建筑结构抗震设计课件第3章(下).ppt

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1、一、产生扭转地震反应的原因,3.9 建筑结构的扭转地震效应,1.建筑结构的偏心,两方面：建筑自身的原因和地震地面运动的原因。,质心,刚心,产生偏心的原因：,a.建筑物的柱与墙体等抗 侧力构件布置不对称。,b.建筑物的平面不对称。,c.建筑物的立面不对称。,d.建筑物的平面、立面均不对称。,e.建筑物各层质心与刚心重合， 但上下层不在同一垂直线上。,f.偶然偏心。,2.地震地面运动存在扭转分量,地震波在地面上各点的波速、周期和相位不同。建筑结构基底将产生绕竖直轴的转动，结构便会产生扭转振动。,因此，无论结构是否有偏心，地震地面运动产生的结构扭转振动均是存在的。,但二者有区别，无偏心结构的平动与扭

2、转振动不是耦合的，而有偏心结构的平动与扭转振动是耦合的。,二、考虑扭转地震效应的方法(5.2.3条),水平地震作用下，建筑结构的扭转偶联地震效应应符合下列要求：1、规则结构不进行扭转耦联计算时，平行于地震作用方向的两个边榀构件，其地震作用效应宜乘以增大系数。一般情况下，短边可按1.15、长边可按1.05采用；当扭转刚度较小时，周边各构件宜按不小于1.3采用。角部构件宜同时乘以两个方向各自的增大系数。,2、采用扭转耦联振型分解反应谱法计算时，各楼层可取两个正交的水平位移和一个转角共三个自由度，并按下列公式计算结构的地震作用和作用效应。确有依据时，尚可采用简化计算方法确定地震作用效应。,-分别为j

3、振型i层的x、y方 向的水平相对位移；,-为j振型i层的相对扭转角；,-j振型周期Tj对应的地震 影响系数；,-i层转动半径；,-考虑扭转的j振型参与系数；,仅考虑x方向地震时,仅考虑y方向地震时,与x方向斜交地震时,地震作用方向与x轴方向夹角,2）单向水平地震作用下的扭转偶联效应：,根据考虑地震作用的方式不同，采用不同的组合方式：对于平面振动的多质点弹性体系，可以用SRSS法（简称“平方和开平方”），它是基于假定输入地震为平稳随机过程，各振型反应之间相互独立而推导得到的；对于考虑平扭耦连的多质点弹性体系，采用CQC（complete quaddratic combination）法（完全二次

4、型方根组合法），它与SRSS法的主要区别在于：平面振动时假定各振型相互独立，并且各振型的贡献随着频率的增高而降低；而平扭耦连时各振型频率间距很小，相邻较高振型的频率可能非常接近，这就要考虑不同振型间的相关性，还有扭转分量的影响并不一定随着频率增高而降低，有时较高振型的影响可能大于较低振型的影响，相比SRSS时就要考虑更多振型的影响。简单地说：SRSS近似认为每个振型的振动是相互独立的；而CQC考虑了平扭耦联效应及振型间的相互影响，对于复杂结构采用此法。,3）双向水平地震作用下扭转偶联效应，可按下式,根据强震记录统计分析：两个方向的水平地震加速度的最大值不相等，二者之比约为1：0.85.,*三、

5、考虑扭转的振型分解反应谱法,1、平扭耦联体系的自由振动,基本假定：,（1）楼板在其自身平面内为绝对刚性，在平面外的刚度很小可以忽略不计；,（2）各榀抗侧力结构（框架或剪力墙）在其自身平面内刚度很大，在平面外的刚度很小可以忽略不计；,（3）所有构件都不考虑其自身的抗扭作用；,（4）将质量（包括柱、墙的质量）都集中于各层楼板处。,计算简图如图所示，坐标原点一般选在各楼层的质心处。每一层楼质量有三个自由度。,由结构动力学，可建立结构的运动方程为,-阻尼矩阵,-刚度矩阵,-平行于x轴第s榀框架的刚度矩阵；,-平行于x轴框架的榀数；,-平行于y轴第r榀框架的刚度矩阵；,-平行于y轴框架的榀数；,-第i层

6、第s榀x方向的y向座标；,-第i层第r榀y方向框架的x向座标;,求振型和频率时可不计阻尼,利用雅可比等方法可求出振型和频率：,2、考虑扭转影响的水平地震作用,-地面运动加速度,-地面运动方向与x轴夹角,设,代入方程，并利用振型正交性，可得,经过与前面单向平移振动类似的推导，可得到考虑扭转地震效应时水平地震作用标准值的计算公式：,分别为j振型i层的x方向、y方向和转角方向的地震作用标准值,思考题1、底部剪力法的计算步骤是怎样的？ 1）底部总剪力计算 2）高阶振型影响如何考虑？ 3）屋顶突出屋面附属建筑鞭梢效应的考虑及计算2、重力、重力荷载代表值、等效重力荷载3、结构的基本周期计算有那些方法？4、

7、抗震设计时， 1）引起结构产生扭转的原因主要有哪些？ 2）规则结构如何考虑扭转效应的影响？ 3）需要进行扭转计算的结构： j振型时第i层质心处的水平地震作用标准值计算公式Fxji(Fyji、Ftji)； 考虑单向水平地震作用时，结构的地震作用效应（扭转效应）Sx(Sy)的计算方法； 考虑双向水平地震作用效应时，结构地震作用效应的计算方法，0.85的物理意义。5、什么是地基与结构相互作用影响？在我国规范中，如何考虑地基与结构的相互作用影响的？6、振型分解反应谱法、底部剪力法的适用条件与适用范围,3.10 地基与上部结构相互作用的影响,规范5.2.7规定：（按刚性地基计算的水平地震作用值偏大）,结

8、构抗震计算，一般情况下可不计入地基与结构相互作用的影响；8度和9度时建造于、类场地，采用箱基、刚性较好的筏基和桩箱联合基础的钢筋混凝土高层建筑，当结构基本自振周期处于特征周期的1.2倍至5倍范围时，若计入地基与结构动力相互作用的影响，对刚性地基假定计算的水平地震剪力可按下列规定折减，其层间变形可按折减后的楼层剪力计算。,1.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：,-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；,-计入地基与结构动力相互作用的附加周期 按右表采用（单位：s）；,2.高宽比不小于3的结构,底部的地震剪力按1款规

9、定折减,顶部不折减,中间各层按线性插入值折减.,3.折减后各楼层的水平地震剪力应符合第5.2.5条的规定。 即：,3.11 结构竖向地震作用（5.3）,竖向地震运动是可观的：,根据观测资料的统计分析，在震中距小于200km范围内，同一地震的竖向地面加速度峰值与水平地面加速度峰值之比av/ah平均值约为1/2，但有时可达1.6。还有特殊例子：1979年美国英佩里尔谷6.7级地震，竖向加速度：1.74g。,竖向地震作用的影响是显著的：,根据地震计算分析，对于高层建筑、高耸及大跨结构,竖向地震影响显著。结构竖向地震内力NE/与重力荷载产生的内力NG的比值沿高度自下向上逐渐增大，烈度为8度时为50%至

10、90%，9度时可达到或超过1；335m高的电视塔上部，8度时为138%；高层建筑上部，8度时为50%至110%。,目前，国外抗震设计规定中要求考虑竖向地震作用的结构或构件有（规范5.3节）：,1.长悬臂结构； 2.大跨度结构； 3.高耸结构和较高的高层建筑； 4.以轴向力为主的结构构件（柱或悬挂结构）； 5.砌体结构； 6.突出于建筑顶部的小构件。,我国抗震设计规范规定前三类结构要考虑向上或向下竖向地震作用的不利影响。,计算结构竖向地震作用的方法：,静力法：取结构或构件重力的某个百分数作为其竖向地震 作用；,水平地震作用折减法：取结构或构件水平地震作用的某个 百分数作为其竖向地震作用；,竖向地

11、震反应谱法：与水平地震反应谱法相同。,对高耸结构和高层建筑，我国规范采用的是基于竖向地震反应谱法的拟静力法；对大跨度结构则用静力法。,动力时程分析法：,一、竖向地震反应谱,竖向地震反应谱与水平地震反应谱的比较:,类场地竖向地震平均反应谱与水平地震平均反应谱,形状相差不大,一般：竖向加速度峰值约为水平加速度的1/2至2/3。,可利用水平地震反应谱进行分析。,分析结果表明： 高耸结构和高层建筑竖向第一振型的地震内力与竖向前5个振型按平方和开方组合（SRSS）的地震内力相比较，误差仅在5%-15%。,此外，竖向第一振型的数值大致呈倒三角形式，基本周期小于场地特征周期。,因此，高耸结构和高层建筑的竖向

12、地震作用可按与底部剪力法类似的方法计算。,二、高耸结构和高层建筑竖向地震作用的计算公式（5.3.1）,-结构总竖向地震作用标准值；,-竖向、水平地震影响系数最大值。,-质点i的竖向地震作用标准值。,规范要求：9度时，高层建筑楼层的竖向地震作用效应，应乘以1.5的增大系数。,三、大跨度结构竖向地震作用的计算,-竖向地震作用系 数，按右表采用；,-重力荷载代表值。,大跨度结构我国规范采用的是拟静力法进行计算1、平板型网架屋盖与大于24m屋架、屋盖横梁及托架（5.3.2）,2、长悬臂和其它大跨度结构（5.3.3条） 对于长悬臂和其它大跨度结构的竖向地震作用标准值，8度和9度可分别取该结构、构件重力荷

13、载代表值的10%和20%，设计基本地震加速度为0.30g时，可取该结构构件重力荷载代表值的15%。3、大跨度空间结构（5.3.4条） 大跨度空间结构的竖向地震作用，除上述两种简化计算方法外，尚可按竖向振型分解反应谱方法计算。其竖向地震影响系数可采用本规范第5.1.4、第5.1.5条规定的水平地震影响系数的65%，但特征周期可均按设计第一组采用。,一、结构抗震计算原则,3.13 结构抗震验算,各类建筑结构的抗震计算应遵循下列原则（强条：5.1.1）,1、一般情况下，应至少在建筑结构的两个主轴方向分别考虑水平地震作用，各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担。,2、有斜交抗侧力构件的结构，当相

14、交角度大于15时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。,3、质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向水平地震作用下的扭转影响，其他情况，应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。,4、8度和9度时的大跨度结构、长悬臂结构，9度时的高层建筑，应考虑竖向地震作用。,二、结构抗震计算方法的确定（5.1.2条）,1、高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度 分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构， 宜采用底部剪力法等简化方法。,2、除上述以外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法。,3、特别不规则的建筑、甲类建筑和下表所列高度范围的 高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的

15、补充 计算；当取三组加速度时程曲线（2+1）时，计算结果宜取时程法的包络值和振型分解反应谱法的较大值；当取七组(5+2)及七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法的较大值。,采用弹性时程分析法时，每条时程曲线计算所得结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%，多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应小于振型分解反应谱法计算结果的80%。采用时程分析法时，应按建筑场地类别和设计地震分组选用实际强震记录（不应少于总数的2/3）和人工模拟的加速度时程曲线，其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。 “在统计意义上相符”指的是

16、：平均影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比，在各个周期点上相差不大于20%。输入的地震加速度时程曲线的持续时间，不论是实际的强震记录还是人工模拟波，一般为结构基本周期的5-10倍。当采用三维空间模型等需要双向或三向地震波输入时，其加速度最大值通常按：“1（水平1）：0.85（水平2）：0.65（竖向）”的比例调整。,采用二阶段设计法：,第一阶段：对绝大多数结构进行多遇地震作用下的结构和构件承载力验算,以及多遇地震作用下的弹性变形验算。,第二阶段：对一些结构进行罕遇地震作用下的弹塑性变形验算。,三、结构抗震验算内容,结构截面的抗震验算，应符合下列规定（5.1.6条，强条）：,

17、（1）6度时的建筑（不规则建筑及建造于类场地上较高的高层建筑除外），以及生土房屋和木结构房屋等，应符合有关的抗震措施要求，但应允许不进行截面抗震验算；,（2）6度时的不规则建筑、建造于类场地上较高的高层建筑除外，7度和7度以上的建筑结构（生土房屋和木结构房屋等除外），应进行多遇地震作用下的截面抗震验算。注意：采用隔震设计的建筑结构，其抗震验算应符合相关规定。,符合本规范第5.5节规定的结构，除按规定进行多遇地震作用下的截面抗震验算外，尚应进行相应的变形验算。（5.1.7条）,1.多遇地震下结构强度验算（抗震截面验算）（5.4.2条）,结构构件的截面抗震验算，应采用下列设计表达式：,表：承载力抗

18、震调整系数（5.4.2表）,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应采用1.0（4.4.3条）,-重力荷载分项系数，一般取1.2，当重力荷载效应对构件承载能力 有利时，不应大于1.0；,-分别为水平、竖向 地震作用分项系数， 按右表采用；,-风荷载分项系数，应采用1.4；,-重力荷载代表值的效应；,-水平、竖向地震作用的标准值效应,尚应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;一般结构可不考虑,风荷载起控制作用的高层建筑应采用0.2;,强制性条文：5.4.1条,2.多遇地震下结构“允许弹性变形”验算抗震变形验算(5.5.1条),除砌体结构、厂房外

19、，框架结构、填充墙框架结构、框架-剪力墙结构、框架支撑结构和框支结构的框支层部分等，需验算其允许弹性变形。,对于按底部剪力法分析结构地震作用时，其弹性位移计算公式为,-第i层的层间位移；,-第i层的侧移刚度；,-第i层的水平地震剪力标准值。,多遇地震作用下，楼层内最大弹性层间位移应符合下式（5.5.1条）,-多遇地震作用标准值产生的楼层内最大的弹性层间位移；,-计算楼层层高；,-弹性层间位移角限值，按下表采用。,3.罕遇地震下结构弹塑性变形验算（5.5.2条）,需要进行结构罕遇地震作用下薄弱层弹塑性变形验算的范围,(a)下列结构应进行弹塑性变形验算,1）8度、类场地和9度时,高大的单层钢筋混凝

20、土柱 厂房的横向排架;2）7-9度时楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框 架结构；3）高度大于150m的钢结构；4）甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢 结构；5）采用隔震和消能减震设计的结构。,(b)下列结构宜进行弹塑性变形验算,1）下表所列高度范围且属于竖向不规则类型的高层建筑结构；2）7度、类场地和8度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构；3）板柱-抗震墙结构和底部框架砖房；4）高度不大于150m的其它高层钢结构。,竖向不规则的类型（3.4.3条）,采用时程分析法的房屋高度范围(5.1.2条),薄弱楼层弹塑性层间位移的验算（5.5.5条）：,思考题1、底部剪力法的计算步骤是

21、怎样的？ 1）底部总剪力计算 2）高阶振型影响如何考虑？ 3）屋顶突出屋面附属建筑鞭梢效应的考虑及计算2、重力、重力荷载代表值、等效重力荷载3、结构的基本周期计算有那些方法？4、抗震设计时， 1）引起结构产生扭转的原因主要有哪些？ 2）规则结构如何考虑扭转效应的影响？ 3）需要进行扭转计算的结构： j振型时第i层质心处的水平地震作用标准值计算公式Fxji(Fyji、Ftji)； 考虑单向水平地震作用时，结构的地震作用效应（扭转效应）Sx(Sy)的计算方法； 考虑双向水平地震作用效应时，结构地震作用效应的计算方法，0.85的物理意义。5、什么是地基与结构相互作用影响？在我国规范中，如何考虑地基与

22、结构的相互作用影响的？6、振型分解反应谱法、底部剪力法的适用条件与适用范围,思考题1、竖向地震作用及其计算2、结构抗震计算的原则,结构地震计算的主要主要方法及应用范围3、时程分析法：包括弹性时程分析法和非弹性时程分析方法： 1）什么是滞回曲线？滞回模型的常见类型有哪些？；2）地震波如何选取？；3）线性加速度法及基本概念；4）弹性时程分析法的计算结果的合理性如何控制？4、进行地震作用下的非线性分析时，除非线性时程分析方法外，我国规范对部分结构采用了简化的计算分析方法：1）楼层屈服强度系数的基本概念与计算方法2）结构薄弱层的判别方法3）薄弱层弹塑性位移的计算方法5、结构抗震验算时：1）弹性阶段的承

23、载力、变形计算；2) 哪些结构需要进行罕遇地震作用下结构的弹塑性变形验算及方法3）地震作用效应组合公式，进行结构构件抗震承载力计算时，承载力抗震调整系数的取值及物理意义,三、结构在罕遇地震作用下薄弱层（部位）弹塑性变形的简化计算(5.5.3条、5.5.4条),规范规定（5.5.3条）的弹塑性变形计算方法： 1）不超过12层且层刚度无突变的钢筋混凝土框架和框排架结构，以及单层钢筋混凝土柱厂房，可采用5.5.4条规定的简化计算方法； 2）第1）条以外的其它结构，可采用静力弹塑性分析方法或弹塑性时程分析法等。 3）规则结构可采用弯剪层模型或平面杆系模型，不规则结构应采用空间结构模型。,弹塑性变形的简

24、化计算方法（5.5.4条）薄弱楼层：在强烈地震作用下首先发生屈服并产生较大弹 塑性位移的部位。,1、确定楼层的屈服强度系数（5.5.2条、 5.5.4条）：,对于多层和高层建筑结构,的计算：,的计算：,的计算：,1）强梁弱柱型节点：柱端屈服,的计算：,2）强柱弱梁型节点：梁端屈服,梁端屈服弯矩为：,3）混合型节点：梁端屈服，一个柱端未屈服,上、下柱的柱端弯矩为：,2、楼层屈服强度系数沿高度分布是否均匀的判别：,符合下列条件时即认为楼层屈服强度系数沿高度分布是均匀的：,标准层,顶层,首层,即:楼层屈服强度系数不小于相邻层该系数平均值的0.8倍时，认为它沿高度分布是均匀的。,其中,如果各层（i=1

25、,2,n) 则认为沿高度分布是均匀的。,如果任意某层 则认为沿高度分布是不均匀的。,3、结构薄弱层位置判别(5.5.4条),4、薄弱楼层弹塑性层间位移的计算：,其中,例：4层钢筋混凝土框架，梁截面250mm 600mm，柱450mm450mm，为强梁弱柱型框架。柱混凝土为C30， ，钢筋为级， 。第一层柱配筋 ；第二、三、四层柱配筋 。混凝土保护层厚 。已知结构基本周期 ，位于类场地一组，设计基本地震加速度为0.2g。采用简化方法计算罕遇地震下该框架的最大层间弹塑性位移。,解：,（1）确定楼层屈服强度系数,按底部剪力法计算罕遇地震下的水平地震作用,各楼层弹性地震剪力为,例：4层钢筋混凝土框架，

26、梁截面250mm 600mm，柱450mm450mm，为强梁弱柱型框架。柱混凝土为C30， ，钢筋为级， 。第一层柱配筋 ；第二、三、四层柱配筋 。混凝土保护层厚 。已知结构基本周期 ，位于类场地一组，设计基本地震加速度为0.2g。采用简化方法计算罕遇地震下该框架的最大层间弹塑性位移。,解：,（1）确定楼层屈服强度系数,-按构件实际配筋面积和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力；,-按罕遇地震作用标准值计算的楼层弹性地震剪力。,例：4层钢筋混凝土框架，梁截面250mm 600mm，柱450mm450mm，为强梁弱柱型框架。柱混凝土为C30， ，钢筋为级， 。第一层柱配筋 ；第二、三、四层柱配筋

27、。混凝土保护层厚 。已知结构基本周期 ，位于类场地一组，设计基本地震加速度为0.2g。采用简化方法计算罕遇地震下该框架的最大层间弹塑性位移。,例：4层钢筋混凝土框架，梁截面250mm 600mm，柱450mm450mm，为强梁弱柱型框架。柱混凝土为C30， ，钢筋为级， 。第一层柱配筋 ；第二、三、四层柱配筋 。混凝土保护层厚 。已知结构基本周期 ，位于类场地一组，设计基本地震加速度为0.2g。采用简化方法计算罕遇地震下该框架的最大层间弹塑性位移。,例：4层钢筋混凝土框架，梁截面250mm 600mm，柱450mm450mm，为强梁弱柱型框架。柱混凝土为C30， ，钢筋为级， 。第一层柱配筋

28、；第二、三、四层柱配筋 。混凝土保护层厚 。已知结构基本周期 ，位于类场地一组，设计基本地震加速度为0.2g。采用简化方法计算罕遇地震下该框架的最大层间弹塑性位移。,例：4层钢筋混凝土框架，梁截面250mm 600mm，柱450mm450mm，为强梁弱柱型框架。柱混凝土为C30， ，钢筋为级， 。第一层柱配筋 ；第二、三、四层柱配筋 。混凝土保护层厚 。已知结构基本周期 ，位于类场地一组，设计基本地震加速度为0.2g。采用简化方法计算罕遇地震下该框架的最大层间弹塑性位移。,（2）结构薄弱层的判别,底层为薄弱层,例：4层钢筋混凝土框架，梁截面250mm 600mm，柱450mm450mm，为强梁弱柱型框架。柱混凝土为C30， ，钢筋为级， 。第一层柱配筋 ；第二、三、四层柱配筋 。混凝土保护层厚 。已知结构基本周期 ，位于类场地一组，设计基本地震加速度为0.2g。采用简化方法计算罕遇地震下该框架的最大层间弹塑性位移。,（3）结构薄弱层的层间弹塑性位移,层间弹性刚度,