結構抗震設計講義9

第9章

非結構構件

返回總目錄教學提示：非結構構件分為建筑非結構構件和建筑設備兩類。其抗震設防目標，原則上要與主體結構三水準的設防目標相協調，但同時對非結構構件有與主體結構不同的性能要求。非結構構件的抗震計算可采用等效側力法和樓面反應譜法。教學要求：本章要求學生了解非結構構件的分類、非結構構件抗震規(guī)定、抗震計算要點及構造措施。本章內容

●9.1概述●9.2非結構構件的抗震計算●9.3非結構構件的基本抗震措施●9.4習題非結構構件分為建筑非結構構件和建筑設備兩類。建筑非結構構件包括室內和室外建筑非結構件，其中室內建筑非結構件包括各類隔墻、頂棚、吊柜和貼面等，室外建筑非結構件包括各類幕墻、女兒墻、出屋面煙囪、建筑標志牌、建筑飾面、挑檐、雨棚、遮光板和建筑上的廣告牌等。建筑附屬設備包括電梯、永久及臨時供電及照明設備(包括配電電盤、應急發(fā)電機及油箱等)、暖通、空調設備及管道、水箱、滅火系統、煤氣設備及管道、有線及無線通訊設備(包括控制臺、交換機、計算機及服務器等)及天線、保安監(jiān)視系統、辦公自動化設備、容器、貨架及儲物柜等。廠房設備還包括各類生產設備。建筑附屬設備本身的抗震性，應由生產廠負責解決，抗震設計規(guī)范規(guī)定了建筑附屬設備同建筑主體結構的連接部分的抗震要求，這部分連接的抗震設計，應由各相關專業(yè)的設計人員負責解決。9.1.1非結構構件的分類9.1概述9.1.2非結構的抗震設防目標隨著經濟的發(fā)展，人民對室內生活和工作環(huán)境的要求日漸提高，非結構構件的造價與總造價的比例也隨之提高。為保障人們的生活、生產和社會活動的正常運行，減少經濟損失，非結構構件的抗震設防就顯的十分重要。非結構構件的抗震設防目標，原則上要與主體結構三水準的設防目標相協調，但同時對非結構構件有同主體結構不同的性能要求。在多遇地震下，建筑非結構構件不宜有破壞。機、電設備應能保持正常運行功能；在設防烈度地震下，建筑非結構構件可以容許比結構構件有較重的破壞，但不得危及生命，機電設備應盡量保持運行功能，即使遭到破壞也應能盡快恢復，特別是避免發(fā)生次生災害的破壞；在罕遇地震下，各類非結構構件可能有較重的破壞，但應避免重大次生災害。9.1概述9.1.3非結構構件抗震計算的基本要求1.非結構對結構整體計算的影響在結構體系抗震計算時，與非結構有關的規(guī)定有如下幾條。(1)結構體系計算地震作用時，應計入支承于結構構件的建筑構件和建筑附屬機電設備的重力。(2)對柔性連接的建筑構件，可不計入其剛度對結構體系的影響；對嵌入抗側力構件平面內的剛性建筑構件，可采用周期調整系數等簡化方法計入其剛度影響；當有專門的構造措施時，尚可按規(guī)定計入其抗震承載力。(3)對需要采用樓面譜計算的建筑附屬機電設備，應采用合適的簡化計算模型計入設備與結構體系的相互作用。(4)結構體系中，支承非結構構件的部位，應計入非結構構件地震作用效應所產生的附加作用。9.1概述2.非結構自身的計算要求對于非結構自身設計時，有關計算規(guī)定如下。(1)非結構構件自身的地震力應施加于其重心，水平地震力應沿任一水平方向。(2)非結構構件自身重力產生的地震作用，一般只考慮水平方向，采用等效側力法；當建筑群眾性機電設備(含支架)的體系自振周期大于0.1s，且其重力超過所在樓層重力的1%，或建筑附屬機電設備的策略超過所在樓層重力的10%時，如巨大的高位水箱、出屋面的大型塔架等，則采用樓面反應譜方法。非結構構件的地震作用，除了自身質量產生的慣性力外，還有地震時支座間相對位移產生的附加作用，二者需同時組合計算。非結構構件因支承點相對水平位移產生的內力，可按該構件在位移方向的剛度乘以規(guī)定的支承點相對水平位移計算。非結構構件在位移方向的剛度，應根據其端部的實際連接狀態(tài)，分別采用剛接、鉸接、彈性連接或滑動連接等簡化的力學模型。相鄰樓層的相對水平位移，可按規(guī)定的限值采用；防震縫兩側的相對水平位移，宜根據使用要求確定。9.1概述9.1.4非結構構件的地震反應分析非結構構件與支架或連接組成的附屬系統(或稱子系統)與其所在的主體結構(稱為主系統或建筑物)組成一個總系統。若按總系統來分析非結構構件的支架和連接所受的地震作用，不僅在技術上有困難，是也很不經濟。為此，人們轉而研究樓面反應譜，即把建筑物與子系統隔離開，建立建筑物各樓層的地震反應譜，用這個反應譜進行附屬系統的抗震設計。9.1概述9.2非結構構件的抗震計算9.2.1等效側力法1.計算表達式對只在一個樓層有支點的附屬系統，稱為單支點系統，為簡化計算通過對大量建筑不同樓層上的不同周期的附屬系統反應的計算結果進行統計，直接給出附屬系統的地震作用簡化公式，即等效側力法。非結構構件的水平地震作用標準計算表達公式為(9-1)式中：F——沿最不利方向作用于附屬系統重心的水平地震力標準值；——附屬系統功能系數，反映附屬系統的重要性，與附屬系統性質及建筑類別有

關，功能級別一、二、三級分別取1.4、1.0、0.6，建筑構件的功能級別可參照表9-1

有關系數取值，建筑設備的功能級別可參照表9-2有關系數取值；——附屬系統類別系數，反映附屬系統特性對地震反應的影響，建筑構件可參照

表9-1取值，建筑設備可參照表9-2取值；——附屬系統的連接狀態(tài)系數，反映地震時附屬系統反應放大的情況，彈性附屬

系統或與建筑物彈性連接(以下簡稱“彈性連接”)時取2，其他情況(即與建筑物剛

接的剛性附屬系統，以下簡稱“一般情況”)時取1；——樓層位置系數，地面為1，樓頂為2，沿高度線性分布；——多遇地震的地震影響系數最大值；

G——附屬系統重力。建筑構件功能級別，建筑物設防類別類別名稱甲類乙類丙類非承重外墻圍護墻一級一級一級0.9玻璃幕墻等一級一級一級0.9非承重內墻樓梯間隔墻一級二級二級1.5電梯間隔墻天井隔墻到頂防火隔墻一級一級一級三級二級二級三級二級二級1.50.90.9其他隔墻二級三級三級0.6墻體連接件一級一級二級2.0連接飾面連接件二級二級三級2.0頂棚防火頂棚一級二級二級0.9非防火頂棚二級二級三級0.6表9-1建筑構件的功能級別和類別系數9.2非結構構件的抗震計算建筑構件功能級別，建筑物設防類別類別名稱甲類乙類丙類附屬構件女兒墻、小煙筒一級二級三級3.0標志牌、廣告牌一級二級二級3.0挑檐、雨棚二級二級三級2.5高于2.4m的儲物柜貨架、文件柜文物柜一級一級二級一級三級二級0.91.59.2非結構構構件件的抗抗震計計算設備部件所屬系統功能級別，建筑物設防類別為：甲類乙類丙類應急電器系統煙火檢測和滅火系統保安監(jiān)視系統一級一級一級2.0排煙、排風口電器主管和主纜電機、變壓器、控制中心一級二級三級2.0電梯的支撐結構系統一級二級二級1.5懸掛式燈具一級二級三級1.5其他燈具一級二級三級0.7彈性支撐管網一級二級2.0剛性支撐管網二級三級0.7柜式設備支座一級二級三級1.5水箱、冷卻塔支座鍋爐、壓力容器支座一級二級二級二級三級二級1.51.0表9-2建筑設設備的的功能能級別別和類類別系系數9.2非結構構構件件的抗抗震計計算應當指指出，，等效效側力力法對對附屬屬系統統質量量與樓樓層質質量之之比較較大時時，算算出的的結果果趨于于保守守。因因此當當與建建筑物物剛接接的剛剛性附附屬系系統的的重力力超過過所在在樓層層的1%，或彈彈性的的或彈彈性連連接的的附屬屬系統統的重重力超超過所所在樓樓層的的10%時，不不宜采采用該該方法法，而而宜采采用樓樓反應應譜程程序計計算附附屬系系統的的地震震作用用。9.2非結構構構件件的抗抗震計計算2.實例分分析一冷風風機組組型號號為39FD560，重量量G=28.1kN，高1.625m，寬1.94m，長8.755m，屬柜柜式設設備。。機組組剛性性安裝裝于建建筑物物半高高樓層層，考考慮剛剛性連連接的的情況況，丙丙類建建筑，，烈度度為8度。功能系系數：：按功功能級級別三三級，，取=0.6類別系系數=1.5，連接接狀態(tài)態(tài)系數數=l，樓層層位置置系數數=1.5，地震震影響響系數數最大大值=0.16，作用用于附附屬系系統重重心的的水平平地震震作用用標準準值F=0.6×1.5×l×1.5×0.16×28.1=6.07kN，驗算算地腳腳螺栓栓強度度：設設重心心在樓樓面以以上lm處，則則水平平地震震作用用的力力矩為為6.07×l=6.07kN··m，按平平面尺尺寸的的短邊邊取兩兩排地地腳螺螺栓問問的距距離1.94m，則每每排地地腳螺螺栓應應能承承受6.07/1.94=3.13kN的拉力力。9.2非結構構構件件的抗抗震計計算9.2.2樓面反反應譜譜法1.計算表表達式式樓面反反應譜譜是計計算非非結構構構件件和設設備地地震作作用的的有效效方法法。其其中樓樓面反反應譜譜為對對于應應于結結構設設計所所用地地面反反應譜譜，即即反映映支承承非結結構構構件的的結構構自身身動力力特性性、非非結構構構件件所在在的樓樓層位位置，，以及及結構構和非非結構構阻尼尼特性性對地地面地地震運運動的的放大大作用用。當當采用用樓面面反應應譜發(fā)發(fā)時，，非結結構構構件通通常采采用單單質點點模型型，其其水平平地震震作用用標準準值宜宜按下下式公公式計計算：：式中：：，，，，G———與等效效側力力法定定義相相同；；——非結構構構件件的樓樓面反反應譜譜值，，取決決于設設防烈烈度、、場地地條件件、非非結構構構件件與主主結結構體體系之之間的的周期期比、、值量量比和和阻尼尼，以以及非非結構構構件件在結結構的的支承承位置置、數數量和和連連接性性質。。9.2非結構構構件件的抗抗震計計算2.樓面反反應譜譜樓面反反應譜譜是安安裝在在某樓樓面上上的、、具有有不同同自振振周期期和阻阻尼的的單自自由度度系統統對樓樓面地地震運運動反反應的的最大大值的的均值值組成成的曲曲線。。樓面面反應應譜的的發(fā)展展經歷歷了兩兩個階階段。。第一一代樓樓面反反應譜譜將不不含附附屬系系統的的主系系統的的樓面面反應應作為為輸入入，求求具有有不同同自振振周期期的單單自由由度系系統的的反應應譜，，其優(yōu)優(yōu)點是是解耦耦，避避免了了求解解主系系統的的運動動方程程。這這種樓樓面反反應譜譜僅對對很輕輕的非非結構構構件件能給給出可可靠的的地震震作用用。由由于它它不考考慮附附屬系系統與與主系系統間間的相相互作作用等等4個影響響因素素，所所得到到的樓樓面反反應譜譜有較較大的的誤差差，在在某些些情況況下誤誤差可可達百百分之之幾百百。9.2非結構構構件件的抗抗震計計算這4個影響響因素素如下下。(1)質量比比。當當附屬屬系統統與主主系統統樓層層的質質量比比大于于0.001時，附附屬系系統對對主系系統相相應樓樓層的的反應應有明明顯影影響；；否則則可使使用第第一代代樓面面反應應面譜譜。(2)諧振。。當附附屬系系統的的自振振周期期與主主系統統的自自振周周期相相等或或接近近時，，兩個個系統統將發(fā)發(fā)生強強烈的的相互互作用用，出出現““吸振振器效效應””，此此時附附屬系系統出出現強強烈的的振動動；而而主系系統的的反應應則大大大減減弱，，同時時主系系統的的自振振周期期將發(fā)發(fā)生漂漂移。。(3)非經典典阻尼尼。當當附屬屬系統統與主主系統統樓層層的阻阻尼特特性不不一致致時，，聯合合系統統具有有非經經典阻阻尼性性質。。在諧諧振的的情況況下，，其影影響不不可忽忽視；；此時時主坐坐標中中的阻阻尼矩矩陣不不是對對角陣陣，形形成主主坐標標中的的阻尼尼耦聯聯運動動方程程，不不能用用基于于杜哈哈梅積積分的的振型型疊加加法求求解。。(4)多支座座激勵勵。當當附屬屬系統統在主主系統統不同同樓層層有支支點時時，不不同支支點間間的相相互運運動還還會引引起附附屬系系統中中的附附加內內力，，即““偽靜靜力效效應””。為克服服第一一代樓樓面反反應譜譜的缺缺點，，第二二代樓樓面反反應譜譜基于于求解解由主主系統統和安安裝在在不同同樓層層上的的單自自由度度附屬屬系統統組成成的組組合系系統中中附屬屬系統統的地地震反反應，，這樣樣就綜綜合考考慮了了上述述4個因素素的影影響，，從而而得到到更可可靠的的樓面面反應應譜。。GB50011——2001《建筑抗抗震設設計規(guī)規(guī)范》對樓面面反應應譜的的構成成沒有有提出出具體體要求求，但但容許許采用用專門門方法法，可可以采采用第第二代代樓面面反應應譜計計算程程序FSAP。9.2非結構構構件件的抗抗震計計算研究樓樓面反反應譜譜的目目的是是為附附屬系系統的的抗震震設計計。有有了樓樓面反反應譜譜，只只要知知道附附屬系系統本本身的的特性性(自振周周期、、質量量和阻阻尼)就可查查出其其地震震作用用，而而不需需要分分析主主系統統。但但建立立樓面面反應應譜時時需要要知道道主系系統的的自振振特性性(自振周周期、、振型型)，這些些特性性當建建筑物物抗震震設計計完成成后都都是已已知的的。應應當說說明，，這里里所說說的設設備抗抗震設設計僅僅限于于驗算算設備備的支支架、、連接接件或或錨固固件的的抗震震能力力，不不包括括設備備自身身的抗抗震能能力。。這里里所說說的設設備自自振周周期是是指設設備和和支架架、連連接件件或錨錨固件件組成成的子子系統統的自自振周周期。。對于于與樓樓層剛剛接的的設備備，則則是指指設備備自身身的自自振周周期。。非結構構構件件地震震作用用效應應一般般應與與自身身重力力產生生的效效應、、支座座相對對位移移產生生的效效應或或其他他效應應進行行基本本組合合。其其中幕幕墻應應考慮慮地震震作用用效應應與風風荷載載效應應的組組合，，而容容器類類尚應應計及及設備備運轉轉時的的溫度度、工工作壓壓力等等產生生的效效應。。非結構構構件件的抗抗震驗驗算應應按各各類結結構構構件的的規(guī)定定進行行，但但摩擦擦力不不得作作為抵抵抗地地震作作用的的抗力力，承承載力力抗震震調整整系數數，連連接件件可采采用1.0，其余余可按按有關關標準準的規(guī)規(guī)定進進行。。9.2非結構構構件件的抗抗震計計算9.3非結構構構件件的基基本抗抗震措措施9.3.1建筑非非結構構構件件的基基本抗抗震措措施建筑非非結構構構件件的抗抗震措措施包包括其其的布布置、、造型型和構構造要要求等等，具具體內內容如如下。。1.結構體體系相相關部部位的的要求求設置連連接建建筑構構件的的預埋埋件、、錨固固件的的部位位，應應采取取加強強措施施，以以承受受建筑筑構件件傳給給結構構體系系的地地震作作用。。2.非承重重墻體體的材材料、、選型型和布布置要要求應根根據據設設防防烈烈度度、、房房屋屋高高度度、、建建筑筑體體型型、、結結構構層層間間變變形形、、墻墻體體抗抗側側力力性性能能的的利利用用等等因因素素，，經經綜綜合合分分析析后后確確定定。。應應優(yōu)優(yōu)先先采采用用輕輕質質墻墻體體材材料料，，采采用用剛剛性性非非承承重重墻墻體體時時，，其其布布置置應應避避免免使使結結構構形形成成剛剛度度和和強強度度分分布布上上的的突突變變。。樓樓梯梯間間和和公公共共建建筑筑的的人人流流通通道道，，其其墻墻體體的的飾飾面面材材料料要要有有限限制制，，避避免免地地震震時時塌塌落落堵堵塞塞通通道道。。天天然然的的或或人人造造的的石石料料和和石石板板，，僅僅當當嵌嵌砌砌于于墻墻體體或或鋼鋼錨錨件件固固定定于于墻墻體體，，才才可可作作為為外外墻墻體體的的飾飾面面。。3.墻體結構構體系的的拉結要要求墻體應與與結構體體系有可可靠的拉拉結，應應能適應應不同方方式的層層間位移移；8度、9度時結構構體系有有較大的的變形，，墻體的的拉結應應具有可可適應層層間變位位的變形形能力或或適應結結構構件件轉動變變形的能能力。4.砌體墻的的構造措措施砌體墻主主要包括括砌體結結構中的的后砌隔隔墻、框框架結構構中的砌砌體填充充墻、單單層鋼筋筋混凝土土柱廠房房的砌體體圍護和和隔墻、、多層鋼鋼結構房房屋的砌砌體隔墻墻、砌體體女兒墻墻等，應應采取措措施(如柔性連連接等)減少對結結構體系系的不利利影響，，并按要要求設置置拉結筋筋、水平平系梁、、圈梁、、構造柱柱等加強強自身的的穩(wěn)定性性和與結結構體系系的可靠靠拉結。。有關的的具體要要求詳見見GB50011—2001《建筑抗震震設計規(guī)規(guī)范》的相應規(guī)規(guī)定。5.頂棚和雨雨篷的構構造措施施各類頂棚棚、雨篷篷與主體體結構的的連接件件，應有有滿足要要求的連連接承載載力，足足以承擔擔非結構構自身重重力和附附加地震震作用。。6.幕墻的構構造措施施玻璃幕墻墻、預制制墻板等等的抗震震構造，，應符合合專門的的規(guī)定。。9.3非結構構構件的基基本抗震震措施9.3.2建筑附屬屬機電設設備支架架的基本本抗震措措施機電設備備和設施施的抗震震措施，，應根據據抗震設設防烈度度、建筑筑使用功功能、房房屋的高高度、結結構類型型和變形形特征、、附屬設設備所處處的位置置和運轉轉要求等等，經綜綜合分析析后確定定?；颈疽笕缛缦?。1.小型沒備備無抗震震設防要要求下列附屬屬機電設設備的支支架可無無抗震設設防要求求。(1)重力不超超過1.5kN的設備；；(2)內徑小于于25mm的煤氣管管道和內內徑小于于60mm的電氣配配管。(3)矩形截面面面積小小于0.38m2圓形直徑徑小于0.70m的風管。。(4)吊桿計算算長度不不超過300mm的吊桿懸懸掛管道道。9.3非結構構構件的基基本抗震震措施2.建筑附屬屬設備的的布置不應設置置在可能能導致使使用功能能發(fā)生障障礙等二二次災害害的部位位；對于于有隔振振裝置的的設備，，應注意意強烈振振動對連連接件的的影響，，并防止止設備和和建筑結結構發(fā)生生共振現現象。對對丙類建建筑，應應使建筑筑附屬設設備在遭遭遇設防防烈度地地震影響響后能迅迅速恢復復運轉。。3.管道