5 地震作用和结构抗震验算

5.1 一般规定

5.1.1 抗震设计时,结构所承受的“地震力”实际上是由于地震地面运动引起的动态作用,包括地震加速度、速度和动位移的作用,按照国家标准《建筑结构设计术语和符号标准》GB/T 50083的规定,属于间接作用,不可称为“荷载”,应称“地震作用”。
    结构应考虑的地震作用方向有以下规定:
    1 某一方向水平地震作用主要由该方向抗侧力构件承担,如该构件带有翼缘、翼墙等,尚应包括翼缘、翼墙的抗侧力作用。
    2 考虑到地震可能来自任意方向,为此要求有斜交抗侧力构件的结构,应考虑对各构件的最不利方向的水平地震作用,一般即与该构件平行的方向。明确交角大于15°时,应考虑斜向地震作用。
    3 不对称不均匀的结构是“不规则结构”的一种,同一建筑单元同一平面内质量、刚度分布不对称,或虽在本层平面内对称,但沿高度分布不对称的结构。需考虑扭转影响的结构,具有明显的不规则性。扭转计算应同时“考虑双向水平地震作用下的扭转影响”。
    4 研究表明,对于较高的高层建筑,其竖向地震作用产生的轴力在结构上部是不可忽略的,故要求9度区高层建筑需考虑竖向地震作用。
    5 关于大跨度和长悬臂结构,根据我国大陆和台湾地震的经验,9度和9度以上时,跨度大于18m的屋架、1.5m以上的悬挑阳台和走廊等震害严重甚至倒塌;8度时,跨度大于24m的屋架、2m以上的悬挑阳台和走廊等震害严重。

5.1.2 不同的结构采用不同的分析方法在各国抗震规范中均有体现,底部剪力法和振型分解反应谱法仍是基本方法,时程分析法作为补充计算方法,对特别不规则(参照本规范表3.4.3的规定)、特别重要的和较高的高层建筑才要求采用。所谓“补充”,主要指对计算结果的底部剪力、楼层剪力和层间位移进行比较,当时程分析法大于振型分解反应谱法时,相关部位的构件内力和配筋作相应的调整。
    进行时程分析时,鉴于不同地震波输入进行时程分析的结果不同,本条规定一般可以根据小样本容量下的计算结果来估计地震作用效应值。通过大量地震加速度记录输入不同结构类型进行时程分析结果的统计分析,若选用不少于二组实际记录和一组人工模拟的加速度时程曲线作为输入,计算的平均地震效应值不小于大样本容量平均值的保证率在85%以上,而且一般也不会偏大很多。当选用数量较多的地震波,如5组实际记录和2组人工模拟时程曲线,则保证率更高。所谓“在统计意义上相符”指的是,多组时程波的平均地震影响系数曲线与振型分解反应谱法所用的地震影响系数曲线相比,在对应于结构主要振型的周期点上相差不大于20%。计算结果在结构主方向的平均底部剪力一般不会小于振型分解反应谱法计算结果的80%,每条地震波输入的计算结果不会小于65%。从工程角度考虑,这样可以保证时程分析结果满足最低安全要求。但计算结果也不能太大,每条地震波输入计算不大于135%,平均不大于120%。
    正确选择输入的地震加速度时程曲线,要满足地震动三要素的要求,即频谱特性、有效峰值和持续时间均要符合规定。
    频谱特性可用地震影响系数曲线表征,依据所处的场地类别和设计地震分组确定。
    加速度的有效峰值按规范表5.1.2-2中所列地震加速度最大值采用,即以地震影响系数最大值除以放大系数(约2.25)得到。计算输入的加速度曲线的峰值,必要时可比上述有效峰值适当加大。当结构采用三维空间模型等需要双向(二个水平向)或三向(二个水平和一个竖向)地震波输入时,其加速度最大值通常按1(水平1):0.85(水平2):0.65(竖向)的比例调整。人工模拟的加速度时程曲线,也应按上述要求生成。
    输入的地震加速度时程曲线的有效持续时间,一般从首次达到该时程曲线最大峰值的10%那一点算起,到最后一点达到最大峰值的10%为止;不论是实际的强震记录还是人工模拟波形,有效持续时间一般为结构基本周期的(5~10)倍,即结构顶点的位移可按基本周期往复(5~10)次。
    抗震性能设计所需要对应于设防地震(中震)的加速度最大峰值,即本规范表3.2.2的设计基本地震加速度值,对应的地震影响系数最大值,见本规范3.10节。
    本次修订,增加了平面投影尺度很大的大跨空间结构地震作用的下列计算要求:
        1 平面投影尺度很大的空间结构,指跨度大于120m、或长度大于300m、或悬臂大于40m的结构。
        2 关于结构形式和支承条件
        对周边支承空间结构,如:网架,单、双层网壳,索穹顶,弦支穹顶屋盖和下部圈梁-框架结构,当下部支承结构为一个整体、且与上部空间结构侧向刚度比大于等于2时,可采用三向(水平两向加竖向)单点一致输入计算地震作用;当下部支承结构由结构缝分开、且每个独立的支承结构单元与上部空间结构侧向刚度比小于2时,应采用三向多点输入计算地震作用;
        对两线边支承空间结构,如:拱,拱桁架;门式刚架,门式桁架;圆柱面网壳等结构,当支承于独立基础时,应采用三向多点输入计算地震作用;
        对长悬臂空间结构,应视其支承结构特点,采用多向单点一致输入、或多向多点输入计算地震作用。
        3 关于单点一致输入、多向单点输入、多点输入和多向多点输入
        单点一致输入,即仅对基础底部输入一致的加速度反应谱或加速度时程进行结构计算。
        多向单点输入,即沿空间结构基础底部,三向同时输入,其地震动参数(加速度峰值或反应谱最大值)比例取:水平主向:水平次向:竖向=1.00:0.85:0.65。
        多点输入,即考虑地震行波效应和局部场地效应,对各独立基础或支承结构输入不同的设计反应谱或加速度时程进行计算,估计可能造成的地震效应。对于6度和7度Ⅰ、Ⅱ类场地上的大跨空间结构,多点输入下的地震效应不太明显,可以采用简化计算方法,乘以附加地震作用效应系数,跨度越大、场地条件越差,附加地震作用系数越大;对于7度Ⅲ、Ⅳ场地和8、9度区,多点输入下的地震效应比较明显,应考虑行波和局部场地效应对输入加速度时程进行修正,采用结构时程分析方法进行多点输入下的抗震验算。
        多向多点输入,即同时考虑多向和多点输入进行计算。
        4 关于行波效应
        研究证明,地震传播过程的行波效应、相干效应和局部场地效应对于大跨空间结构的地震效应有不同程度的影响,其中,以行波效应和场地效应的影响较为显著,一般情况下,可不考虑相干效应。对于周边支承空间结构,行波效应影响表现在对大跨屋盖系统和下部支承结构;对于两线边支承空间结构,行波效应通过支座影响到上部结构。
        行波效应将使不同点支承结构或支座处的加速度峰值不同,相位也不同,从而使不同点的设计反应谱或加速度时程不同,计算分析应考虑这些差异。由于地震动是一种随机过程,多点输入时,应考虑最不利的组合情况。行波效应与潜在震源、传播路径、场地的地震地质特性有关,当需要进行多点输入计算分析时,应对此作专门研究。
        5 关于局部场地效应
        当独立基础或支承结构下卧土层剖面地质条件相差较大时,可采用一维或二维模型计算求得基础底部的土层地震反应谱或加速度时程、或按土层等效剪切波速对基岩地震反应谱或加速度时程进行修正后,作为多点输入的地震反应谱或加速度时程。当下卧土层剖面地质条件比较均匀时,可不考虑局部场地效应,不需要对地震反应谱或加速度时程进行修正。

5.1.3 按现行国家标准《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068的原则规定,地震发生时恒荷载与其他重力荷载可能的遇合结果总称为“抗震设计的重力荷载代表值GE”,即永久荷载标准值与有关可变荷载组合值之和。组合值系数基本上沿用78规范的取值,考虑到藏书库等活荷载在地震时遇合的概率较大,故按等效楼面均布荷载计算活荷载时,其组合值系数为0.8。
    表中硬钩吊车的组合值系数,只适用于一般情况,吊重较大时需按实际情况取值。

5.1.4 本次修订,表5.1.4-1增加6度区罕遇地震的水平地震影响系数最大值。与第4章场地类别相对应,表5.1.4-2增加Ⅰ0类场地的特征周期。

5.1.5 弹性反应谱理论仍是现阶段抗震设计的最基本理论,规范所采用的设计反应谱以地震影响系数曲线的形式给出。
    本规范的地震影响系数的特点是:
    1 同样烈度、同样场地条件的反应谱形状,随着震源机制、震级大小、震中距远近等的变化,有较大的差别,影响因素很多。在继续保留烈度概念的基础上,用设计地震分组的特征周期Tg予以反映。其中,Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地的特征周期值,2001规范较89规范的取值增大了0.05s;本次修订,计算罕遇地震作用时,特征周期Tg值又增大0.05s。这些改进,适当提高了结构的抗震安全性,也比较符合近年来得到的大量地震加速度资料的统计结果。
    2 在T≤0.1s的范围内,各类场地的地震影响系数一律采用同样的斜线,使之符合T=0时(刚体)动力不放大的规律;在T≥Tg时,设计反应谱在理论上存在二个下降段,即速度控制段和位移控制段,在加速度反应谱中,前者衰减指数为1,后者衰减指数为2。设计反应谱是用来预估建筑结构在其设计基准期内可能经受的地震作用,通常根据大量实际地震记录的反应谱进行统计并结合工程经验判断加以规定。为保持规范的延续性,地震影响系数在T≤5Tg范围内与2001规范维持一致,各曲线的衰减指数为非整数;在T>5Tg的范围为倾斜下降段,不同场地类别的最小值不同,较符合实际反应谱的统计规律。对于周期大于6s的结构,地震影响系数仍专门研究。
    3 按二阶段设计要求,在截面承载力验算时的设计地震作用,取众值烈度下结构按完全弹性分析的数值,据此调整了本规范相应的地震影响系数最大值,其取值继续与按78规范各结构影响系数C折减的平均值大致相当。在罕遇地震的变形验算时,按超越概率2%~3%提供了对应的地震影响系数最大值。
    4 考虑到不同结构类型建筑的抗震设计需要,提供了不同阻尼比(0.02~0.30)地震影响系数曲线相对于标准的地震影响系数(阻尼比为0.05)的修正方法。根据实际强震记录的统计分析结果,这种修正可分二段进行:在反应谱平台段(α=αmax),修正幅度最大;在反应谱上升段(T<Tg)和下降段(T>Tg),修正幅度变小;在曲线两端(0s和6s),不同阻尼比下的α系数趋向接近。
    本次修订,保持2001规范地震影响系数曲线的计算表达式不变,只对其参数进行调整,达到以下效果:
        1 阻尼比为5%的地震影响系数与2001规范相同,维持不变。
        2 基本解决了2001规范在长周期段,不同阻尼比地震影响系数曲线交叉、大阻尼曲线值高于小阻尼曲线值的不合理现象。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ类场地的地震影响系数曲线在周期接近6s时,基本交汇在一点上,符合理论和统计规律。
        3 降低了小阻尼(2%~3.5%)的地震影响系数值,最大降低幅度达18%。略微提高了阻尼比6%~10%的地震影响系数值,长周期部分最大增幅约5%。
        4 适当降低了大阻尼(20%~30%)的地震影响系数值,在5Tg周期以内,基本不变,长周期部分最大降幅约10%,有利于消能减震技术的推广应用。

5.1.6 在强烈地震下,结构和构件并不存在最大承载力极限状态的可靠度。从根本上说,抗震验算应该是弹塑性变形能力极限状态的验算。研究表明,地震作用下结构和构件的变形和其最大承载能力有密切的联系,但因结构的不同而异。本条继续保持89规范和2001规范关于不同的结构应采取不同验算方法的规定。
    1 当地震作用在结构设计中基本上不起控制作用时,例如6度区的大多数建筑,以及被地震经验所证明者,可不做抗震验算,只需满足有关抗震构造要求。但“较高的高层建筑(以后各章同)”,诸如高于40m的钢筋混凝土框架、高于60m的其他钢筋混凝土民用房屋和类似的工业厂房,以及高层钢结构房屋,其基本周期可能大于Ⅳ类场地的特征周期Tg,则6度的地震作用值可能相当于同一建筑在7度Ⅱ类场地下的取值,此时仍须进行抗震验算。本次修订增加了6度设防的不规则建筑应进行抗震验算的要求。
    2 对于大部分结构,包括6度设防的上述较高的高层建筑和不规则建筑,可以将设防地震下的变形验算,转换为以多遇地震下按弹性分析获得的地震作用效应(内力)作为额定统计指标,进行承载力极限状态的验算,即只需满足第一阶段的设计要求,就可具有比78规范适当提高的抗震承载力的可靠度,保持了规范的延续性。
    3 我国历次大地震的经验表明,发生高于基本烈度的地震是可能的,设计时考虑“大震不倒”是必要的,规范要求对薄弱层进行罕遇地震下变形验算,即满足第二阶段设计的要求。89规范仅对框架、填充墙框架、高大单层厂房等(这些结构,由于存在明显的薄弱层,在唐山地震中倒塌较多)及特殊要求的建筑做了要求,2001规范对其他结构,如各类钢筋混凝土结构、钢结构、采用隔震和消能减震技术的结构,也需要进行第二阶段设计。