1、目錄1. 抗震設(shè)計(jì)方法1.1結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算內(nèi)容 .1.2地震作用、作用效應(yīng)特征及分析方法 11.3結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法 1.3.1模式分解反應(yīng)譜法 1.3.2底部剪力法 1.3.3動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法 .1.3.4靜力彈塑性分析法 2. .建筑的抗震設(shè)計(jì)2.1兩階段設(shè)計(jì)方法 .2.2抗震性能設(shè)計(jì)方法2.2.1基于性能的設(shè)計(jì)要求 2 . 2 . 2性能化設(shè)計(jì)的計(jì)算要求3. 8號(hào)多層及高層鋼結(jié)構(gòu)住宅抗震設(shè)計(jì)3.1本層鋼結(jié)構(gòu)住宅和高層建筑的主要震害特征為 83.2多層和高層鋼結(jié)構(gòu)的選擇和布置3.3多層和高層鋼結(jié)構(gòu)的抗震計(jì)算和設(shè)計(jì) 93 . 3 . 1.計(jì)算模型3.3.2鋼梁柱抗震設(shè)計(jì)原則 113.3.3連接

2、 .的抗震設(shè)計(jì)原則1.抗震設(shè)計(jì)方法1.1結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算內(nèi)容在抗震設(shè)防區(qū)建造建筑物時(shí)，必須考慮地震對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，并進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。在抗震設(shè)計(jì)中，結(jié)構(gòu)形式和布置初步確定后，一般應(yīng)進(jìn)行抗震計(jì)算，包括以下三個(gè)方面。(1)地震作用及其對(duì)結(jié)構(gòu)的影響(包括彎矩、剪力、軸力和位移)的計(jì)算。(2)將地震效應(yīng)與結(jié)構(gòu)自重、樓蓋變荷載、風(fēng)荷載等其他荷載效應(yīng)結(jié)合起來(lái)，確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件的最不利內(nèi)力。(3)計(jì)算結(jié)構(gòu)或構(gòu)件截面的抗震能力，復(fù)核抗震極限狀態(tài)的設(shè)計(jì)，使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件滿足抗震承載力和變形能力的要求。1.2地震作用、作用效應(yīng)特征及分析方法當(dāng)?shù)卣鹬械孛娣磸?fù)震動(dòng)時(shí)，它會(huì)導(dǎo)致地面加速運(yùn)動(dòng)，并迫使建筑物產(chǎn)生相應(yīng)的加速度。這時(shí)，它相當(dāng)于一

3、個(gè)與加速度相反的慣性力，即地震作用。地震引起的結(jié)構(gòu)自重或活載等靜力作用是不同的。它是一種動(dòng)力作用，與結(jié)構(gòu)所在場(chǎng)地的地震動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性有關(guān)。地震活動(dòng)在空間和時(shí)間上都是隨機(jī)的，而且每次地震的時(shí)間都很短，所以地震活動(dòng)是一個(gè)隨機(jī)的過(guò)程。根據(jù)超越概率的大小，可分為頻繁地震作用和罕見地震作用等。頻繁地震作用是一種可變作用，其抗震設(shè)計(jì)屬于瞬態(tài)設(shè)計(jì)條件，罕遇地震是偶然作用，其抗震設(shè)計(jì)條件屬于偶然條件。地震作用效應(yīng)是指地震動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)的每一次瞬時(shí)內(nèi)力或應(yīng)力、瞬時(shí)應(yīng)變或位移、瞬時(shí)加速度和速度。由于地震作用效應(yīng)是一種隨時(shí)間迅速變化的動(dòng)態(tài)作用，所以也稱為地震反應(yīng)。與地震作用類似，地震反應(yīng)是一個(gè)隨機(jī)過(guò)程。靜態(tài)動(dòng)作

4、通常是直觀的，可以根據(jù)相關(guān)規(guī)定方便地計(jì)算。靜態(tài)作用的影響可以根據(jù)相關(guān)的靜力學(xué)方法計(jì)算，并且只有一個(gè)靜態(tài)解。地震作用及其效應(yīng)的分析屬于結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)范疇，因此需要確定和求解運(yùn)動(dòng)微分方程，其中地震激勵(lì)通過(guò)結(jié)構(gòu)的底部基礎(chǔ)傳遞到上部結(jié)構(gòu)，地震動(dòng)輸入是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，得到的地震響應(yīng)是一個(gè)時(shí)間過(guò)程。地震作用及其影響的分析方法包括動(dòng)力分析法和反應(yīng)譜法。動(dòng)力分析方法應(yīng)以結(jié)構(gòu)和地震動(dòng)輸入為基礎(chǔ)，建立動(dòng)力模型和運(yùn)動(dòng)微分方程，利用動(dòng)力學(xué)理論計(jì)算地震動(dòng)作用下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的時(shí)程，也稱時(shí)程分析法。反應(yīng)譜法基于線彈性理論，根據(jù)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和地震反應(yīng)譜曲線計(jì)算振型地震作用，然后根據(jù)靜力法計(jì)算振型內(nèi)力和變形。根據(jù)分析中使用的模態(tài)數(shù)量，

5、反應(yīng)譜法分為模態(tài)分解反應(yīng)譜法和底部剪切法。其中，模態(tài)分解反應(yīng)譜法考慮的模態(tài)較多，計(jì)算精度高，適用于大多數(shù)結(jié)構(gòu)，而底部剪力法只考慮一個(gè)基本模態(tài)或前兩個(gè)模態(tài)，適用于低階簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。1.3結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法在實(shí)際的建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，少數(shù)結(jié)構(gòu)可以簡(jiǎn)化為單自由度體系，大量的建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)該簡(jiǎn)化為多自由度體系。單向水平地震作用下，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法包括模態(tài)分解反應(yīng)譜法、底部剪力法、動(dòng)力時(shí)程分析法和非線性靜力分析法。1.3.1模式分解反應(yīng)譜法模態(tài)分解反應(yīng)譜法的基本概念是：假設(shè)結(jié)構(gòu)是一個(gè)多自由度彈性系統(tǒng)，利用模態(tài)分解和模態(tài)正交性原理，將N自由度彈性系統(tǒng)劃分為N個(gè)等效單自由度彈性系統(tǒng)，利用設(shè)計(jì)反應(yīng)譜得到每個(gè)模態(tài)

6、下等效單自由度彈性系統(tǒng)的效應(yīng)，然后按照一定的截面抗震驗(yàn)算規(guī)則將每個(gè)模態(tài)的效應(yīng)組合成總的地震效應(yīng)。(1)多自由度彈性系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程水平地震作用下多自由度彈性系統(tǒng)的變形如圖1.3.1所示。有運(yùn)動(dòng)方程：(1.3.1)對(duì)于含有n個(gè)質(zhì)點(diǎn)的彈性系統(tǒng)，可以寫出與公式(1.3.1)相似的n個(gè)方程，形成由n個(gè)方程組成的微分方程組，其矩陣形式為：(1.3.2)輸入M系統(tǒng)質(zhì)量矩陣；K系統(tǒng)剛度矩陣；C阻尼矩陣，一般采用瑞利阻尼2)振動(dòng)模式的正交性當(dāng)多自由度彈性系統(tǒng)自由振動(dòng)時(shí)，每個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)的頻率是不同的，任意兩個(gè)不同的模態(tài)之間存在正交性。利用振動(dòng)模態(tài)的正交性原理，可以大大簡(jiǎn)化多自由度彈性系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)微分方程的求解。包括三種

7、正交性：質(zhì)量矩陣的正交性；剛度矩陣的正交性；阻尼矩陣的正交性；3)模式分解利用振型的正交性，對(duì)公式1.3.2進(jìn)行簡(jiǎn)化和擴(kuò)展后，可以得到n個(gè)獨(dú)立的二階微分方程。對(duì)于第j種振動(dòng)模式，可以寫成：(1.3.3)在引入廣義質(zhì)量、廣義剛度和廣義阻尼的概念后，方程1.3.3可視為單自由度系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程4)多自由度彈性系統(tǒng)的地震效應(yīng)組合由于各模態(tài)作用效果的最大值并不同時(shí)出現(xiàn)，如果通過(guò)疊加各模態(tài)的最大響應(yīng)直接估計(jì)系統(tǒng)的最大響應(yīng)，結(jié)果顯然太大，過(guò)于保守。通過(guò)隨機(jī)振動(dòng)理論分析，得出平方和平方(SRSS)法在估算平面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的最大響應(yīng)時(shí)可以獲得較好的結(jié)果，即：(1.3.41)底部剪力法計(jì)算(1.3.5)輸入對(duì)應(yīng)于

8、結(jié)構(gòu)基本自振周期的水平地震影響系數(shù)結(jié)構(gòu)總重力和總荷載的代表值是高振動(dòng)模式的影響系數(shù)。經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算結(jié)果，統(tǒng)計(jì)分析表明，當(dāng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中每個(gè)粒子的質(zhì)量和高度大致相同時(shí)，有：對(duì)于單自由度系統(tǒng)。q=1；對(duì)于多自由度系統(tǒng)，取0.750.9，抗震規(guī)范取0.85。2)水平地震作用分布圖1.3.2簡(jiǎn)化第一振型根據(jù)底部剪力法的適用條件，結(jié)構(gòu)的第一模態(tài)占主導(dǎo)地位并接近于一條直線，即任何質(zhì)點(diǎn)的第一模態(tài)的位移與其高度成正比。每個(gè)粒子的水平地震作用可以推導(dǎo)出來(lái)：(1.3.6)1.3.3動(dòng)態(tài)時(shí)程分析方法動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法將結(jié)構(gòu)視為彈性或彈塑性振動(dòng)系統(tǒng)，建立振動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)微分方程，直接輸入地面加速度時(shí)程，直接積分運(yùn)動(dòng)微分方程，從

9、而得到振動(dòng)系統(tǒng)中各質(zhì)點(diǎn)的加速度、速度、位移和內(nèi)力的時(shí)程曲線。時(shí)程分析法是一種完全動(dòng)態(tài)的方法，可以獲得地震時(shí)程范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各點(diǎn)的反應(yīng)時(shí)程，信息量大，精度高；然而，這種方法計(jì)算量大，根據(jù)確定的地震動(dòng)時(shí)程得到結(jié)構(gòu)體系的明確反應(yīng)時(shí)程，因此在一次時(shí)程分析中很難考慮不同地震時(shí)程記錄的隨機(jī)性。時(shí)程分析方法分為模式分解法和逐步積分法。模態(tài)分解法利用了結(jié)構(gòu)系統(tǒng)模態(tài)的正交性，但只適用于結(jié)構(gòu)彈性地震反應(yīng)分析；逐步積分法適用于結(jié)構(gòu)的彈性和非彈性地震反應(yīng)分析。在結(jié)構(gòu)的時(shí)程分析中，需要確定結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型、結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的滯回模型、輸入地震波的選擇以及數(shù)值求解方法的確定。1)結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型結(jié)構(gòu)動(dòng)力時(shí)程分析模型可分為材料級(jí)實(shí)體

10、分析模型和構(gòu)件級(jí)簡(jiǎn)化分析模型。材料級(jí)實(shí)體分析模型基于結(jié)構(gòu)中各材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，構(gòu)件級(jí)簡(jiǎn)化分析模型基于構(gòu)件的力-變形關(guān)系曲線。圖1.3.3簡(jiǎn)化分析模型組件級(jí)的簡(jiǎn)化分析模型有兩種：層模型和條模型，如圖1.3.3所示。層模型假定結(jié)構(gòu)質(zhì)量集中在樓板和屋頂上，計(jì)算中只考慮層間變形，適用于砌體結(jié)構(gòu)和強(qiáng)梁弱柱框架結(jié)構(gòu)。桿模型以桿為基本計(jì)算單元，計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確，適用于強(qiáng)柱弱梁框架結(jié)構(gòu)以及框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。2)輸入地震波的選擇根據(jù)中國(guó)抗震規(guī)范規(guī)定，采用時(shí)程分析時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑場(chǎng)地類別和設(shè)計(jì)地震分組選擇實(shí)際強(qiáng)震記錄和人工模擬加速度時(shí)程曲線，其中實(shí)際強(qiáng)震記錄的數(shù)量不應(yīng)少于總數(shù)的2/3，多組時(shí)程曲線的平均地震影響

11、系數(shù)曲線應(yīng)與振型分解反應(yīng)譜法采用的地震影響系數(shù)曲線在統(tǒng)計(jì)上一致，加速度時(shí)程的最大值可按表1.3.1采用。表1.3.1時(shí)程分析中地震加速度時(shí)程的最大單位為：厘米/秒2為了考慮地震波的隨機(jī)性，在時(shí)程分析中應(yīng)選擇多個(gè)地震波來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)響應(yīng)。當(dāng)輸入三組加速度時(shí)程曲線時(shí)，計(jì)算結(jié)果應(yīng)為時(shí)程法的包絡(luò)值和模態(tài)分解法的較大值。當(dāng)取7組或7組以上的時(shí)程曲線時(shí)，計(jì)算結(jié)果可取平均值求解增量動(dòng)力方程有不同的方法，如線性加速度法、平均加速度法、紐馬克法、威爾遜法等。1.3.4靜態(tài)彈塑性分析方法時(shí)程分析法被認(rèn)為是結(jié)構(gòu)彈塑性分析最可靠的方法，因?yàn)樗梢杂?jì)算結(jié)構(gòu)在地震反應(yīng)全過(guò)程中的內(nèi)力和變形模式，給出結(jié)構(gòu)的開裂和屈服順序，找出應(yīng)

12、力和彈塑性變形的集中部位，從而判斷結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)理、薄弱環(huán)節(jié)和可能的破壞類型。目前，時(shí)程分析法越來(lái)越多地被用來(lái)計(jì)算和分析一些特殊而復(fù)雜的重要結(jié)構(gòu)，許多國(guó)家已經(jīng)將其納入規(guī)范。然而，時(shí)程分析法分析技術(shù)復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)、計(jì)算量大、結(jié)果處理復(fù)雜，因此在實(shí)際工程抗震設(shè)計(jì)中通常僅限于理論研究，尚未得到廣泛應(yīng)用。鑒于此，尋求一種簡(jiǎn)化的評(píng)估方法，能夠在一定程度上近似反映結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下的彈塑性性能，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。靜力彈塑性分析作為一種結(jié)構(gòu)非線性響應(yīng)的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，近年來(lái)受到學(xué)者和工程師的關(guān)注。POA方法符合基于結(jié)構(gòu)性能的抗震設(shè)計(jì)理念。POA方法的目標(biāo)是獲得一些彈性反應(yīng)譜法或動(dòng)力分析法無(wú)法獲得的結(jié)構(gòu)反應(yīng)特征，即獲得

13、結(jié)構(gòu)構(gòu)件在可能的地震作用下的內(nèi)力、結(jié)構(gòu)的整體或局部變形等。POA方法的主要用途是：估算重要單元的變形能力，揭示設(shè)計(jì)中潛在的薄弱環(huán)節(jié)，找出結(jié)構(gòu)中發(fā)生大變形的部位，估算結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性等。目前，這種方法比較現(xiàn)實(shí)，工程設(shè)計(jì)人員容易掌握。它可以從微觀和宏觀上了解結(jié)構(gòu)的彈塑性特性，得到有用的靜力分析結(jié)果。POA方法的基本步驟如下：(1)假設(shè)水平荷載沿結(jié)構(gòu)高度分布，向結(jié)構(gòu)施加荷載，并逐漸增加荷載，使結(jié)構(gòu)從彈性工作狀態(tài)開始，經(jīng)歷開裂和屈服，最終達(dá)到目標(biāo)位移，最終得到結(jié)構(gòu)底部剪力與頂點(diǎn)位移的關(guān)系，如圖1.3.4(a)所示。利用單自由度系統(tǒng)和多自由度系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立結(jié)構(gòu)等效系統(tǒng)。將步驟中計(jì)算的曲線轉(zhuǎn)化為

14、等效單自由度系統(tǒng)的加速度-位移曲線，作為結(jié)構(gòu)的能力曲線，如圖1.3.4(b)所示。以抗震規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)譜或某一地震動(dòng)為輸入，計(jì)算等效單自由度體系的動(dòng)力反應(yīng)譜，并將其轉(zhuǎn)化為不同阻尼比或延性比對(duì)應(yīng)的加速度-位移曲線作為需求譜曲線，如圖1.3.4(c)所示。(4)在同一坐標(biāo)平面上繪制能力譜曲線和需求曲線。如果兩條曲線不相交，則意味著結(jié)構(gòu)不滿足設(shè)計(jì)地震的性能要求，即結(jié)構(gòu)不能抵抗預(yù)期地震，將會(huì)損壞或倒塌；如果相交，交點(diǎn)定義為特征反作用點(diǎn)，從而可以根據(jù)相應(yīng)結(jié)構(gòu)的基底剪力、頂點(diǎn)位移和樓層位移來(lái)評(píng)估結(jié)構(gòu)的抗震性能，如圖1.3.4(d)所示。2.建筑抗震設(shè)計(jì)建筑抗震設(shè)計(jì)包括概念設(shè)計(jì)、抗震計(jì)算和抗震結(jié)構(gòu)措施。建筑抗震概念設(shè)計(jì)是指根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)形成的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)原則及思路，對(duì)建筑物和結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體布置和確定細(xì)部構(gòu)造的過(guò)程。抗震計(jì)算是指在考慮地震作用的情況下，檢查構(gòu)件的強(qiáng)度、檢查結(jié)構(gòu)的變形或檢查抗震性能。抗震結(jié)構(gòu)措施是對(duì)結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)部分必須采取的各種細(xì)節(jié)要求建筑物的內(nèi)部抗震設(shè)計(jì)如圖2.1所示。建筑抗震概念設(shè)計(jì)的