抗震設計方法

1、目錄1. 抗震設計方法 11.1 結構抗震計算內容 11.2 地震的作用、作用效應特點及分析方法 11.3 結構地震反應分析方法 11.3.1 振型分解反應譜法 11.3.2 底部剪力法 21.3.3 動力時程分析方法 31.3.4 靜力彈塑性分析方法 42. 建筑抗震設計 52.1兩階段設計方法 62.2抗震性能化設計方法 7性能化設計要求 7性能化設計的計算要求 83. 多層和高層鋼結構房屋抗震設計 83.1層和高層鋼結構房屋主要震害特征 83.2多高層鋼結構選型與布置 83.3多高層鋼結構抗震計算及設計 9計算模型 9鋼梁、鋼柱抗震設計的原則 11 連接抗震設計的原則 111. 抗震設計

2、方法1.1結構抗震計算內容在抗震設防區(qū)建造建筑物時，必須考慮地震對結構的影響，并對其進行抗震設計?？拐鹪O計中，當結構形式、布置等初步確定后，一般應進行抗震計算，結構抗震計算包括以下三方面內容。(1) 結構所受到的地震作用及其作用效應（包括彎矩、剪力、軸力和位移）的計算。(2) 將地震作用效應與其他荷載作用如結構的自重、樓屋面的可變荷載、風荷載等效應進行組合，確定結構構件的最不利內力。(3) 進行結構或構件截面抗震能力計算及抗震極限狀態(tài)設計復核，使結構或構件滿足抗震承載力與變形能力等要求。1.2 地震的作用、作用效應特點及分析方法當?shù)卣饡r地面反復晃動使地面產生加速度運動并強迫建筑物產生相應的加速

3、度，這時，相當于有一個與加速度相反的慣性力即地震作用。地震作用于結構自重或活荷載等靜態(tài)作用不同，它是一種動態(tài)作用，與結構所在地區(qū)場地的地震動特性和結構動力特性有關。地震作用在空間和時間上的隨機性很大，每次地震發(fā)生的時間較短，因此地震作用是一個隨機過程。根據超越概率的大小，可分為多遇地震作用和罕遇地震作用等，多遇地震作用為可變作用，其抗震設計屬于短暫設計狀況，罕遇地震為偶然作用，其抗震設計狀態(tài)屬于偶然狀況。地震作用效應是指由地震動引起結構每一個瞬時內力或應力、瞬時應變或位移、瞬時運動加速度、速度等。由于地震作用效應是一種隨時間快速變化的動力作用，故又稱地震反應。與地震作用類似，地震反應也是一個隨

4、機過程。靜態(tài)作用往往比較直觀，一般可按有關規(guī)定較方便地計算得到，靜態(tài)作用的效應可按有關靜力學方法計算，靜力解只有一個。而地震作用及其效應的分析屬結構動力學范疇，需確定運動微分方程并求解，其中地震激勵輸入時通過結構物的底部地基基礎向上部結構傳遞，地震動輸入是一個動力過程，所得地震反應是一時間歷程。地震作用及其效應的分析方法有動力分析法和反應譜法兩類。動力分析法需以結構和地震動輸入為基礎，建立動力模型和運動微分方程，用動力學理論計算地震動過程中結構反應的時間歷程，又稱時程分析法。反應譜法是以線彈性理論為基礎，根據結構的動力特性并利用地震反應譜曲線計算振型地震作用，再按靜力方法求振型內力和變形。反應

5、譜法按分析所采用的振型多少又分為振型分解反應譜法和底部剪力法。其中振型分解反應譜法考慮的振型較多，計算精度較高，適用于大多結構，底部剪力法僅考慮一個基本振型或前兩個振型，適用于較低的簡單結構。1.3 結構地震反應分析方法在實際的建筑結構抗震設計中，少數(shù)結構可簡化為單自由度體系外，大量的建筑結構都應簡化為多自由度體系。在單向水平地震作用下，結構地震反應分析方法有振型分解反應譜法、底部剪力法、動力時程分析方法以及非線性靜力分析等方法。1.3.1 振型分解反應譜法振型分解反應譜法基本概念是：假定結構為多自由度彈性體系，利用振型分解和振型的正交性原理，將n個自由度彈性體系分為n個等效單自由度彈性體系，

6、利用設計反應譜得到每個振型下等效單自由度彈性體系的效應，再按一定的法則將每個振型的作用效應組合成總的地震效應進行截面抗震驗算。(1) 多自由度彈性體系的運動方程多自由度彈性體系在水平地震作用下的變形如圖所示。有運動方程：（）對于一個n質點的彈性體系，可以寫出n個類似于式（）的方程，將組成一個由n個方程組成的微分方程組，其矩陣形式為：)式中M體系質量矩陣;K體系剛度矩陣;C阻尼矩陣，一般采用瑞雷阻尼2）振型的正交性多自由度彈性體系自由振動時，各振型對應的頻率各不相同，任意兩個不同的振型之間存在正交性。利用振型的正交性原理可以大大簡化多自由度彈性體系運動微分方程組的求解。包括三類正交性：質量矩陣的

7、正交性： 剛度矩陣的正交性： 阻尼矩陣的正交性： 3）振型分解運用振型正交性，對式進行化簡展開后可得到n個獨立的二階微分方程，對于第j振型，可寫為：（）引入廣義質量、廣義剛度和廣義阻尼的概念后，式可視為單自由度體系運動微分方程進行計算4）多自由度彈性體系的地震作用效應組合由于各振型作用效應的最大值并不出現(xiàn)在同一時刻，因此如果直接由各振型最大反應疊加估計體系最大反應，其結果顯然偏大，這會過于保守。通過隨機振動理論分析，得出采用平方和開方的方法（SRSS）法估計平面結構體系最大反應可獲得較好的結果，即：)1.3.2 底部剪力法用振型分解反應譜法計算多自由度結構體系的地震反應時，需要計算體系的前幾階

8、振型和自振頻率，對于建筑物層數(shù)較多時，用手算就比較繁瑣。理論分析研究表明：當建筑物高度不超過40m，以剪切變形為主且質量和剛度沿剛度分布比較均勻、結構振動以第一振型為主且第一振型接近直線（見圖）時，該類結構的地震反應可采用底部剪力法。1） 底部剪力法的計算（）式中對應于結構基本自珍周期的水平地震影響系數(shù)結構的總重力總荷載代表值為高振型影響系數(shù)，經過大量計算結果統(tǒng)計分析表明，當結構體系各質點質量和層高大致相同時，有：對于單自由度體系。q=1；對于多自由度體系，取0.750.9，抗震規(guī)范取0.85.2） 水平地震作用分布 圖 簡化的第一振型根據底部剪力法的適用條件，結構第一振型為主且接近直線，即任

9、意質點的第一振型位移與其所處高度成正比。則可推得各質點水平地震作用：（）1.3.3 動力時程分析方法動力時程分析方法是將結構作為彈性或彈塑性振動系統(tǒng)，建立振動系統(tǒng)的運動微分方程，直接輸入地面加速度時程，對運動微分方程直接積分，從而獲得振動體系各質點的加速度、速度、位移和結構內力的時程曲線。時程分析方法是完全動力方法，可以得出地震時程范圍內結構體系各點的反應時間歷程，信息量大，精度高；但該法計算工作量大，且根據確定的地震動時程得出結構體系的確定反應時程，一次時程分析難以考慮不同地震時程記錄的隨機性。時程分析方法分為振型分解法和逐步積分方法兩種。振型分解法利用了結構體系振型的正交性，但僅適用于結構

10、彈性地震反應分析；而逐步積分方法既適用于結構彈性地震反應分析，也適用于結構非彈性地震反應分析。結構時程分析時，需要解決結構力學模型的確定、結構或構件的滯回模型、輸入地震波的選擇和數(shù)值求解方法的確定。1） 結構的力學模型結構動力時程分析模型可以分為材料層次的實體分析模型和構件層次的簡化分析模型。材料層次的實體分析模型以結構中各材料的應力-應變關系曲線為基礎，而構件層次的簡化分析模型以構件的力-變形關系曲線為基礎。圖1.3.3 簡化分析模型構件層次的簡化分析模型常用的有層模型和桿模型兩種，如圖所示。層模型假定結構質量集中于樓面和屋面處，且計算中僅考慮層間變形，適用于砌體結構和強梁弱柱型框架結構。桿

11、模型以桿件為基本計算單元，計算結果比較精確，適用于強柱弱梁性框架結構，也適用于框架-剪力墻結構。2） 輸入地震波的選擇根據我國抗震規(guī)范規(guī)定：采用時程分析時，應按建筑物場地類別和設計地震分組選用實際強震記錄和人工模擬的加速度時程曲線，其中實際強震記錄的數(shù)量不應少于總數(shù)的2/3，多組時程曲線的平均地震影響系數(shù)曲線應與振型分解反應譜法所采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計意義上相符，其加速度時程的最大值可按表采用。表1.3.1 時程分析所用地震加速度時程的最大值 單位:cm/s2為考慮地震波的隨機性，時程分析時應選用多條地震波進行計算結構反應，當取3組加速度時程曲線輸入時，計算結果宜取時程法的包絡值和振型分

12、解法的較大值；當取7組及7組以上的時程曲線時，計算結果可取時程法的平均值和振型分解反應譜法的較大值。彈性時程分析時，每條時程曲線計算所得的結構底部剪力不應小于振型分解反應反應譜法計算結果的65%，多條時程曲線計算所得的結構底部剪力平均值不應小于振型分解反應譜法計算結果的80%3） 數(shù)值求解方法根據結構體系的運動方程，將地震作用持續(xù)時間劃分為微小時段（通常稱為時間步長），通過上述可計算每一步的位移增量，與前一步的位移反應疊加可得當前步的位移反應，將其作為后一步的初始值，依此類推可得出全部時程的反應值，稱之為逐步積分方法。對增量動力方程解憂不同的求解方法，如線性加速度法，平均加速度法，紐馬克法、威

13、爾遜法等.1.3.4 靜力彈塑性分析方法由于時程分析法都夠計算地震反應全過程中各時刻結構的內力和變形形態(tài)，給出結構的開裂和屈服順序，發(fā)現(xiàn)應力和彈塑性變形集中的部位，從而判斷結構的屈服機制、薄弱環(huán)節(jié)及可能的破壞類型，因此被認為是結構彈塑性分析的最可靠方法。目前，對一些特殊的、復雜的重要結構越來越多地利用時程分析方法進行計算分析，許多國家已將其納入規(guī)范。但是時程分析法分析技術復雜、計算耗時，計算工作量大、結果處理繁雜，因此在實際工程抗震設計中該方法通常僅限于理論研究中，并沒有得到廣泛應用。鑒于此，尋求一種簡化的評估方法，能在某種程度上近似地反映結構在強震作用下的彈塑性性能，這將具有一定的應用價值。

14、靜力彈塑性分析方法（POA）作為一種結構非線性響應的簡化計算方法，近年來引起了廣大學者和工程設計人員的關注。POA方法比較符合基于結構性能的抗震設計概念。POA方法的目標是獲得彈性反應譜法或動力分析法所不能得到的某些結構響應特征，即獲得在可能遭遇的地震作用下結構構件的內力、結構整體或局部變形等。POA方法的主要用途為：估計重要單元的變形能力，暴露設計中潛在的薄弱環(huán)節(jié)，找到結構發(fā)生大變形的部位，估計結構的整體穩(wěn)定性等。這種方法在現(xiàn)階段比較現(xiàn)實，也易于被工程設計人員所掌握，可以從微觀和宏觀上了解結構彈塑性性能，得到有用的靜力分析結果。POA方法基本步驟如下:假定沿結構高度分布的水平荷載形式，將荷載

15、施加于結構上，逐漸增大荷載，使結構由彈性工作狀態(tài)開始，經歷開裂、屈服，最終達到目標位移，最后可以得到結構底部剪力，頂點位移關系，如圖1.3.4（a）所示。利用單自由度體系和多自由度體系的轉換關系，建立結構等效體系。將第步計算得到的曲線轉換等效單自由度體系的加速度-位移曲線，作為結構的能力曲線，如圖1.3.4（b）所示。將抗震規(guī)范設計反應譜或某一地震動作為輸入計算等效單自由度體系de反應譜，轉換為對應于不同阻尼比或延性比的加速度-位移曲線，作為需求譜曲線，如圖1.3.4（c）所示。將能力譜曲線和需求曲線畫在同一坐標的平面內，如果兩曲線不相交，說明結構未達到設計地震的性能要求即結構無法抵御預計的地

16、震，會發(fā)生破壞或倒塌；如果相交，則定義交點為特征反應點，從而可根據該店對應的結構基底剪力、頂點位移和層間位移等，來評估結構的抗震性能，如圖1.3.4（d）所示。2. 建筑抗震設計建筑抗震設計包括概念設計、抗震計算和抗震構造措施三個方面。建筑抗震概念設計是指根據地震災害和工程經驗等所形成的基本設計原則和設計原則和設計思想，進行建筑和結構總體布置并且確定細部構造的過程?？拐鹩嬎闶强紤]地震作用效應參與組合下的構件強度驗算和結構變形驗算或抗震性能驗算?？拐饦嬙齑胧┦歉鶕拐鸶拍钤O計原則，一般不需計算而對結構和非結構各部分必須采取的各種細部要求。抗震計算為設計提供了定量手段，而概念設計不僅在總體上把握抗

17、震設計的基本原則，而且由概念設計所形成的抗震構造措施還可以在保證結構整體性、加強局部薄弱環(huán)節(jié)等方面保證抗震計算結果的有效性。圖2.1 建筑抗震設計內容建筑抗震設計的內同如圖2.1所示。建筑抗震概念設計的主要內涵包括場地選擇、建筑體型、結構布置、結構體型、抗震防線、強度剛度均衡、連接與非結構構件等許多方面。抗震構造措施包括材料要求、構件截面尺寸、各結構體系的構造措施要求等。2.1 兩階段設計方法我國采取兩階段設計方法以實現(xiàn)建筑抗震設防的“小震不壞，中震可修，大震不倒”三水準要求。第一階段設計是基于多遇地震作用進行的強度和變形驗算以及抗震措施。由于抗震構件設計可靠性水平水準的提高，既滿足了在第一水

18、準下具有必要的承載力可靠度，又滿足第二水準的損壞可修的目標。對大多數(shù)結構，可只進行第一階段設計外，而通過概念設計和抗震構造措施來滿足第二、第三水準的設計要求。第二階段設計是基于罕遇地震作用進行的結構彈塑性變形驗算。對地震時易倒塌的結構，有明顯薄弱層的不規(guī)則結構以及由專門要求的建筑，除進行第一階段設計外，還要進行結構薄弱部位的彈塑性層間變形驗算，并采取相應的抗震構造措施，實現(xiàn)第三水準的設防要求。2.1.1地震作用計算方法如前所述，介紹了目前常用的地震作用計算方法，即底部剪力法、振型分解反應譜法和時程分析方法。以上幾種方法只有逐步積分的時程分析方法適用于結構彈性和彈塑性地震反應分析，其余方法僅適用

19、于結構彈性地震反應分析。不同的結構采用不同的分析方法在各國抗震規(guī)范中均有體現(xiàn)，底部剪力法和振型分解反應譜法仍是基本方法，時程分析方法作為補充計算方法，只有對特別不規(guī)則、特別重要的和較高的高層建筑才要求采用。抗震規(guī)范規(guī)定了各類建筑結構的抗震計算方法：2.2 抗震性能化設計方法基于性能的抗震設計方法的基本思想是使所設計的工程結構在使用期內滿足各種預定的性能目標。我國目前所采用的以結構安全性為主的“小震不壞，中震可修，大震不倒”三水準目標，就是一種抗震性能目標，知識對中震和大震只有定性要求，沒有定量的抗震性能化設計原則和設計指標。2.2.1 性能化設計要求1） 選定地震動水準對設計使用年限50年的結

20、構，可選用多遇地震、設防地震和罕遇地震的地震作用。對設計使用年限超過50年的結構，宜考慮實際需要和可能，經專門研究后對地震作用做適當調整。對建于發(fā)展斷裂兩側附近的結構，地震動參數(shù)應計入近場的影響。2） 選定性能目標應根據實際需要和可能，分別選定針對整個結構，結構的局部部位或關鍵部位，結構的關鍵部件、重要構件、次要構件，以及建筑構件和機電設備支座的性能目標。3） 選定性能設計目標設計應選定分別提高結構或其關鍵部位的抗震承載力、變形能力，或同時提高抗震承載力和變形能力的具體指標，還應考慮不同水準下結構不同部位的水平和豎向構件承載力的要求。2.2.2 性能化設計的計算要求分析模型應正確、合理地反映地

21、震作用的傳遞途徑和樓蓋在不同地震動水準下是否整體或分塊處于彈性工作狀態(tài)。彈塑性分析可根據性能目標所預期的結構彈塑性狀態(tài)，分別采用增加阻尼的等效線性方法以及靜力或動力非線性分析方法。結構非線性分析模型相對于彈性分析模型可以有所簡化，但二者在多遇地震下的線性分析結果應基本一致；應計入重力二階效應、合理確定彈塑性參數(shù)，應依據構件的實際截面、配筋等計算承載力，可通過與理想彈塑性假定計算結果對比，著重發(fā)現(xiàn)構件可能破壞部位及彈塑性變形程度。3. 多層和高層鋼結構房屋抗震設計3.1 多層和高層鋼結構房屋主要震害特征鋼結構具有強度高、延性好、重量輕、抗震性能好的優(yōu)點。總體來說，在同等場地、烈度條件下，鋼結構房

22、屋的震害較鋼筋混凝土結構房屋的震害要小。但也不能完全忽視鋼結構的震害。多高層鋼結構在地震中的破壞形式有三種：節(jié)點連接破壞、構件破壞、結構倒塌。1） 節(jié)點連接破壞節(jié)點連接破壞主要有兩種形式，一種是支撐連接破壞，另一種是梁柱連接破壞。節(jié)點域的破壞形式比較復雜，主要有加勁板的屈曲和開裂、加勁板焊縫出現(xiàn)裂縫、腹板的屈曲和裂縫。2） 構件破壞構件破壞的主要形式有：支撐壓屈、梁柱局部失穩(wěn)、柱水平裂縫或斷裂破壞。3） 結構倒塌結構倒塌時地震中結構破壞最嚴重的形式。當結構布置不當、設計不當或構造存在缺陷時就可能造成結構倒塌。3.2多高層鋼結構選型與布置抗震規(guī)范規(guī)定的鋼結構民用房屋的結構類型和最大高度列于表3.

23、1中。平面和豎向均不規(guī)則的鋼結構，適用的最大高度宜適當降低。表3.1 鋼結構房屋的最大適用高度房屋的高寬比，特別是高層建筑的高寬比，主要反映結構抗測力剛度、抗彎剛度和整體抗傾覆等情況。此外，對于高層鋼結構房屋，還涉及風荷載作用下建筑物內人員舒適感的問題，因此鋼結構房屋的平面總寬度不宜過小?？拐鹨?guī)范規(guī)定的鋼結構房屋的高寬比列于表3.2中。表3.2 鋼結構民用房屋的最大適用高寬比鋼結構房屋應根據設防分類、烈度和房屋高度采用不同的抗震等級，并應符合相應的計算和構造措施要求。丙類建筑的抗震等級應按表3.3確定。表3.3 鋼結構房屋的抗震等級1）結構選型在結構選型上，多層和高層鋼結構無嚴格界限。鋼結構房

24、屋的結構體系主要有框架體系、框架-支撐體系、框架-抗震墻板體系、筒體體系、巨型框架體系等等。上述幾種結構體系各有其優(yōu)缺點，一般應盡量選擇有多道抗震防線的結構體系。3） 結構平面布置 多高層鋼結構的平面布置應盡量滿足下列要求：建筑平面宜簡單規(guī)則，并使結構各層的抗側力剛度中心與質量中心接近或重合，同時各層剛心與質心接近在同一豎直線上。建筑的開間、進深宜統(tǒng)一宜避免結構平面不規(guī)則布置高層建筑鋼結構不宜設置防震縫，但薄弱部位應注意采取措施提高抗震能力。如結構平面不規(guī)則，可設置防震縫，將平面不規(guī)則的結構，分解為幾個結構平面較規(guī)則的部分。多高層鋼結構的 豎向布置 應盡量滿足下列要求：樓層剛度大于其相鄰上層剛

25、度的70%，且連續(xù)三層總的剛度降低不超過50%相鄰樓層質量之比不超過1.5（屋頂層除外）立面收進尺寸的比例0.75任意樓層抗側力構件的總受剪承載力大于其相鄰上層的80%框架支撐結構中，支撐（或剪力墻板）宜豎向連續(xù)布置，除底部樓層和外伸剛臂所在樓層外，支撐的形式和布置在豎向宜一致。結構布置的其他要求：高層鋼結構宜設置地下室，在框架-支撐（剪力墻板）體系中，豎向連續(xù)布置的支撐（剪力墻板）應延伸至基礎；設置地下室時，框架柱應至少延伸到地下一層。8、9度時，宜采用 偏心支撐、帶縫鋼筋混凝土剪力墻板、內藏鋼板支撐、外伸臂框架或其它消能支撐。采用偏心支撐框架時，頂層可為中心支撐。樓板宜采用壓型鋼板（或預應

26、力混凝土薄板）加現(xiàn)澆混凝土疊合層組成的樓板。3.3多高層鋼結構抗震計算及設計3.3.1 計算模型1）樓蓋剛度確定進行多高層鋼結構地震作用下的內力與位移分析時，一般可假定樓板在自身平面內為絕對剛性。對整體性較差、開孔面積大、有較長的外伸段的樓板，宜采用樓板平面內的實際剛度進行計算。2）模型選擇可采用平面抗側力結構的空間協(xié)同計算模型。當結構布置規(guī)則、質量及剛度沿高度分布均勻、不計扭轉效應時，可采用平面結構計算模型。當結構平面或立面不規(guī)則、體型復雜，無法劃分平面抗側力單元的結構以及筒體結構時，應采用空間結構計算模型。3）桿件變形高層鋼結構在地震作用下的內力與位移計算，應考慮梁柱的彎曲變形和剪切變形，尚應考慮柱的軸向變形。一般可不考慮梁的軸向變形，但當梁同時作為腰桁架或桁架的弦桿時，則應考慮軸力的影響。3.3.2鋼梁、鋼柱抗震設計的原則一般來說，鋼結構構件(梁、柱、支撐等)的抗震設計包括三部分內容：構件的強度驗算；構件的穩(wěn)定驗算；為保證構件截面的塑性變形能充分開展，同時滿足構件的局部失穩(wěn)不先于構件的整體失穩(wěn)所需，對構件的寬厚比、長細比等進行的構造限