抗震设计方法

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1、目录1. 抗震设计方法 11.1 结构抗震计算内容 11.2 地震的作用、作用效应特点及分析方法 11.3 结构地震反应分析方法 11.3.1 振型分解反应谱法 11.3.2 底部剪力法 21.3.3 动力时程分析方法 31.3.4 静力弹塑性分析方法 42. 建筑抗震设计 52.1两阶段设计方法 62.2抗震性能化设计方法 72.2.1性能化设计要求 72.2.2性能化设计的计算要求 83. 多层和高层钢结构房屋抗震设计 83.1层和高层钢结构房屋主要震害特征 83.2多高层钢结构选型与布置 83.3多高层钢结构抗震计算及设计 93.3.1计算模型 93.3.2钢梁、钢柱抗震设计的原则 11

2、3.3.3 连接抗震设计的原则 111. 抗震设计方法1.1结构抗震计算内容在抗震设防区建造建筑物时，必须考虑地震对结构的影响，并对其进行抗震设计。抗震设计中，当结构形式、布置等初步确定后，一般应进行抗震计算，结构抗震计算包括以下三方面内容。(1) 结构所受到的地震作用及其作用效应（包括弯矩、剪力、轴力和位移）的计算。(2) 将地震作用效应与其他荷载作用如结构的自重、楼屋面的可变荷载、风荷载等效应进行组合，确定结构构件的最不利内力。(3) 进行结构或构件截面抗震能力计算及抗震极限状态设计复核，使结构或构件满足抗震承载力与变形能力等要求。1.2 地震的作用、作用效应特点及分析方法当地震时地面反复

3、晃动使地面产生加速度运动并强迫建筑物产生相应的加速度，这时，相当于有一个与加速度相反的惯性力即地震作用。地震作用于结构自重或活荷载等静态作用不同，它是一种动态作用，与结构所在地区场地的地震动特性和结构动力特性有关。地震作用在空间和时间上的随机性很大，每次地震发生的时间较短，因此地震作用是一个随机过程。根据超越概率的大小，可分为多遇地震作用和罕遇地震作用等，多遇地震作用为可变作用，其抗震设计属于短暂设计状况，罕遇地震为偶然作用，其抗震设计状态属于偶然状况。地震作用效应是指由地震动引起结构每一个瞬时内力或应力、瞬时应变或位移、瞬时运动加速度、速度等。由于地震作用效应是一种随时间快速变化的动力作用，

4、故又称地震反应。与地震作用类似，地震反应也是一个随机过程。静态作用往往比较直观，一般可按有关规定较方便地计算得到，静态作用的效应可按有关静力学方法计算，静力解只有一个。而地震作用及其效应的分析属结构动力学范畴，需确定运动微分方程并求解，其中地震激励输入时通过结构物的底部地基基础向上部结构传递，地震动输入是一个动力过程，所得地震反应是一时间历程。地震作用及其效应的分析方法有动力分析法和反应谱法两类。动力分析法需以结构和地震动输入为基础，建立动力模型和运动微分方程，用动力学理论计算地震动过程中结构反应的时间历程，又称时程分析法。反应谱法是以线弹性理论为基础，根据结构的动力特性并利用地震反应谱曲线计

5、算振型地震作用，再按静力方法求振型内力和变形。反应谱法按分析所采用的振型多少又分为振型分解反应谱法和底部剪力法。其中振型分解反应谱法考虑的振型较多，计算精度较高，适用于大多结构，底部剪力法仅考虑一个基本振型或前两个振型，适用于较低的简单结构。1.3 结构地震反应分析方法在实际的建筑结构抗震设计中，少数结构可简化为单自由度体系外，大量的建筑结构都应简化为多自由度体系。在单向水平地震作用下，结构地震反应分析方法有振型分解反应谱法、底部剪力法、动力时程分析方法以及非线性静力分析等方法。1.3.1 振型分解反应谱法振型分解反应谱法基本概念是：假定结构为多自由度弹性体系，利用振型分解和振型的正交性原理，

6、将n个自由度弹性体系分为n个等效单自由度弹性体系，利用设计反应谱得到每个振型下等效单自由度弹性体系的效应，再按一定的法则将每个振型的作用效应组合成总的地震效应进行截面抗震验算。(1) 多自由度弹性体系的运动方程多自由度弹性体系在水平地震作用下的变形如图1.3.1所示。有运动方程：（1.3.1）对于一个n质点的弹性体系，可以写出n个类似于式（1.3.1）的方程，将组成一个由n个方程组成的微分方程组，其矩阵形式为： (1.3.2)式中M体系质量矩阵;K体系刚度矩阵;C阻尼矩阵，一般采用瑞雷阻尼2）振型的正交性多自由度弹性体系自由振动时，各振型对应的频率各不相同，任意两个不同的振型之间存在正交性。利

7、用振型的正交性原理可以大大简化多自由度弹性体系运动微分方程组的求解。包括三类正交性：质量矩阵的正交性： 刚度矩阵的正交性： 阻尼矩阵的正交性： 3）振型分解运用振型正交性，对式1.3.2进行化简展开后可得到n个独立的二阶微分方程，对于第j振型，可写为：（1.3.3）引入广义质量、广义刚度和广义阻尼的概念后，式1.3.3可视为单自由度体系运动微分方程进行计算4）多自由度弹性体系的地震作用效应组合由于各振型作用效应的最大值并不出现在同一时刻，因此如果直接由各振型最大反应叠加估计体系最大反应，其结果显然偏大，这会过于保守。通过随机振动理论分析，得出采用平方和开方的方法（SRSS）法估计平面结构体系最

8、大反应可获得较好的结果，即： (1.3.4)1.3.2 底部剪力法用振型分解反应谱法计算多自由度结构体系的地震反应时，需要计算体系的前几阶振型和自振频率，对于建筑物层数较多时，用手算就比较繁琐。理论分析研究表明：当建筑物高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿刚度分布比较均匀、结构振动以第一振型为主且第一振型接近直线（见图1.3.2）时，该类结构的地震反应可采用底部剪力法。1） 底部剪力法的计算（1.3.5）式中对应于结构基本自珍周期的水平地震影响系数结构的总重力总荷载代表值为高振型影响系数，经过大量计算结果统计分析表明，当结构体系各质点质量和层高大致相同时，有：对于单自由度体系。q=1

9、；对于多自由度体系，取0.750.9，抗震规范取0.85.2） 水平地震作用分布 图1.3.2 简化的第一振型根据底部剪力法的适用条件，结构第一振型为主且接近直线，即任意质点的第一振型位移与其所处高度成正比。则可推得各质点水平地震作用：（1.3.6）1.3.3 动力时程分析方法动力时程分析方法是将结构作为弹性或弹塑性振动系统，建立振动系统的运动微分方程，直接输入地面加速度时程，对运动微分方程直接积分，从而获得振动体系各质点的加速度、速度、位移和结构内力的时程曲线。时程分析方法是完全动力方法，可以得出地震时程范围内结构体系各点的反应时间历程，信息量大，精度高；但该法计算工作量大，且根据确定的地震

10、动时程得出结构体系的确定反应时程，一次时程分析难以考虑不同地震时程记录的随机性。时程分析方法分为振型分解法和逐步积分方法两种。振型分解法利用了结构体系振型的正交性，但仅适用于结构弹性地震反应分析；而逐步积分方法既适用于结构弹性地震反应分析，也适用于结构非弹性地震反应分析。结构时程分析时，需要解决结构力学模型的确定、结构或构件的滞回模型、输入地震波的选择和数值求解方法的确定。1） 结构的力学模型结构动力时程分析模型可以分为材料层次的实体分析模型和构件层次的简化分析模型。材料层次的实体分析模型以结构中各材料的应力-应变关系曲线为基础，而构件层次的简化分析模型以构件的力-变形关系曲线为基础。图1.3

11、.3 简化分析模型构件层次的简化分析模型常用的有层模型和杆模型两种，如图1.3.3所示。层模型假定结构质量集中于楼面和屋面处，且计算中仅考虑层间变形，适用于砌体结构和强梁弱柱型框架结构。杆模型以杆件为基本计算单元，计算结果比较精确，适用于强柱弱梁性框架结构，也适用于框架-剪力墙结构。2） 输入地震波的选择根据我国抗震规范规定：采用时程分析时，应按建筑物场地类别和设计地震分组选用实际强震记录和人工模拟的加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程曲线的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表1.3.1采用

12、。表1.3.1 时程分析所用地震加速度时程的最大值 单位:cm/s2为考虑地震波的随机性，时程分析时应选用多条地震波进行计算结构反应，当取3组加速度时程曲线输入时，计算结果宜取时程法的包络值和振型分解法的较大值；当取7组及7组以上的时程曲线时，计算结果可取时程法的平均值和振型分解反应谱法的较大值。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反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得的结构底部剪力平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%3） 数值求解方法根据结构体系的运动方程，将地震作用持续时间划分为微小时段（通常称为时间步长），通过上述可计算每一步的位移增量

13、，与前一步的位移反应叠加可得当前步的位移反应，将其作为后一步的初始值，依此类推可得出全部时程的反应值，称之为逐步积分方法。对增量动力方程解忧不同的求解方法，如线性加速度法，平均加速度法，纽马克法、威尔逊法等.1.3.4 静力弹塑性分析方法由于时程分析法都够计算地震反应全过程中各时刻结构的内力和变形形态，给出结构的开裂和屈服顺序，发现应力和弹塑性变形集中的部位，从而判断结构的屈服机制、薄弱环节及可能的破坏类型，因此被认为是结构弹塑性分析的最可靠方法。目前，对一些特殊的、复杂的重要结构越来越多地利用时程分析方法进行计算分析，许多国家已将其纳入规范。但是时程分析法分析技术复杂、计算耗时，计算工作量大

14、、结果处理繁杂，因此在实际工程抗震设计中该方法通常仅限于理论研究中，并没有得到广泛应用。鉴于此，寻求一种简化的评估方法，能在某种程度上近似地反映结构在强震作用下的弹塑性性能，这将具有一定的应用价值。静力弹塑性分析方法（POA）作为一种结构非线性响应的简化计算方法，近年来引起了广大学者和工程设计人员的关注。POA方法比较符合基于结构性能的抗震设计概念。POA方法的目标是获得弹性反应谱法或动力分析法所不能得到的某些结构响应特征，即获得在可能遭遇的地震作用下结构构件的内力、结构整体或局部变形等。POA方法的主要用途为：估计重要单元的变形能力，暴露设计中潜在的薄弱环节，找到结构发生大变形的部位，估计结

15、构的整体稳定性等。这种方法在现阶段比较现实，也易于被工程设计人员所掌握，可以从微观和宏观上了解结构弹塑性性能，得到有用的静力分析结果。POA方法基本步骤如下:假定沿结构高度分布的水平荷载形式，将荷载施加于结构上，逐渐增大荷载，使结构由弹性工作状态开始，经历开裂、屈服，最终达到目标位移，最后可以得到结构底部剪力，顶点位移关系，如图1.3.4（a）所示。利用单自由度体系和多自由度体系的转换关系，建立结构等效体系。将第步计算得到的曲线转换等效单自由度体系的加速度-位移曲线，作为结构的能力曲线，如图1.3.4（b）所示。将抗震规范设计反应谱或某一地震动作为输入计算等效单自由度体系de反应谱，转换为对应

16、于不同阻尼比或延性比的加速度-位移曲线，作为需求谱曲线，如图1.3.4（c）所示。将能力谱曲线和需求曲线画在同一坐标的平面内，如果两曲线不相交，说明结构未达到设计地震的性能要求即结构无法抵御预计的地震，会发生破坏或倒塌；如果相交，则定义交点为特征反应点，从而可根据该店对应的结构基底剪力、顶点位移和层间位移等，来评估结构的抗震性能，如图1.3.4（d）所示。2. 建筑抗震设计建筑抗震设计包括概念设计、抗震计算和抗震构造措施三个方面。建筑抗震概念设计是指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并且确定细部构造的过程。抗震计算是考虑地震作用效应参与组合

17、下的构件强度验算和结构变形验算或抗震性能验算。抗震构造措施是根据抗震概念设计原则，一般不需计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。抗震计算为设计提供了定量手段，而概念设计不仅在总体上把握抗震设计的基本原则，而且由概念设计所形成的抗震构造措施还可以在保证结构整体性、加强局部薄弱环节等方面保证抗震计算结果的有效性。图2.1 建筑抗震设计内容建筑抗震设计的内同如图2.1所示。建筑抗震概念设计的主要内涵包括场地选择、建筑体型、结构布置、结构体型、抗震防线、强度刚度均衡、连接与非结构构件等许多方面。抗震构造措施包括材料要求、构件截面尺寸、各结构体系的构造措施要求等。2.1 两阶段设计方法我国采

18、取两阶段设计方法以实现建筑抗震设防的“小震不坏，中震可修，大震不倒”三水准要求。第一阶段设计是基于多遇地震作用进行的强度和变形验算以及抗震措施。由于抗震构件设计可靠性水平水准的提高，既满足了在第一水准下具有必要的承载力可靠度，又满足第二水准的损坏可修的目标。对大多数结构，可只进行第一阶段设计外，而通过概念设计和抗震构造措施来满足第二、第三水准的设计要求。第二阶段设计是基于罕遇地震作用进行的结构弹塑性变形验算。对地震时易倒塌的结构，有明显薄弱层的不规则结构以及由专门要求的建筑，除进行第一阶段设计外，还要进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算，并采取相应的抗震构造措施，实现第三水准的设防要求。2.1

19、.1地震作用计算方法如前所述，介绍了目前常用的地震作用计算方法，即底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析方法。以上几种方法只有逐步积分的时程分析方法适用于结构弹性和弹塑性地震反应分析，其余方法仅适用于结构弹性地震反应分析。不同的结构采用不同的分析方法在各国抗震规范中均有体现，底部剪力法和振型分解反应谱法仍是基本方法，时程分析方法作为补充计算方法，只有对特别不规则、特别重要的和较高的高层建筑才要求采用。抗震规范规定了各类建筑结构的抗震计算方法：2.2 抗震性能化设计方法基于性能的抗震设计方法的基本思想是使所设计的工程结构在使用期内满足各种预定的性能目标。我国目前所采用的以结构安全性为主的“小震不

20、坏，中震可修，大震不倒”三水准目标，就是一种抗震性能目标，知识对中震和大震只有定性要求，没有定量的抗震性能化设计原则和设计指标。2.2.1 性能化设计要求1） 选定地震动水准对设计使用年限50年的结构，可选用多遇地震、设防地震和罕遇地震的地震作用。对设计使用年限超过50年的结构，宜考虑实际需要和可能，经专门研究后对地震作用做适当调整。对建于发展断裂两侧附近的结构，地震动参数应计入近场的影响。2） 选定性能目标应根据实际需要和可能，分别选定针对整个结构，结构的局部部位或关键部位，结构的关键部件、重要构件、次要构件，以及建筑构件和机电设备支座的性能目标。3） 选定性能设计目标设计应选定分别提高结构

21、或其关键部位的抗震承载力、变形能力，或同时提高抗震承载力和变形能力的具体指标，还应考虑不同水准下结构不同部位的水平和竖向构件承载力的要求。2.2.2 性能化设计的计算要求分析模型应正确、合理地反映地震作用的传递途径和楼盖在不同地震动水准下是否整体或分块处于弹性工作状态。弹塑性分析可根据性能目标所预期的结构弹塑性状态，分别采用增加阻尼的等效线性方法以及静力或动力非线性分析方法。结构非线性分析模型相对于弹性分析模型可以有所简化，但二者在多遇地震下的线性分析结果应基本一致；应计入重力二阶效应、合理确定弹塑性参数，应依据构件的实际截面、配筋等计算承载力，可通过与理想弹塑性假定计算结果对比，着重发现构件

22、可能破坏部位及弹塑性变形程度。3. 多层和高层钢结构房屋抗震设计3.1 多层和高层钢结构房屋主要震害特征钢结构具有强度高、延性好、重量轻、抗震性能好的优点。总体来说，在同等场地、烈度条件下，钢结构房屋的震害较钢筋混凝土结构房屋的震害要小。但也不能完全忽视钢结构的震害。多高层钢结构在地震中的破坏形式有三种：节点连接破坏、构件破坏、结构倒塌。1） 节点连接破坏节点连接破坏主要有两种形式，一种是支撑连接破坏，另一种是梁柱连接破坏。节点域的破坏形式比较复杂，主要有加劲板的屈曲和开裂、加劲板焊缝出现裂缝、腹板的屈曲和裂缝。2） 构件破坏构件破坏的主要形式有：支撑压屈、梁柱局部失稳、柱水平裂缝或断裂破坏。

23、3） 结构倒塌结构倒塌时地震中结构破坏最严重的形式。当结构布置不当、设计不当或构造存在缺陷时就可能造成结构倒塌。3.2多高层钢结构选型与布置抗震规范规定的钢结构民用房屋的结构类型和最大高度列于表3.1中。平面和竖向均不规则的钢结构，适用的最大高度宜适当降低。表3.1 钢结构房屋的最大适用高度房屋的高宽比，特别是高层建筑的高宽比，主要反映结构抗测力刚度、抗弯刚度和整体抗倾覆等情况。此外，对于高层钢结构房屋，还涉及风荷载作用下建筑物内人员舒适感的问题，因此钢结构房屋的平面总宽度不宜过小。抗震规范规定的钢结构房屋的高宽比列于表3.2中。表3.2 钢结构民用房屋的最大适用高宽比钢结构房屋应根据设防分类

24、、烈度和房屋高度采用不同的抗震等级，并应符合相应的计算和构造措施要求。丙类建筑的抗震等级应按表3.3确定。表3.3 钢结构房屋的抗震等级1）结构选型在结构选型上，多层和高层钢结构无严格界限。钢结构房屋的结构体系主要有框架体系、框架-支撑体系、框架-抗震墙板体系、筒体体系、巨型框架体系等等。上述几种结构体系各有其优缺点，一般应尽量选择有多道抗震防线的结构体系。3） 结构平面布置 多高层钢结构的平面布置应尽量满足下列要求：建筑平面宜简单规则，并使结构各层的抗侧力刚度中心与质量中心接近或重合，同时各层刚心与质心接近在同一竖直线上。建筑的开间、进深宜统一宜避免结构平面不规则布置高层建筑钢结构不宜设置防

25、震缝，但薄弱部位应注意采取措施提高抗震能力。如结构平面不规则，可设置防震缝，将平面不规则的结构，分解为几个结构平面较规则的部分。多高层钢结构的 竖向布置 应尽量满足下列要求：楼层刚度大于其相邻上层刚度的70%，且连续三层总的刚度降低不超过50%相邻楼层质量之比不超过1.5（屋顶层除外）立面收进尺寸的比例0.75任意楼层抗侧力构件的总受剪承载力大于其相邻上层的80%框架支撑结构中，支撑（或剪力墙板）宜竖向连续布置，除底部楼层和外伸刚臂所在楼层外，支撑的形式和布置在竖向宜一致。结构布置的其他要求：高层钢结构宜设置地下室，在框架-支撑（剪力墙板）体系中，竖向连续布置的支撑（剪力墙板）应延伸至基础；设

26、置地下室时，框架柱应至少延伸到地下一层。8、9度时，宜采用 偏心支撑、带缝钢筋混凝土剪力墙板、内藏钢板支撑、外伸臂框架或其它消能支撑。采用偏心支撑框架时，顶层可为中心支撑。楼板宜采用压型钢板（或预应力混凝土薄板）加现浇混凝土叠合层组成的楼板。3.3多高层钢结构抗震计算及设计3.3.1 计算模型1）楼盖刚度确定进行多高层钢结构地震作用下的内力与位移分析时，一般可假定楼板在自身平面内为绝对刚性。对整体性较差、开孔面积大、有较长的外伸段的楼板，宜采用楼板平面内的实际刚度进行计算。2）模型选择可采用平面抗侧力结构的空间协同计算模型。当结构布置规则、质量及刚度沿高度分布均匀、不计扭转效应时，可采用平面结

27、构计算模型。当结构平面或立面不规则、体型复杂，无法划分平面抗侧力单元的结构以及筒体结构时，应采用空间结构计算模型。3）杆件变形高层钢结构在地震作用下的内力与位移计算，应考虑梁柱的弯曲变形和剪切变形，尚应考虑柱的轴向变形。一般可不考虑梁的轴向变形，但当梁同时作为腰桁架或桁架的弦杆时，则应考虑轴力的影响。3.3.2钢梁、钢柱抗震设计的原则一般来说，钢结构构件(梁、柱、支撑等)的抗震设计包括三部分内容：构件的强度验算；构件的稳定验算；为保证构件截面的塑性变形能充分开展，同时满足构件的局部失稳不先于构件的整体失稳所需，对构件的宽厚比、长细比等进行的构造限制。钢梁的抗震破坏主要表现在梁的侧向整体失稳和局

28、部失稳，钢梁的强度及变形性能根据其板件宽厚比、侧向支撑长度及弯矩梯度、节点的连续构造等的不同而有很大差别。在抗震设计中，为了满足抗震要求，钢梁必须具有良好的延性性能。因此必须正确设计界面尺寸，合理布置侧向支撑，注意连接构造，包成其充分发挥变形能力。钢梁抗震设计包括强度验算、整体稳定验算和构造措施三部分内容。钢柱设计钢梁抗震设计类似。3.3.3 连接抗震设计的原则钢结构的连接对结构受力有着重要影响，是保证钢结构安全的重要部位。当非抗震设防时，应按结构处于弹性受力阶段设计；当抗震设防时，为了满足“小震不坏，中震可修，大震不倒”三水准目标，应按结构进入弹塑性阶段设计。连接的承载力应高于构件截面的承载

29、力。为此，对于刚结构的所有连接，除应按地震组合内力进行弹性设计验算外，还应进行“强连接弱构件”原则的极限承载力验算。即对连接应作二阶段设计，在第一阶段，钢结构抗侧力体系构件连接的承载力设计值不应小于相邻构件的承载力设计值，高强度螺栓连接不得滑移；在第二阶段，连接的极限承载力应大于相连构件的屈服承载力。钢结构的连接，根据具体情况可采用焊接、高强螺栓连接或栓焊混合连接。节点的焊接连接根据情况可采用全熔透或部分熔透焊缝，对于要求与母材等强的焊接连接及框架节点塑性区段的焊接连接，必须采用全熔透焊缝。参考文献1 杨溥, 李英民.建筑结构抗震设计2建筑抗震设计规范(GB50011-2010)3 李应斌. 基于结构性能的抗震设计理论研究与展望J.地震工程与工程振动2001,24(1)4辛炯明.多高层钢结构住宅抗震性能研究D. 北京:北京交通大学,20095钢结构设计规范(GB50017-2014)6孙作海.高层钢结构抗震研究J.民营科技,2011,(6):267. 7张馨月.高层钢结构抗震性能分析J.城市建设理论研究（电子版）,2012,(8). 8周佳毅.复杂高层钢结构抗震性能分析D.浙江大学建筑工程学院,2008. 9张煜,蔡焕琴.概念设计优化高层钢结构抗震C./第六届全国现代结构工程学术研讨会.2006:1037-1040.