地震荷載計算

地震荷載計算第1頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用抗震試驗墻體試驗裝置梁試驗裝置頂部無轉(zhuǎn)動抗剪試驗第2頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用抗震試驗梁柱節(jié)點試驗P-△效應試驗裝置第3頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用抗震試驗分配梁懸吊支撐第4頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用抗震試驗1、擬動力試驗2、優(yōu)缺點

是由計算機進行數(shù)值分析并控制加載，即由給定地震加速度記錄通過計算機進行非線性結(jié)構(gòu)動力分析，將計算得到的位移反應作為輸入數(shù)據(jù)，以控制加載器對試驗結(jié)構(gòu)進行試驗。

可緩慢再現(xiàn)地震反應，觀察破壞全過程，可做大模型試驗。其缺點是不能再現(xiàn)真實的地震反應，只適用離散質(zhì)量分布的結(jié)構(gòu)，設備精度要求高。第5頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用抗震試驗3、試驗設備與加載裝置

加載設備：振動臺；

控制方式：模擬控制與數(shù)字控制；

加載程序：一次加載和多次加載。第6頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用抗震試驗第7頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用抗震試驗第8頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用第三章荷載與作用3.3.1一般設計原則從經(jīng)濟上、政治上和社會上的影響而綜合考慮。

3.3

地震作用抗震次要建筑丁類

除甲乙丁類以外的一般建筑丙類

地震時使用功能不能中斷需盡快恢復的建筑乙類

重大建筑工程和地震時可能發(fā)生嚴重次生災害的建筑甲類

設防分類第9頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用第三章荷載與作用3.3.1一般設計原則

3.3

地震作用第10頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用1.結(jié)構(gòu)的地震反應

2.結(jié)構(gòu)、構(gòu)件的地震作用效應

地震作用和結(jié)構(gòu)抗震驗算是建筑抗震設計的重要環(huán)節(jié)，是確定所設計的結(jié)構(gòu)滿足最低抗震設防安全要求的關(guān)鍵步驟。由于地震作用的復雜性和地震作用發(fā)生的強度的不確定性，以及結(jié)構(gòu)和體形的差異等，地震作用的計算方法是不同的。可分為簡化方法和較復雜的精細方法。底部剪力法振型分解反應譜法時程分析法靜力彈塑性方法第11頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用一、結(jié)構(gòu)抗震理論的發(fā)展1.靜力理論階段---靜力法1920年，日本大森房吉提出，假設建筑物為絕對剛體。地震作用---地震系數(shù)將F作為靜荷載，按靜力計算方法計算結(jié)構(gòu)的地震效應動力靜力第12頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用一、結(jié)構(gòu)抗震理論的發(fā)展2.定函數(shù)理論蘇聯(lián)扎夫里耶夫首先提出的，他認為地震地面運動可用余弦函數(shù)來描述，也即地面位移。地震作用規(guī)律復雜的動力一定規(guī)律的動力第13頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用一、結(jié)構(gòu)抗震理論的發(fā)展3.反應譜理論---反應譜法1940年，美國皮奧特提出。地震作用按靜力計算方法計算結(jié)構(gòu)的地震效作用目前，世界上普遍采用的方法，部分反映動力特性。---重力荷載代表值---地震系數(shù)（反映震級、震中距、地基等的影響）---動力系數(shù)(反映結(jié)構(gòu)的特性,如周期、阻尼等的影響)第14頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用一、結(jié)構(gòu)抗震理論的發(fā)展4.直接動力分析理論---時程分析法將實際地震加速度時程記錄（簡稱地震記錄earth-quakerecord）作為動荷載輸入，進行結(jié)構(gòu)的地震響應分析。常用的方法，較好反映動力特性。5.非線性靜力分析方法主要考慮地震的不確定性。

此外，有用隨機振動理論來分析結(jié)構(gòu)地震響應統(tǒng)計特征的，有以地震時輸入結(jié)構(gòu)的能量進行設計，使結(jié)構(gòu)所吸收的能量不致造成結(jié)構(gòu)破壞的理論等。但這些方法還沒有進入抗震設計規(guī)范，因此未被抗震設計使用。第15頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用二、各類型結(jié)構(gòu)相應的地震作用分析方法1.不超過40m的規(guī)則結(jié)構(gòu)：底部剪力法；2.一般的規(guī)則結(jié)構(gòu)：兩個主軸的振型分解反應譜法；3.質(zhì)量和剛度分布明顯不對稱結(jié)構(gòu)：考慮扭轉(zhuǎn)或雙向地震作用的振型分解反應譜法；4.當8、9度時的大跨、長懸臂結(jié)構(gòu)和9度的高層建筑：考慮豎向地震作用；5.特別不規(guī)則、甲類和超過規(guī)定范圍的高層建筑：一維或二維時程分析法的補充計算。結(jié)構(gòu)規(guī)則、地震作用不大簡單近似方法結(jié)構(gòu)復雜、地震作用較大更精確的方法第16頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.2、計算地震作用的反應譜法運動方程最大相對速度最大加速度最大相對位移第17頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.2、計算地震作用的反應譜法

單自由度體系在給定的地震作用下某個最大反應與體系自振周期的關(guān)系曲線稱為該反應的地震反應譜。Elcentro1940（N-S）地震記錄第18頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.2、計算地震作用的反應譜法位移反應譜Elcentro1940（N-S）地震記錄第19頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.2、計算地震作用的反應譜法相對速度反應譜Elcentro1940（N-S）地震記錄第20頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.2、計算地震作用的反應譜法Elcentro1940（N-S）地震記錄絕對加速度反應譜第21頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.2、計算地震作用的反應譜法地震反應譜的特點：1.阻尼比對反應譜影響很大4.對于加速度反應譜，當結(jié)構(gòu)周期小于某個值時幅值隨周期急劇增大，大于某個值時，快速下降。3.對于速度反應譜，當結(jié)構(gòu)周期小于某個值時幅值隨周期增大，隨后趨于常數(shù)。2.對于位移反應譜，幅值隨周期增大。第22頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.2、計算地震作用的反應譜法不同場地條件對反應譜的影響將多個地震反應譜平均后得平均加速度反應譜周期（s)巖石堅硬場地厚的無粘性土層軟土層地震反應譜是現(xiàn)階段計算地震作用的基礎，通過反應譜把隨時程變化的地震作用轉(zhuǎn)化為最大的等效側(cè)向力。考慮動力某些特性的情況下，將動力轉(zhuǎn)換為靜力。第23頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.2、計算地震作用的反應譜法單自由度體系的水平地震作用對于單自由度體系，把慣性力看作反映地震對結(jié)構(gòu)體系影響的等效力，用它對結(jié)構(gòu)進行抗震驗算。結(jié)構(gòu)在地震持續(xù)過程中經(jīng)受的最大地震作用為：---水平地震影響系數(shù)第24頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.2、計算地震作用的反應譜法抗震設計反應譜第25頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.2、計算地震作用的反應譜法抗震設計反應譜---地震影響系數(shù)；---地震影響系數(shù)最大值；---結(jié)構(gòu)周期；地震影響系數(shù)最大值（阻尼比為0.05）1.400.90(1.20)0.50(0.72)-----罕遇地震0.320.16(0.24)0.08(0.12)0.04多遇地震9876地震影響烈度

括號數(shù)字分別對應于設計基本加速度0.15g和0.30g地區(qū)的地震影響系數(shù)第26頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.2、計算地震作用的反應譜法抗震設計反應譜---特征周期；地震特征周期分組的特征周期值（s）0.900.650.450.35第三組0.750.550.400.30第二組0.650.450.350.25第一組ⅣⅢⅡⅠ場地類別---曲線下降段的衰減指數(shù)；---直線下降段的斜率調(diào)整系數(shù)；---阻尼調(diào)整系數(shù)，小于

0.55時，應取0.55。第27頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.2、計算地震作用的反應譜法例：單層單跨框架。屋蓋剛度為無窮大，質(zhì)量集中于屋蓋處。已知設防烈度為8度，設計地震分組為二組，Ⅰ類場地；屋蓋處的重力荷載代表值G=700kN，框架柱線剛度,阻尼比為0.05。試求該結(jié)構(gòu)多遇地震時的水平地震作用。h=5m（1）求結(jié)構(gòu)體系的自振周期第28頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.2、計算地震作用的反應譜法（2）求水平地震影響系數(shù)查表確定地震影響系數(shù)最大值（阻尼比為0.05）1.400.90(1.20)0.50(0.72)-----罕遇地震0.320.16(0.24)0.08(0.12)0.04多遇地震9876地震影響烈度查表確定地震特征周期分組的特征周期值（s）0.900.650.450.35第三組0.750.550.400.30第二組0.650.450.350.25第一組ⅣⅢⅡⅠ場地類別第29頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.2、計算地震作用的反應譜法（3）計算結(jié)構(gòu)水平地震作用第30頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.2、計算地震作用的反應譜法多自由度體系的水平地震作用ii+1m1m2mimn第31頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.2、計算地震作用的反應譜法多自由度體系的水平地震作用運動方程---j振型廣義質(zhì)量---j振型廣義荷載---j振型廣義剛度第32頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.2、計算地震作用的反應譜法多自由度體系的水平地震作用11.61810.618m1m2振型正交性的應用1.檢驗求解出的振型的正確性。2.對耦聯(lián)運動微分方程組作解耦運算等等.折算體系第33頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算多自由度體系的水平地震作用--計算步驟2.求廣義質(zhì)量、廣義荷載;3.求組合系數(shù);4.按下式求位移：1.求振型、頻率：第34頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算例一.求圖示體系的穩(wěn)態(tài)振幅.解:EI第35頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算解:EI第36頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算解:EI從結(jié)果看,低階振型貢獻大。一般不需要用全部振型疊加,用前幾個低階振型疊加即可。第37頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算運動方程有阻尼多自由度體系的水平地震作用--計算步驟--第j振型阻尼比(由試驗確定).計算步驟:2.求廣義質(zhì)量、廣義荷載;4.求組合系數(shù);5.求位移;3.確定振型阻尼比;第38頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算運動方程有阻尼多自由度體系的水平地震作用--計算步驟---j振型的振型參與系數(shù)第39頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算有阻尼多自由度體系的水平地震作用--計算步驟---t時刻第j振型i質(zhì)點的水平地震作用---體系j振型i質(zhì)點水平地震作用標準值計算公式相對加速度第40頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算---體系j振型i質(zhì)點水平地震作用標準值計算公式---相應于j振型自振周期的地震影響系數(shù)；---j振型i質(zhì)點的水平相對位移；---j振型的振型參與系數(shù)；---i質(zhì)點的重力荷載代表值。

一般只取2-3個振型，當基本自振周期大于1.5s或房屋高寬比大于5時，振型個數(shù)可適當增加。第41頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算

地震作用效應（彎矩、位移等）--j振型地震作用產(chǎn)生的地震效應；m--選取振型數(shù)第42頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用例：試用振型分解反應譜法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力?？拐鹪O防烈度為8度，Ⅱ類場地，設計地震分組為第二組。解：（1）求體系的自振周期和振型（2）計算各振型的地震影響系數(shù)1.400.90(1.20)0.50(0.72)-----罕遇地震0.320.16(0.24)0.08(0.12)0.04多遇地震9876地震影響烈度地震影響系數(shù)最大值（阻尼比為0.05）查表得地震特征周期分組的特征周期值（s）0.900.650.450.35第三組0.750.550.400.30第二組0.650.450.350.25第一組ⅣⅢⅡⅠ場地類別第43頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用第一振型第二振型第三振型（2）計算各振型的地震影響系數(shù)查表得第44頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用（3）計算各振型的振型參與系數(shù)第一振型第二振型第三振型第45頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用（4）計算各振型各樓層的水平地震作用第一振型第二振型第三振型第一振型第二振型第三振型第46頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用（5）計算各振型的地震作用效應（層間剪力）第一振型1振型第二振型2振型第三振型3振型第47頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用（6）計算地震作用效應（層間剪力）組合后各層地震剪力1振型2振型3振型第48頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算一、底部剪力法j振型的底部剪力為G—結(jié)構(gòu)的總重力荷載代表值第j振型組合后的結(jié)構(gòu)底部剪力—高振型影響系數(shù)(規(guī)范取0.85)第49頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算一、底部剪力法地震作用下各樓層水平地震層間剪力為H1G1GkHk第50頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算二、頂部附加地震作用的計算

采用底部剪力法計算高層建筑結(jié)構(gòu)水平地震作用時，突出屋面房屋（樓梯間、電梯間、水箱間等）宜作為一個質(zhì)點參加計算，計算求得的水平地震作用應考慮“鞭端效應”乘以增大系數(shù)。

此增大部分不應往下傳遞，僅用于突出屋面房屋自身以及與其直接連接的主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設計。

計算的頂層附加水平地震作用標準值應作用于主體結(jié)構(gòu)的頂層，而不應置于小塔樓的層頂處第51頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算三、底部剪力法的適用范圍

底部剪力法適用于一般的多層磚房等砌體結(jié)構(gòu)、內(nèi)框架和底部框架抗震墻磚房、單層空曠房屋、單層工業(yè)廠房及多層框架結(jié)構(gòu)等低于40m以剪切變形為主的規(guī)則房屋。

以“剪切變形”為主：在結(jié)構(gòu)側(cè)移曲線中，樓蓋出平面轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的側(cè)移所占的比例較小。第52頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算三、底部剪力法的適用范圍

“規(guī)則房屋”：

1.相鄰層質(zhì)量的變化不宜過大；

2.避免采用層高特別高或特別矮的樓層，相鄰層和連續(xù)三層的剛度變化平緩。

3.出屋面小建筑的尺寸不宜過大（寬度b大于高度h

且出屋面高度與總高度之比滿足h/H<1/5），局部縮進的尺寸也不宜大（縮進后的寬度B1與總寬度

B之比滿足）；第53頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算三、底部剪力法的適用范圍

“規(guī)則房屋”：

4.樓層內(nèi)抗側(cè)力構(gòu)件的布置和質(zhì)量的分布要基本對稱；

5.抗側(cè)力構(gòu)件在平面內(nèi)呈正交（夾角大于75度）分布，以便在兩個主軸方向分別進行抗震分析；

6.平面局部突出的尺寸不大（局部伸出部分在長度方向的尺寸l大于寬度方向的尺寸b，且寬度b與總寬度B之比滿足b/B<1/5-1/4）；第54頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算三、底部剪力法的適用范圍

“規(guī)則房屋”：

7.對于不滿足規(guī)則要求的建筑結(jié)構(gòu)，則不宜將底部剪力法作為設計依據(jù)。否則，要采取相應的調(diào)整，使計算結(jié)果合理化。第55頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算三、底部剪力法的適用范圍例：試用底部剪力法計算圖示框架多遇地震時的層間剪力。已知結(jié)構(gòu)的基本周期T1=0.467s,抗震設防烈度為8度,Ⅱ類場地,設計地震分組為第二組。10.5m7.0m3.5m解：（1）計算結(jié)構(gòu)等效總重力荷載代表值第56頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算三、底部剪力法的適用范圍（2）計算水平地震影響系數(shù)查表得1.400.90(1.20)0.50(0.72)-----罕遇地震0.320.16(0.24)0.08(0.12)0.04多遇地震9876地震影響烈度地震影響系數(shù)最大值（阻尼比為0.05）地震特征周期分組的特征周期值（s）0.900.650.450.35第三組0.750.550.400.30第二組0.650.450.350.25第一組ⅣⅢⅡⅠ場地類別第57頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算三、底部剪力法的適用范圍（3）計算結(jié)構(gòu)總的水平地震作用標準值第58頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算三、底部剪力法的適用范圍（4）頂部附加水平地震作用頂部附加地震作用系數(shù)第59頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算三、底部剪力法的適用范圍（5）計算各層的水平地震作用標準值第60頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算三、底部剪力法的適用范圍（5）計算各層的層間剪力振型分解反應譜法結(jié)果第61頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.3、水平地震作用計算四、突出屋面附屬結(jié)構(gòu)地震內(nèi)力的調(diào)整

震害表明，突出屋面的屋頂間（電梯機房、水箱間）、女兒墻、煙囪等，它們的震害比下面的主體結(jié)構(gòu)嚴重。

原因是由于突出屋面的這些結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度突然減小，地震反應隨之增大。---鞭端效應?！犊拐鹨?guī)范》規(guī)定：采用底部剪力法時，突出屋面的屋頂間、女兒墻、煙囪等的地震作用效應，宜乘以增大系數(shù)3。此增大部分不應向下傳遞，但與該突出部分相連的構(gòu)件應計入。第62頁/共68頁高層建筑結(jié)構(gòu)－－荷載與作用地震作用3.3.4、結(jié)構(gòu)自振周期計算3.3.5、豎向地震作用計算豎向地震運動是可觀的：

根據(jù)觀測資料的統(tǒng)計分析，在震中距小于200km范圍內(nèi)，同一地震的豎向地面加速度峰值與水平地面加速度峰值之比av/ah平均值約為1/2，甚至有時可達1.6。豎向