分析高层建筑结构设计的中震设计概念.docx

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分析高层建筑结构设计的中震设计概念

分析高层建筑结构设计的中震设计概念

　　摘要：

本文主要阐述了中中震设计的原理、设计方法及软件操作，并提出一些个人见解以供参考。

　　关键词：

中震设计概念；地震影响系数；荷载

　　Abstract:

thispapermainlyexpoundstheshockoftheprincipleofdesign,designmethodsandsoftwareoperation,andputsforwardsomeideasforreference.

　　Keywords:

theshockofdesignconcepts;Theearthquakeeffectcoefficient;load

　　中图分类号：

S611文献标识码：

A文章编号：

　　1前言

　　对于普通建筑物的结构抗震设计，目前我国是以小震为设计基础，中震和大震则是通过地震力的调整系数和各种抗震构造措施来保证的。

但是对于较重要的、超高的、超限的建筑物则需要进行中震和大震的抗震计算。

　　《建筑抗震设计规范》（GB50011-20012008年版）（下简称《抗规》）中对中震设计仅在总则中提到“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设防目标，但没有给出中震设计的设计要求和判断标准。

　　首先我们了解一下现行《抗规》存在几个问题：

　　1规范未对结构存在的薄弱构件进行分析并作出专门的设计规定，仅对框架类剪切型结构适用的薄弱层作了一些规定；

　　2在中震作用下，规范仅提出“中震可修”的概念设计要求，没有具体的抗震设计方法；

　　3“中震可修”的技术经济问题：

可修的标准决定工程造价、破坏损失、震后修复费用。

　　随着时代的进步，现在的建筑物体型复杂，结构新颖，超高超限越来越多，因此要求对结构进行中震的设计也越来越多。

　　2中震设计

　　2.1为何要进行中震设计呢？

　　《抗规》条文说明1.0.1条指出，对大多数结构，可只进行第一阶段设计（即小震下的弹性计算），而通过概念设计和抗震构造措施来实现“中震可修和大震不倒”的设计要求，但前提是建筑物的体型常规、合理，经验上一般能满足大中震的抗震要求。

反之对于一些体型很不好的甚至超限的建筑物，在大震下的结构反应和小震完全不同，不进行相应的中震和大震计算是没法保证结构安全的。

　　为达到各阶段抗震要求，须对于上述体型异常、刚度变化大、超高超限等类型建筑物进行中震抗震设计，其余类型建筑物建议可按中震抗震进行验算。

　　2.2中震设计的基本概念

　　抗震设计要达到的目标是在不同频数和强度的地震时，要求建筑物具有不同的抵抗能力。

中震设计就是为了使建筑物满足该地区的基本设防烈度，即能够抵抗50年限期内可能遭遇超越概率为10％的地震烈度。

　　中震设计和大震设计都可称为性能设计。

基于性能的抗震设计是建筑结构抗震设计的一个新的重要发展，它的特点是使抗震设计从宏观性、规范指定的目标向具体量化的多重目标过渡，业主（设计者）可选择所需的性能目标，而不仅仅是按现行规范通过分项系数、内力调整系数、抗震构造措施等粗略、定性的手段来满足中震和大震的设防要求。

针对本工程的结构特点，设定本结构的抗震性能目标。

对超限结构而言，利用这些指标能更合理地判断整体结构在中震、大震作用下的性能表现，给超限设计提供可靠的判断依据。

　　2.3中震设计的分类

　　中震设计就是结构在地震影响系数按小震的2.875倍（αmax=0.23）取值下进行验算。

目前工程界对于结构的中震设计有两种方法，第一种按照中震弹性设计，第二种是按照中震不屈服设计。

　　首先明确一点，中震弹性和中震不屈服是两个完全不同的概念，两者所采用的设计方法与设防目的均不相同。

中震弹性设计，设计中取消《抗规》要求的各项地震组合内力调整系数，保留材料、荷载等分项系数，对应地保留了结构的安全度和可靠度，结构仍属于弹性阶段，属正常设计。

中震不屈服设计，设计中除了地震内力不作调整，同时也取消了材料、荷载等分项系数，对应地不考虑结构的安全度和可靠度，结构已经处于弹塑性阶段，属承载力极限状态设计，是一种基于性能的设计方法。

由此可见，中震弹性设计接近于平常的小震弹性设计，而中震不屈服设计则与大震设计同属于基于性能的设计。

　　3基本方法及应用

　　根据中震设计的分类，以下分别阐述中震弹性及中震不屈服的具体设计方法，介绍如何在satwe、etabs、midas等软件中实现中震设计。

　　3.1分析条件及设计要求；

　　根据《抗规》第5.4.1条规定，“结构构件的地震作用效应和其他荷载效应的基本组合，应按下式计算：

　　S=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+φWγWSWk

（1）

　　中震设计中，风荷载不需要参与组合，因此φW为0，即中震设计的基本组合：

　　S=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk

（2）

　　其中φW、γW为风载组合系数和分项系数；重力荷载分项系数γG及地震作用分项系数γEh、γEv在、在中震弹性设计时与小震相同，而中震不屈服设计则全为1.0。

　　3.2中震弹性设计

　　3.2.1计算方法按公式

（2），相应设计参数见表1。

　　3.2.2要求结构的抗震承载力满足弹性设计要求。

　　3.2.3SAWTE计算：

地震信息中抗震等级均为四级；αmax按表1取值；总信息中风荷载不参加计算；其它设计参数的定义均同小震设计。

　　3.2.4MIDAS/Gen计算：

主菜单→设计→钢筋混凝土构件设计参数→定义抗震等级：

四级；主菜单→荷载→反应谱分析数据→反应谱函数：

定义中震反应谱，在相应的小震反应谱基础上输入放大系数β即可，β值按表2取值；总信息中风荷载不参加计算；其它同小震。

　　3.2.5ETABS计算：

选项→首选项→混凝土框架设计→定义抗震设计等级：

四级；定义→反应谱函数→AddChinese2002Spectrum→定义中震反应谱，地震影响系数最大值αmax按表1取值，其余参数按《抗规》；静荷载工况中不定义风荷载作用；其它同小震。

　　3.3中震不屈服设计

　　3.3.1根据公式

（2）及表1可知，构件标准组合内力按如下公式计算：

　　SE=SGE+SEhk+SEvk（3）

　　3.3.2构件抗屈服承载力计算：

根据表1，按《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）的相关公式计算，材料强度均取标准值。

　　3.3.3构件屈服判断：

根据《工程结构可靠度设计统一标准》（GB50153-92）第6.0.4条规定，当结构构件按承载能力极限状态设计时，可采用下列设计表达式：

　　γoS（Fd，ad，ψc，γsd）≤R（fd，ad，C，γRd）（4）

　　因此，当结构构件出现

　　γoS（?

）＞R（?

）（5）

　　即标志着该构件已经屈服。

根据表1可知，式中S（?

）为弹性计算求得的构件内力组合的标准值；R（?

）为构件抗屈服承载力标准值；γo为结构重要性系数。

　　3.3.4不同抗震烈度下的各级屈服控制

　　一般情况按《抗规》的地震影响要求进行，具体如下表3：

　　若场地安评报告提供实际的地震影响系数，则应取用所提供的多遇地震、设防烈度地震下相应的地震影响系数，屈服判别地震作用1、2的地震影响系数可相应插值求得。

　　3.3.5SAWTE计算：

地震信息中抗震等级均为四级；αmax按表3取值；总信息中风荷载不参加计算；勾选地震信息中的按中震（或大震）不屈服做结构设计选项；其它设计参数的定义均同小震设计。

　　3.3.6MIDAS/Gen计算：

主菜单→设计→钢筋混凝土构件设计参数→定义抗震等级：

四级；主菜单→荷载→反应谱分析数据→反应谱函数：

定义中震反应谱，在相应的小震反应谱基础上输入放大系数β即可，β值按表3计算所得；总信息中风荷载不参加计算；主菜单→结果→荷载组合：

将各项荷载组合中的地震作用分项系数取为1.0；主菜单→设计→钢筋混凝土构件设计参数→材料分项系数：

将材料分项系数取为1.0；其它同小震。

　　3.3.7ETABS计算：

选项→首选项→混凝土框架设计→定义抗震设计等级：

四级；定义→反应谱函数→AddChinese2002Spectrum→定义中震反应谱，地震影响系数最大值αmax按表3取值，其余参数按《抗规》；静荷载工况中不定义风荷载作用；定义→荷载组合→各项荷载比例系数均取为荷载分项系数1.0x荷载组合系数φ；定义→材料属性→填写各材料的强度标准值其它同小震。

　　3.3.8通过以上各项调整，程序应自动按如下内容处理：

地震内力放大系数为1.0；风荷载不参加组合计算；重力荷载及地震分项系数为1.0；材料强度采用标准值；抗震承载力不作调整。

　　4工程算例

　　4.1示范算例

　　4.1.1基本参数：

二十二层框支剪力墙结构，三层楼面转换，无地下室，首、二层4.5米，标准层3.5米，总高79m。

结构平面布置如图一所示。

结构高宽比3.76，长宽比1.22；抗震参数，7度，第一组，0.10g；场地II类；风荷载100年一遇为0.9kN/?

O。

　　5中震设计的存疑

　　5.1中震设计，暂时只是一种业界约定，并未形成规范规程，相关参数选项不同的设计单位有不同的设置，对结果的判定方法也不统一，缺乏统一标准。

　　5.2中震计算，构件存在小震弹性、中震不屈服、中震弹性三种配筋结果，如何确定选取那一种计算结果应用到实际工程？

三者关系如何？

　　5.3中震设计取消了相应的地震组合内力调整系数（即强柱弱梁、强剪弱弯调整系数），这一设计理念与规范相左，可能使得结构不安全。

　　5.4中震设计取消风荷载组合，但实际中，风荷载较大的地区、超高层及高宽比较大的建筑物的结构内力和变形均由风荷载起控制作用，而不是地震作用。

那么取消风荷载作用组合是否安全、可行呢？

若考虑风荷载参加组合，则组合系数又如何确定呢？

　　6对未来抗震设计的展望

　　目前的结构设计基本上是基于小震的，对于性能目标提出的中震、大震的要求，我们的设计措施是非常缺乏的。

　　汶川大地震后，很多结构专家提出竖向构件设计过渡到中震设计（框架梁还是按小震设计），保证竖向构件的承载力，有利于真正实现“大震不倒”的设计意图。

实际上，发达国家都按中震设计结构。

通过竖向构件承载力提高和中震作用的切入，这种细分的性能设计比较容易落实，实际工程中也比较容易操作，更容易达到强柱弱梁的基本指标。

　　完善我国规范中二阶段设计的内容，是提高我国建筑整体抗震性能的重要工作之一。

将性能设计的思想以及实现的思路、手段更加明确地写入规范条文，给性能设计的实践创造更好的条件。

因此规范应该尽快给出中震设计、乃至大震设计思路和方法。

　　参考文献:

　　[1]建筑抗震设计的屈服判别法及其工程应用―魏琏、王森

　　[2]复杂高层建筑结构设计―徐培福

　　注：

文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。