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建筑结构设计抗震研究

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1建筑场地类别划分

IBC2006规范和ASCE7-10规范中,依据30m深度范围土层等效剪切波速、平均锤击穿透次数、平均不排水剪切强度,场地类别划分为A,B,C,D,E,F。中国规范与美国规范的场地类别对比可参考文献

2地震反应谱加速度参数的场地修正

IBC2006规范和ASCE7—10规范中,地震反应谱加速度分布图基于B类场地土。对于非一般岩石场地的情况,规范引入了两个场地系数Fa和Fv,分别对反应谱加速度参数SS和S1进行修正,以考虑不同场地条件上的结构地震反应的差异。经场地修正的最大考虑地震反应谱加速度参数:式中,Fa为短周期场地类别影响系数,地震反应谱加速度相关系数;Fv为长周期场地类别影响系数,地震反应谱烈度相关系数。值得指出的是,这两个场地调整系数随场地类别的变化幅度很大,当场地类别由A类变化至E类时,系数Fa可从0.8变化至2.5,系数Fv可从0.8变化至3.5。这事实上是反映了厚软的土层将放大基岩地震动参数的中、长周期分量,从而导致中长周期段的结构地震反应显著增大。

3设计反应谱加速度参数

以上的地震加速度参数均对应的是“所考虑的最大地震”,而规范用于进行抗震设计的地震水准(designearthquake),即设防地震水准,则取为“所考虑的最大地震”的2/3。设计反应谱如图2所示。

4风险等级

IBC2006规范和ASCE7—10规范中,对于建筑和其他结构基于结构破坏的风险规定了结构的风险等级,如表1所示。风险等级从低到高分为Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ4个等级。

5结构抗震设计等级

IBC2006规范和ASCE7—10规范中,根据风险等级和设计反应谱加速度参数SDS和SD1,指定结构的抗震等级,抗震等级从低到高分为A,B,C,D,E,F6个等级。

6三种分析方法的选择

ASCE7—10规范中,提供了等效侧向力分析法(底部剪力法),振型反应谱分析法和地震反应谱时程分析法,并规定了各种方法的适用范围。具体来说,ASCE7—10对等效侧向力分析法(底部剪力法)的应用有一定限制,不允许用于对结构抗震设计等级为D,E,F的较复杂和较不规则的结构计算分析。规范对振型反应谱分析法和地震反应谱时程分析法的应用则没有限制。

7等效侧向力分析法(底部剪力法)

IBC2006规范和ASCE7—10规范中,重点介绍了等效侧向力分析法(底部剪力法)。式中,V为地震基底反力;CS为地震反应系数;W为重力荷载代表值;SDS为0.2s特征周期设计反应谱加速度参数;R为反应修正系数;Ie为重要性系数。地震反应系数CS的取值限值见ASCE7—10第12.8.1.节。

8结构重要性系数

ASCE7—10规范中,根据建筑物风险等级,不同荷载工况对应相应的重要性系数,如表2所示。表2雪荷载、覆冰荷载和地震荷载关于不同建筑物风险级别中,因为它的取值是由独立构件决定的而不是根据整体建筑和用途确定的。

9重力荷载代表值

重力荷载代表值W,包括恒载及表3荷载。

10结构体系和结构反应修正系数

RIBC2006规范和ASCE7—10规范中,结构体系对应相应的结构构造措施。结构体系和构造措施在《混凝土结构建筑规范》(ACI318)和《钢结构建筑抗震规定》(ANSI/AISC341)进行了规定。结构反应修正系数R根据不同的结构体系取不同的值。对结构抗震设计采用的弹性水准与延性水准抗震组合,美国规范给予了设计者一定程度的选择自由。这种选择的自由体现在,在一定的情况下,它允许设计者采用不同的弹性设计地震力与结构延性水准的组合。在特定的地震水准下,当设计采用不同延性水准的框架时,ASCE7—10规范给出的地震反应修正系数R取值也不同,即进行弹性设计的地震力也不同。设计选用的结构所具有的延性水准越高,则进行弹性设计时的地震力取值就越低。设计者对弹性水准与延性水准抗震组合的选择自由也是有限的,美国规范仍有一定的倾向性,即更倾向于较低弹性设计地震力与较高结构延性水准的抗震组合,认为这样的结构有更好的抗震性能。这一倾向具体体现在不同抗震设计类别下结构延性水准的选择自由上。此外,对于不同的结构抗震体系,因其具有不同的延性水准,地震反应降低系数的取值也有所区别,即弹性设计地震力也不同。这也可以在规范的具体条文中看出。总之,进行结构弹性设计的地震力与结构的延性水准和弹塑性耗能能力总是应该相配套、相适应的,对此有深刻的认识才能理解美国规范的抗震设计方法中设计地震力和系数R的取值以及结构抗震措施的规定。结构反应修正系数R见ASCE7—10第12.2节。

11与抗震等级相关的冗余度系数ρ

所有结构应在两个垂直方向的地震抗力系统上增加冗余度系数ρ,冗余度系数ρ与结构抗争等级相关。冗余度系数ρ取值为1.0或1.3,见ASCE7—10第12.3.4节。文献[8]将ρ定义为结构延性系数。

12地震荷载效应和荷载组合

1)水平地震荷载效应式中,Eh为水平地震荷载效应;ρ为冗余度系数;QE为由水平地震力引起的水平地震荷载效应。2)竖向地震荷载效应式中,EV为竖向地震荷载效应;SDS为0.2s特征周期设计反应谱加速度参数;D为恒载作用效应。3)地震参与的荷载效应组合ASCE7—10第2.3节,强度设计法的荷载组合,包含地震作用效应的组合公式为:当为第一种组合时,E=Eh+EV;当为第二种组合时,E=Eh-EV。4)考虑超强系数的地震荷载效应ASCE7—10规定,对于某些特殊的结构构件,其水平地震荷载效应需考虑超强系数的影响。式中,Emh为考虑超强系数的水平地震荷载效应,Ω0为超强系数。

相应地,当为第一种组合时,Em=Emh+Ev;当为第二种组合。对极少数需在设防地震作用下保持弹性工作的构件,规范明确提出需要考虑超强的情况下,才需要按照考虑水平地震荷载效应。绝大多数情况下,结构构件的水平地震荷载效应都是按照Eh考虑。4结语论文对美国建筑规范IBC2006和建筑设计荷载规范ASCE7—10的建筑结构抗震设计条文进行了研究,绘制了美国规范结构抗震设计思路体系图,理清了美国建筑结构的抗震设计思路,为下一步采用美国规范进行设计做了一些基础工作。

作者:李恩友刁现伟刘巍王岩禄单位:北京首钢国际工程技术有限公司

四川建筑杂志责任编辑:田老师    阅读:人次