高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平地震作用

高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平荷載與結(jié)構(gòu)計(jì)算簡化原則第二節(jié)地震作用一、特點(diǎn)地震時(shí)，地震波產(chǎn)生地面運(yùn)動，通過房屋基礎(chǔ)使上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生振動，這就是地震作用。地震作用使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的運(yùn)動稱為地震反應(yīng)，包括位移、速度、與加速度，加速度將使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生慣性力，過大的慣性力將會影響結(jié)構(gòu)的正常使用，甚至造成結(jié)構(gòu)的破壞。地震波使建筑房屋產(chǎn)生豎向振動和水平振動，一般對房屋的破壞主要由水平振動造成。設(shè)計(jì)中主要考慮水平地震作用，只有震中附近的高烈度區(qū)域才考慮豎向地震作用。

地震動三要素：1、強(qiáng)度：反應(yīng)地震波的幅值，烈度大，強(qiáng)度大。2、頻譜：反應(yīng)地震波的波形，1962年墨西哥地震時(shí)，墨西哥市a=0.05g，但由于地震卓越周期與結(jié)構(gòu)接近，從而破壞嚴(yán)重。3、持時(shí)：反應(yīng)地震波的持續(xù)時(shí)間，短則對結(jié)構(gòu)影響不大。地震動影響因素：

1、震源

2、深度

3、震中距

4、場地性質(zhì)：地震波在傳播過程中，高頻部分易被吸收，軟土中更是如此，故震中附近或在巖石等堅(jiān)硬土中，卓越周期在0.1～0.3s左右。離震中較遠(yuǎn)或沖積土層很厚等軟土中，卓越周期在1.5～2.0s左右，對高層建筑不利。

5、建筑物本身：包括自振周期、振型與阻尼，與剛度質(zhì)量有關(guān)，剛度質(zhì)量大，則周期短，作用力大，剛度、質(zhì)量小，則周期常，位移大，當(dāng)?shù)卣鸩ㄗ吭街芷谂c建筑物的自振周期接近時(shí)，引起類共振，反應(yīng)劇烈。二、抗震設(shè)計(jì)目標(biāo)及方法抗震設(shè)計(jì)三水準(zhǔn)：抗震設(shè)計(jì)：以等效地震荷載來表示地震作用。

1、小震不壞：50年超越概率63.2％；結(jié)構(gòu)維持在彈性狀態(tài)，保證正常使用；

2、中震可修：50年超越概率10％，局部構(gòu)件可進(jìn)入塑性，但可修；

3、大震不倒：50年超越概率2～3％，結(jié)構(gòu)有較大的非彈性變形，但控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，不能倒塌?？拐鹪O(shè)計(jì)兩階段設(shè)計(jì)方法：設(shè)計(jì)階段：采用相應(yīng)于設(shè)防烈度的小震作用計(jì)算彈性位移及內(nèi)力，用極限狀態(tài)方法設(shè)計(jì)配筋，并按延性采取相應(yīng)的抗震措施。6度設(shè)防區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類場地上高層建筑可不計(jì)算，但應(yīng)取抗震措施；驗(yàn)算階段：用罕遇地震作用計(jì)算所設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的彈塑性側(cè)移變形，如層間位移超過允許值，應(yīng)重新設(shè)計(jì)，直至滿足大震不倒的要求為止。建筑類別與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn):建筑類別建筑的重要性抗震措施地震作用計(jì)算甲類特殊要求的建筑特殊考慮特殊考慮乙類國家重點(diǎn)抗震城市生命線工程的建筑提高一度（9度適當(dāng)提高）原設(shè)防烈度丙類甲、乙、丁類以外的一般建筑原設(shè)防烈度原設(shè)防烈度丁類次要的建筑降低一度（6度不降）原設(shè)防烈度三、地震作用的計(jì)算原則和方法：

1、計(jì)算范圍：水平地震作用：

6度區(qū)（除甲類建筑和IV類場地上的較高房屋外）可不算

7-9度區(qū)（除可不進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算的房屋外）均算豎向地震作用：8、9度大跨度結(jié)構(gòu)和長懸臂結(jié)構(gòu)9度的高層建筑2、水平地震作用的計(jì)算原則：一般正交布置抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，可沿縱橫主軸方向分別計(jì)算斜交布置抗側(cè)力構(gòu)件的結(jié)構(gòu)，宜按平行于抗側(cè)力構(gòu)件方向計(jì)算質(zhì)量和剛度明顯不均勻、不對稱的結(jié)構(gòu)，應(yīng)考慮水平地震作用的扭轉(zhuǎn)影響3、地震作用的計(jì)算方法及其適用范圍地震作用結(jié)構(gòu)方法使用范圍水平彈性底部剪力法高度不超過40m，以剪切變形為主，質(zhì)量和剛度分布較均勻振型分解反應(yīng)譜法不滿足底部剪力法應(yīng)用條件的結(jié)構(gòu)時(shí)程分析法（補(bǔ)充計(jì)算）甲類建筑、特別不規(guī)則的建筑H>100m，7、8度I、II類場地建筑H>80m，8度III、IV類場地和9度H>60m建筑彈塑性簡化方法（略）時(shí)程分析法（略）豎向彈性底部軸力法需考慮豎向地震作用的結(jié)構(gòu)四、反應(yīng)譜方法計(jì)算等效地震荷載根據(jù)大量的強(qiáng)震記錄，求出不同自振周期的單自由度體系地震最大反應(yīng)，取這些反應(yīng)的包線，稱為反應(yīng)譜。以反應(yīng)譜為依據(jù)進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，則結(jié)構(gòu)在這些地震記錄為基礎(chǔ)的地震作用下是安全的，這種方法稱為反應(yīng)譜法。反應(yīng)譜法是一種擬靜力方法。

1、設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線地震影響系數(shù)α是單質(zhì)點(diǎn)彈性體系的絕對最大加速度與重力加速度的比值,它除與結(jié)構(gòu)自振周期有關(guān)外,還與結(jié)構(gòu)的阻尼比等有關(guān)。根據(jù)地震烈度、場地類別、設(shè)計(jì)地震分組和結(jié)構(gòu)自振周期以及阻尼比的不同，水平地震影響系數(shù)α如下圖所示：2、反應(yīng)譜底部剪力法

適用條件：結(jié)構(gòu)高度小于40m，沿高度方向質(zhì)量及剛度分布均勻，振型以剪切變形為主的高層建筑，可以只用基本自振周期確定總底部剪力。

水平地震力計(jì)算：結(jié)構(gòu)總水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值即底部剪力FEk按下式計(jì)算：

當(dāng)建筑為n層時(shí)，各樓層處地震力為。當(dāng)結(jié)構(gòu)有高振型影響時(shí)，頂部位移及慣性力加大。在底部剪力法中，用頂部附加近似考慮高振型的影響。頂部等效地震力為。及計(jì)算公式如下：主體結(jié)構(gòu)頂層附加水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：

采用底部剪力法計(jì)算高層建筑結(jié)構(gòu)水平地震作用時(shí)，突出屋面房屋（樓梯間、電梯間、水箱間等）宜作為一個(gè)質(zhì)點(diǎn)參加計(jì)算，計(jì)算求得的水平地震作用應(yīng)考慮“鞭端效應(yīng)”乘以增大系數(shù)，增大系數(shù)可按下表采用。此增大部分不應(yīng)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(shè)計(jì)。需要注意，對于結(jié)構(gòu)基本自振周期的房屋并有小塔樓的情況，按上式計(jì)算的頂層附加水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)作用于主體結(jié)構(gòu)的頂層，而不應(yīng)置于小塔樓的層頂處。3、反應(yīng)譜振型組合

不符合底部剪力法適用條件的其他高層建筑，采用振型組合法確定等效地震荷載及內(nèi)力。多自由度體系，可以按振型分解方法得到多個(gè)振型。通常n層結(jié)構(gòu)可以看成n個(gè)振型和n個(gè)周期計(jì)算第j個(gè)振型，第i層水平等效地震力的公式：由各振型的水平地震作用Fji可以分別計(jì)算各振型的水平地震作用效應(yīng)（內(nèi)力和位移）?？偹降卣鹱饔眯?yīng)可采用平方和開平方法求得：

4、樓層水平剪力最小值由于地震影響系數(shù)在長周期段下降較快，對于基本周期大于3s的結(jié)構(gòu)，由此計(jì)算所得的水平地震作用下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)可能偏小。而對于長周期結(jié)構(gòu)，地震地面運(yùn)動速度和位移可能對結(jié)構(gòu)的破壞具有更大影響，但振型反應(yīng)譜法或底部剪力尚無法對此作出估計(jì)。出于結(jié)構(gòu)安全的考慮，《高層規(guī)程》規(guī)定了結(jié)構(gòu)各樓層水平地震剪力最小值的要求，給出了不同烈度下的樓層地震剪力系數(shù)（即剪重比），結(jié)構(gòu)的水平地震作用效應(yīng)應(yīng)據(jù)此進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。水平地震作用計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)各樓層對應(yīng)于地震作用標(biāo)準(zhǔn)值的剪力應(yīng)符合下式要求：

5、動力時(shí)程分析法

動力時(shí)程分析方法是將地震動記錄或人工地震波作用在結(jié)構(gòu)上，直接對結(jié)構(gòu)運(yùn)動方程進(jìn)行積分，求得結(jié)構(gòu)任意時(shí)刻地震反應(yīng)的分析方法，根據(jù)是否考慮結(jié)構(gòu)的非線性行為，該法又可分為線性動力時(shí)程分析和非線性動力時(shí)程分析兩種。

隨著計(jì)算手段的不斷發(fā)展和對結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)認(rèn)識的不斷深入，該方法越來越受到重視，特別是對體系復(fù)雜結(jié)構(gòu)的非線性地震反應(yīng)，動力時(shí)程分析方法還是理論上唯一可行的分析方法，目前很多國家都將此方法列為規(guī)范采用的分析方法之一。雖然非線性時(shí)程分析方法是一種十分有效的方法，且到目前為止也是工程人員所能使用的十分精確的方法，但由于方法的復(fù)雜性等原因，其在實(shí)際工程抗震設(shè)計(jì)中的應(yīng)用還受到許多的限制，同時(shí)，有很多問題有待進(jìn)一步研究，如地震動的輸入，在進(jìn)行動力彈塑性分析時(shí)構(gòu)件恢復(fù)力模型的確定等。4、豎向地震作用計(jì)算《高層規(guī)程》規(guī)定，豎向地震作用一般只在9度設(shè)防區(qū)的建筑物中考慮；但對高層建筑中的長懸臂及大跨度構(gòu)件，豎向地震的作用不容忽視，在8度及9度設(shè)防時(shí)都應(yīng)計(jì)算。（1）9度設(shè)防高層建筑總豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值可按下列公式計(jì)算：結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)i的豎向地震作用標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：

樓層各構(gòu)件的豎向地震作用效應(yīng)可按各構(gòu)件承受的重力荷載代表值比例分配，并宜乘以增大系數(shù)1.5。（2）8度及9度抗震設(shè)防時(shí)，水平長懸臂構(gòu)件、大跨度結(jié)構(gòu)以及結(jié)構(gòu)上部樓層外挑部分考慮豎向地震作用時(shí)，豎向地震作用的標(biāo)準(zhǔn)值可分別取該結(jié)構(gòu)或構(gòu)件承受的重力荷載代表值的10%和20%進(jìn)行計(jì)算。5、罕遇地震作用下水平地震作用計(jì)算采用前述計(jì)算方法，不同的是取值不同，而且只計(jì)算位移，不計(jì)算內(nèi)力。第三節(jié)水平荷載作用方向及結(jié)構(gòu)計(jì)算的一般簡化假定實(shí)際結(jié)構(gòu)往往為復(fù)雜空間體系，實(shí)際荷載也很復(fù)雜，故對高層建筑結(jié)構(gòu)作精確計(jì)算十分困難，設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行必要的簡化。一、荷載作用方向?qū)嶋H風(fēng)荷載以及地震作用方向是隨時(shí)間隨意變化的，結(jié)構(gòu)計(jì)算常常假定水平作用在結(jié)構(gòu)的主軸方向，對相互正交的主軸進(jìn)行內(nèi)力分析。二、平面結(jié)構(gòu)假定任何結(jié)構(gòu)都為一個(gè)空間結(jié)構(gòu)，但對于框架、剪力墻、框架－剪力墻結(jié)構(gòu)，大多數(shù)都可以簡化為平面結(jié)構(gòu)，使得計(jì)算大為簡化。簡化時(shí)作如下兩個(gè)假定：

1、一片框架或剪力墻可以抵抗本身平面內(nèi)的側(cè)向力，而在平面外剛度很小，可以忽略。故整個(gè)結(jié)構(gòu)可以劃分為若干個(gè)平面結(jié)構(gòu)，共