地震作用与建筑结构抗震设计

第五章地地震作用用和结构抗抗震设计要要点一、建筑物物抗震设防防类型的确确定二、地震作作用的计算算规定及计计算方法三、结构抗抗震验算5.1建筑抗震设设防分类标标准一、建筑抗抗震设防分分类标准中国国家标标准建筑抗抗震设防分分类标准（（GB50223)，根据建筑物重要要性、在地震中中及地震后后破坏对社会会和经济造造成的影响响及在抗震防灾中中的作用，将建筑明明确分为四四类：甲类建筑——地震震破坏后会会对社会有有严重影响响，对国民民经济有巨巨大损失或或有特殊要要求的建筑筑物。专门研究确确定。乙类建筑——地震震中使用功功能不能中中断或需迅迅速恢复的的建筑物及及破坏后会会对社会有有重大影响响，对国民民经济有重重大损失。。如生命线工工程。丙类建筑——地震震破坏后对对社会有一一般影响，，对国民经经济有一般般损失的建建筑物。如如一般工业与民用用建筑、公公共建筑、、住宅、旅旅馆、厂房房等。丁类建筑——地震震破坏后对对社会影响响轻微，对对国民经济济影响轻微微，且不致致影响其它它甲、乙、、丙类建筑筑的建筑物物。附属建筑。二、各类建建筑抗震设设防的标准准甲类建筑：地震作用用应高于本本地区抗震震设防烈度度的要求，，其值应按批准的地地震安全性性评价结果果确定。6~8度度设防时，，提高1度度进行抗震震设防，9度时应比比9度设防防更高的要要求。乙类建筑：地震作用应应符合本地地区抗震设设防烈度要要求。一般情况况6~8度度时，提高高1度进行行抗震设防防，9度时时应比9度度设防更高高的要求。。3.丙类建筑：地震作用和和抗震措施施均应符合合本地区抗抗震设防烈烈度要求。丁类建筑：一般情况况下（具体体规定除外外），地震震作用应符符合本地区区抗震设防防烈度要求求，抗震措措施可适当当降低，但但6度抗震震时不降低低。抗震设防烈烈度为6度度时，除特特殊要求外外，一般情情况下对乙乙类、丙类类和丁类建建筑可不进进行地震作作用计算。。“三水准””，“两阶阶段”抗震震设计目标标，即“小小震不坏，，中震可修修，大震不不倒”，分分别按弹性性和弹塑性性两阶段设设计。三、各类建建筑抗震设设防的目标标5.2地震作用计计算一、地震作作用计算的的一般规定定《抗震规范范》规定的的计算原则则一般情况下下，应在建建筑结构的的两个主轴方方向分别考虑水水平地震作作用并进行行抗震验算算，各方向向的水平地地震作用全全部由该方方向的抗侧侧力构件承承担；有斜交抗侧侧力构件的的结构，当当相交角度度大于15度时，应应分别考虑虑各抗侧力构构件方向的的水平地震震作用；质量和刚度度明显不对对称的结构构，应考虑虑双向水平平地震作用用下的扭转影响。其他情况况，可以采采用调整地地震作用效效应的方法法计入扭转转影响；不同方向抗抗侧力结构构的共同构构件，应考考虑双向水水平地震作作用的影响响。8度和9度度的大跨度度结构、长长悬臂结构构及9度时时的高层建建筑，应考考虑竖向地震作作用。二、地震震作用计算算方法的确确定地震作用计计算方法底部剪力法法：把地震震作用当作作等效静力力荷载，计计算结构最最大地震反反应。实际际将多自由度度体系简化化为等效单单自由度体体系进行分分析。振型分解反反应谱法：：利用振型型分解原理理和反应谱谱理论进行行结构最大大地震反应应分析。时程分析法法：选定定一定的地地震波，直直接输入到到所设计的的结构，然然后对结构构的平衡微微分方程进进行数值积积分求得结结构在整个个地震时程程范围内的的地震反应应。包括振振型分解法法和逐步积积分法。现行《抗震震规范》的的抗震设计计计算采用用以下三种种方法：地震作用各各计算方法法的特点底部剪力法法是一种拟拟静力法，，计算量最最小，但因因忽略了高高阶振型的的影响，计计算精度稍稍差；振型分解反反应谱法，，计算量稍稍大，计算算精度较高高，计算误误差主要来来至于振型型组合时关关于地震动动随机性的的假定；时程分析法法是一种完完全动力分分析方法，，计算量大大，计算精精度高。但时程分析析法是某一一确定地震震动的时程程反应，不不像底部剪剪力法和振振型分解反反应谱法考考虑了不同同地震动时时程纪录的的随机性。。底部剪力法法、振型分分解反应谱谱法和振型型分解时程程分析法适适合于弹性性分析，逐逐步积分法法可用于塑塑性分析。。地震作用计计算方法的的选用情况况根据不同的的结构，不不同的设计计要求区别别对待。底部剪力法法适用情况况：高度不不超过40m，以剪剪切变形为为主且质量量和刚度沿沿高度分布布比较均匀匀的结构，，以及近似似于单质点点体系的结结构。振型分解反反应谱法适适用情况：：除上述以以外的建筑筑结构，宜宜采用振型分分解反应谱谱法。时程分析法法适用情况况：特别不规则则的建筑，，甲类建筑筑和P97表5.2所列的高高层建筑。。采用时程分分析法进行行计算应注注意以下问问题：满足地震动动三要素：：频谱特性性、有效峰峰值和持续续时间均要要符合规定定，频谱特特性可根据据地震影响响系数曲线线、所处的的场地类别别和设计地地震分组确确定。输入加速度度时程曲线线的持续时时间，不论论实际的地地震记录还还是人工模模拟的波形形，一般为为结构周期期的5~10倍倍。最小地震波波数：不少于2组组实际地震震波记录和一组人工模拟的的加速度时程程曲线，其其平均地震震影响系数数曲线应与与振型分解解反应谱法法所采用的的地震影响响系数曲线线在统计意义上相符符，其加速速度时程的的最大值可可按P97表5.3采用。最小剪力要要求(有效效峰值）输入加速度度调整弹性时程分分析时，每每条时程曲曲线计算所所得的结构底部剪剪力不应小小于振型分分解反应谱谱法计算结结果的65%。多条时程曲曲线计算所所得结构底底部剪力的的平均值不不应小于振振型分解反反应谱法计计算结果的的80%。。如不满足，，可将地震震波峰值加加大，使其其满足要求求。当结构采用用三维空间间模型等需需要双向（（2个水平平方向）或或3向（2个水平方方向和1个个竖向）地地震波输入入时，其加加速度最大大值通常按按下列比例例调整：1（水平1）：0.85（水水平2）：：0.65（竖向））表5.1采采用时时程分析的的房屋高度度范围表5.2地地震震加速度时时程曲线的的最大值（（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、重力荷荷载代表值值的计算进行结构抗抗震设计时时考虑的重重力荷载称称为重力荷载代代表值。重力荷载载包括恒载载和活载。。由于地震震发生时，，活载往往往达不到其其标准值，，因此，在在计算质点点的重力荷荷载可对活活载进行折折减按P98表5.3采用用。表5.3可变荷载组合值系数四、 水平平地震作用用计算的有有关规定1）考虑扭扭转振动的的原因地面运动存存在转动分分量，或地震时时地面各点点的运动存存在相位差差；结构本身存存在偏心，即结构的的刚度中心心和质量中中心不重合合。震害调调查分析表表明，扭转转作用会加加重结构破破坏，有时时还会成为为结构破坏坏的主要原原因。2）考虑扭扭转的效应应方法目前对地面面运动转动动分量引起起的扭转效效应难以定定量分析主要讨论结结构由于偏偏心引起的的地震扭转转效应。分析方法：：考虑振型型耦合。1.考虑扭扭转藕联时时水平地震震作用计算算3）平扭耦耦合体系地地震作用的的计算方法法第j振型i层的水平地震作用标准值：——j振型i层的x、y和转角方向的地震作用标准值;、、——j振型i层质心在x、y方向的水平相对位移;、——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）扭转效效应的计算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；——分别为j、k振型的阻尼比；——k振型与j振型的自振周期比。、双向水平地地震作用的的扭转效应应，可按下下列公式中中较大者确确定：平面规则的的建筑结构构，中国《《抗震规范范》规定当当规则结构构不考虑扭扭转藕联计计算时，应应采用增大边榀结结构地震内内力的简化化方法考虑由于施施工、使用用等原因所所产生的偶偶然偏心引引起的地震震扭转效应应及地震地地面运动转转动分量的的影响。平行于地震震作用方向向的两个边边榀，其地地震作用效效应可乘以以增大系数数。一般情况下下，短边可可按1.15采用，，长边可按按1.05采用；当当扭转刚度度较小时，，宜按不小小于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度突然变小小，地震时时产生鞭端效应而使其地震震反应急剧剧增大；震震害也表明明，突出屋屋面的小房房间在地震震中破坏较较为严重。。严格地说，，对带有突突出屋面小小房间的房房屋结构，，底部剪力力法已不再再适用，应应采用振型型分解反应应谱法计算算其水平地地震作用。。2.突突出屋面小小房间的地地震作用2)实际情情况简化处处理考虑到工程程实践中带带有突出屋屋面小房间间的房屋结结构数量极极大，进行行简化计算算。《抗震规范范》规定，，对于这类类结构，仍可采用底底部剪力法法计算其水平平地震作用用，在计算算时，将突突出屋面的的小房间也也作为一个个质点，并并将计算所所得的该质质点的水平平地震作用用乘以增大系数3予以调整整，此增大部部分不往下下传递，但但与该突出出部分相连连的构件在在设计时应应考虑这种种增大影响响。3.楼层层最小地震震剪力的规规定问题的提出出地震影响系系数曲线，，在长周期期段下降较较快，对于于基本周期期大于3.5s的结构，由由此计算所所得的水平平地震作用用下的结构效应可可能太小。而对于长长周期结构构，地震动动作用中地地面运动速速度和位移移可能对结结构的破坏坏具有更大大影响。目目前《抗震震规范》所所采用的振振型分解反反应谱法尚尚无法对此此作出估计计。考虑结构安安全，增加加了对各楼楼层水平地地震剪力最最小值的要要求，规定定了不同烈烈度下的剪剪力系数，，不考虑阻阻尼比的不不同，结构构水平地震震作用效应应应据此进进行相应调调整。P103表表5.8最小剪力规规定抗震验算时，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。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.楼楼层地震剪剪力的分配配结构任一楼楼层的水平平地震剪力力求得后，，可按下列列原则分配配给该层的的抗侧力构构件：现浇和装配配整体式混混凝土楼、、屋盖等刚刚性楼盖建建筑，应按按抗侧力构构件等效刚刚度的比值值分配；木楼盖、木木屋盖等柔柔性楼盖建建筑，宜按按抗侧力构构件从属属面积上重重力荷载代代表值的比比例分配；；普通的预制制装配式混混凝土楼、、屋盖等半半刚性楼盖盖建筑，可可取上述两两种分配结结果的平均均值；计入空间作作用、楼盖盖变形、墙墙体弹塑性性变形和扭扭转的影响响时，可按按《抗震规规范》的有有关规定对对上述分配配结果作适适当调整。。四、地基与与结构相互互作用的考考虑1.地基与与结构的相互互作用概念地震时，结构构受到地基传传来的地震波波影响产生地地震作用，在在进行结构地地震反应分析析时，一般都都假定地基是刚性的，实际上地地基并非为刚性，故当上部结结构的地震作作用通过基础础反馈给地基基时，地基将将产生局部变变形，从而引引起结构的移动和和摆动，这种现象称称为地基与结结构的相互作作用。2.相互作用的结结果使得地基运动动和结构动力力特性发生改改变：改变了地基运动的频频谱组成，使接近结构构自振频率的的分量获得加加强。同时改改变了地基振振动加速度峰峰值，使其小小于邻近自由由场地的加速速度幅值；由于地基的柔柔性，使结构构的基本周期延长长；由于地基的柔柔性，有相当当一部分振动动能量将通过过地基土的滞滞回作用和波波的辐射作用用逸散至地基基，使得结构振动衰减减，地基愈柔柔，衰减愈大大。大量研究表明明，一般来说说由于地基与与结构的相互互作用，结构构的地震作用将减减少，但结构的位移和由P-Δ效应引起起的附加内力力将增加。相互作用对结结构影响的大大小与地基硬、软和和结构的刚、、柔等情况有有关，硬质地基对对柔性结构影影响极小，对对刚性结构有有一定的影响响；软土地基基对刚性结构构影响显著，，而对柔性结结构则有一定定的影响。结构抗震计算算，一般情况况下，可不考考虑地基与结结构相互作用用的影响；8度和9度时时建造在Ⅲ，，Ⅳ类场地土土上，采用箱基、刚性较较好的筏基和和桩箱联合基基础的钢筋混凝土土高层建筑，，当结构基本周期处于于特征周期得得1.2倍至至5倍范围时，若计入地地基与结构动动力相互作用用得影响，对对刚性地基假假定计算的水水平地震剪力力可按下列规规定折减，其层间变形形可按折减后后的楼层剪力力计算。3.《抗震震规范》规定定高宽比不小于于3的结构，，底部的地震震剪力按上一一条的规定折折减，顶部不不折减，中间间各层按线性性插入值折减减。折减后各楼层层的水平地震震剪力，应符符合楼层最小小地震剪力的的规定。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）烈度场地类别II类IV类第一组0.080.20第二组0.100.255.3 竖向向地震作用的的计算震害调查和分分析表明，在在震中高烈度度区，某些建建筑物的破坏坏无法仅仅用用水平地震作作用解释。近近年来国内外外学者的实测测和计算分析析表明，一些些高层建筑和和高耸结构的的竖向地震应应力和重力荷荷载应力的比比值沿建筑物物高度向上逐逐渐增大。结结构上部可能能产生拉应力力。所以各国国现行抗震设设计规范对竖竖向地震的作作用都给与考考虑。我国《抗震规规范》规定，，8度和9度时时的大跨度结结构，长悬臂结构，9度时的高层层建筑，应考虑竖向向地震作用。。竖向地震作作用的计算是是根据建筑结结构的不同类类型采用不同同的方法，烟烟囱和类似的的高耸结构，，以及高层建建筑其竖向地地震作用的标标准值可按反反应谱法计算算，而平板网网架和大跨度度结构等则采采用静力法。。一、高层建筑筑的竖向地震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。竖向地震作用用计算方法：：计算时可采采用水平地震震反应谱。《《抗震规范》》根据收集到到的几百条实实际地震记录录曲线绘制了了竖向反应谱谱，并按场地地类别进行分分组，分别求求出它们的平平均反应谱，，由统计分析析结果表明，，各类场地的的竖向反应谱谱与水平反应应谱相差不大大。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。竖向地震作用用计算：高层层建筑和高耸耸结构取第一一振型的竖向向地震作用为为结构总的竖竖向地震作用用时其误差是是不大的。第第一振型接近近于直线，于于是，质点点i上的地震作用用可写成：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）结构总总竖向地震作作用标准值为为：则令式中——结构总重力荷载代表值；（2）各质点点的竖向地震震作用：——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.《抗震规规范》规定，，9度时高层层建筑的竖向向地震作用可可按上式计算算，并应乘以以增大系数1.5。这主要是根据据中国台湾921到大地地震的经验而而提出的要求求。对高层建建筑楼层的竖竖向地震作用用效应乘以1.5的增大大系数后，使使结构总竖向向地震作用标标准值，8、、9度时分别别略大于重力力荷载代表值值的10%和和20%。二、网架及大大跨度屋架的的地震作用根据对跨度在在24～60m的平板钢网架架和18m以上的标准屋屋架以及大跨跨度结构竖向向地震作用振振型分解法的的分析表明，，竖向地震作用用的内力和重重力荷载作用用下内力比值值比较稳定。因此，《抗抗震规范》规规定，对平板板型网架的屋屋盖、跨度大大于24m的屋架、长悬悬臂结构及其其它大跨度结结构的竖向地地震作用标准准值，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。结构类型烈度场地类别IIIIIIIV平板型网架、钢屋架8不考虑0.080.100.1090.150.150.200.20钢筋混凝土屋架80.100.130.130.1390.200.250.250.25表5.6 竖向地震作用系数三、长悬臂和和其他大跨度度结构长悬臂结构和和其他大跨度度结构的竖向向地震作用标标准值，8度、9度可分别取该该结构、构件件重力荷载代表表值的10%和和20%；设计基本加加速度为0.30g时，可取该结结构、构件重力荷载代表表值的15%。5.4结结构抗震验算算内容一、结构抗震震验算内容多遇地震下结结构允许弹性性变形验算，，防止非结构构构件破坏。。多遇地震下强强度验算，防防止结构构件件破坏。罕遇地震下结结构的弹塑性性变形验算，，防止结构倒倒塌。二、结构抗震震验算多遇地震下结结构允许弹性性变形验算式中——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。结构类型钢筋混凝土框架1/550钢筋混凝土框架—抗震墙、板柱—抗震墙、框架—核心筒1/800钢筋混凝土抗震墙、筒中筒1/1000钢筋混凝土框支层1/1000多、高层钢结构1/300表5.7弹性层间位移角限值多遇地震下强强度验算式中——

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。

抗震承载力调调整：动力荷载下材材料强度比静静力荷载下高高；地震是偶然作作用，可靠度度要求可降低低。表5.8承载力抗震调整系数结构构件的地地震作用效应应和其它荷载载效应组合，，可按下式计算算：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地地震作用分分项系数地震作用仅考虑水平地震作用1.30.0仅考虑竖向地震作用0.01.3同时考虑水平与竖向地震作用

1.30.5验算方法：应应对结构的薄弱层（变形大）进进行弹塑性变变形验算，一一般在强震作作用下使其小小于某一限值值，以保证结结构不致倒塌塌。（1）《抗震震规范》规定定罕遇地震作作用下薄弱层（部位）的抗震变形验算范围：罕遇地震作用用下结构弹塑塑性变形验算算结构的弹塑性性变形控制目标是保证结结构不致倒塌塌8度Ⅲ、Ⅳ类类场地，9度度时高大的单单层钢筋混凝凝土柱厂房；；7～9度时楼层屈屈服强度系数数最小的钢筋筋混凝土框架架结构；高度大于150米的钢结结构；甲类建筑和9度时乙类建建筑中的钢筋筋混凝土结构构；采用隔震和消消能减震设计计的结构。《抗震规范》》还规定了下列结结构宜进行弹弹塑性变形验验算：本章表5.2所列高度范范围且属于竖竖向不规则类类型的高层建建筑结构7度III、IV类场地和8度度时乙类建筑筑中的钢筋混混凝土结构和和钢结构；板柱-抗震墙墙结构和底部部框架砖房；；高度不大于150米的钢钢结构。（2）弹塑性性层间位移计计算公式：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移;——

弹塑性层间位移增大系数，当薄弱层（部位）的屈服强度系数不小于相邻层（部位）该系数的0.8时，可按表5.10采用；当不大于该平均值的0.5时，可按表内相应值的1.5倍采用；其它情况可采用内插法取值。一般罕遇地震的的地面运动加加速度峰值是是多遇地震的的4～6倍左左右。结构已无强度储备备:所以在多遇遇地震烈度下下处于弹性阶阶段的结构，，在罕遇地震震烈度下势必必进入弹塑性性阶段，结构构接近或达到到屈服。要求结构较好好的延性:抵抵抗地震的持持续作用，通通过发展塑性性