浅谈复杂结构的中震设计

浅谈复杂结构的中震设计

郑 文1

,涂 津2

,潘 文

1

(1 昆明理工大学,云南昆明650233;2 云南安泰建设工程设计审查事务所,云南昆明650233)

[摘 要] 复杂结构、超限高层结构在实际工程设计时需要进行中震设计和验算。本文从抗震规范中小震、中震和大震的概念入手,说明了中震设计和验算的工程概念和方法,提出了在现行规范和设计条件下,在实际工程中进行中震设计的设计要点和应注意的一些问题。

[关键词] 小震;中震;大震;复杂结构;超限结构;中震弹性阶段;中震不屈服阶段;地震动参数[中图分类号] TU352 [文献标识码] A

Discussion on Seismic Design of C omplicated Structure under Seismic Fortification Intensity

Zheng Wen 1,Tu Jin 2,Pan Wen 3

(1.Kunming Unive r sity of Science an d Technology ,Kun ming 650233,China ; 2.Antai Constructive

Engineering Design Examinate Institute o f Yunnan Province ,Kunming 650233,China )

Abstract :It is necessary that complicated structures are analyzed and checked under seismic in tensity (mediu m earthquake).Based on the concept of frequent seis mic intensity (low earthquake),seis mic fortification intensity(medium earthq uake )and very rare seismic fortification intensity(great earthquake),some ideas about structureal design under medium earthquake are suggested,and some methods of structureal desi gn under medium earthquake in the condition of actual code and design are proposed.

Keywords :frequent sei smic fortification intensity (low earthquake);seismic fortification intensity (medium earthquake);very rare seismic forti fication intensity(great earthquake);complicated structure;unregulated s tructure;elasticity level under mediu m earthquake;un yieldin g level under medium earthquake;parameters of ground motion

[收稿日期] 2008 10 21

1 引言

目前使用的 建筑抗震设计规范 GB50011 2001(以下简称抗震规范),继续采用抗震规范!三水准设防目标、两阶段设计步骤∀的抗震设防思想。基于这一技术指导思想,在工程设计时,是对结构进行多遇地震(所谓!小震∀)下的结构和构件的承载力分析和结构弹性的变形验算,并通过结构调整系数和抗震构造措施的设计,保证结构的延性,在结构遭遇抗震设防烈度(所谓!中震∀)的地震影响时,经一般修理或不需修理仍可继续使用,也就是所谓的!小震不坏,中震可修∀。规范中5.5 2条规定的结构要作罕遇地震(所谓!大震)作用下薄弱层的弹塑性变形验算,以保证!大震不倒∀,这一方法是基于我国 建筑结构统一设计标准 GBJ68 84规定的设计体系。

这一设计方法中,一般建筑结构构件截面抗震

验算的多遇地震(小震)作用水准为50年一遇的地

震烈度,是50年内地震烈度的概率密度函数的峰值点,其在50年重现期内的超越概率为63 2%,比抗震设防烈度(中震)低约1 55度。在小震作用下,结构处于弹性阶段,小震的发生频率及强度和一般结构可能承受的荷载相当,可按结构力学的弹性叠加原理组合小震作用效应和其他荷载效应,实现多系数承载力极限状态的概率设计方法。

由于抗震规范采用的这一方法和现在设计工作中结构计算分析通用程序和作图方法的高度自动化,造成一些设计人员误认为结构设计就是在多遇地震(小震)作用下的结构和构件的承载力分析和结构弹性的变形验算,甚至仅仅关注计算分析时多遇地震水平地震影响系数最大值 max 的取值,忽略场地的特征周期T g 、动力放大系数 max 和最大地面加速度设计值A max 的影响;导致一些设计人员只关注结构构件是否满足抗震承载力的计算要求,忽略整

第31卷第5期2009年10月

工程抗震与加固改造

Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting

Vol.31,No 5

Oct.2009

现在对于复杂结构和重大工程的结构设计,其中特别是超限或新型的、复杂的、高层的结构设计,为保障结构安全和经济性,要求对结构进行中震作用下的结构计算分析。施工图审查时,也会要求设计补充结构在中震作用下的结构计算分析。

2 按中震计算地震作用的工程概念和计算方法

我国 78抗震规范和 建筑工程抗震性态设计通则(C ECS160:2004)采用的就是按中震计算地震作用的方法。国际上,美国规范UBC、日本规范BSL、新西兰规范NZS和欧洲规范Eurocode8也是按中震计算地震作用的。

按中震计算地震作用的方法,采用的是考虑了结构动力效应的反应谱法。按中震设计时,强调了结构塑性变形能力对结构抗震的影响。在抗震设防烈度的地震作用下,结构材料、结构体系、结构形式等都在整体结构的抗震能力的考虑范围之内,这从 建筑工程抗震性态设计通则(CECS160:2004)中震作用计算的表达式可以看出来。通则第6 2 2条规定,采用底部剪力法时,结构水平地震作用标准值应按下列公式确定

F EK=C h 1

G ef1(1)其中,C为结构影响系数;h为水平地震影响系数的增大系数,是考虑当结构基本周期位于反应谱的谱速度和谱位移控制区时,对反应谱的修正,与结构类型有关。当T1>T g时:h=(T g T)-!;当T1# T g时:h=1 0。T1为结构的基本自振周期;G ef1为结构的有效重力荷载; 1为相应于结构基本周期的地震影响系数:

1=A d (2)式中,A d为地面加速度设计值; 为动力放大系数。

结构影响系数C说明了结构抗震设计的本质,即规范采用的设计地震作用是经过折减的设计指标。结构在实际的地震作用下,会进入非弹性变形阶段,这是遵循抗震设计规范进行复杂结构设计时要考虑到的。结构影响系数C反映了实际地震作用与弹性反应谱之间的差异,该差异取决于结构的延性,与结构形式、结构体系、层数、结构塑性变形能力、耗能能力、结构的阻尼、非承重构件的抗震贡献、实际材料强度、地基基础的变形等有关。 建筑工程抗震性态设计通则(CECS160:2004)表6 1 2中结构影响系数部分如表1所示。

表1 抗震体系的结构影响系数

Table1 Structure effect coefficient of

aseismatic building system

结构材料抗震结构体系结构影响系数

框架结构0 25

中心支撑框架结构0 30

偏心支撑框架结构0 27钢框架 中心支撑结构0 27

框架 偏心支撑结构0 25

各种筒体和巨型结构0 30

倒摆式或柱系统结构0 55

框架结构0 35

框 排架结构0 35

框架 抗震墙结构0 38

板柱 抗震墙结构0 38钢筋混凝土板柱 框架结构0 38

框架 核心筒结构0 38

筒中筒结构0 38

落地抗震墙结构0 40

局部框支抗震墙结构0 40

倒摆式或柱系统结构0 55

框架结构0 35

钢 混凝土组合框架 筒体结构0 38

框架 抗震墙结构0 38

筒中筒结构0 40

粘土砖、多孔砖砌体墙结构0 45

砖、砌块砌体小砌块砌体墙结构0 45

底部框架 抗震墙结构0 45

多排柱内框架结构0 45结构影响系数C是一个经验系数,存在有不足

∃82 ∃工程抗震与加固改造2009年10月的地方。如对结构延性的要求是对结构整体的延性要求,不能反映结构各个部件、节点的延性;设计人员容易忽略在按中震设计时,结构屈服部位强度已无储备,而是通过塑性变形消耗地震能量以抵御地震作用;通则用统一的结构影响系数C折减弹性地震力进行结构和构件设计,对于存在结构材料、体系和构件差异的建筑,设计难以协调;通则采用的按中震计算地震作用的方法在现行的通用结构计算分析软件上运用存在困难,需要对结构计算分析软件进行改进。

实际上,抗震规范中承载力抗震调整系数∀R E 和抗震等级的规定,也是考虑了结构体系、结构形式和结构构件在变形能力和抗震性能上的差异,只是其经验成分更多。小震的地震水平影响系数在数值上也与C 1大体相当。无论是按小震计算地震作用,还是按中震计算地震作用,计算方法或采用底部剪力法或采用振型分解反应谱法,结构的非弹性变形地震效应都是通过其他近似方法予以考虑,保证结构的抗震性能。

既然按中震计算地震作用和按小震计算地震作用在抗震承载力设计方法上有相通之处,似乎就有可能利用现有的为广大设计人员接受的通用结构分析软件来基本满足对复杂结构进行中震作用下的抗震能力进行验算的要求。因此,首先还要清楚的就是小震、中震和大震的相应地震动参数。

3 小震、中震和大震的相应地震动参数

抗震规范1 0 1条明确了在50年设计基准期内,小震的超越概率为63%,中震为10%,大震为2%~3%。抗震设防烈度6~9度的小震、中震和大震的地面加速度最大值如表2所示。

表2 小震、中震和大震的地面加速度最大值A max(cm s2) Table2 Maximal acceleration of ground motion A max of low, m edium and great earthquahe(cm s2)

抗震设防烈度

67 0 05g0 10g0 15g0 20g0 30g0 40g

小震18355570110140中震100150200300400大震220310*********

有了地面加速度最大值A max值,可以按式(3)算出小震、中震和大震的水平地震影响系数最大值 m ax。

max=(A max g)% max(3)

表3 小震、中震和大震的水平地震影响系数最大值

max Table3 Maximal effect coefficient of horizonta l earthquake of low,medium and great earthquahe max

抗震设

防烈度

67

0 05g0 10g0 15g0 20g0 30g0 40g

小震0 040 080 120 160 240 32

中震0 230 330 460 660 92

大震0 500 720 901 201 40

从表3可以看出,中震的水平地震作用为小震

的2 75~2 88倍,大震的水平地震作用为小震的4 38~6 75倍。

场地的特征周期对于做过安评报告的工程,报

告中应提供小震、中震和大震的特征周期T g值。一

般情况下,据有关专家建议,6~9度时中震的T g值

采用抗震规范中小震时的T g值。

4 复杂结构中震设计在现有设计条件下的实现

现行抗震规范没有针对中震设计的具体要求。

如果将上述中震的地震动参数直接代入结构分析软件中,遵循抗震规范编制的结构分析软件,特别是和制图合成一体的结构分析软件,将使实际计算的设防烈度比中震还高1 55度,结构处于中震弹性阶段。为了利用现有的为设计人员接受的通用结构分析软件来基本满足对复杂结构进行中震作用下的抗震能力进行验算的要求,首先对中震承载力能力状态的基本设计表达式进行分析。

中震设计一般有两种工程设计概念,一是按中震弹性阶段进行设计,二是按中震不屈服阶段进行设计。中震弹性阶段和中震不屈服阶段的承载力能力状态的基本设计表达式如下:

(1)中震弹性阶段的承载力能力状态的基本设计表达式

S d#R d ∀R E(4)

式中,S d为中震作用下的内力组合设计值。可取相

当于规范对四级抗震等级的内力组合设计值,不考

虑地震组合内力调整系数(即强柱弱梁、强剪弱弯调

整系数)。S d=1 2S G EK+1 3%2 8S EK0,S G EK为重力荷载作用标准值,S EK0为小震作用效应标准值;

R d为结构构件的承载力设计值。R d=R d(f c,

第31卷第5期郑 文,等:浅谈复杂结构的中震设计∃83 ∃f s,a k,&&),f c,f s分别为混凝土、钢筋等材料的强度设计值,a k为几何参数的标准值;∀RE为抗震调整系数。

(2)中震不屈服阶段的承载力能力状态的基本设计表达式

S k#R k ∀RE(5)式中,S k为中震作用下取用荷载分项系数∀G=∀Eh =∀EV=∀W=1 0的内力组合标准值,不考虑地震组合内力调整系数(即强柱弱梁、强剪弱弯调整系数)。S k=S GEK+2 8S EK0,S GEK为重力荷载作用标准值, S EK0为小震作用效应标准值;

R k为结构构件的承载力标准值。R k=R k(f ck, f sk,a k,&&),f ck,f sk分别为混凝土、钢筋等材料的强度标准值;a k为几何参数的标准值;∀R E为抗震调整系数。

遵照上述中震弹性阶段和中震不屈服阶段的承载力能力状态的基本设计表达式,可以修改通用结构分析软件的计算参数,来近似的实现结构的中震设计。例如现在使用最广泛的PKPM系列程序,不能进行中震弹性阶段的结构计算分析。在使用SATW E进行中震弹性阶段设计时,应正确输入中震最大水平地震影响系数 max和场地土特征值T g,将结构构件的抗震等级定义为4级。P MSAP可以完成中震不屈服阶段的结构设计,正确输入中震最大水平地震影响系数 max和场地土特征值T g,点取!按中震做结构设计∀即可。

近似实现结构中震设计的方法中,结构构件仍近似采用小震时的弹性刚度,没有考虑结构构件在中震作用下的刚度退化。其中连梁的刚度应注意进行折减,这在软件中是可以实现的。由于没有考虑结构构件在中震作用下的刚度退化,近似方法计算出来的中震阶段的结构周期值与小震作用下的周期值是一样的。结构在中震作用下的抗震变形验算,应满足 建筑工程抗震性态设计通则(CEC S160: 2004)中6 6 3条和6 6 的规定。

在进行中震设计的结构和抗侧力构件的选定时,首先需要按 建筑工程抗震性态设计通则(CECS160:2004)中3 1 3条和3 1 4条强制性条文的规定,确定抗震建筑的使用功能和抗震设计类别。C类结构中的抗侧力构件主要包括结构 核心筒的抗震墙、转换结构构件、落地抗震墙、框架柱、柱间支撑、跨层柱、大跨度和大洞口周边的梁柱墙和其他重要构件,应进行中震阶段的抗震验算和设计。D、E 类结构的抗侧力构件均应进行中震阶段的抗震验算和设计,实际工作中可按表4选定结构构件作中震弹性阶段或中震不屈服阶段的抗震设计验算。

表4 结构构件中震设计阶段的选定

Table4 Selection of structural design under seismic fortification intensity

地震作用小震中震大震

结构构件性能C类重要构件规范设计要求,弹性中震不屈服阶段进入塑性

D类一般构件规范设计要求,弹性加强部位中震不屈服阶段进入塑性

D类重要构件规范设计要求,弹性中震弹性阶段进入塑性

E类所有构件规范设计要求,弹性中震弹性阶段进入塑性连梁允许开裂,进入塑性允许开裂,进入塑性部分连梁允许破坏

5 结语

从中震弹性阶段和中震不屈服阶段的承载力能力状态的基本设计表达式可以看出,中震弹性阶段的抗震承载能力比相应的中震不屈服阶段抗震承载能力要高约11%~25%。

当按中震弹性阶段进行复杂和超限结构的设计时,对抗震设防烈度为8度的框架柱、抗震墙和钢结构柱间支撑的截面尺寸有很大的影响。当按中震不屈服阶段进行复杂和超限结构的设计时,对抗震设防烈度为8度的高层钢结构的框架柱和柱间支撑影响很大,同时也会大大提高建筑工程的造价。因此,应根据抗震建筑的使用功能和抗震设计类别,充分听取建设方和专家的意见,进行中震弹性阶段或中震不屈服阶段的抗震设计或验算。

按中震设计时,由于不考虑地震组合内力调整 (下转第页)

∃84 ∃工程抗震与加固改造2009年10月吊杆上方位置不便于生根时,需做局部转换,有时也可能需要做整体转换。

4 演播厅边柱

演播厅四周的边柱因垂直荷载较小,水平荷载产生的弯矩设计值有可能占总弯矩设计值的75%以上,这时应按照 混凝土结构设计规范(GB50010 2002)第7 3 11 3条要求计算框架柱的计算长度。

5 屋面结构形式

大演播厅平面形状一般为长方形,可采用的结构体系在早期采用钢或钢筋混凝土屋架上铺大型屋面板居多,近来根据跨度的不同可采用的屋面结构形式有钢网架、钢桁架、劲性混凝土、钢筋混凝土空腹桁架。较少采用预应力混凝土结构,因吊挂件较多,后期有可能增补吊挂点,预应力混凝土结构后锚固存在困难。

6 与隔声有关的问题

演播室有较高的隔声要求,隔声量与材料密度成正比,这与结构设计希望采用轻体材料减轻结构自重相冲突。早期多采用实心粘土砖墙做维护结构,近几年采用加气混凝土砌块,采用砌块墙体一般做成中空的双层复合砌体,中部的空腔对提高隔声有很好效果。因墙体高度很高,在适当高度应设置必要的圈梁和构造柱以提高墙体的稳定性。另外,维护墙室内侧在声学装修阶段要做吸声装修,结构计算时需考虑吸声墙自重,同时要考虑吸声墙在结构墙体上的固定措施。

7 结语

广播电视中心工程中的演播楼是专业性较强的建筑,其结构设计由于工艺、特殊空调、特殊灯光等专业的要求而具有特殊性,设计时应根据大演播厅的布置特点确定合适的结构形式,剪力墙的布置以提高结构刚度和抗扭转能力为出发点,同时应注意与各专业的需求密切配合。

参考文献(References):

[1] GB50011 2001,建筑抗震设计规范[S]

GB50011 2001,Code for seismic design of buildings[S](in Chinese)

[2] GY5060 97,广播电影电视工程建筑抗震设防分类标准

[S]

GY5060 97,Standard for classification of seiemic protection of building constructions[S](in Chinese)

[作者简介] 高会宗(19~),男(汉族),高级工程师,国家一级注册结构工程师,E mail:crtvg@126 com

(上接第84页)

系数(即强柱弱梁、强剪弱弯调整系数等),因此某些构件∋∋∋特别是抗震等级为特一级的抗侧力构件,按中震设计的组合内力不一定比小震计算的组合内力大。对抗震等级特一级的抗侧力构件其受剪承载力尚应满足小震作用下的要求。剪压比宜按中震弹性阶段控制。

在中震设计时,许多问题尚待研究,如刚度的计算和取值,结构阻尼比的取值,越来越多的复杂和新型结构形式的结构影响系数的取值等。中震设计的理论和应用需更加完善,期待可进一步用于工程实践的国家规范和适用的结构计算分析软件。

参考文献(References):

[1] GB50068 2001,建筑结构可靠度设计统一标准[S]

GB50068 2001,Unified standard for reliability desi gn of building structures[S](in Chinese)[2] GB50011 2001,建筑抗震设计规范[S]

GB50011 2001,Code for seismic design of buildings[S](in Chinese)

[3] CECS160:2004,建筑工程抗震性态设计通则[S]

CEC S160:2004,General rule for performance based seismic design of builds[S](in Chinese)

[4] GB50010 2002,混凝土结构设计规范[S]

GB50010 2002,Code for desi gn of concrete structures[S](in Chinese)

[5] SATWE用户手册及技术条件[P]

SATWE user manual and Technical conditions(in Chinese) [6] PMSAP用户手册及技术条件[P]

PMSAP user manual and Technical conditions(in Chinese) [7] 龚思礼.建筑抗震设计手册(第二版)[M].北京:中国

建筑工业出版社

Gong Si li.Manual for seismic design of buildings(second edition)[M].Beijing:China Archi tecture and Building Press (in Chinese)

[作者简介] 郑文,高级工程师,一级注册结构工程师,国家注册监理工程师,国家注册咨询(投资)工程师

第31卷第5期高会宗:演播楼结构设计特点∃ ∃