抗震设计方法

1、目录1. 抗震设计方法1.1结构抗震计算内容 .1.2地震作用、作用效应特征及分析方法 11.3结构地震反应分析方法 1.3.1模式分解反应谱法 1.3.2底部剪力法 1.3.3动态时程分析法 .1.3.4静力弹塑性分析法 2. .建筑的抗震设计2.1两阶段设计方法 .2.2抗震性能设计方法2.2.1基于性能的设计要求 2 . 2 . 2性能化设计的计算要求3. 8号多层及高层钢结构住宅抗震设计3.1本层钢结构住宅和高层建筑的主要震害特征为 83.2多层和高层钢结构的选择和布置3.3多层和高层钢结构的抗震计算和设计 93 . 3 . 1.计算模型3.3.2钢梁柱抗震设计原则 113.3.3连接

2、 .的抗震设计原则1.抗震设计方法1.1结构抗震计算内容在抗震设防区建造建筑物时，必须考虑地震对结构的影响，并进行抗震设计。在抗震设计中，结构形式和布置初步确定后，一般应进行抗震计算，包括以下三个方面。(1)地震作用及其对结构的影响(包括弯矩、剪力、轴力和位移)的计算。(2)将地震效应与结构自重、楼盖变荷载、风荷载等其他荷载效应结合起来，确定结构构件的最不利内力。(3)计算结构或构件截面的抗震能力，复核抗震极限状态的设计，使结构或构件满足抗震承载力和变形能力的要求。1.2地震作用、作用效应特征及分析方法当地震中地面反复震动时，它会导致地面加速运动，并迫使建筑物产生相应的加速度。这时，它相当于一

3、个与加速度相反的惯性力，即地震作用。地震引起的结构自重或活载等静力作用是不同的。它是一种动力作用，与结构所在场地的地震动特性和结构动力特性有关。地震活动在空间和时间上都是随机的，而且每次地震的时间都很短，所以地震活动是一个随机的过程。根据超越概率的大小，可分为频繁地震作用和罕见地震作用等。频繁地震作用是一种可变作用，其抗震设计属于瞬态设计条件，罕遇地震是偶然作用，其抗震设计条件属于偶然条件。地震作用效应是指地震动引起的结构的每一次瞬时内力或应力、瞬时应变或位移、瞬时加速度和速度。由于地震作用效应是一种随时间迅速变化的动态作用，所以也称为地震反应。与地震作用类似，地震反应是一个随机过程。静态动作

4、通常是直观的，可以根据相关规定方便地计算。静态作用的影响可以根据相关的静力学方法计算，并且只有一个静态解。地震作用及其效应的分析属于结构动力学范畴，因此需要确定和求解运动微分方程，其中地震激励通过结构的底部基础传递到上部结构，地震动输入是一个动态过程，得到的地震响应是一个时间过程。地震作用及其影响的分析方法包括动力分析法和反应谱法。动力分析方法应以结构和地震动输入为基础，建立动力模型和运动微分方程，利用动力学理论计算地震动作用下结构响应的时程，也称时程分析法。反应谱法基于线弹性理论，根据结构的动力特性和地震反应谱曲线计算振型地震作用，然后根据静力法计算振型内力和变形。根据分析中使用的模态数量，

5、反应谱法分为模态分解反应谱法和底部剪切法。其中，模态分解反应谱法考虑的模态较多，计算精度高，适用于大多数结构，而底部剪力法只考虑一个基本模态或前两个模态，适用于低阶简单结构。1.3结构地震反应分析方法在实际的建筑结构抗震设计中，少数结构可以简化为单自由度体系，大量的建筑结构应该简化为多自由度体系。单向水平地震作用下，结构地震反应分析方法包括模态分解反应谱法、底部剪力法、动力时程分析法和非线性静力分析法。1.3.1模式分解反应谱法模态分解反应谱法的基本概念是：假设结构是一个多自由度弹性系统，利用模态分解和模态正交性原理，将N自由度弹性系统划分为N个等效单自由度弹性系统，利用设计反应谱得到每个模态

6、下等效单自由度弹性系统的效应，然后按照一定的截面抗震验算规则将每个模态的效应组合成总的地震效应。(1)多自由度弹性系统的运动方程水平地震作用下多自由度弹性系统的变形如图1.3.1所示。有运动方程：(1.3.1)对于含有n个质点的弹性系统，可以写出与公式(1.3.1)相似的n个方程，形成由n个方程组成的微分方程组，其矩阵形式为：(1.3.2)输入M系统质量矩阵；K系统刚度矩阵；C阻尼矩阵，一般采用瑞利阻尼2)振动模式的正交性当多自由度弹性系统自由振动时，每个模态对应的频率是不同的，任意两个不同的模态之间存在正交性。利用振动模态的正交性原理，可以大大简化多自由度弹性系统运动微分方程的求解。包括三种

7、正交性：质量矩阵的正交性；刚度矩阵的正交性；阻尼矩阵的正交性；3)模式分解利用振型的正交性，对公式1.3.2进行简化和扩展后，可以得到n个独立的二阶微分方程。对于第j种振动模式，可以写成：(1.3.3)在引入广义质量、广义刚度和广义阻尼的概念后，方程1.3.3可视为单自由度系统的运动微分方程4)多自由度弹性系统的地震效应组合由于各模态作用效果的最大值并不同时出现，如果通过叠加各模态的最大响应直接估计系统的最大响应，结果显然太大，过于保守。通过随机振动理论分析，得出平方和平方(SRSS)法在估算平面结构系统的最大响应时可以获得较好的结果，即：(1.3.41)底部剪力法计算(1.3.5)输入对应于

8、结构基本自振周期的水平地震影响系数结构总重力和总荷载的代表值是高振动模式的影响系数。经过大量的计算结果，统计分析表明，当结构系统中每个粒子的质量和高度大致相同时，有：对于单自由度系统。q=1；对于多自由度系统，取0.750.9，抗震规范取0.85。2)水平地震作用分布图1.3.2简化第一振型根据底部剪力法的适用条件，结构的第一模态占主导地位并接近于一条直线，即任何质点的第一模态的位移与其高度成正比。每个粒子的水平地震作用可以推导出来：(1.3.6)1.3.3动态时程分析方法动态时程分析法将结构视为弹性或弹塑性振动系统，建立振动系统的运动微分方程，直接输入地面加速度时程，直接积分运动微分方程，从

9、而得到振动系统中各质点的加速度、速度、位移和内力的时程曲线。时程分析法是一种完全动态的方法，可以获得地震时程范围内结构系统各点的反应时程，信息量大，精度高；然而，这种方法计算量大，根据确定的地震动时程得到结构体系的明确反应时程，因此在一次时程分析中很难考虑不同地震时程记录的随机性。时程分析方法分为模式分解法和逐步积分法。模态分解法利用了结构系统模态的正交性，但只适用于结构弹性地震反应分析；逐步积分法适用于结构的弹性和非弹性地震反应分析。在结构的时程分析中，需要确定结构的力学模型、结构或构件的滞回模型、输入地震波的选择以及数值求解方法的确定。1)结构的力学模型结构动力时程分析模型可分为材料级实体

10、分析模型和构件级简化分析模型。材料级实体分析模型基于结构中各材料的应力-应变关系曲线，构件级简化分析模型基于构件的力-变形关系曲线。图1.3.3简化分析模型组件级的简化分析模型有两种：层模型和条模型，如图1.3.3所示。层模型假定结构质量集中在楼板和屋顶上，计算中只考虑层间变形，适用于砌体结构和强梁弱柱框架结构。杆模型以杆为基本计算单元，计算结果准确，适用于强柱弱梁框架结构以及框架-剪力墙结构。2)输入地震波的选择根据中国抗震规范规定，采用时程分析时，应根据建筑场地类别和设计地震分组选择实际强震记录和人工模拟加速度时程曲线，其中实际强震记录的数量不应少于总数的2/3，多组时程曲线的平均地震影响

11、系数曲线应与振型分解反应谱法采用的地震影响系数曲线在统计上一致，加速度时程的最大值可按表1.3.1采用。表1.3.1时程分析中地震加速度时程的最大单位为：厘米/秒2为了考虑地震波的随机性，在时程分析中应选择多个地震波来计算结构响应。当输入三组加速度时程曲线时，计算结果应为时程法的包络值和模态分解法的较大值。当取7组或7组以上的时程曲线时，计算结果可取平均值求解增量动力方程有不同的方法，如线性加速度法、平均加速度法、纽马克法、威尔逊法等。1.3.4静态弹塑性分析方法时程分析法被认为是结构弹塑性分析最可靠的方法，因为它可以计算结构在地震反应全过程中的内力和变形模式，给出结构的开裂和屈服顺序，找出应

12、力和弹塑性变形的集中部位，从而判断结构的屈服机理、薄弱环节和可能的破坏类型。目前，时程分析法越来越多地被用来计算和分析一些特殊而复杂的重要结构，许多国家已经将其纳入规范。然而，时程分析法分析技术复杂、耗时长、计算量大、结果处理复杂，因此在实际工程抗震设计中通常仅限于理论研究，尚未得到广泛应用。鉴于此，寻求一种简化的评估方法，能够在一定程度上近似反映结构在强震下的弹塑性性能，具有一定的应用价值。静力弹塑性分析作为一种结构非线性响应的简化计算方法，近年来受到学者和工程师的关注。POA方法符合基于结构性能的抗震设计理念。POA方法的目标是获得一些弹性反应谱法或动力分析法无法获得的结构反应特征，即获得

13、结构构件在可能的地震作用下的内力、结构的整体或局部变形等。POA方法的主要用途是：估算重要单元的变形能力，揭示设计中潜在的薄弱环节，找出结构中发生大变形的部位，估算结构的整体稳定性等。目前，这种方法比较现实，工程设计人员容易掌握。它可以从微观和宏观上了解结构的弹塑性特性，得到有用的静力分析结果。POA方法的基本步骤如下：(1)假设水平荷载沿结构高度分布，向结构施加荷载，并逐渐增加荷载，使结构从弹性工作状态开始，经历开裂和屈服，最终达到目标位移，最终得到结构底部剪力与顶点位移的关系，如图1.3.4(a)所示。利用单自由度系统和多自由度系统之间的转换关系，建立结构等效系统。将步骤中计算的曲线转化为

14、等效单自由度系统的加速度-位移曲线，作为结构的能力曲线，如图1.3.4(b)所示。以抗震规范设计反应谱或某一地震动为输入，计算等效单自由度体系的动力反应谱，并将其转化为不同阻尼比或延性比对应的加速度-位移曲线作为需求谱曲线，如图1.3.4(c)所示。(4)在同一坐标平面上绘制能力谱曲线和需求曲线。如果两条曲线不相交，则意味着结构不满足设计地震的性能要求，即结构不能抵抗预期地震，将会损坏或倒塌；如果相交，交点定义为特征反作用点，从而可以根据相应结构的基底剪力、顶点位移和楼层位移来评估结构的抗震性能，如图1.3.4(d)所示。2.建筑抗震设计建筑抗震设计包括概念设计、抗震计算和抗震结构措施。建筑抗震概念设计是指根据地震灾害和工程经验形成的基本设计原则和设计原则及思路，对建筑物和结构进行总体布置和确定细部构造的过程。抗震计算是指在考虑地震作用的情况下，检查构件的强度、检查结构的变形或检查抗震性能。抗震结构措施是对结构和非结构部分必须采取的各种细节要求建筑物的内部抗震设计如图2.1所示。建筑抗震概念设计的