关于建筑结构地震作用计算方法的讨论

速度和谱位移控制区时对反应谱的修正 ,与结构类型有
关 ; Gef1 为相应于结构基本周期的有效重力荷载 。
2004 抗震性态设计通则的结构影响系数 C 表 2
材料
钢
结构 框架 中心支撑 偏心支撑 框架2中 框架2偏 筒体和 倒摆式或
体系
框架 框架 心支撑 心支撑 巨型 柱系统
C 0125 0130 材料
作者简介 :叶列平 ,教授 ,博导 ,Email :ylp @mail . tsinghua. edu. cn 。
1
日本关东大地震以后 ,1924 年日本“都市建筑规范”首 次增设的抗震设计规定 ,取地震系数为 011 。1927 年 美国统一建筑规范 UBC 第一版也采用了静力法 ,地震 系数也是取 011 。静力法没有考虑结构的动力效应 ,即 认为结构在地震作用下随地基作整体水平刚体运动 , 其运动加速度等于地面运动加速度 ,地震力沿建筑高 度均匀分布 。设计中取用的地面运动加速度 ( 即基本 烈度所对应的地面运动加速度) 按不同地震烈度分区 给出 。
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 211 按中震计算地震作用方法的由来
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 。
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 = Cα1 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 ;α1 为相应于结构基本周期 T1 的地震影 响系数 α值 ,当设计烈度为 7 ,8 ,9 度时 ,其最大值 αmax
2
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Π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
0127 0127 0125 钢筋混凝土
0130 0155
结构 框架 框2排架 框架2 板柱2 板柱2 框架2 筒中筒
体系
抗震墙 抗震墙 框架 核心筒
C 0135 0135 0138 0138
材料
钢筋混凝土
结构 落地抗 局部框支 倒摆式或 框架 体系 震墙 抗震墙 柱系统
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
静力法产生于 20 世纪初期 ,是最早的结构抗震设 计方法[1 ,2] 。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 1Π10 ,层 2 ,3 取上部重量的 1Π12 。
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 。
212 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
1 引言 地震作 用 计 算 是 结 构 抗 震 设 计 首 先 要 解 决 的 问
题 。基于我国《建筑结构统一设计标准》( GBJ68 —84) (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 —78) (简称 78 抗震规范) 也是采用按中震计算 。
定方向结构的总水平地震作用标准值应按下式确定
FEk = Cηhα1 Gef1
(3)
式中 , C 按表 2 采用 ;α1 = kβ,其中 β为场地设计谱 ( 即
动力放大系数) , k = aΠg , g 为重力加速度 , a 为设计地
震加速度 ,对于中震按表 3 采用 ;ηh 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
分别取 0123 ,0145 ,0190 ; W 为产生地震荷载的建筑物
ຫໍສະໝຸດ Baidu
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 。
78 抗震规范的结构影响系数 C
表1
结构类型
框架结构
钢 钢筋混凝土
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
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 , 方鄂华
(清华大学土木工程系 ,北京 100084)
[摘要 ] 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
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
20 世纪 40 年代 ,随着结构动力学的发展 ,人们认 识到结构的加速度响应不同于地面运动加速度 ,而是 与结构自振周期和阻尼比等动力特性有关 ,且沿建筑 高度分布也不均匀 。采用动力学方法可求得不同周期 单自由度弹性体系质点的加速度反应 ,并建立了弹性 加速度反应谱 。对于弹性多自由度结构体系 ,又发展 了振型分解组合方法 ,以确定地震作用沿建筑高度的 分布 。由此建立了能够反映结构动力特性的反应谱设
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
ad = amΠR
(1)
式中 , R 称为地震力降低系数 ,现在称为承载力降低系
数 ,是一个大于 110 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
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
无筋砌体结构
多层内框架或底层全框架结构
钢柱
铰接排架 钢筋混凝土柱
砖柱
C 0125 0130 0130～0135 0135～0140 0145 0145 0130 0135 0140
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 61212 条规
定 ,结构水平地震作用采用底部剪力法时 ,在中震下给
计法 。 然而 ,在由静力法向反应谱法过渡的过程中 ,发现
短周期结构加速度谱值比静力法中的地震系数大 1 倍 以上 ,甚至大 6 倍[4] 。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 :