关于建筑结构地震作用计算方法的讨论_叶列平

78 抗震规范的结构影响系数 C
结构类型 框架结构 钢 钢筋混凝土 C 0 25 0 30 0 30~ 0 35 0 35~ 0 40 0 45 0 45 0 30 0 35 0 40 钢柱 铰接排架 钢筋混凝土柱 砖柱
。这使 得地 震工 程师 无法解 释以
前按静力法设计的建筑物为什么也能够经受得住强震 作用, 在大震时并不倒塌[ 4 ] 。 为解决由静 力法向 反应 谱法的 过渡 问题, 以 美国 早期抗震 专家 Newmark 为代 表, 通 过地震 力降低 系数 R 将反应谱 法得到 的加速度 反应值 am 降低 到与静力 法水平地震作用相当的设计地震加速度 ad , 即: ad = a m R 数, 是一个大于 1 0 的系数。 在确定 R 的 过程 中, Newmark 认 识 到结 构的 非弹 性变形能力可使结构在较小屈服承载力的情况下能够 经受更大的地震作用。结构的非弹性变 形能力可以用 延性表示。延性不同的结构, 可以采用 不同的 R , 即延 性差的结构, R 取值 较小; 延 性较好 的结 构, R 取 值较 大。由于结构非 弹性 地震反 应分 析困难, 设计时 只能 根据震害经验采取必要的构造措施来保证结构的非弹 性变形能力。由此形成了目前国际通行 的基于反应谱 的抗震设计方 法, 即采 用加 速度反 应谱 并考虑 结构非 弹性变形能力特性折减后的地震作用来进行结构抗震 承载力计算, 而 结构的 非弹 性变形 能力 则通过 构造措 施予以保证。 与静力法相 比, 反应 谱法 在地震 力计 算的准 确性 方面有很大提高, 而引入 地震力 降低系数 R 则突出了 结构非弹性变 形能力 对结 构抗震 能力的 贡献, 并促使 ( 1) 式中, R 称为地震力降低系数, 现在称为 承载力降低系
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引言 地震作 用计 算 是结 构 抗震 设 计首 先 要解 决 的问 84)
则 ( CECS160: 2004) ( 简称 抗震 性态 设计 通则 ) 采 用的 是按中震计算方法。在介绍两种地震作用 计算方法的 基础上, 讨论了两种方法的优缺点, 提出对 我国抗震规 范地震作用计算方法的改进建议。 2 按中震计算地震作用的方法及其优缺点 按中震计算地震作用方法是在静力法 基础上发展 起来的反应谱法。静力法和反应谱法都属 于基于承载 力设计方法, 所 不同的 是反应 谱法 考虑了 结构 动力效 应, 使地震力分布更合理, 同时更加明确了 结构塑性变 形能力对结构抗震的作用。 静力法产生于 20 世纪初期, 是最早的结 构抗震设 计方法
Discussion on calculation method of earthquake force for building structures Ye Lieping, Fang Ehua
( Department of Civil Engineering, Tsinghua University , Beijing 100084, China) Abstract: Since the aseismic design code of 1989 s version for building structures in China, the earthquake forces is determined according the frequent earthquake intensity. But the seismic design code before 1978 s version and the codes of other countries that have earthquake resistance requirement, the earthquake forces are determined according the design earthquake intensity. After presening the background of these two methods, the advantages and disadvantages for both methods are presented and discussed. The method of seismic design based on performance for determination of earthquake force is put forward. Keywords: earthquake; seismic design based performance; designed according the frequent earthquake intensity; designed according the design earthquake intensity
2 1 按中震计算地震作用方法的由来
。该方法把地震地 面运 动引起 的结 构水平
惯性力 看 成 是作 用 在 建 筑 物 上的 水 平 力 ( 即 地震 作 用) , 并取该总水平力为建筑物总重量乘以 一个地震系 数。意大利 Panetti 教 授建 议, 建 筑物 层 1 取 设计 地震 水平力为上部重量的 1 10, 层 2, 3 取上 部重量 的 1 12。
1
为相 应于 结构基 本周期 T 1 的 地震影
max
值, 当设计烈度为 7, 8, 9 度时, 其最大 值
分别取 0 23, 0 45, 0 90; W 为产 生地 震荷 载 的建 筑物
表1
钢筋混凝土框架加抗震墙 ( 或抗震支撑 ) 结构 钢筋混凝土抗震墙结构 无筋砌体结构 多层内框架或底层全框架结构
2004 年的抗震性态设计通则已大大丰富了结构类 型, 并在式( 1) 的基 础上进行 了完善。其 第 6 2 2 条规
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定, 结构水平地震确定 F Ek = C h 1 G ef1 ( 3) 式中, C 按表 2 采用;
[ 4]
对结构非弹性地震响应的研究。 随着近年来建筑工程所承担的社会和 经济重要性 越来越高, 在地 震中因 破损而 造成 的经济 损失 成为抗 震设计所必须考 虑的 因素, 同 时随 着对结 构的 非弹性 地震响应分析水平的提高, 基于性能 位移抗震 设计方 法成为目 前 抗震 设计 方 法 的主 要 方向。 其实 质 有两 个: 1) 对于承担具有重要经济 价值和 社会影响 的建筑 工程, 大震不倒不再是最低抗震设防目标, 而是以预期 综合经济指标损 失最 小为抗 震设 防目标, 也就 是建筑 抗震设防 是多 层次 的。2) 抗 震分 析方 法已 经发 展到 能够计算 包括 非弹 性 变形 在内 的 结构 非 弹性 地 震响 应, 从而有相 应的 技术 能力 实现 1) 的抗 震 设防 目标, 也即结构抗震设 计是多 参数的 ( 目 前主要 依据 结构承 载力单一指标) 。 上述问题不属于文中地震作用计算方 法讨论的问 题, 但又有关 系。因为按 中震 计算地 震作用 方法 的发 展与上述抗震设计方法的发展有直接关系。 2 2 按中震计算地震作用方法的表达式 我国 78 抗震 规范 和抗震 性态 设计 通则 均采 用中 震计算方法。美国 规范 UBC、 日本 规范 BSL 、 新 西兰规 范 NZS 和 欧 洲 规 范 Eurocode8 也 都 采 用 中 震 计 算 方 法[ 5] 。因篇幅所限, 仅介绍我国 78 抗震规 范和抗震性 态设计通则的地震作用表达式。 78 抗震规范第 14 条规定的结构底部剪力为 Q0 = C 1 W ( 2) 式中, C 为结构影响系数, 是考虑不同结构 材料和结构 体系延性能力的差别对地震荷载( 即地震作 用) 的折减 系数, 见表 1; 响系数 总重量。 由表 1 可见, 78 抗 震规范 所包 含的结 构类 型比较 少, 这与当时国内的建设状况有关。
[ 1, 2]
题。基于 我国 建筑 结构 统一 设计 标准 ( GBJ68
( 简称统一标准) 规定的设计方法体系, 1989 编制的 建 筑抗震设计规范 ( GBJ11 89) ( 简称 89 抗震规 范) , 开 始采用按小震 计算地 震作 用的方 法, 该 方法一 直沿用 至今。国际上主要抗震国家的相关设计 规范和标准基 本都采用 按中 震 计算 地震 作用 的 方法。89 抗震 规范 的前 身 工 业 与 民用 建 筑 抗 震设 计 规 范 ( TJ11 ( 简称 78 抗震规范) 也是采用按中震计算。 89 抗 震规 范 和 建筑 抗 震设 计 规范 ( GB50011 2001) ( 简称 01 抗震 规范) 实施 以来, 我 国建 筑结 构的 整体抗震能力 有很大 提高, 理论分 析和 这次汶 川震害 情况也表明, 按 89 和 01 抗 震规范设 计的建 筑结构, 抗 震能力比 78 抗震规范有 明显提高。但是, 随 着各种新 型结构体系和 结构形 式的 不断出 现, 以 及基于 性能结 构抗震设计方 法的发 展, 按 小震计 算方 法暴露 出很多 问题, 学术界和 工程界 曾多 次提出 过恢 复到中 震计算 方法。2004 年编制出 版的 建筑工 程抗 震性态 设计通 78)
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考虑了结构规则性系数 F es 。 2 3 按中震计算地震作用的优缺点 2 3 1 优点 结构影响系 数 C 在 结 构抗 震概 念上 反 映了 结构 材料、 结构体系、 结构形 式、 结 构规则 性等整 体结 构特 征对在中震作用 下结 构抗震 能力 的影响; 能够 综合反 映结构整体抗震 能力 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, 而结 构在实 际地 震作用 下进入了非弹性 变形 阶段, 为 抗震 设计规 范在 地震力 估计时考虑结构的非线性变形能力或耗能 能力问题打
第 39 卷 第 2 期
建
筑
结
构
2009 年 2 月
关于建筑结构地震作用计算方法的讨论
叶列平,
[ 摘要 ]
方鄂华
( 清华大学土木工程系, 北京 100084)
地 震作用计算是结构抗震设计首先要解决的问 题。我国自 89 抗震 规范开始采 用按多遇地 震 ( 小震 ) 计算 地震作用。国际上主要抗震国家和我国 78 抗震规范 都采用按设 防烈度地震 ( 中震 ) 计算 地震作 用。随着抗 震规范 在修订、 发展和使用中不断暴露出来的各种问 题 , 学术界和工程界 多次提出恢 复到按中 震计算地震 作用 , 以解决现 行抗震规范及其它结构设计规范中存在的一系列问题。近年来 , 随着基于性能抗震设计方法的发展 , 这一问 题又再 次被提出。 2004 年编制出版的 建筑工程抗震性 态设计 通则 采用 的是按 中震计 算地震作 用。在介 绍两种 地震作 用计算方法的基础上 , 讨论了两种方法的优缺 点 , 并基于性能抗震 设计的发展 , 提出 了我国地 震作用计算 方法的研 究方向。 [ 关键词 ] 地震 ; 基于性能的抗震设计 ; 小震计算 ; 中震计算