民共和国建设部GB 50017-2003 钢结构设计规范S北京：中国建筑工业出版社，2003(上接第5页)(5)对于高层混合结构，提高抗震设防类别的主要变化在于提高抗震等级，剪力墙配筋相对提高较少，约 4 ；而设计地震作用从小震提高至中震，将大幅提高剪力墙混