高層建筑結構設計水平荷載與結構計算簡化原則第二節(jié)地震作用一、特點地震時，地震波產(chǎn)生地面運動，通過房屋基礎使上部結構產(chǎn)生振動，這就是地震作用。地震作用使結構產(chǎn)生的運動稱為地震反應，包括位移、速度、與加速度，加速度將使結構產(chǎn)生慣性力，過大的慣性力將會影響結構的正常使用，甚至造成結構的破壞。地震波使建筑房屋產(chǎn)生豎向振動和水平振動，一般對房屋的破壞主要由水平振動造成。設計中主要考慮水平地震作用，只有震中附近的高烈度區(qū)域才考慮豎向地震作用。

地震動三要素：1、強度：反應地震波的幅值，烈度大，強度大。2、頻譜：反應地震波的波形，1962年墨西哥地震時，墨西哥市a=0.05g，但由于地震卓越周期與結構接近，從而破壞嚴重。3、持時：反應地震波的持續(xù)時間，短則對結構影響不大。地震動影響因素：

1、震源

2、深度

3、震中距

4、場地性質：地震波在傳播過程中，高頻部分易被吸收，軟土中更是如此，故震中附近或在巖石等堅硬土中，卓越周期在0.1～0.3s左右。離震中較遠或沖積土層很厚等軟土中，卓越周期在1.5～2.0s左右，對高層建筑不利。

5、建筑物本身：包括自振周期、振型與阻尼，與剛度質量有關，剛度質量大，則周期短，作用力大，剛度、質量小，則周期常，位移大，當?shù)卣鸩ㄗ吭街芷谂c建筑物的自振周期接近時，引起類共振，反應劇烈。二、抗震設計目標及方法抗震設計三水準：抗震設計：以等效地震荷載來表示地震作用。

1、小震不壞：50年超越概率63.2％；結構維持在彈性狀態(tài)，保證正常使用；

2、中震可修：50年超越概率10％，局部構件可進入塑性，但可修；

3、大震不倒：50年超越概率2～3％，結構有較大的非彈性變形，但控制在規(guī)定的范圍內，不能倒塌?？拐鹪O計兩階段設計方法：設計階段：采用相應于設防烈度的小震作用計算彈性位移及內力，用極限狀態(tài)方法設計配筋，并按延性采取相應的抗震措施。6度設防區(qū)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ類場地上高層建筑可不計算，但應取抗震措施；驗算階段：用罕遇地震作用計算所設計結構的彈塑性側移變形，如層間位移超過允許值，應重新設計，直至滿足大震不倒的要求為止。建筑類別與設防標準:建筑類別建筑的重要性抗震措施地震作用計算甲類特殊要求的建筑特殊考慮特殊考慮乙類國家重點抗震城市生命線工程的建筑提高一度（9度適當提高）原設防烈度丙類甲、乙、丁類以外的一般建筑原設防烈度原設防烈度丁類次要的建筑降低一度（6度不降）原設防烈度三、地震作用的計算原則和方法：

1、計算范圍：水平地震作用：

6度區(qū)（除甲類建筑和IV類場地上的較高房屋外）可不算

7-9度區(qū)（除可不進行上部結構抗震驗算的房屋外）均算豎向地震作用：8、9度大跨度結構和長懸臂結構9度的高層建筑2、水平地震作用的計算原則：一般正交布置抗側力構件的結構，可沿縱橫主軸方向分別計算斜交布置抗側力構件的結構，宜按平行于抗側力構件方向計算質量和剛度明顯不均勻、不對稱的結構，應考慮水平地震作用的扭轉影響3、地震作用的計算方法及其適用范圍地震作用結構方法使用范圍水平彈性底部剪力法高度不超過40m，以剪切變形為主，質量和剛度分布較均勻振型分解反應譜法不滿足底部剪力法應用條件的結構時程分析法（補充計算）甲類建筑、特別不規(guī)則的建筑H>100m，7、8度I、II類場地建筑H>80m，8度III、IV類場地和9度H>60m建筑彈塑性簡化方法（略）時程分析法（略）豎向彈性底部軸力法需考慮豎向地震作用的結構四、反應譜方法計算等效地震荷載根據(jù)大量的強震記錄，求出不同自振周期的單自由度體系地震最大反應，取這些反應的包線，稱為反應譜。以反應譜為依據(jù)進行抗震設計，則結構在這些地震記錄為基礎的地震作用下是安全的，這種方法稱為反應譜法。反應譜法是一種擬靜力方法。

1、設計反應譜曲線地震影響系數(shù)α是單質點彈性體系的絕對最大加速度與重力加速度的比值,它除與結構自振周期有關外,還與結構的阻尼比等有關。根據(jù)地震烈度、場地類別、設計地震分組和結構自振周期以及阻尼比的不同，水平地震影響系數(shù)α如下圖所示：2、反應譜底部剪力法

適用條件：結構高度小于40m，沿高度方向質量及剛度分布均勻，振型以剪切變形為主的高層建筑，可以只用基本自振周期確定總底部剪力。

水平地震力計算：結構總水平地震作用標準值即底部剪力FEk按下式計算：

當建筑為n層時，各樓層處地震力為。當結構有高振型影響時，頂部位移及慣性力加大。在底部剪力法中，用頂部附加近似考慮高振型的影響。頂部等效地震力為。及計算公式如下：主體結構頂層附加水平地震作用標準值可按下式計算：

采用底部剪力法計算高層建筑結構水平地震作用時，突出屋面房屋（樓梯間、電梯間、水箱間等）宜作為一個質點參加計算，計算求得的水平地震作用應考慮“鞭端效應”乘以增大系數(shù)，增大系數(shù)可按下表采用。此增大部分不應往下傳遞，僅用于突出屋面房屋自身以及與其直接連接的主體結構構件的設計。需要注意，對于結構基本自振周期的房屋并有小塔樓的情況，按上式計算的頂層附加水平地震作用標準值應作用于主體結構的頂層，而不應置于小塔樓的層頂處。3、反應譜振型組合

不符合底部剪力法適用條件的其他高層建筑，采用振型組合法確定等效地震荷載及內力。多自由度體系，可以按振型分解方法得到多個振型。通常n層結構可以看成n個振型和n個周期計算第j個振型，第i層水平等效地震力的公式：由各振型的水平地震作用Fji可以分別計算各振型的水平地震作用效應（內力和位移）?？偹降卣鹱饔眯刹捎闷椒胶烷_平方法求得：

4、樓層水平剪力最小值由于地震影響系數(shù)在長周期段下降較快，對于基本周期大于3s的結構，由此計算所得的水平地震作用下的結構效應可能偏小。而對于長周期結構，地震地面運動速度和位移可能對結構的破壞具有更大影響，但振型反應譜法或底部剪力尚無法對此作出估計。出于結構安全的考慮，《高層規(guī)程》規(guī)定了結構各樓層水平地震剪力最小值的要求，給出了不同烈度下的樓層地震剪力系數(shù)（即剪重比），結構的水平地震作用效應應據(jù)此進行相應的調整。水平地震作用計算時，結構各樓層對應于地震作用標準值的剪力應符合下式要求：

5、動力時程分析法

動力時程分析方法是將地震動記錄或人工地震波作用在結構上，直接對結構運動方程進行積分，求得結構任意時刻地震反應的分析方法，根據(jù)是否考慮結構的非線性行為，該法又可分為線性動力時程分析和非線性動力時程分析兩種。

隨著計算手段的不斷發(fā)展和對結構地震反應認識的不斷深入，該方法越來越受到重視，特別是對體系復雜結構的非線性地震反應，動力時程分析方法還是理論上唯一可行的分析方法，目前很多國家都將此方法列為規(guī)范采用的分析方法之一。雖然非線性時程分析方法是一種十分有效的方法，且到目前為止也是工程人員所能使用的十分精確的方法，但由于方法的復雜性等原因，其在實際工程抗震設計中的應用還受到許多的限制，同時，有很多問題有待進一步研究，如地震動的輸入，在進行動力彈塑性分析時構件恢復力模型的確定等。4、豎向地震作用計算《高層規(guī)程》規(guī)定，豎向地震作用一般只在9度設防區(qū)的建筑物中考慮；但對高層建筑中的長懸臂及大跨度構件，豎向地震的作用不容忽視，在8度及9度設防時都應計算。（1）9度設防高層建筑總豎向地震作用標準值可按下列公式計算：結構質點i的豎向地震作用標準值可按下式計算：

樓層各構件的豎向地震作用效應可按各構件承受的重力荷載代表值比例分配，并宜乘以增大系數(shù)1.5。（2）8度及9度抗震設防時，水平長懸臂構件、大跨度結構以及結構上部樓層外挑部分考慮豎向地震作用時，豎向地震作用的標準值可分別取該結構或構件承受的重力荷載代表值的10%和20%進行計算。5、罕遇地震作用下水平地震作用計算采用前述計算方法，不同的是取值不同，而且只計算位移，不計算內力。第三節(jié)水平荷載作用方向及結構計算的一般簡化假定實際結構往往為復雜空間體系，實際荷載也很復雜，故對高層建筑結構作精確計算十分困難，設計時必須進行必要的簡化。一、荷載作用方向實際風荷載以及地震作用方向是隨時間隨意變化的，結構計算常常假定水平作用在結構的主軸方向，對相互正交的主軸進行內力分析。二、平面結構假定任何結構都為一個空間結構，但對于框架、剪力墻、框架－剪力墻結構，大多數(shù)都可以簡化為平面結構，使得計算大為簡化。簡化時作如下兩個假定：

1、一片框架或剪力墻可以抵抗本身平面內的側向力，而在平面外剛度很小，可以忽略。故整個結構可以劃分為若干個平面結構，共