第三章(超高層建筑的抗風(fēng)抗震設(shè)計(jì)(下精品PPT課件

1、第三章 超高層建筑的抗風(fēng)抗震設(shè)計(jì)7/17/20221第三節(jié) 地震作用3.1 地震作用的特點(diǎn)3.2 抗震設(shè)防準(zhǔn)則及基本方法3.3 抗震計(jì)算理論3.4 設(shè)計(jì)反應(yīng)譜3.5 水平地震作用計(jì)算3.6 豎向地震作用3.7 實(shí)例 金茂大廈7/17/202223.1 地震作用的特點(diǎn)地震波傳播產(chǎn)生地面運(yùn)動(dòng)，通過基礎(chǔ)影響上部結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的振動(dòng)稱為結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，包括加速度、速度和位移反應(yīng)。由于地震作用是間接施加在結(jié)構(gòu)上的，不應(yīng)稱為地震荷載。地震波可以分解為6個(gè)振動(dòng)分量：兩個(gè)水平分量，一個(gè)豎向分量和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)分量。（1）大多數(shù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)計(jì)算主要考慮水平地震作用。（2）8度、9度抗震設(shè)計(jì)時(shí)，高層建筑中的大跨度和長

2、懸臂結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮豎向地震作用。（3）9度抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)計(jì)算豎向地震作用。7/17/20223建筑本身的動(dòng)力特性對建筑物是否發(fā)生破壞以及破壞程度也有很大的影響。建筑物動(dòng)力特性是指建筑物自振周期、振型與阻尼，它們與建筑物的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)的剛度有關(guān)。質(zhì)量大、剛度大、周期短的建筑物在地震作用下慣性力較大；剛度小、周期長的建筑物位移較大，但慣性力較小。特別是當(dāng)?shù)卣鸩ǖ淖吭街芷谂c建筑物的自振周期相近時(shí)，會引起類共振，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)加劇。7/17/20224自振周期:是結(jié)構(gòu)本身的動(dòng)力特性。與結(jié)構(gòu)的高度H,寬度B有關(guān)。當(dāng)自振周期與地震作用的周期接近時(shí),共振發(fā)生,對建筑造成很大影響，加大震害。特征周期：是建筑場地自

3、身的周期，抗震規(guī)范中是通過地震分組和地震烈度查表確定的?！?7/17/202253.2 抗震設(shè)防準(zhǔn)則及基本方法1抗震設(shè)防的3水準(zhǔn)目標(biāo)我國房屋建筑采用3水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)，即“小震不壞，中震可修，大震不倒”。小震指該地區(qū)50年內(nèi)超越概率約為63%的地震烈度，即眾值烈度，又稱多遇地震；中震是指該地區(qū)50年內(nèi)超越概率為10%的地震烈度，又稱基本烈度或設(shè)防烈度；大震是指該地區(qū)50年內(nèi)超越概率為2%3%的地震烈度，又稱罕遇地震。7/17/202262抗震設(shè)計(jì)的兩階段方法第一階段為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段。在初步設(shè)計(jì)及技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，就要按有利于抗震的做法去確定結(jié)構(gòu)方案和結(jié)構(gòu)布置，然后進(jìn)行抗震計(jì)算及抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)。在此階段，用相

4、應(yīng)于該地區(qū)設(shè)防烈度的小震作用計(jì)算結(jié)構(gòu)的彈性位移和構(gòu)件的內(nèi)力，并進(jìn)行結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算，用極限狀態(tài)方法進(jìn)行截面承載力驗(yàn)算，按延性和耗能要求進(jìn)行截面配筋及構(gòu)造設(shè)計(jì)，采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施。第二階段為驗(yàn)算階段。一些重要的或特殊的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過第一階段的設(shè)計(jì)后，要求用與該地區(qū)設(shè)防烈度相應(yīng)的大震作用進(jìn)行彈塑性變形驗(yàn)算，以檢驗(yàn)是否達(dá)到了大震不倒的目標(biāo)。7/17/202273抗震設(shè)防范圍我國現(xiàn)行的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（GB 500112001）規(guī)定，在基本烈度為6度及6度以上地區(qū)內(nèi)的建筑結(jié)構(gòu)，應(yīng)當(dāng)抗震設(shè)防。現(xiàn)行抗震規(guī)范適用于設(shè)防烈度為69度地區(qū)的建筑抗震設(shè)計(jì)。10度地區(qū)建筑的抗震設(shè)計(jì)，按專門規(guī)定執(zhí)行。我國設(shè)防烈度為6度和

5、6度以上的地區(qū)約占全國總面積的60%。7/17/202283.3 抗震計(jì)算理論計(jì)算地震作用的方法可分為靜力法、反應(yīng)譜方法（擬靜力法）和時(shí)程分析法（直接動(dòng)力法）3大類。我國抗震規(guī)范要求在設(shè)計(jì)階段按照反應(yīng)譜方法計(jì)算地震作用，少數(shù)情況下需要時(shí)程分析法進(jìn)行補(bǔ)充計(jì)算。規(guī)范要求進(jìn)行第二階段驗(yàn)算的建筑也是少數(shù)，第二階段采用彈塑性靜力分析或彈塑性時(shí)程分析方法。7/17/202291反應(yīng)譜理論反應(yīng)譜理論是采用反應(yīng)譜確定地震作用的理論。反應(yīng)譜是通過單自由度彈性體系的地震反應(yīng)計(jì)算得到譜曲線。如圖35所示的單自由度彈性體系在地面加速度運(yùn)動(dòng)作用下，質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)方程如下：7/17/2022107/17/2022112直接動(dòng)

6、力理論（時(shí)程分析法）時(shí)程分析法是一種動(dòng)力計(jì)算方法，用地震波（加速度時(shí)程）作為地面運(yùn)動(dòng)輸入，直接計(jì)算并輸出結(jié)構(gòu)隨時(shí)間而變化的地震反應(yīng)。它既考慮了地震的振幅、頻率和持續(xù)時(shí)間3要素，又考慮了結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。計(jì)算結(jié)果可以得到結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的全過程，包括每一時(shí)刻的內(nèi)力、位移、屈服位置、塑性變形等，也可以得到反應(yīng)的最大值，是一種先進(jìn)的直接動(dòng)力計(jì)算方法。7/17/2022123.4 設(shè)計(jì)反應(yīng)譜1反應(yīng)譜曲線我國制定抗震規(guī)范規(guī)定的反應(yīng)譜時(shí)，收集了國內(nèi)外不同場地上255條7度以上（包括少部分6度）的地震加速度記錄，計(jì)算得到了不同場地的 譜曲線，經(jīng)過處理得到標(biāo)準(zhǔn) 譜曲線，計(jì)入 值后形成 譜曲線，即規(guī)范給出的地震影響系

7、數(shù)曲線，如圖37所示。由圖可見，確定結(jié)構(gòu)地震作用大小的地震影響系數(shù) 值分為4個(gè)線段，其直接變量為結(jié)構(gòu)自振周期 ，由 計(jì)算 值，代入下計(jì)算地震作用。7/17/202213地震影響系數(shù)； max地震影響系數(shù)最大值；衰減指數(shù)；1直線下降段的下降斜率調(diào)整系數(shù)；2阻尼調(diào)整系數(shù)；T結(jié)構(gòu)自振周期；Tg場地特征周期。7/17/202214為地震影響系數(shù)，是多次地震作用下不同周期T，相同阻尼比的理想簡化的單質(zhì)點(diǎn)體系的結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)與重力加速度之比，是多次地震反應(yīng)的包絡(luò)線，是所謂標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜或平均反應(yīng)譜。它是兩項(xiàng)的乘積即地震系數(shù)k（地震動(dòng)峰值加速度與重力加速度之比）和結(jié)構(gòu)物加速度的放大倍數(shù)（結(jié)構(gòu)反應(yīng)加速度反應(yīng)譜 與

8、地震動(dòng)最大加速度 之比）。：地震影響系數(shù)，（T）=S a（T）=K （T）， S a（T）為加速度設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，K為地震系數(shù)K=a/g，（T）為放大系數(shù)譜。 7/17/2022152影響地震反應(yīng)系數(shù)的因素場地特征周期Tg，與場地類型（土的軟硬及覆蓋層厚度）及地震分組（震中距的影響）有關(guān)。結(jié)構(gòu)自振周期T由三種方法確定。其中經(jīng)驗(yàn)法的確定如下圖。結(jié)構(gòu)的阻尼比 ：阻尼是結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性之一，是描述結(jié)構(gòu)在振動(dòng)過程中某種能量耗散的術(shù)語 。鋼結(jié)構(gòu)的阻尼比一般在0.010.02之間，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比一般在0.030.08之間 。7/17/202216場地卓越周期：地震波在某場地土中傳播時(shí)，由于不同性質(zhì)界面多

9、次反射的結(jié)果，某一周期的地震波強(qiáng)度得到增強(qiáng)，而其余周期的地震波則被削弱。這一被加強(qiáng)的地震波的周期稱為該場地土的卓越周期。結(jié)構(gòu)自振周期：自振周期是結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性之一。單質(zhì)點(diǎn)體系在諧波的作用下，都會按一定形狀作同頻率同相位的簡諧運(yùn)動(dòng)，其相應(yīng)的周期就稱為自振周期。當(dāng)建筑物的自振周期與場地土卓越周期接近時(shí)，其地震反應(yīng)就大，反之則小。設(shè)計(jì)特征周期Tg：抗震設(shè)計(jì)用的地震影響系數(shù)曲線中，反映地震震級、震中距和場地類別等因素的下降段起始點(diǎn)對應(yīng)的周期值，應(yīng)根據(jù)其所在地的設(shè)計(jì)地震分組和場地類別確定。當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振周期超過設(shè)計(jì)特征周期時(shí)，地震作用就會隨其自振周期的增大而減小。當(dāng)結(jié)構(gòu)的自振周期小于0.1s時(shí)，地震作用會

10、隨其自振周期的增大而急劇增大。實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)的自振周期大都會大于設(shè)計(jì)特征周期，但一般不大于6.0s。7/17/2022177/17/2022183.5 水平地震作用計(jì)算我國抗震規(guī)范規(guī)定，設(shè)防烈度為6度以上的建筑物必須進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。而對于7、8、9度以及6度設(shè)防的類場地上的較高建筑應(yīng)計(jì)算地震作用。計(jì)算時(shí)要通過加速度反應(yīng)譜將地震慣性力處理成等效水平地震荷載，按x、y兩個(gè)方向分別計(jì)算地震作用。具體計(jì)算方法又分為反應(yīng)譜底部剪力法和反應(yīng)譜振型分解法兩種方法。在少數(shù)情況下需采用彈性時(shí)程分析方法作為補(bǔ)充計(jì)算。7/17/202219反應(yīng)譜底部剪力法 結(jié)構(gòu)底部總剪力標(biāo)準(zhǔn)值為：等效地震荷載在各樓層的分布：各樓層剪

11、力7/17/2022203.6 豎向地震作用在設(shè)防烈度為8度、9度的大跨度梁及懸臂結(jié)構(gòu)中，應(yīng)考慮豎向地震作用，它會加大梁內(nèi)彎矩及剪力；設(shè)防烈度為9度的高層建筑，應(yīng)考慮豎向地震作用，豎向地震作用會引起豎向軸力。豎向地震作用可以用下述方法計(jì)算。結(jié)構(gòu)豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值：7/17/2022213.7 實(shí)例 金茂大廈7/17/2022227/17/202223按鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)范對位移的限值如下：頂點(diǎn)位移H/700層間位移h/650該限值是針對鋼筋混凝土高層建筑所提出的要求，而金茂大廈是一幢鋼筋混凝土和鋼的組合結(jié)構(gòu)，限值應(yīng)放寬要求。由表314可見，在常遇地震情況下，即使按等效靜力法，其

12、位移也已經(jīng)滿足要求，即：頂點(diǎn)位移：H/845H/700層間位移：h/750h/650如按地震反應(yīng)譜法或時(shí)程分析法，則實(shí)際位移大大低于中國規(guī)范所規(guī)定的限值。7/17/202224廣州新電視塔振動(dòng)臺試驗(yàn):高610米，由高450米的主塔和高160米的天線桅桿構(gòu)成。塔體由橢圓型鋼結(jié)構(gòu)外筒和混凝土核芯筒以及連接這兩者的鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)樓面組成。鋼結(jié)構(gòu)外筒由24條斜向立柱、水平斜向環(huán)和斜撐組成。底層長短軸尺寸分別為80米和60米，頂部為50米和45米，中部“纖纖細(xì)腰”為27.5米和20.65米。底部和頂部軸心位置不重合，中軸線傾斜。桅桿天線為鋼結(jié)構(gòu)。建成后將是世界第一高塔。 7/17/202225第四節(jié)

13、（超）高層建筑的抗風(fēng)減震裝置隨著結(jié)構(gòu)抗震技術(shù)的不斷發(fā)展，以隔震、減震、制振技術(shù)為特色的結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)理論與實(shí)踐不斷發(fā)展起來。隔震，是通過某種隔離裝置將地震動(dòng)與結(jié)構(gòu)隔開，以達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。隔震方法主要有基底隔震和懸掛隔震等類型。減震(吸振），是通過采用一定的耗能裝置或附加子結(jié)構(gòu)吸收或消耗地震傳遞給主體結(jié)構(gòu)的能量，從而減輕結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。減震方法主要有耗能減震、吸振減震、沖擊減震等類型。狹義的制振技術(shù)又稱結(jié)構(gòu)主動(dòng)控制。它是通過自動(dòng)控制系統(tǒng)主動(dòng)地給結(jié)構(gòu)施加控制力，以期達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的。7/17/2022264.1 隔振原理與技術(shù)建筑物隔震主要采用基底隔震方法（base isolation s

14、ystem）?；赘粽鸬幕舅枷胧窃诮Y(jié)構(gòu)物地面以上部分的底部設(shè)置隔震層，使之與固結(jié)于地基中的基礎(chǔ)頂面分離開，從而限制地震動(dòng)向結(jié)構(gòu)物的傳遞。原理： （1）延長結(jié)構(gòu)的自振周期 （2）增加結(jié)構(gòu)的阻尼 7/17/202227周期增大，則地震影響系數(shù)減小。阻尼C 增大，則地震反應(yīng)減小。7/17/2022287/17/202229隔震橡膠支座(The laminated rubber bearing)隔震系統(tǒng)7/17/202230圖312 建筑隔震支座施工7/17/2022317/17/2022324.2 耗能減震原理與技術(shù)耗能減震是利用耗能構(gòu)件消耗地震傳遞給結(jié)構(gòu)的能量的減震手段。地震時(shí)輸入結(jié)構(gòu)一定的能量

15、。耗能裝置耗散的能量越多，則結(jié)構(gòu)本身需要消耗的能量就越小，這意味著結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的降低。另一方面，從動(dòng)力學(xué)的觀點(diǎn)看，耗能裝置的作用，相當(dāng)于增大了結(jié)構(gòu)的阻尼，而結(jié)構(gòu)阻尼的增大，必將使結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)減小。在風(fēng)和小震作用下，耗能裝置應(yīng)具有較大的剛度，以保證結(jié)構(gòu)的使用性能。在強(qiáng)烈地震作用時(shí)，耗能裝置應(yīng)率先進(jìn)入非彈性狀態(tài)，并大量消耗地震能量。有試驗(yàn)表明，耗能裝置可做到消耗地震總輸入能量的90%以上。 7/17/2022337/17/2022347/17/2022357/17/2022367/17/2022377/17/202238北京通用時(shí)代1#樓，四角采用鋼支撐，是結(jié)構(gòu)體系中的主子結(jié)構(gòu)，其抗震設(shè)防目標(biāo)要求

16、在中震下基本處于彈性，但其中的支撐采用UBB耗能阻尼器，采用Q235鋼材。作為結(jié)構(gòu)中起耗能作用的次要構(gòu)件（耗能構(gòu)件）通常要求先于主體結(jié)構(gòu)屈服（如連梁），可采用低屈服強(qiáng)度和高延性鋼材，以保證結(jié)構(gòu)在意外事件作用下塑性滯回耗能作用。 實(shí)例17/17/202239實(shí)例2 墨西哥市長大樓 這座塔樓由雷哈曼集團(tuán)（REICHAMAN）承建，前后花了4年半時(shí)間，塔樓高米，共層，總投資逾.億美元。 該塔樓占地面積超過.萬平方米，坐落在墨西哥首都市中心的主要干 道一側(cè)。7/17/2022402003年1月21日墨西哥地震7.6 級地震 ，引起墨西哥城大面積振動(dòng)，造成2700個(gè)結(jié)構(gòu)倒塌或嚴(yán)重破壞、13000座結(jié)構(gòu)遭

17、到破壞，但安裝了泰勒公司阻尼器的Torre市長大廈在震后觀測中顯示沒有任何破壞！7/17/202241拉丁美洲的第一高塔是一座寫字樓，位于世界上最活躍的一個(gè)地震帶上,由最新的反地震技術(shù)包裹著的主體結(jié)構(gòu)于2003年8月完工，包括混凝土包圍的鋼柱、抗彎構(gòu)架和阻尼追加系統(tǒng)，很多都借鑒了解密的軍用飛機(jī)震動(dòng)緩沖技術(shù)。當(dāng)?shù)卣鹨u來時(shí)，這些系統(tǒng)可以一起來緩沖晃動(dòng)，讓里面的人成功地躲過災(zāi)難。這個(gè)系統(tǒng)在2003年1月就提前進(jìn)行了試驗(yàn)，當(dāng)時(shí)墨西哥城遭受了一次7.6級的地震。盡管還沒有完全完工，建筑也沒有任何損壞。4顆“鉆石”傳統(tǒng)的建筑用X形主體結(jié)構(gòu)來抗震，但這棟樓的鉆石型結(jié)構(gòu)效率更高，它能達(dá)到4倍于傳統(tǒng)建筑的受壓能

18、力，而鋼材的用量卻有所減少。足夠堅(jiān)固：樓層隔板把建筑外圍結(jié)構(gòu)和鋼主體結(jié)構(gòu)結(jié)合在了一起，這可以使所有建筑單元一起運(yùn)動(dòng)。減緩撞擊：粘性阻尼器就是個(gè)巨型減振器，安裝在建筑主體結(jié)構(gòu)與外圍結(jié)構(gòu)的斜支柱上。 7/17/2022424.3 被動(dòng)調(diào)諧減振技術(shù)（吸振減震）7/17/2022437/17/2022447/17/2022457/17/2022467/17/2022477/17/202248圖320 臺北101風(fēng)阻尼器實(shí)物圖7/17/202249風(fēng)阻尼系統(tǒng)由8組90mm的高強(qiáng)度鋼索透過支架（Gradle）托住球體質(zhì)量塊的下半部，而將660噸的載重懸吊支承于92層結(jié)構(gòu)。支架周圍并設(shè)置8組主要油壓阻尼器（

19、Primary Viscous Damper）以達(dá)到消能減振之目的。直徑約5.5m的球體質(zhì)量塊共由41層厚度為125mm的圓形鋼板分片吊裝至87層后電焊組合而成。各層鋼板的直徑為配合球體形狀約為2.15.5m。此外，為避免大風(fēng)及大地震作用時(shí)質(zhì)量塊擺幅過大，87樓夾層樓板上方另外使用緩沖鋼環(huán)（Bumper ring）及8組防撞油壓式阻尼器（Slumber damper）。一旦質(zhì)量塊振幅超過1.0m時(shí)，質(zhì)量塊下方的筒狀鋼棒（Bumper Pin）則會撞擊緩沖鋼環(huán)以減緩質(zhì)量塊的運(yùn)動(dòng)。7/17/202250Tuned liquid (sloshing) damper7/17/202251Tuned liquid column damper to be used on Eureka tower building, Melbourne, Australia7/17/2022527/17/2022534.4 主動(dòng)減震原理與技術(shù)主動(dòng)控制是借鑒現(xiàn)代控制論思想而提出的一類振動(dòng)控制方法，其設(shè)想是利用外部能源，在結(jié)構(gòu)受地震激勵(lì)而