13.2 基本计算要求

13.2.1 本条明确了结构专业所需考虑的非结构构件的影响,包括如何在结构设计中计入相关的重力、刚度、承载力和必要的相互作用。结构构件设计时仅计入支承非结构部位的集中作用并验算连接件的锚固。

13.2.2 非结构构件的地震作用,除了自身质量产生的惯性力外,还有支座间相对位移产生的附加作用;二者需同时组合计算。
    非结构构件的地震作用,除了本规范第5章规定的长悬臂构件外,只考虑水平方向。其基本的计算方法是对应于“地面反应谱”的“楼面谱”,即反映支承非结构构件的主体结构体系自身动力特性、非结构构件所在楼层位置和支点数量、结构和非结构阻尼特性对地面地震运动的放大作用;当非结构构件的质量较大时或非结构体系的自振特性与主结构体系的某一振型的振动特性相近时,非结构体系还将与主结构体系的地震反应产生相互影响。一般情况下,可采用简化方法,即等效侧力法计算;同时计入支座间相对位移产生的附加内力。对刚性连接于楼盖上的设备,当与楼层并为一个质点参与整个结构的计算分析时,也不必另外用楼面谱进行其地震作用计算。
    要求进行楼面谱计算的非结构构件,主要是建筑附属设备,如巨大的高位水箱、出屋面的大型塔架等。采用第二代楼面谱计算可反映非结构构件对所在建筑结构的反作用,不仅导致结构本身地震反应的变化,固定在其上的非结构的地震反应也明显不同。
    计算楼面谱的基本方法是随机振动法和时程分析法,当非结构构件的材料与结构体系相同时,可直接利用一般的时程分析软件得到;当非结构构件的质量较大,或材料阻尼特性明显不同,或在不同楼层上有支点,需采用第二代楼面谱的方法进行验算。此时,可考虑非结构与主体结构的相互作用,包括“吸振效应”,计算结果更加可靠。采用时程分析法和随机振动法计算楼面谱需有专门的计算软件。

13.2.3 非结构构件的抗震计算,最早见于ACT-3,采用了静力法。
    等效侧力法在第一代楼面谱(以建筑的楼面运动作为地震输入,将非结构构件作为单自由度系统,将其最大反应的均值作为楼面谱,不考虑非结构构件对楼层的反作用)基础上做了简化。各国抗震规范的非结构构件的等效侧力法,一般由设计加速度、功能(或重要)系数、构件类别系数、位置系数、动力放大系数和构件重力六个因素所决定。
    设计加速度一般取相当于设防烈度的地面运动加速度;与本规范各章协调,这里仍取多遇地震对应的加速度。
    部分非结构构件的功能系数和类别系数参见本规范附录M第M.2节。
    位置系数,一般沿高度为线性分布,顶点的取值,UBC97为4.0,欧洲规范为2.0,日本取3.3。根据强震观测记录的分析,对多层和一般的高层建筑,顶部的加速度约为底层的二倍;当结构有明显的扭转效应或高宽比较大时,房屋顶部和底部的加速度比例大于2.0。因此,凡采用时程分析法补充计算的建筑结构,此比值应依据时程分析法相应调整。
    状态系数,取决于非结构体系的自振周期,UBC97在不同场地条件下,以周期1s时的动力放大系数为基础再乘以2.5和1.0两档,欧洲规范要求计算非结构体系的自振周期Ta,取值为3/[1+(1-Ta/T1)2],日本取1.0、1.5和2.0三档。本规范不要求计算体系的周期,简化为两种极端情况,1.0适用于非结构的体系自振周期不大于0.06s等体系刚度较大的情况,其余按Ta接近于T1的情况取值。当计算非结构体系的自振周期时,则可按2/[1+(1-Ta/T1)2]采用。
    由此得到的地震作用系数(取位置、状态和构件类别三个系数的乘积)的取值范围,与主体结构体系相比,UBC97按场地不同为(0.7~4.0)倍[若以硬土条件下结构周期1.0s为1.0,则为(0.5~5.6)倍],欧洲规范为0.75~6.0倍[若以硬土条件下结构周期1.0s为1.0,则为(1.2~10)倍]。我国一般为(0.6~4.8)倍[若以Tg=0.4s、结构周期1.0s为1.0,则为(1.3~11)倍)。

13.2.4 非结构构件支座间相对位移的取值,凡需验算层间位移者,除有关标准的规定外,一般按本规范规定的位移限值采用。
    对建筑非结构构件,其变形能力相差较大。砌体材料构成的非结构构件,由于变形能力较差而限制在要求高的场所使用,国外的规范也只有构造要求而不要求进行抗震计算;金属幕墙和高级装修材料具有较大的变形能力,国外通常由生产厂家按主体结构设计的变形要求提供相应的材料,而不是由材料决定结构的变形要求;对玻璃幕墙,《建筑幕墙》标准中已规定其平面内变形分为五个等级,最大1/100,最小1/400。
    对设备支架,支座间相对位移的取值与使用要求有直接联系。例如,要求在设防烈度地震下保持使用功能(如管道不破碎等),取设防烈度下的变形,即功能系数可取2~3,相应的变形限值取多遇地震的(3~4)倍;要求在罕遇地震下不造成次生灾害,则取罕遇地震下的变形限值。

13.2.5 本条规定非结构构件地震作用效应组合和承载力验算的原则。强调不得将摩擦力作为抗震设计的抗力。