地震作用与建筑结构抗震设计课件

第五章第五章 地震作用和结构抗震设计要点地震作用和结构抗震设计要点 第五章 地震作用和1一、建筑物抗震设防类型的确定一、建筑物抗震设防类型的确定二、地震作用的计算规定及计算方法二、地震作用的计算规定及计算方法三、结构抗震验算三、结构抗震验算一、建筑物抗震设防类型的确定25.1 建筑抗震设防分类标准建筑抗震设防分类标准一、建筑抗震设防分类标准一、建筑抗震设防分类标准 中国国家标准建筑抗震设防分类标准（中国国家标准建筑抗震设防分类标准（GB50223)，根，根据据建筑物重要性建筑物重要性、在地震中及地震后、在地震中及地震后破坏对社会和经济造破坏对社会和经济造成的影响成的影响及在及在抗震防灾中的作用抗震防灾中的作用，将建筑明确分为四类：，将建筑明确分为四类：甲类建筑甲类建筑 地震破坏后会对社会有严重影响，地震破坏后会对社会有严重影响，对国民经济有巨大损失或有特殊要求的建筑物。对国民经济有巨大损失或有特殊要求的建筑物。专专门研究确定门研究确定。乙类建筑乙类建筑 地震中使用功能不能中断或需迅速地震中使用功能不能中断或需迅速恢复的建筑物及破坏后会对社会有重大影响，对国恢复的建筑物及破坏后会对社会有重大影响，对国民经济有重大损失。民经济有重大损失。如生命线工程如生命线工程。5.1 建筑抗震设防分类标准一、建筑抗震设防分类标准 3丙类建筑丙类建筑 地震破坏后对社会有一般影响，地震破坏后对社会有一般影响，对国民经济有一般损失的建筑物。如一般对国民经济有一般损失的建筑物。如一般工业与工业与民用建筑、公共建筑、住宅、旅馆、厂房等民用建筑、公共建筑、住宅、旅馆、厂房等。丁类建筑丁类建筑 地震破坏后对社会影响轻微，对地震破坏后对社会影响轻微，对国民经济影响轻微，且不致影响其它甲、乙、丙国民经济影响轻微，且不致影响其它甲、乙、丙类建筑的建筑物。类建筑的建筑物。附属建筑附属建筑。丙类建筑 地震破坏后对社会有一般影响，对国民经济有一般4二、各类建筑抗震设防的标准二、各类建筑抗震设防的标准1.甲类建筑甲类建筑：地震作用应高于本地区抗震设防烈度的：地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定按批准的地震安全性评价结果确定。68度设防时，提高度设防时，提高1度进行抗震设防，度进行抗震设防，9度时应比度时应比9度设防更高的要求。度设防更高的要求。2.乙类建筑乙类建筑：地震作用应符合本地区抗震设防烈度要地震作用应符合本地区抗震设防烈度要求求。一般情况。一般情况68度时，提高度时，提高1度进行抗震设防，度进行抗震设防，9度时应比度时应比9度设防更高的要求。度设防更高的要求。3.丙类建筑丙类建筑：地震作用和抗震措施均应符合本地区抗地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度要求震设防烈度要求。二、各类建筑抗震设防的标准甲类建筑：地震作用应高于本地区抗震54.丁类建筑丁类建筑：一般情况下（具体规定除外），地震：一般情况下（具体规定除外），地震作用应符合本地区抗震设防烈度要求，抗震措施可作用应符合本地区抗震设防烈度要求，抗震措施可适当降低，但适当降低，但6度抗震时不降低。度抗震时不降低。5.抗震设防烈度为抗震设防烈度为6度时，除特殊要求外，一般情况度时，除特殊要求外，一般情况下对乙类、丙类和丁类建筑可不进行地震作用计算。下对乙类、丙类和丁类建筑可不进行地震作用计算。v“三水准三水准”，“两阶段两阶段”抗震设计目标，即抗震设计目标，即“小小震不坏，中震可修，大震不倒震不坏，中震可修，大震不倒”，分别按弹性，分别按弹性和弹塑性两阶段设计。和弹塑性两阶段设计。三、各类建筑抗震设防的目标三、各类建筑抗震设防的目标丁类建筑：一般情况下（具体规定除外），地震作用应符合本地区抗65.2 地震作用计算地震作用计算一、地震作用计算的一般规定一、地震作用计算的一般规定抗震规范规定的计算原则抗震规范规定的计算原则1)1)一一般般情情况况下下，应应在在建建筑筑结结构构的的两两个个主主轴轴方方向向分分别别考考虑虑水水平平地地震震作作用用并并进进行行抗抗震震验验算算，各各方方向向的的水水平平地地震作用全部由该方向的抗侧力构件承担；震作用全部由该方向的抗侧力构件承担；2)2)有有斜斜交交抗抗侧侧力力构构件件的的结结构构，当当相相交交角角度度大大于于1515度度时时，应分别考虑应分别考虑各抗各抗侧侧力构件方向的水平地震作用力构件方向的水平地震作用；5.2 地震作用计算一、地震作用计算的一般规定抗震规范73)质质量量和和刚刚度度明明显显不不对对称称的的结结构构，应应考考虑虑双双向向水水平平地地震震作作用用下下的的扭扭转转影影响响。其其他他情情况况，可可以以采采用用调调整地震作用效应的方法计入扭转影响；整地震作用效应的方法计入扭转影响；4)不不同同方方向向抗抗侧侧力力结结构构的的共共同同构构件件，应应考考虑虑双双向向水水平地震作用的影响。平地震作用的影响。5)8度和度和9度的大跨度结构、长悬臂结构及度的大跨度结构、长悬臂结构及9度时的度时的高层建筑，应考虑高层建筑，应考虑竖竖向地震作用向地震作用。质量和刚度明显不对称的结构，应考虑双向水平地震作用下的扭转影8二、二、地震作用计算方法的确定地震作用计算方法的确定1.地震作用计算方法地震作用计算方法底部剪力法：把地震作用当作等效静力荷载，计算底部剪力法：把地震作用当作等效静力荷载，计算结构最大地震反应。实际结构最大地震反应。实际将多自由度体系简化为等将多自由度体系简化为等效单自由度体系进行分析效单自由度体系进行分析。振型分解反应谱法：利用振型分解原理和反应谱理振型分解反应谱法：利用振型分解原理和反应谱理论进行结构最大地震反应分析论进行结构最大地震反应分析。时程分析法时程分析法：选定一定的地震波，直接输入到所：选定一定的地震波，直接输入到所设计的结构，然后对结构的平衡微分方程进行数值设计的结构，然后对结构的平衡微分方程进行数值积分求得结构在整个地震时程范围内的地震反应。积分求得结构在整个地震时程范围内的地震反应。包括振型分解法和逐步积分法包括振型分解法和逐步积分法。现行抗震规范的抗震设计计算采用以下三种方法：现行抗震规范的抗震设计计算采用以下三种方法：二、地震作用计算方法的确定地震作用计算方法底部剪力法：把地92.地震作用各计算方法的特点地震作用各计算方法的特点1)底部剪力法是一种拟静力法，计算量最小，但因忽底部剪力法是一种拟静力法，计算量最小，但因忽略了高阶振型的影响，计算精度稍差；略了高阶振型的影响，计算精度稍差；2)振型分解反应谱法，计算量稍大，计算精度较高，振型分解反应谱法，计算量稍大，计算精度较高，计算误差主要来至于振型组合时关于地震动随机性计算误差主要来至于振型组合时关于地震动随机性的假定；的假定；3)时程分析法是一种完全动力分析方法，计算量大，时程分析法是一种完全动力分析方法，计算量大，计算精度高。计算精度高。但时程分析法是某一确定地震动的时程反应，不像但时程分析法是某一确定地震动的时程反应，不像底部剪力法和振型分解反应谱法考虑了不同地震动底部剪力法和振型分解反应谱法考虑了不同地震动时程纪录的随机性。时程纪录的随机性。底部剪力法、振型分解反应谱法和振型分解时程分底部剪力法、振型分解反应谱法和振型分解时程分析法适合于弹性分析，逐步积分法可用于塑性分析。析法适合于弹性分析，逐步积分法可用于塑性分析。地震作用各计算方法的特点底部剪力法是一种拟静力法，计算量最小103.地震作用计算方法的选用情况地震作用计算方法的选用情况根据不同的结构，不同的设计要求区别对待。根据不同的结构，不同的设计要求区别对待。1)底部剪力法适用情况：高度不超过底部剪力法适用情况：高度不超过40m，以剪切，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结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。构，以及近似于单质点体系的结构。2)振型分解反应谱法适用情况：除上述以外的建筑振型分解反应谱法适用情况：除上述以外的建筑结构，宜结构，宜采用振型分解反应谱法采用振型分解反应谱法。3)时程分析法适用情况：时程分析法适用情况：特别不规则的建筑，甲类特别不规则的建筑，甲类建筑和建筑和P97表表5.2所列的高层建筑。所列的高层建筑。地震作用计算方法的选用情况根据不同的结构，不同的设计要求区别114.4.采用时程分析法进行计算应注意以下问题：采用时程分析法进行计算应注意以下问题：满足地震动三要素：频谱特性、有效峰值和持续时满足地震动三要素：频谱特性、有效峰值和持续时间均要符合规定，频谱特性可根据地震影响系数曲线、间均要符合规定，频谱特性可根据地震影响系数曲线、所处的场地类别和设计地震分组确定。所处的场地类别和设计地震分组确定。输入加速度时程曲线的持续时间，不论实际的地震输入加速度时程曲线的持续时间，不论实际的地震记录还是人工模拟的波形，一般为结构周期的记录还是人工模拟的波形，一般为结构周期的510倍倍。最小地震波数：最小地震波数：不少于不少于2 2组实际地震波记录组实际地震波记录和一组和一组人人工模拟的工模拟的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线加速度时程曲线，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统计意义上相符，其加速度时程的最大值可按意义上相符，其加速度时程的最大值可按P97P97表表5.35.3采用。采用。采用时程分析法进行计算应注意以下问题：满足地震动三要素：12q 最小剪力要求最小剪力要求(有效峰值）有效峰值）q 输入加速度调整输入加速度调整 弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得的弹性时程分析时，每条时程曲线计算所得的结构底结构底部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的部剪力不应小于振型分解反应谱法计算结果的65%65%。多条时程曲线计算所得结构底部剪力的平均值不应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小于振型分解反应谱法计算结果的80%。如不满足，可将地震波峰值加大，使其满足要求。如不满足，可将地震波峰值加大，使其满足要求。当结构采用三维空间模型等需要双向（当结构采用三维空间模型等需要双向（2个水平个水平方向）或方向）或3向（向（2个水平方向和个水平方向和1个竖向）地震波输入个竖向）地震波输入时，其加速度最大值通常按下列比例调整：时，其加速度最大值通常按下列比例调整：1 1（水平（水平1 1）：）：0.850.85（水平（水平2 2）：）：0.650.65（竖向）（竖向）最小剪力要求(有效峰值）输入加速度调整 弹性时程分13表表5.1 5.1 采用时程分析的房屋高度范围采用时程分析的房屋高度范围表表5.25.2 地震加速度时程曲线的最大值（地震加速度时程曲线的最大值（cm/scm/s2 2）烈度、场地类型烈度、场地类型房屋高度范围（米）房屋高度范围（米）7度及度及8度度、类场地类场地1008度度、场地场地809度度60地震影响地震影响6度度7度度8度度9度度多遇地震多遇地震1835（55）70（110）140罕遇地震罕遇地震 220（310）400（510）620表5.1 采用时程分析的房屋高度范围表5.2 地震加速14三、重力荷载代表值的计算三、重力荷载代表值的计算v进行结构抗震设计时考虑的重力荷载称为进行结构抗震设计时考虑的重力荷载称为重力荷载重力荷载代表值代表值。重力荷载包括恒载和活载。由于地震发生。重力荷载包括恒载和活载。由于地震发生时，活载往往达不到其标准值，因此，在计算质点时，活载往往达不到其标准值，因此，在计算质点的重力荷载可对活载进行折减按的重力荷载可对活载进行折减按P98表表5.3采用采用。表表5.3 5.3 可变荷载可变荷载组合值系数组合值系数三、重力荷载代表值的计算进行结构抗震设计时考虑的重力荷载称为15四、四、水平地震作用计算的有关规定水平地震作用计算的有关规定1 1）考虑扭转振动的原因）考虑扭转振动的原因地面运动存在转动分量地面运动存在转动分量，或地震时地面各点的运动存在，或地震时地面各点的运动存在相位差；相位差；结构本身存在偏心结构本身存在偏心，即结构的刚度中心和质量中心不重，即结构的刚度中心和质量中心不重合。震害调查分析表明，扭转作用会加重结构破坏，有合。震害调查分析表明，扭转作用会加重结构破坏，有时还会成为结构破坏的主要原因。时还会成为结构破坏的主要原因。2 2）考虑扭转的效应方法）考虑扭转的效应方法目前对地面运动转动分量引起的扭转效应难以定量分析目前对地面运动转动分量引起的扭转效应难以定量分析主要讨论结构由于偏心引起的地震扭转效应。主要讨论结构由于偏心引起的地震扭转效应。分析方法：考虑振型耦合。分析方法：考虑振型耦合。1.1.考虑扭转藕联时水平地震作用计算考虑扭转藕联时水平地震作用计算四、水平地震作用计算的有关规定1）考虑扭转振动的原因1.考16 3 3）平扭耦合体系地震作用的计算方法）平扭耦合体系地震作用的计算方法第第j振型振型i层的水平地震作用标准值：层的水平地震作用标准值：j振型振型i层的层的x、y和转角方向的地震和转角方向的地震 作用标准值作用标准值;、j振型振型i层质心在层质心在x、y方向的水平相对位移方向的水平相对位移;、j振型振型i层的相对转角层的相对转角;计入扭转的计入扭转的j振型参与系数；振型参与系数；i层的转动半径层的转动半径;3）平扭耦合体系地震作用的计算方法第j振型i层的水平地震作17当仅取当仅取x方向地震作用时方向地震作用时当仅取当仅取y方向地震作用时方向地震作用时当取与当取与x方向斜交的地震作用时方向斜交的地震作用时当仅取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18 4 4）扭转效应的计算方法）扭转效应的计算方法 单向水平地震作用的扭转效应，可按下列公式确定：单向水平地震作用的扭转效应，可按下列公式确定：式中式中 地震作用标准值的扭转效应；地震作用标准值的扭转效应；、分别为分别为 j、k 振型地震作用标准值的效应，振型地震作用标准值的效应，可取前可取前9 91515个振型；个振型；j振型与振型与 k 振型的耦联系数；振型的耦联系数；分别为分别为 j、k 振型的阻尼比；振型的阻尼比；k 振型与振型与 j 振型的自振周期比。振型的自振周期比。、4）扭转效应的计算方法 单向水平地震作用的扭转效应，可按19v双双向向水水平平地地震震作作用用的的扭扭转转效效应应，可可按按下下列列公公式式中中较大者确定：较大者确定：平面规则的建筑结构，中国抗震规范规定当规则结构平面规则的建筑结构，中国抗震规范规定当规则结构不考虑扭转藕联计算时，应采用不考虑扭转藕联计算时，应采用增大边榀结构地震内力的增大边榀结构地震内力的简化方法简化方法考虑由于施工、使用等原因所产生的偶然偏心引考虑由于施工、使用等原因所产生的偶然偏心引起的地震扭转效应及地震地面运动转动分量的影响。起的地震扭转效应及地震地面运动转动分量的影响。平行于地震作用方向的两个边榀，其地震作用效应可乘以平行于地震作用方向的两个边榀，其地震作用效应可乘以增大系数。增大系数。一般情况下，短边可按一般情况下，短边可按1.151.15采用，长边可按采用，长边可按1.051.05采用；当扭转刚度较小时，宜按不小于采用；当扭转刚度较小时，宜按不小于1.31.3采用。采用。式式中中 、分分别别为为x向向、y向向单单向向水水平平地地震震作作用用计计算的扭转效应。算的扭转效应。双向水平地震作用的扭转效应，可按下列公式中较大者确定：平面规201)1)反应特点反应特点质量和刚度突然变小，地震时产生质量和刚度突然变小，地震时产生鞭端效应鞭端效应而使而使其地震反应急剧增大；震害也表明，突出屋面的其地震反应急剧增大；震害也表明，突出屋面的小房间在地震中破坏较为严重。小房间在地震中破坏较为严重。严格地说，对带有突出屋面小房间的房屋结构，严格地说，对带有突出屋面小房间的房屋结构，底部剪力法已不再适用，应采用振型分解反应谱底部剪力法已不再适用，应采用振型分解反应谱法计算其水平地震作用。法计算其水平地震作用。2.突出屋面小房间的地震作用突出屋面小房间的地震作用1)反应特点2.突出屋面小房间的地震作用212)2)实际情况简化处理实际情况简化处理考虑到工程实践中带有突出屋面小房间的房屋结构考虑到工程实践中带有突出屋面小房间的房屋结构数量极大，进行简化计算。数量极大，进行简化计算。抗震规范规定，对于这类结构，抗震规范规定，对于这类结构，仍可采用底部仍可采用底部剪力法剪力法计算其水平地震作用，在计算时，将突出屋计算其水平地震作用，在计算时，将突出屋面的小房间也作为一个质点，并将计算所得的该质面的小房间也作为一个质点，并将计算所得的该质点的水平地震作用乘以点的水平地震作用乘以增大系数增大系数3予以调整予以调整，此增，此增大部分不往下传递，但与该突出部分相连的构件在大部分不往下传递，但与该突出部分相连的构件在设计时应考虑这种增大影响。设计时应考虑这种增大影响。2)实际情况简化处理223.3.楼层最小地震剪力的规定楼层最小地震剪力的规定v 问题的提出问题的提出 地震影响系数曲线，在长周期段下降较快，对于基本周地震影响系数曲线，在长周期段下降较快，对于基本周期大于期大于3.5s的结构，由此计算所得的水平地震作用下的的结构，由此计算所得的水平地震作用下的结构结构效应可能太小效应可能太小。而对于长周期结构，地震动作用中地面运动。而对于长周期结构，地震动作用中地面运动速度和位移可能对结构的破坏具有更大影响。目前抗震规速度和位移可能对结构的破坏具有更大影响。目前抗震规范所采用的振型分解反应谱法尚无法对此作出估计。范所采用的振型分解反应谱法尚无法对此作出估计。考虑结构安全，增加了对各楼层水平地震剪力最小值的考虑结构安全，增加了对各楼层水平地震剪力最小值的要求，规定了不同烈度下的剪力系数，不考虑阻尼比的不同，要求，规定了不同烈度下的剪力系数，不考虑阻尼比的不同，结构水平地震作用效应应据此进行相应调整。结构水平地震作用效应应据此进行相应调整。P103表表5.83.楼层最小地震剪力的规定 问题的提出 考虑结构安全23q 最小剪力规定最小剪力规定 抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力应符合抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力应符合 下式要求：下式要求：式中式中 第第 i 层对应于水平地震作用标准值的层对应于水平地震作用标准值的 楼层剪力；楼层剪力；剪力系数，不应小于表剪力系数，不应小于表5.4规定的楼层最小规定的楼层最小 地震剪力系数值，对竖向不规则结构的薄弱地震剪力系数值，对竖向不规则结构的薄弱 层，尚应乘以层，尚应乘以1.15的增大系数。的增大系数。最小剪力规定 抗震验算时，结构任一楼层的水平地震剪力应24类别类别7度度8度度9度度扭转效应明显或扭转效应明显或基本周期小于基本周期小于3.5s的结构的结构0.016(0.024)0.032(0.048)0.064基本周期大于基本周期大于5.0s的结构的结构0.012(0.018)0.024(0.032)0.040表表5.4 5.4 楼层最小地震剪力系数值楼层最小地震剪力系数值类别7度8度9度扭转效应明显或0.0160.0320.064254.楼层地震剪力的分配楼层地震剪力的分配q结构任一楼层的水平地震剪力求得后，可按下列原则结构任一楼层的水平地震剪力求得后，可按下列原则分配给该层的抗侧力构件：分配给该层的抗侧力构件：现浇和装配整体式混凝土楼、屋盖等刚性楼盖建筑，现浇和装配整体式混凝土楼、屋盖等刚性楼盖建筑，应按抗侧力构件等效刚度的比值分配；应按抗侧力构件等效刚度的比值分配；木楼盖、木屋盖等柔性楼盖建筑，宜按抗侧力木楼盖、木屋盖等柔性楼盖建筑，宜按抗侧力 构件从构件从属面积上重力荷载代表值的比例分配；属面积上重力荷载代表值的比例分配；普通的预制装配式混凝土楼、屋盖等半刚性楼盖建筑，普通的预制装配式混凝土楼、屋盖等半刚性楼盖建筑，可取上述两种分配结果的平均值；可取上述两种分配结果的平均值；计入空间作用、楼盖变形、墙体弹塑性变形和扭转的计入空间作用、楼盖变形、墙体弹塑性变形和扭转的影响时，可按抗震规范的有关规定对上述分配结影响时，可按抗震规范的有关规定对上述分配结果作适当调整。果作适当调整。4.楼层地震剪力的分配结构任一楼层的水平地震剪力求得后，26四、地基与结构相互作用的考虑四、地基与结构相互作用的考虑1.1.地基与结构的相互作用概念地基与结构的相互作用概念 地震时，结构受到地基传来的地震波影响产生地震地震时，结构受到地基传来的地震波影响产生地震作用，在进行结构地震反应分析时，一般都假定地基作用，在进行结构地震反应分析时，一般都假定地基是是刚性刚性的，实际上地基的，实际上地基并非为刚性并非为刚性，故当上部结构的地震，故当上部结构的地震作用通过基础反馈给地基时，地基将产生局部变形，从作用通过基础反馈给地基时，地基将产生局部变形，从而引起而引起结构的移动和摆动结构的移动和摆动，这种现象称为地基与结构的，这种现象称为地基与结构的相互作用。相互作用。2.2.相互作用的结果相互作用的结果 使得地基运动和结构动力特性发生改变：使得地基运动和结构动力特性发生改变：1)改变了改变了地基运动的频谱组成地基运动的频谱组成，使接近结构自振频率的分，使接近结构自振频率的分量获得加强。同时改变了地基振动加速度峰值，使其小量获得加强。同时改变了地基振动加速度峰值，使其小于邻近自由场地的加速度幅值；于邻近自由场地的加速度幅值；2)由于地基的柔性，使结构的由于地基的柔性，使结构的基本周期延长基本周期延长；四、地基与结构相互作用的考虑1.地基与结构的相互作用概念273)由于地基的柔性，有相当一部分振动能量将通过地由于地基的柔性，有相当一部分振动能量将通过地基土的滞回作用和波的辐射作用逸散至地基，使得基土的滞回作用和波的辐射作用逸散至地基，使得结构振动衰减，地基愈柔，衰减愈大结构振动衰减，地基愈柔，衰减愈大。4)大量研究表明，一般来说由于地基与结构的相互作大量研究表明，一般来说由于地基与结构的相互作用，结构的用，结构的地震作用将减少地震作用将减少，但结构的，但结构的位移和由位移和由P-效应引起的附加内力将增加效应引起的附加内力将增加。5)相互作用对结构影响的大小与相互作用对结构影响的大小与地基硬、软和结构的地基硬、软和结构的刚、柔等情况有关刚、柔等情况有关，硬质地基对柔性结构影响极小，硬质地基对柔性结构影响极小，对刚性结构有一定的影响；软土地基对刚性结构影对刚性结构有一定的影响；软土地基对刚性结构影响显著，而对柔性结构则有一定的影响。响显著，而对柔性结构则有一定的影响。由于地基的柔性，有相当一部分振动能量将通过地基土的滞回作用和281)结结构构抗抗震震计计算算，一一般般情情况况下下，可可不不考考虑虑地地基基与与结结构相互作用的影响；构相互作用的影响；2)8度度和和9度度时时建建造造在在，类类场场地地土土上上，采采用用箱箱基基、刚刚性性较较好好的的筏筏基基和和桩桩箱箱联联合合基基础础的的钢钢筋筋混混凝凝土土高高层层建建筑筑，当当结结构构基基本本周周期期处处于于特特征征周周期期得得1.2倍倍至至5倍倍范范围围时时，若若计计入入地地基基与与结结构构动动力力相相互互作作用用得得影影响响，对对刚刚性性地地基基假假定定计计算算的的水水平平地地震震剪剪力力可可按按下下列列规规定定折折减减，其其层层间间变变形形可可按按折折减减后后的的楼楼层层剪剪力力计算。计算。3.抗震规范规定抗震规范规定结构抗震计算，一般情况下，可不考虑地基与结构相互作用的影响；29高高宽宽比比不不小小于于3的的结结构构，底底部部的的地地震震剪剪力力按按上上一一条条的的规规定折减，顶部不折减，中间各层按线性插入值折减。定折减，顶部不折减，中间各层按线性插入值折减。折折减减后后各各楼楼层层的的水水平平地地震震剪剪力力，应应符符合合楼楼层层最最小小地地震震剪力的规定。剪力的规定。v高高宽宽比比小小于于3的的结结构构，各各楼楼层层水水平平地地震震剪剪力力的的折折减减系系数数，可可按下式计算：按下式计算：式中式中 计入地基与结构动力相互作用后的地震剪计入地基与结构动力相互作用后的地震剪 力折减系数；力折减系数；按刚性地基假定确定的结构基本自振周期按刚性地基假定确定的结构基本自振周期(s)；计计入入地地基基与与结结构构动动力力相相互互作作用用的的附附加加周周期期(s)，可按表可按表5.5采用。采用。高宽比不小于3的结构，底部的地震剪力按上一条的规定折减，顶部30表表5.5 附加周期附加周期（s）烈度烈度场地类别场地类别II 类类IV 类类第一组第一组0.080.20第二组第二组0.100.25表5.5 附加周期（s）烈度场地类别II 类IV 类第315.35.3 竖向地震作用的计算竖向地震作用的计算震害调查和分析表明，在震中高烈度区，某些建筑物震害调查和分析表明，在震中高烈度区，某些建筑物的破坏无法仅仅用水平地震作用解释。近年来国内外的破坏无法仅仅用水平地震作用解释。近年来国内外学者的实测和计算分析表明，一些高层建筑和高耸结学者的实测和计算分析表明，一些高层建筑和高耸结构的竖向地震应力和重力荷载应力的比值沿建筑物高构的竖向地震应力和重力荷载应力的比值沿建筑物高度向上逐渐增大。结构上部可能产生拉应力。所以各度向上逐渐增大。结构上部可能产生拉应力。所以各国现行抗震设计规范对竖向地震的作用都给与考虑。国现行抗震设计规范对竖向地震的作用都给与考虑。我国抗震规范规定，我国抗震规范规定，8 8度和度和9 9度时的大跨度结构度时的大跨度结构，长悬臂结构长悬臂结构，9 9度时的高层建筑度时的高层建筑，应考虑竖向地震作用。，应考虑竖向地震作用。竖向地震作用的计算是根据建筑结构的不同类型采用竖向地震作用的计算是根据建筑结构的不同类型采用不同的方法，烟囱和类似的高耸结构，以及高层建筑不同的方法，烟囱和类似的高耸结构，以及高层建筑其竖向地震作用的标准值可按反应谱法计算，而平板其竖向地震作用的标准值可按反应谱法计算，而平板网架和大跨度结构等则采用静力法。网架和大跨度结构等则采用静力法。5.3竖向地震作用的计算震害调查和分析表明，在震中高烈度区32一、高层建筑的竖向地震作用一、高层建筑的竖向地震作用2.竖向最大加速度幅值：竖向地震系数与水平地震系数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之比取 =2/3。统计表明竖向最大加速度与地面。统计表明竖向最大加速度与地面水平最大加速度比值为水平最大加速度比值为1/22/3。靠近震中区越近，。靠近震中区越近，其比值越大。所以，竖向地震影响系数。其比值越大。所以，竖向地震影响系数。1.竖向地震作用计算方法：计算时可采用水平地震反应竖向地震作用计算方法：计算时可采用水平地震反应谱。抗震规范根据收集到的几百条实际地震记录谱。抗震规范根据收集到的几百条实际地震记录曲线绘制了竖向反应谱，并按场地类别进行分组，分曲线绘制了竖向反应谱，并按场地类别进行分组，分别求出它们的平均反应谱，由统计分析结果表明，各别求出它们的平均反应谱，由统计分析结果表明，各类场地的竖向反应谱与水平反应谱相差不大。类场地的竖向反应谱与水平反应谱相差不大。一、高层建筑的竖向地震作用竖向最大加速度幅值：竖向地震系数与33其中，其中，、分别为竖向和水平地震系数；分别为竖向和水平地震系数；、分别为竖向和水平动力系数；分别为竖向和水平动力系数；、分别为竖向和水平地震影响系数。分别为竖向和水平地震影响系数。其中，、分别为竖向和水平地震系数；343.竖向地震作用计算：高层建筑和高耸结构取第一竖向地震作用计算：高层建筑和高耸结构取第一振型的竖向地震作用为结构总的竖向地震作用时振型的竖向地震作用为结构总的竖向地震作用时其误差是不大的。第一振型接近于直线，于是其误差是不大的。第一振型接近于直线，于是，质点质点i上的地震作用可写成：上的地震作用可写成：总竖向地震作用总竖向地震作用 相应于结构基本周期的竖向地震影响系数，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，由于竖向基本周期较短，故故 。竖向地震作用计算：高层建筑和高耸结构取第一振型的竖向地震作用35将代入将代入 第第i质点上的地震作用标准值；质点上的地震作用标准值；第第i质点重力荷载代表值；质点重力荷载代表值；比例参数；比例参数；第一振型参与系数；第一振型参与系数；第一振型质点第一振型质点i的相对竖向位移，的相对竖向位移，将代入 第i质点上的地震作用标准值；第i质点重36（1 1）结构总竖向地震作用标准值为：）结构总竖向地震作用标准值为：则则令令式中式中 结构总重力荷载代表值；结构总重力荷载代表值；（1）结构总竖向地震作用标准值为：则令式中 37（2 2）各质点的竖向地震作用：）各质点的竖向地震作用：结构等效重力荷载；结构等效重力荷载；等效重力荷载折减系数，抗震规范取等效重力荷载折减系数，抗震规范取0.75。式中式中 结构总重力荷载代表值结构总重力荷载代表值;第第i质点的高度。质点的高度。（2）各质点的竖向地震作用：结构等效重力荷载；式中 384.抗抗震震规规范范规规定定，9度度时时高高层层建建筑筑的的竖竖向向地地震震作用可按上式计算，并应乘以增大系数作用可按上式计算，并应乘以增大系数1.5。这这主主要要是是根根据据中中国国台台湾湾921到到大大地地震震的的经经验验而而提提出出的的要要求求。对对高高层层建建筑筑楼楼层层的的竖竖向向地地震震作作用用效效应应乘乘以以1.5的的增增大大系系数数后后，使使结结构构总总竖竖向向地地震震作作用用标标准准值值，8、9度度时时分分别别略略大大于于重重力力荷荷载载代代表表值值的的10%和和20%。4.抗震规范规定，9度时高层建筑的竖向地震作用可按上式39二、网架及大跨度屋架的地震作用二、网架及大跨度屋架的地震作用 根据对跨度在根据对跨度在2460m的平板钢网架和的平板钢网架和18m以上的以上的标准屋架以及大跨度结构竖向地震作用振型分解法标准屋架以及大跨度结构竖向地震作用振型分解法的分析表明，的分析表明，竖向地震作用的内力和重力荷载作用竖向地震作用的内力和重力荷载作用下内力比值比较稳定下内力比值比较稳定。因此，抗震规范规定，。因此，抗震规范规定，对平板型网架的屋盖、跨度大于对平板型网架的屋盖、跨度大于24m的屋架、长悬的屋架、长悬臂结构及其它大跨度结构的竖向地震作用标准值，臂结构及其它大跨度结构的竖向地震作用标准值，可用可用静力法静力法计算。计算。式中式中 竖向地震作用系数，对于平板型网架、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，可按表钢屋架、钢筋混凝土屋架，可按表5.6采用；采用；构件重力荷载代表值。构件重力荷载代表值。二、网架及大跨度屋架的地震作用 根据对跨度在2460m的平40结结 构构 类类 型型 烈烈 度度 场地类别场地类别 IIIIIIIV平板型网架、平板型网架、钢屋架钢屋架 8不考虑不考虑0.080.100.1090.150.150.200.20钢筋钢筋混凝土屋架混凝土屋架 80.100.130.130.1390.200.250.250.25表表5.65.6 竖向地震作用系数竖向地震作用系数结 构 类 型 烈 度 场地类别 IIIIIIIV平板型41三、长悬臂和其他大跨度结构三、长悬臂和其他大跨度结构长悬臂结构和其他大跨度结构的竖向地震作长悬臂结构和其他大跨度结构的竖向地震作用标准值，用标准值，8度、度、9度可分别取该结构、构件度可分别取该结构、构件重力荷载代表重力荷载代表值的值的10%和和20%；设计基本加；设计基本加速度为速度为0.30g时，可取该结构、构件时，可取该结构、构件重力荷载重力荷载代表值的代表值的15%。三、长悬臂和其他大跨度结构长悬臂结构和其他大跨度结构的竖向地425.45.4 结构抗震验算内容结构抗震验算内容一、结构抗震验算内容一、结构抗震验算内容1.多遇地震下结构允许弹性变形验算，防止非结构构多遇地震下结构允许弹性变形验算，防止非结构构件破坏。件破坏。2.多遇地震下强度验算，防止结构构件破坏。多遇地震下强度验算，防止结构构件破坏。3.罕遇地震下结构的弹塑性变形验算，防止结构倒塌。罕遇地震下结构的弹塑性变形验算，防止结构倒塌。5.4 结构抗震验算内容一、结构抗震验算内容多遇地震下结构43二、结构抗震验算二、结构抗震验算1.多遇地震下结构允许弹性变形验算多遇地震下结构允许弹性变形验算式中式中 计算楼层层高；计算楼层层高；多多遇遇地地震震作作用用标标准准值值产产生生的的楼楼层层内内的的最大弹性层间位移。最大弹性层间位移。弹性层间位移角限值，按表弹性层间位移角限值，按表5.7采用。采用。二、结构抗震验算多遇地震下结构允许弹性变形验算式中 44结结 构构 类类 型型钢筋混凝土框架钢筋混凝土框架1/550钢筋混凝土框架钢筋混凝土框架抗震墙、抗震墙、板柱板柱抗震墙、框架抗震墙、框架核心筒核心筒1/800钢筋混凝土抗震墙、筒中筒钢筋混凝土抗震墙、筒中筒1/1000钢筋混凝土框支层钢筋混凝土框支层1/1000多、高层钢结构多、高层钢结构1/300表表5.7 5.7 弹性性层间位移角限位移角限值结 构 类 型钢筋混凝土框架1/550钢筋混凝土框架抗震墙452.多遇地震下强度验算多遇地震下强度验算式中式中 承载力抗震调整系数承载力抗震调整系数，除另有，除另有规定外，可按表规定外，可按表5.8采用，当仅计算竖向地震采用，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作用时，各类结构构件承载力抗震调整系数均可取可取1.0；结构构件承载力设计值，按现行有关结构构件承载力设计值，按现行有关规范规定计算。规范规定计算。多遇地震下强度验算式中 承载力抗震调整46抗震承载力调整：抗震承载力调整：1.1.动力荷载下材料强度比静力荷载下高；动力荷载下材料强度比静力荷载下高；2.2.地震是偶然作用，可靠度要求可降低。地震是偶然作用，可靠度要求可降低。表表5.8 5.8 承载力抗震调整系数承载力抗震调整系数抗震承载力调整：表5.8 承载力抗震调整系数47v 结构构件的地震作用效应和其它荷载效应组合，结构构件的地震作用效应和其它荷载效应组合，可按下式计算：可按下式计算：式式中中 结结构构构构件件内内力力组组合合的的设设计计值值，包包括括组合的弯矩、轴向力和剪力设计值；组合的弯矩、轴向力和剪力设计值；、分分别别为为水水平平和和竖竖向向地地震震作作用用分分项项系数，按表系数，按表5.9采用；采用；结构构件的地震作用效应和其它荷载效应组合，式中 48 重力荷载分项系数，一般情况取重力荷载分项系数，一般情况取 1.2。当重力。当重力 荷载效应对构件承载力有利时荷载效应对构件承载力有利时,可取可取1.0；风荷载分项系数，取风荷载分项系数，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；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；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；乘以相应的增大系数或调整系数；风荷载标准值的效应；风荷载标准值的效应；风荷载组合系数，一般结构取风荷载组合系数，一般结构取0.0，风荷载起，风荷载起 控制作用的高层建筑可采用控制作用的高层建筑可采用0.2。重力荷载分项系数，一般情况取 1.2。当重力 49表表5.9 5.9 地震作用分项系数地震作用分项系数地震作用地震作用仅考虑水平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仅考虑竖向地震作用0.01.3同时考虑水平与同时考虑水平与竖向地震作用竖向地震作用 1.30.5表5.9 地震作用分项系数地震作用仅考虑水平地震作用1.350验算方法：应对结构的验算方法：应对结构的薄弱层薄弱层（变形大）进行弹塑性变（变形大）进行弹塑性变形验算，一般在强震作用下使其小于某一限值，以保证形验算，一般在强震作用下使其小于某一限值，以保证结构不致倒塌。结构不致倒塌。（1 1）抗震规范规定罕遇地震作用下）抗震规范规定罕遇地震作用下薄弱层薄弱层（部位）（部位）的抗震变形的抗震变形验算范围验算范围：3.3.罕遇地震作用下罕遇地震作用下结构构弹塑性塑性变形形验算算 结构的弹塑性变形控制结构的弹塑性变形控制目标是保证结构不致倒塌目标是保证结构不致倒塌 8 8度度、类场地，类场地，9 9度时高大的单层钢筋混凝土柱厂房；度时高大的单层钢筋混凝土柱厂房；7 79 9度时楼层屈服强度系数最小的钢筋混凝土框架结构；度时楼层屈服强度系数最小的钢筋混凝土框架结构；高度大于高度大于150150米的钢结构；米的钢结构；甲类建筑和甲类建筑和9 9度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构；度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构；采用隔震和消能减震采用隔震和消能减震设计的的结构。构。验算方法：应对结构的薄弱层（变形大）进行弹塑性变形验算，一般51抗震抗震规范范还还规定了下列定了下列结构宜构宜进行行弹塑性塑性变形形验算：算：本章表本章表5.25.2所列高度范围且属于竖向不规则类型所列高度范围且属于竖向不规则类型的高层建筑结构的高层建筑结构7 7度度III、IV类场地和类场地和8 8度时乙类建筑中的钢筋混凝度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构；土结构和钢结构；板柱板柱-抗震墙结构和底部框架砖房；抗震墙结构和底部框架砖房；高度不大于高度不大于150150米的米的钢结构。构。（2 2）弹塑性层间位移计算公式：）弹塑性层间位移计算公式：抗震规范还规定了下列结构宜进行弹塑性变形验算：（2）弹52式中：式中：弹塑性层间位移；弹塑性层间位移；罕遇地震作用下按弹性分析的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弹塑性层间位移增大系数，当，当薄弱层薄弱层（部位）的屈服强度系数不小于相邻层（部（部位）的屈服强度系数不小于相邻层（部位）该系数的位）该系数的0.8时，可按表时，可按表5.10采用；当不采用；当不大于该平均值的大于该平均值的0.5时，可按表内相应值的时，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。倍采用；其它情况可采用内插法取值。式中：弹塑性层间位移；罕遇地震作用下按弹性分析的53v 一一般罕遇地震的地面运动加速度峰值是多遇般罕遇地震的地面运动加速度峰值是多遇地震的地震的4 46 6倍左右。倍左右。v 结构结构已无强度储备已无强度储备:所以在多遇地震烈度下处所以在多遇地震烈度下处于弹性阶段的结构，在罕遇地震烈度下势必进入于弹性阶段的结构，在罕遇地震烈度下势必进入弹塑性阶段，结构接近或达到屈服。弹塑性阶段，结构接近或达到屈服。v 要求结构较好的延性要求结构较好的延性:抵抗地震的持续作用，抵抗地震的持续作用，通过发展塑性变形来消耗地震输入能量。通过发展塑性变形来消耗地震输入能量。一般罕遇地震的地面运动加速度峰值是多遇地震的46倍左右54结构结构类型类型总层数总层数 或部位或部位 0.50.40.30.2多层多层均匀均匀结构结构241.301.401.602.10571.501.651.802.408121.802.002.202.80单层单层厂房厂房上柱上柱1.301.602.002.60表表5.10 5.10 弹塑性塑性层间位移增大系数位移增大系数结构类型总层数 0.50.40.30.2多层241.30155（3 3）结构薄弱构薄弱层（部位）的确定（部位）的确定 结构薄弱构薄弱层，是指在，是指在强强烈地震作用下，烈地震作用下，结构首先构首先发生屈服并生屈服并产生生较大大弹塑性塑性变形的部位。形的部位。对于多于多层和高和高层房屋，抗震房屋，抗震规范是用范是用楼楼层屈服屈服强强度系数度系数大小及其沿大小及其沿房屋高度分布情况来判断房屋高度分布情况来判断结构薄弱构薄弱层位置的。位置的。楼楼层屈服屈服强强度系数按下式度系数按下式计算：算：式中式中 第第i楼层屈服强度系数；楼层屈服强度系数；按构件实际配筋和材料强度标准值计算的按构件实际配筋和材料强度标准值计算的 第第i楼层受剪承载力计算见楼层受剪承载力计算见 P136 P136；按罕遇地震作用按罕遇地震作用标准准值计算的第算的第i楼楼层弹性性 地震剪力。地震剪力。（3）结构薄弱层（部位）的确定 结构薄弱层，是指在强烈56楼层屈服强度系数最小的楼层变形集中现象楼层屈服强度系数最小的楼层变形集中现象楼层屈服强度系数最小的楼层变形集中现象57q结构薄弱构薄弱层（部位）的位置按下列情况确定：（部位）的位置按下列情况确定：1.楼层屈服强度系数沿房屋高度分布均匀的结构，可取楼层屈服强度系数沿房屋高度分布均匀的结构，可取底层；底层；2.楼层屈服强度系数沿房屋高度分布不均匀的结构，可楼层屈服强度系数沿房屋高度分布不均匀的结构，可取该系数最小的楼层（部位）和相对较小的楼层，一取该系数最小的楼层（部位）和相对较小的楼层，一般不超过般不超过23处；处；3.单层厂房，可取上柱。厂房，可取上柱。楼层屈服强度沿高度分布均匀的结构楼层屈服强度沿高度分布均匀的结构是指薄弱层是指薄弱层（部位）的屈服强度系数不小于相邻层（部位）（部位）的屈服强度系数不小于相邻层（部位）该系数平均值的该系数平均值的0.80.8，即：，即：结构薄弱层（部位）的位置按下列情况确定：楼层屈服强度沿高度58 否否则认为分布不均匀。分布不均匀。(标准层标准层)(顶层顶层)(底层底层)否则认为分布不均匀。(标准层)(顶层)(底层)59（4）结构薄弱层（部位）弹塑性层间位移验算公式：）结构薄弱层（部位）弹塑性层间位移验算公式：式中式中 薄弱层（部位）的层高或单层厂房上柱高度；薄弱层（部位）的层高或单层厂房上柱高度；弹塑性层间位移角限值，按表弹塑性层间位移角限值，按表5.11采用。采用。（4）结构薄弱层（部位）弹塑性层间位移验算公式：式中 60表表5.11 5.11 弹塑性层间位移角限值弹塑性层间位移角限值结结 构构 类类 型型单层钢筋混凝土柱排架单层钢筋混凝土柱排架1/30钢筋混凝土框架钢筋混凝土框架1/50底部框架砖房中的框架底部框架砖房中的框架 抗震墙抗震墙1/100钢筋混凝土框架钢筋混凝土框架 抗震墙、抗震墙、板柱板柱 抗震墙、框架抗震墙、框架 核心筒核心筒1/100钢筋混凝土抗震墙、筒中筒钢筋混凝土抗震墙、筒中筒1/120多、高层钢结构多、高层钢结构1/50表5.11 弹塑性层间位移角限值结 构 类 型单层钢筋混凝土61