5.2 水平地震作用计算

5.2.1 底部剪力法视多质点体系为等效单质点系。根据大量的计算分析,本条继续保持89规范的如下规定:
    1 引入等效质量系数0.85,它反映了多质点系底部剪力值与对应单质点系(质量等于多质点系总质量,周期等于多质点系基本周期)剪力值的差异。
    2 地震作用沿高度倒三角形分布,在周期较长时顶部误差可达25%,故引入依赖于结构周期和场地类别的顶点附加集中地震力予以调整。单层厂房沿高度分布在9章中已另有规定,故本条不重复调整(取δn=0)。

5.2.2 对于振型分解法,由于时程分析法亦可利用振型分解法进行计算,故加上“反应谱”以示区别。为使高柔建筑的分析精度有所改进,其组合的振型个数适当增加。振型个数一般可以取振型参与质量达到总质量90%所需的振型数。
    随机振动理论分析表明,当结构体系的振型密集、两个振型的周期接近时,振型之间的耦联明显。在阻尼比均为5%的情况下,由本规范式(5.2.3-6)可以得出(如图10所示):当相邻振型的周期比为0.85时,耦联系数大约为0.27,采用平方和开方SRSS方法进行振型组合的误差不大;而当周期比为0.90时,耦联系数增大一倍,约为0.50,两个振型之间的互相影响不可忽略。这时,计算地震作用效应不能采用SRSS组合方法,而应采用完全方根组合CQC方法,如本规范式(5.2.3-5)和式(5.2.3-6)所示。

5.2.3 地震扭转效应是一个极其复杂的问题,一般情况,宜采用较规则的结构体型,以避免扭转效应。体型复杂的建筑结构,即使楼层“计算刚心”和质心重合,往往仍然存在明显的扭转效应。因此,89规范规定,考虑结构扭转效应时,一般只能取各楼层质心为相对坐标原点,按多维振型分解法计算,其振型效应彼此耦联,用完全二次型方根法组合,可以由计算机运算。
    89规范修订过程中,提出了许多简化计算方法,例如,扭转效应系数法,表示扭转时某榀抗侧力构件按平动分析的层剪力效应的增大,物理概念明确,而数值依赖于各类结构大量算例的统计。对低于40m的框架结构,当各层的质心和“计算刚心”接近于两串轴线时,根据上千个算例的分析,若偏心参数ε满足0.1<ε<0.3,则边榀框架的扭转效应增大系数η=0.65+4.5ε。偏心参数的计算公式是,其中,ey、sy分别为i层刚心和i层边榀框架距i层以上总质心的距离(y方向),Kx、Kφ分别为i层平动刚度和绕质心的扭转刚度。其他类型结构,如单层厂房也有相应的扭转效应系数。对单层结构,多采用基于刚心和质心概念的动力偏心距法估算。这些简化方法各有一定的适用范围,故规范要求在确有依据时才可用来近似估计。
    本次修订,保持了2001规范的如下改进:
        1 即使对于平面规则的建筑结构,国外的多数抗震设计规范也考虑由于施工、使用等原因所产生的偶然偏心引起的地震扭转效应及地震地面运动扭转分量的影响。故要求规则结构不考虑扭转耦联计算时,应采用增大边榀构件地震内力的简化处理方法。
        2 增加考虑双向水平地震作用下的地震效应组合。根据强震观测记录的统计分析,二个水平方向地震加速度的最大值不相等,二者之比约为1:0.85;而且两个方向的最大值不一定发生在同一时刻,因此采用平方和开方计算二个方向地震作用效应的组合。条文中的地震作用效应,系指两个正交方向地震作用在每个构件的同一局部坐标方向的地震作用效应,如χ方向地震作用下在局部坐标χi向的弯矩Mxx和y方向地震作用下在局部坐标χi方向的弯矩Mxy;按不利情况考虑时,则取上述组合的最大弯矩与对应的剪力,或上述组合的最大剪力与对应的弯矩,或上述组合的最大轴力与对应的弯矩等等。
        3 扭转刚度较小的结构,例如某些核心筒-外稀柱框架结构或类似的结构,第一振型周期为Tθ,或满足Tθ>0.75Txl,或Tθ>0.75Tyl,对较高的高层建筑,0.75Tθ>Tx2,或0.75Tθ>Ty2,均需考虑地震扭转效应。但如果考虑扭转影响的地震作用效应小于考虑偶然偏心引起的地震效应时,应取后者以策安全。但现阶段,偶然偏心与扭转二者不需要同时参与计算。
        4 增加了不同阻尼比时耦联系数的计算方法,以供高层钢结构等使用。

5.2.4 突出屋面的小建筑,一般按其重力荷载小于标准层1/3控制。
    对于顶层带有空旷大房间或轻钢结构的房屋,不宜视为突出屋面的小屋并采用底部剪力法乘以增大系数的办法计算地震作用效应,而应视为结构体系一部分,用振型分解法等计算。

5.2.5 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3.5s的结构,由此计算所得的水平地震作用下的结构效应可能太小。而对于长周期结构,地震动态作用中的地面运动速度和位移可能对结构的破坏具有更大影响,但是规范所采用的振型分解反应谱法尚无法对此作出估计。出于结构安全的考虑,提出了对结构总水平地震剪力及各楼层水平地震剪力最小值的要求,规定了不同烈度下的剪力系数,当不满足时,需改变结构布置或调整结构总剪力和各楼层的水平地震剪力使之满足要求。例如,当结构底部的总地震剪力略小于本条规定而中、上部楼层均满足最小值时,可采用下列方法调整:若结构基本周期位于设计反应谱的加速度控制段时,则各楼层均需乘以同样大小的增大系数;若结构基本周期位于反应谱的位移控制段时,则各楼层i均需按底部的剪力系数的差值△λ0增加该层的地震剪力——△FEki=△λ0GEi;若结构基本周期位于反应谱的速度控制段时,则增加值应大于△λ0GEi,顶部增加值可取动位移作用和加速度作用二者的平均值,中间各层的增加值可近似按线性分布。
    需要注意:①当底部总剪力相差较多时,结构的选型和总体布置需重新调整,不能仅采用乘以增大系数方法处理。②只要底部总剪力不满足要求,则结构各楼层的剪力均需要调整,不能仅调整不满足的楼层。③满足最小地震剪力是结构后续抗震计算的前提,只有调整到符合最小剪力要求才能进行相应的地震倾覆力矩、构件内力、位移等等的计算分析;即意味着,当各层的地震剪力需要调整时,原先计算的倾覆力矩、内力和位移均需要相应调整。④采用时程分析法时,其计算的总剪力也需符合最小地震剪力的要求。⑤本条规定不考虑阻尼比的不同,是最低要求,各类结构,包括钢结构、隔震和消能减震结构均需一律遵守。
    扭转效应明显与否一般可由考虑耦联的振型分解反应谱法分析结果判断,例如前三个振型中,二个水平方向的振型参与系数为同一个量级,即存在明显的扭转效应。对于扭转效应明显或基本周期小于3.5s的结构,剪力系数取0.2αmax,保证足够的抗震安全度。对于存在竖向不规则的结构,突变部位的薄弱楼层,尚应按本规范3.4.4条的规定,再乘以不小于1.15的系数。
    本次修订增加了6度区楼层最小地震剪力系数值。

5.2.7 由于地基和结构动力相互作用的影响,按刚性地基分析的水平地震作用在一定范围内有明显的折减。考虑到我国的地震作用取值与国外相比还较小,故仅在必要时才利用这一折减。研究表明,水平地震作用的折减系数主要与场地条件、结构自振周期、上部结构和地基的阻尼特性等因素有关,柔性地基上的建筑结构的折减系数随结构周期的增大而减小,结构越刚,水平地震作用的折减量越大。89规范在统计分析基础上建议,框架结构折减10%,抗震墙结构折减15%~20%。研究表明,折减量与上部结构的刚度有关,同样高度的框架结构,其刚度明显小于抗震墙结构,水平地震作用的折减量也减小,当地震作用很小时不宜再考虑水平地震作用的折减。据此规定了可考虑地基与结构动力相互作用的结构自振周期的范围和折减量。
    研究表明,对于高宽比较大的高层建筑,考虑地基与结构动力相互作用后水平地震作用的折减系数并非各楼层均为同一常数,由于高振型的影响,结构上部几层的水平地震作用一般不宜折减。大量计算分析表明,折减系数沿楼层高度的变化较符合抛物线型分布,2001规范提供了建筑顶部和底部的折减系数的计算公式。对于中间楼层,为了简化,采用按高度线性插值方法计算折减系数。本次修订保留了这一规定。