高层建筑结构设计水平地震作用

高层建筑结构设计
水平荷载与结构计算简化原则
第二节 地震作用
一、特点
地震时，地震波产生地面运动，通过房屋基础使上部结构产生振动， 这就是地震作用。地震作用使结构产生的运动称为地震反应，包括位移、 速度、与加速度，加速度将使结构产生惯性力，过大的惯性力将会影响 结构的正常使用，甚至造成结构的破坏。 地震波使建筑房屋产生竖向振动和水平振动，一般对房屋的破坏主要 由水平振动造成。设计中主要考虑水平地震作用，只有震中附近的高烈 度区域才考虑竖向地震作用。 地震动三要素： 1、强度：反应地震波的幅值，烈度大，强度大。 2、频谱：反应地震波的波形，1962年墨西哥地震时，墨西哥市a=0.05g， 但由于地震卓越周期与结构接近，从而破坏严重。 3、持时：反应地震波的持续时间，短则对结构影响不大。
动速度和位移可能对结构的破坏具有更大影响，但振型反应谱法或底部剪力尚无 法对此作出估计。出于结构安全的考虑，《高层规程》规定了结构各楼层水平地 震剪力最小值的要求，给出了不同烈度下的楼层地震剪力系数（即剪重比），结 构的水平地震作用效应应据此进行相应的调整。 水平地震作用计算时，结构各楼层对应于地震作用标准值的剪力应符合下式要 求：
1、计算范围： 水平地震作用：
• 6度区 （除甲类建筑和IV类场地上的较高房屋
外）可不算 • 7-9度区 （除可不进行上部结构抗震验算的房 屋外）均算
竖向地震作用：
•8、9度大跨度结构和长悬臂结构 •9度的高层建筑
2、水平地震作用的计算原则： – 一般正交布置抗侧力构件的结构，可沿纵横主轴方向分别计算 – 斜交布置抗侧力构件的结构，宜按平行于抗侧力构件方向计算 – 质量和刚度明显不均匀、不对称的结构，应考虑水平地震作用的 扭转影响
5、动力时程分析法
动力时程分析方法是将地震动记录或人工地震波作用在结构上，直接 对结构运动方程进行积分，求得结构任意时刻地震反应的分析方法，根 据是否考虑结构的非线性行为，该法又可分为线性动力时程分析和非线 性动力时程分析两种。
随着计算手段的不断发展和对结构地震反应认识的不断深入，该方法 越来越受到重视，特别是对体系复杂结构的非线性地震反应，动力时程 分析方法还是理论上唯一可行的分析方法，目前很多国家都将此方法列 为规范采用的分析方法之一。虽然非线性时程分析方法是一种十分有效 的方法，且到目前为止也是工程人员所能使用的十分精确的方法，但由 于方法的复杂性等原因，其在实际工程抗震设计中的应用还受到许多的 限制，同时，有很多问题有待进一步研究，如地震动的输入，在进行动 力弹塑性分析时构件恢复力模型的确定等。
地震动影响因素：
1、震源 2、深度 3、震中距 4、场地性质：地震波在传播过程中，高频部分易被吸收，软土中更是 如此，故震中附近或在岩石等坚硬土中，卓越周期在0.1～0.3s左右。离震 中较远或冲积土层很厚等软土中，卓越周期在1.5～2.0s左右，对高层建筑 不利。 5、建筑物本身：包括自振周期、振型与阻尼，与刚度质量有关，刚度 质量大，则周期短，作用力大，刚度、质量小，则周期常，位移大，当 地震波卓越周期与建筑物的自振周期接近时，引起类共振，反应剧烈。
二、平面结构假定
任何结构都为一个空间结构，但对于框架、剪力墙、框架－剪力墙 结构，大多数都可以简化为平面结构，使得计算大为简化。 简化时作如下两个假定： 1、一片框架或剪力墙可以抵抗本身平面内的侧向力，而在平面外刚 度很小，可以忽略。故整个结构可以划分为若干个平面结构，共同抵抗 与平面结构平行的荷载，垂直方向的结构不参与受力。 2、连接各个抗侧力结构间的楼板在自身平面内刚度很大，平面外很 小（无限刚性）。
5、罕遇地震作用下水平地震作用计算 采用前述计算方法，不同的是 max 取值不同，而且只计算 位移，不计算内力。
第三节 水平荷载作用方向及结构计算的一般简化假定
实际结构往往为复杂空间体系，实际荷载也很复杂，故对高层建筑 结构作精确计算十分困难，设计时必须进行必要的简化。
一、荷载作用方向
实际风荷载以及地震作用方向是随时间随意变化的，结构计算常常 假定水平作用在结构的主轴方向，对相互正交的主轴进行内力分析。
二、抗震设计目标及方法
抗震设计三水准：
抗震设计：以等效地震荷载来表示地震作用。 1、小震不坏：50年超越概率63.2％；结构维持在弹性状态，保证正常 使用； 2、中震可修：50年超越概率10％，局部构件可进入塑性，但可修； 3、大震不倒：50年超越概率2～3％，结构有较大的非弹性变形，但控 制在规定的范围内，不能倒塌。
的主体结构构件的设计。需要注意，对于结构基本自振周期的房屋并有
小塔楼的情况，按上式计算的顶层附加水平地震作用标准值应作用于主 体结构的顶层，而不应置于小塔楼的层顶处。
3、反应谱振型组合
不符合底部剪力法适用条件的其他高层建筑，采用振型组合法确定等 效地震荷载及内力。 多自由度体系，可以按振型分解方法得到多个振型。通常n层结构可 以看成n个振型和n个周期
主体结构顶层附加水平地震作用标准值可按下式计算：
采用底部剪力法计算高层建筑结构水平地震作用时，突出屋面房屋 （楼梯间、电梯间、水箱间等）宜作为一个质点参加计算，计算求得的 n 可按下表 水平地震作用应考虑“鞭端效应”乘以增大系数，增大系数 采用。 此增大部分不应往下传递，仅用于突出屋面房屋自身以及与其直接连接
3、 地震作用的计算方法及其适用范围
地震作 用 结构 方法 使用范围 高度不超过40m，以剪切变形为主，质量和 刚度分布较均匀 不满足底部剪力法应用条件的结构
底部剪力法
振型分解反 应谱法
弹性 水平
甲类建筑、特别不规则的建筑 H>100m，7、8度I、II类场地建筑 时程分析法 （补充计算） H>80m，8度III、IV类场地和9度H>60m建 筑 （略）
（略） 需考虑竖向地震作用的结构
弹塑 简化方法 性 时程分析法
竖向 弹性 底部轴力法
四、反应谱方法计算等效地震荷载
根据大量的强震记录，求出不同自振周期的单自由度体系地震最大反 应，取这些反应的包线，称为反应谱。以反应谱为依据进行抗震设计， 则结构在这些地震记录为基础的地震作用下是安全的，这种方法称为反 应谱法。反应谱法是一种拟静力方法。 1、设计反应谱曲线 地震影响系数α是单质点弹性体系的绝对最大加速度与重力加速度的 比值,它除与结构自振周期有关外,还与结构的阻尼比等有关。根据地震烈 度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比的不同，水平 地震影响系数α如下图所示：
2、反应谱底部剪力法 适用条件：结构高度小于40m，沿高度方向质量及刚度分布均匀，振 型以剪切变形为主的高层建筑，可以只用基本自振周期确定总底部剪 力。 水平地震力计算：结构总水平地震作用 标准值即底部剪力FEk按下式计算：
F n Fn F F
i n
当建筑为n层时，各楼层处地震力为Fi 。当结构有高振型影响时，顶 部位移及惯性力加大。在底部剪力法中，用顶部附加 Fn 近似考虑高振 型的影响。顶部等效地震力为 Fn Fn 。 Fi 及 Fn 计算公式如下：
抗震设计两阶段设计方法：
设计阶段：采用相应于设防烈度的小震作用计算弹性位移及内力，用极 限状态方法设计配筋，并按延性采取相应的抗震措施。6度设防区Ⅰ、Ⅱ、 Ⅲ类场地上高层建筑可不计算，但应取抗震措施； 验算阶段：用罕遇地震作用计算所设计结构的弹塑性侧移变形，如层间 位移超过允许值，应重新设计，直至满足大震不倒的要求为止。
建筑类别与设防标准:
建筑类别
建筑的重要性
抗震措施
地抗震城市生命 线工程的建筑 甲、乙、丁类以外的一 般建筑
特殊考虑 提高一度（9度 适当提高） 原设防烈度
特殊考虑 原设防烈度 原设防烈度
丁类
次要的建筑
降低一度（6度 不降）
原设防烈度
三、地震作用的计算原则和方法：
要解决的问题：
（1） 如何确定抗侧力结构刚度，水平荷载分配与各片抗侧力结构 刚度有关，刚度越大，结构单元所分配的荷载越大。 （2）如何确定每片抗侧力结构所分配的水平荷载下的内力及位 移，后面再阐述， 筒体结构应按空间结构进行分析。
计算第j个振型，第i层水平等效地震力的公式：
由各振型的水平地震作用Fji可以分别计算各振型的水平地震作用效应（内 力和位移）。总水平地震作用效应可采用平方和开平方法求得：
4、楼层水平剪力最小值
由于地震影响系数在长周期段下降较快，对于基本周期大于3s的结构，由此计
算所得的水平地震作用下的结构效应可能偏小。而对于长周期结构，地震地面运
4、竖向地震作用计算
《高层规程》规定，竖向地震作用一般只在9度设防区的建筑物中考 虑；但对高层建筑中的长悬臂及大跨度构件，竖向地震的作用不容忽
视，在8度及9度设防时都应计算。
（1）9度设防高层建筑总竖向地震作用标准值 可按下列公式计算：
结构质点i的竖向地震作用标准值可按下式计算：
楼层各构件的竖向地震作用效应可按各构件承受的重力荷载代表值 比例分配，并宜乘以增大系数1.5。 （2）8度及9度抗震设防时，水平长悬臂构件、大跨度结构以及结构上部 楼层外挑部分考虑竖向地震作用时，竖向地震作用的标准值可分别取该 结构或构件承受的重力荷载代表值的10%和20%进行计算。