大工14春《高层建筑结构》辅导资料六
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第1页 共7页 高层建筑结构辅导资料六
主 题：第三章 高层建筑结构荷载及效应组合（第3节）
学习时间：2014年5月5日--5月11日
内 容：
这周我们将学习第三章中的第3节，这部分主要介绍抗震设防的准则和基本设计方法，水平地震作用的计算方法（主要是反应谱法）与竖向地震作用的计算方法，下面整理出的框架供同学们学习，希望能够帮助大家更好的学习这部分知识。
一、学习要求
1、掌握抗震设防的准则和基本设计方法；
2、数量掌握水平地震作用的计算方法；
3、掌握竖向地震作用的计算方法。
二、主要内容
（一）地震作用的特点
1、地震反应:
地震时地震波产生地面运动，使结构产生振动。包括加速度、速度、位移反应。地震波可使建筑产生竖向振动和水平振动，一般房屋的破坏主要有水平振动引起，设计中应主要考虑水平地震作用，只有在震中附近高烈度地区才考虑竖向地震作用。
2、地面运动特性的特征量（三要素）：强度、频谱和持续时间。
强度：反应地震波幅值，烈度大，强度大；
频谱：场地卓越周期与结构自振周期接近，破坏严重。
持时：反应地震波持续时间，短则对建筑物影响不大。
3、地震动影响因素：
（1）震源：地球内部断层错动并引起周围介质震动的部位称为震源。
（2）深度：震中距离震源的距离叫做震源深度。
（3）震中距：地面某处至震中的水平距离叫做震中距。
图1 地震示意图
（4）土壤性质：在土层中地震波高频成分易被吸收，低频成分传播得更远，震中距
震中
震源 震源深度 地表
地下 大连理工大学网络教育学院
第2页 共7页 因此，在震中附近或在岩石等坚硬土壤中，短期成分丰富，在距震中较远的地方，或当冲击土层厚、土壤又软时短期成分被吸收而导致以长期成分为主，这对高层建筑非常不利。
（5）建筑物本身特性：建筑物动力特性是自振周期、振型与阻尼，它们与建筑物的质量和刚度有关；刚度大、质量大、周期短的建筑物在地震作用下的惯性力大；刚度小、质量小、周期长的建筑物位移大但惯性力小；卓越周期与自振周期相近时，引起类共振，反应剧烈。
（二）抗震设防准则和基本方法
抗震设防是指对建筑物进行抗震设计并采取一定的抗震构造措施，以达到结构抗震的目的。
1、抗震设防的目标(三水准)
在建筑物使用期间，对不同频率和强度的地震，应具有不同的抵抗能力。即三水准抗震设防目标，即：“小震不坏，中震可修，大震不倒”
小震不坏——在遭受低于本地区设防烈度的多遇地震的影响时，建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用。（此时建筑物基本上处于弹性阶段）
中震可修——在遭受本地区规定的设防烈度的地震的影响时，建筑物（包括结构和非结构部分）可能有一定损坏，但不至危及人民生命和生产设备的安全，经一般修理仍可继续使用。（此时建筑物进入弹塑性阶段）
大震不倒——在遭受高于本地区设防烈度的预估罕遇地震的影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。（此时建筑物将产生严重破坏但不至于倒塌）
2、抗震设计的两阶段方法
《抗震规范》以二阶段设计法来实现上述“三水准”抗震设计目标。
第一阶段为结构设计阶段：按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合验算结构构件的承载能力，以及小震作用下验算结构的弹性变形，以满足第一、二水准的要求。然后通过概念设计和构造措施来满足第三水准的要求。
第二阶段为验算设计阶段：对于有特殊要求的建筑和地震时容易倒塌的结构，按大震作用下验算结构的弹塑性变形，以满足第三水准的要求。
3、建筑物的抗震设防类别
建筑应根据其使用功能的重要性分为甲类、乙类、丙类和丁类四个抗震设防类别。
甲类建筑应属于重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑;
乙类建筑应属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑;
丙类建筑应属于除甲、乙、丁类以外的一般建筑;
丁类建筑应属于抗震次要建筑。
各抗震设防类别建筑的抗震设防标准，应符合下列要求：
甲类建筑，地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定；抗震措施，当抗震设防烈度为６～８度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为９度时，应符合比９度抗震设防更高的要求。
乙类建筑，地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施，一般情况下，当抗震设防烈度为６～８度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为９度时，应符合比９度抗震设防更高的要求；地基基础的抗震措施，应大连理工大学网络教育学院
第3页 共7页 符合有关规定。对较小的乙类建筑，当其结构改用抗震性能较好的结构类型时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震措施。
丙类建筑，地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度的要求。
丁类建筑，一般情况下，地震作用仍应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施应允许仍比本地区抗震设防烈度的要求适当降低，但抗震设防烈度为６度时不应降低。
（三）抗震计算理论
计算地震作用的方法可以分为静力法、反应谱方法（拟静力法）和时程分析法（直接动力法）三大类。我国《抗震规范》要求在设计阶段按照反应谱方法计算地震作用。规范要求进行第二阶段验算的也是少数，第二阶段验算采用弹塑性静力分析或弹塑性时程分析。
1、反应谱理论
反应谱：单质点弹性体系在一定的地面运动作用下，其最大反应（加速度、速度和位移反应）与体系自振周期之间的变化曲线（谱曲线）。
反应谱具有如下几点特征
（1）加速度反应随结构自振周期增大而减小。
（2）位移随周期增大而增大。
（3）阻尼比的增大使地震反应减小。
（4）场地的影响，软弱的场地使地震反应的峰值范围加大。
2、直接动力理论（时程分析法）
用地震波（加速度时程）作为地面运动输入，直接计算并输出结构随时间而变化的地震反应。
时程分析法比反应谱法前进了一大步，但在工程设计中还不能普遍采用，《抗震规范》规定特别重要的或特殊的建筑才采用时程分析法。
（四）设计反应谱
地震是随机的，每一次地震的加速度时程曲线都不相同，则加速度反应谱也不相同。抗震设计时，无法预计将发生地震的时程曲线。用于设计的反应谱应该是一个典型的具有共性的可以表达的一个谱线。规范给出的地震影响系数曲线如下图2所示。
图2 地震影响系数曲线 大连理工大学网络教育学院
第4页 共7页 （五）水平地震作用计算
我国《抗震规范》规定设防为6度及以上的建筑物必须进行抗震设计。具体计算方法分为反应谱底部剪力法和反应谱振型分解法。
1、反应谱底部剪力法
反应谱底部剪力法只考虑结构的基本振型，适用于高度不超过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。用底部剪力法计算地震作用时，将多自由度体系等效为单自由度体系，只考虑结构基本自振周期，计算总水平地震力，然后再按一定规律分配到各个楼层。
结构底部总剪力标准值应按下列公式计算：
1EkeqFG
式中：EkF——结构总水平地震作用标准值；
1——相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数；
eqG——结构等效总重力荷载，单质点应取总重力荷载代表值，多质点可
取总重力荷载代表值的85%，即E=0.85eqGG
EG——结构总重力荷载代表值。
对于顶层，需要计算屋面恒载，取50%屋面雪荷载，纵横梁自重，
半层柱自重，半层墙体自重。对于其他层，需要计算楼面恒载，
50%楼面活载，纵横梁自重，楼面上、下各半层的柱子及纵横墙体
自重。
第i楼层处的水平地震力iF应该按下式计算：
1(1)iiiEknnjjjGHFFGH
nnEkFF
式中：EkF——质点i的水平地震作用标准值
iH、jH——分别为质点i、j的计算高度
n——顶部附加地震作用系数
鞭端效应:当建筑物有突出屋面的小建筑物，如屋顶间、女儿墙等时，由于这些建筑物的质量和刚度突然变小，地震反应随之加大。这种现象称为“鞭端效应”。
2、振型分解反应谱法 大连理工大学网络教育学院
第5页 共7页 较高的建筑，高振型影响比较大，一般高层建筑都用振型分解反应谱法考虑多个振型的组合；因结构计算模型分为水平结构和空间结构，振型组合也有两种方法。这里主要介绍：平面结构振型分解反应谱法
结构j振型i质点的水平地震作用标准值，应按下列公式确定：
ijjjjiiFXG (1,2...,1,2..injm
式中：ijF—j振型i质点的水平地震作用标准值；
j—相应于j振型自振周期的地震影响系数；
jiX—j振型i质点的水平相对位移；
j—j振型的参与系数；
121njiijjnijiiXGXG
iG—集中于i质点的重力荷载代表值。
（六）结构自振周期的计算
结构自振周期的计算方可以分为理论计算、半理论半经验公式和经验公式三大类。
1、理论计算（在采用振型分解反应谱计算时应用）：
理论方法即采用刚度法或柔度法。用求解特征方程的方法得到，也被称为结构动力性能计算；理论方法得到的周期比结构的实际周期长，计算的地震作用偏小，因此必须对周期值修正。修正系数为：框架结构取0.6-0.7，框架-剪力墙结构取0.7-0.8，剪力墙结构取1.0。
2、半理论半经验公式（采用底部剪力法时应用）：
（1）顶点位移法
这种方法适用于质量、刚度沿高度分布比较均匀的框架、剪力墙和框架-剪力墙结构。按等截面悬臂梁作理论计算，简化后得到计算基本周期的公式如下：
101.7TT
式中：T——结构顶点假想位移，即把重力荷载作为水平力作用于各质点上计
算结构的弹性侧移曲线，得到顶点的弹性侧移（单位是m)；
0——结构基本周期修正系数，与理论计算方法的取值相同。
（2）能量法
以剪切变形为主的框架结构，可以用能量法计算基本周期。
