5.1.4
建筑结构的地震影响系数应根据烈度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比确定。其水平地震影响系数最大值应按表5.1.4—1采用;特征周期应根据场地类别和设计地震分组按表5.1.4—2采用,计算罕遇地震作用时,特征周期应增加0.05s。
注:周期大于6.0s的建筑结构所采用的地震影响系数应专门研究。
条文说明
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。
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建筑结构的地震影响系数应根据烈度、场地类别、设计地震分组和结构自振周期以及阻尼比确定。其水平地震影响系数最大值应按表5.1.4—1采用;特征周期应根据场地类别和设计地震分组按表5.1.4—2采用,计算罕遇地震作用时,特征周期应增加0.05s。
注:周期大于6.0s的建筑结构所采用的地震影响系数应专门研究。
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。
建筑结构地震影响系数曲线(图5.1.5)的阻尼调整和形状参数应符合下列要求:
1 除有专门规定外,建筑结构的阻尼比应取0.05,地震影响系数曲线的阻尼调整系数应按1.0采用,形状参数应符合下列规定:
1)直线上升段,周期小于0.1s的区段。
2)水平段,自0.1s至特征周期区段,应取最大值(αmax)。
3)曲线下降段,自特征周期至5倍特征周期区段,衰减指数应取0.9。
4)直线下降段,自5倍特征周期至6s区段,下降斜率调整系数应取0.02。
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。
结构的截面抗震验算,应符合下列规定:
1 6度时的建筑(不规则建筑及建造于Ⅳ类场地上较高的高层建筑除外),以及生土房屋和木结构房屋等,应符合有关的抗震措施要求,但应允许不进行截面抗震验算。
2 6度时不规则建筑、建造于Ⅳ类场地上较高的高层建筑,7度和7度以上的建筑结构(生土房屋和木结构房屋等除外),应进行多遇地震作用下的截面抗震验算。
注:采用隔震设计的建筑结构,其抗震验算应符合有关规定。
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。
符合本规范第5.5节规定的结构,除按规定进行多遇地震作用下的截面抗震验算外,尚应进行相应的变形验算。
采用底部剪力法时,各楼层可仅取一个自由度,结构的水平地震作用标准值,应按下列公式确定(图5. 2.1):
2 水平地震作用效应(弯矩、剪力、轴向力和变形),当相邻振型的周期比小于0.85时,可按下式确定:
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。
水平地震作用下,建筑结构的扭转耦联地震效应应符合下列要求:
1 规则结构不进行扭转耦联计算时,平行于地震作用方向的两个边榀各构件,其地震作用效应应乘以增大系数。一般情况下,短边可按1.15采用,长边可按1.05采用;当扭转刚度较小时,周边各构件宜按不小于1.3采用。角部构件宜同时乘以两个方向各自的增大系数。
2 按扭转耦联振型分解法计算时,各楼层可取两个正交的水平位移和一个转角共三个自由度,并应按下列公式计算结构的地震作用和作用效应。确有依据时,尚可采用简化计算方法确定地震作用效应。
1)j振型i层的水平地震作用标准值,应按下列公式确定:
3)双向水平地震作用下的扭转耦联效应,可按下列公式中的较大值确定:
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,其振型效应彼此耦连,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。
采用底部剪力法时,突出屋面的屋顶间、女儿墙、烟囱等的地震作用效应,宜乘以增大系数3,此增大部分不应往下传递,但与该突出部分相连的构件应予计入;采用振型分解法时,突出屋面部分可作为一个质点;单层厂房突出屋面天窗架的地震作用效应的增大系数,应按本规范第9章的有关规定采用。
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。
抗震验算时,结构任一楼层的水平地震剪力应符合下式要求:
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。
结构的楼层水平地震剪力,应按下列原则分配:
1 现浇和装配整体式混凝土楼、屋盖等刚性楼、屋盖建筑,宜按抗侧力构件等效刚度的比例分配。
2 木楼盖、木屋盖等柔性楼、屋盖建筑,宜按抗侧力构件从属面积上重力荷载代表值的比例分配。
3 普通的预制装配式混凝土楼、屋盖等半刚性楼、屋盖的建筑,可取上述两种分配结果的平均值。
4 计入空间作用、楼盖变形、墙体弹塑性变形和扭转的影响时,可按本规范各有关规定对上述分配结果作适当调整。
结构抗震计算,一般情况下可不计入地基与结构相互作用的影响;8度和9度时建造于Ⅲ、Ⅳ类场地,采用箱基、刚性较好的筏基和桩箱联合基础的钢筋混凝土高层建筑,当结构基本自振周期处于特征周期的1.2倍至5倍范围时,若计入地基与结构动力相互作用的影响,对刚性地基假定计算的水平地震剪力可按下列规定折减,其层间变形可按折减后的楼层剪力计算。
1 高宽比小于3的结构,各楼层水平地震剪力的折减系数,可按下式计算:
2 高宽比不小于3的结构,底部的地震剪力按第1款规定折减,顶部不折减,中间各层按线性插入值折减。
3 折减后各楼层的水平地震剪力,应符合本规范第5.2.5条的规定。
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。
9度时的高层建筑,其竖向地震作用标准值应按下列公式确定(图5.3.1);楼层的竖向地震作用效应可按各构件承受的重力荷载代表值的比例分配,并宜乘以增大系数1.5。
5.3.1 高层建筑的竖向地震作用计算,是89规范增加的规定。输入竖向地震加速度波的时程反应分析发现,高层建筑由竖向地震引起的轴向力在结构的上部明显大于底部,是不可忽视的。作为简化方法,原则上与水平地震作用的底部剪力法类似:结构竖向振动的基本周期较短,总竖向地震作用可表示为竖向地震影响系数最大值和等效总重力荷载代表值的乘积;沿高度分布按第一振型考虑,也采用倒三角形分布;在楼层平面内的分布,则按构件所承受的重力荷载代表值分配。只是等效质量系数取0.75。
根据台湾921大地震的经验,2001规范要求高层建筑楼层的竖向地震作用效应应乘以增大系数1.5,使结构总竖向地震作用标准值,8、9度分别略大于重力荷载代表值的10%和20%。
隔震设计时,由于隔震垫不仅不隔离竖向地震作用反而有所放大,与隔震后结构的水平地震作用相比,竖向地震作用往往不可忽视,计算方法在本规范12章具体规定。
跨度、长度小于本规范第5.1.2条第5款规定且规则的平板型网架屋盖和跨度大于24m的屋架、屋盖横梁及托架的竖向地震作用标准值,宜取其重力荷载代表值和竖向地震作用系数的乘积;竖向地震作用系数可按表5.3.2采用。
5.3.2 用反应谱法、时程分析法等进行结构竖向地震反应的计算分析研究表明,对一般尺度的平板型网架和大跨度屋架各主要杆件,竖向地震内力和重力荷载下的内力之比值,彼此相差一般不太大,此比值随烈度和场地条件而异,且当结构周期大于特征周期时,随跨度的增大,比值反而有所下降。由于在常用的跨度范围内,这个下降还不很大,为了简化,本规范略去跨度的影响。
长悬臂构件和不属于本规范第5.3.2条的大跨结构的竖向地震作用标准值,8度和9度可分别取该结构、构件重力荷载代表值的10%和20%,设计基本地震加速度为0.30g时,可取该结构、构件重力荷载代表值的15%。
5.3.3 对长悬臂等大跨度结构的竖向地震作用计算,本次修订未修改,仍采用78规范的静力法。
大跨度空间结构的竖向地震作用,尚可按竖向振型分解反应谱方法计算。其竖向地震影响系数可采用本规范第5.1.4、第5.1.5条规定的水平地震影响系数的65%,但特征周期可均按设计第一组采用。
5.3.4 空间结构的竖向地震作用,除了第5.3.2、第5.3.3条的简化方法外,还可采用竖向振型的振型分解反应谱方法。对于竖向反应谱,各国学者有一些研究,但研究成果纳入规范的不多。现阶段,多数规范仍采用水平反应谱的65%,包括最大值和形状参数。但认为竖向反应谱的特征周期与水平反应谱相比,尤其在远震中距时,明显小于水平反应谱。故本条规定,特征周期均按第一组采用。对处于发震断裂10km以内的场地,竖向反应谱的最大值可能接近于水平谱,但特征周期小于水平谱。
本节基本同89规范,仅按《建筑结构可靠度设计统一标准》GB 50068(以下简称《统一标准》)的修订,对符号表达做了修改,并修改了钢结构的γRE。
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:
5.4.1在设防烈度的地震作用下,结构构件承载力按《统一标准》计算的可靠指标β是负值,难于按《统一标准》的要求进行设计表达式的分析。因此,89规范以来,在第一阶段的抗震设计时取相当于众值烈度下的弹性地震作用作为额定设计指标,使此时的设计表达式可按《统一标准》的要求导出。
1地震作用分项系数的确定
在众值烈度下的地震作用,应视为可变作用而不是偶然作用。这样,根据《统一标准》中确定直接作用(荷载)分项系数的方法,通过综合比较,本规范标准89版修订时,对水平地震作用,确定γEh=1.3,至于竖向地震作用分项系数,则参照水平地震作用,也取γEv=1.3。当竖向与水平地震作用同时考虑时,根据加速度峰值记录和反应谱的分析,二者的组合比为1:0.4,故γEh=1.3,γEv=0.4×1.3≈0.5。
此次修订2010年修订时,考虑大跨、大悬臂结构的竖向地震作用效应比较显著,表5.4.1增加了同时计算水平与竖向地震作用(竖向地震为主)的组合。
此外,按照《统一标准》的规定,当重力荷载对结构构件承载力有利时,取γG=1.0。
此次局部修订,匹配《建筑与市政工程抗震通用规范》GB55002-2021的规定,调整有关荷载分项系数的取值要求。
2抗震验算中作用组合值系数的确定
本规范标准在计算地震作用时,已经考虑了地震作用与各种重力荷载(恒荷载与活荷载、雪荷载等)的组合问题,在本规范标准5.1.3条中规定了一组组合值系数,形成了抗震设计的重力荷载代表值,本规范标准继续沿用78规范在验算和计算地震作用时(除吊车悬吊重力外)对重力荷载均采用相同的组合值系数的规定,可简化计算,并避免有两种不同的组合值系数。因此,本条中仅出现风荷载的组合值系数,并按《统一标准》的方法,将78规范的取值予以转换得到。这里,所谓风荷载起控制作用,指风荷载和地震作用产生的总剪力和倾覆力矩相当的情况。
3地震作用标准值的效应
规范本标准的作用效应组合是建立在弹性分析叠加原理基础上的,考虑到抗震计算模型的简化和塑性内力分布与弹性内力分布的差异等因素,本条中还规定,对地震作用效应,当本规范标准各章有规定时尚应乘以相应的效应调整系数η,如突出屋面小建筑、天窗架、高低跨厂房交接处的柱子、框架柱,底层框架-抗震墙结构的柱子、梁端和抗震墙底部加强部位的剪力等的增大系数。
4关于重要性系数
根据地震作用的特点、抗震设计的现状,以及抗震设防分类与《统一标准》中安全等级的差异,重要性系数对抗震设计的实际意义不大,本规范标准对建筑重要性的处理仍采用抗震措施的改变来实现,不考虑此项系数。
结构构件的截面抗震验算,应采用下列设计表达式:
5.4.2 结构在设防烈度下的抗震验算根本上应该是弹塑性变形验算,但为减少验算工作量并符合设计习惯,对大部分结构,将变形验算转换为众值烈度地震作用下构件承载力验算的形式来表现。按照《统一标准》的原则,89规范与78规范在众值烈度下有基本相同的可靠指标,研究发现,78规范钢结构构件的可靠指标比混凝土结构构件明显偏低,故89规范予以适当提高,使之与砌体、混凝土构件有相近的可靠指标;而且随着非抗震设计材料指标的提高,2001规范各类材料结构的抗震可靠性也略有提高。基于此前提,在确定地震作用分项系数取1.3的同时,则可得到与抗力标准值Rk相应的最优抗力分项系数,并进一步转换为抗震的抗力函数(即抗震承载力设计值RdE),使抗力分项系数取1.0或不出现。本规范砌体结构的截面抗震验算,就是这样处理的。
现阶段大部分结构构件截面抗震验算时,采用了各有关规范的承载力设计值Rd,因此,抗震设计的抗力分项系数,就相应地变为非抗震设计的构件承载力设计值的抗震调整系数γRE,即γRE=Rd/RdE或RdE=Rd/γRE。还需注意,地震作用下结构的弹塑性变形直接依赖于结构实际的屈服强度(承载力),本节的承载力是设计值,不可误作为标准值来进行本章5.5节要求的弹塑性变形验算。
本次修订,配合钢结构构件、连接的内力调整系数的变化,调整了其承载力抗震调整系数的取值。
当仅计算竖向地震作用时,各类结构构件承载力抗震调整系数均应采用1.0。
5.4.3 本条在2008年局部修订时,提升为强制性条文。
表5.5.1所列各类结构应进行多遇地震作用下的抗震变形验算,其楼层内最大的弹性层间位移应符合下式要求:
5.5.1 根据本规范所提出的抗震设防三个水准的要求,采用二阶段设计方法来实现,即:在多遇地震作用下,建筑主体结构不受损坏,非结构构件(包括围护墙、隔墙、幕墙、内外装修等)没有过重破坏并导致人员伤亡,保证建筑的正常使用功能;在罕遇地震作用下,建筑主体结构遭受破坏或严重破坏但不倒塌。根据各国规范的规定、震害经验和实验研究结果及工程实例分析,采用层间位移角作为衡量结构变形能力从而判别是否满足建筑功能要求的指标是合理的。
对各类钢筋混凝土结构和钢结构要求进行多遇地震作用下的弹性变形验算,实现第一水准下的设防要求。弹性变形验算属于正常使用极限状态的验算,各作用分项系数均取1.0。钢筋混凝土结构构件的刚度,国外规范规定需考虑一定的非线性而取有效刚度,本规范规定与位移限值相配套,一般可取弹性刚度;当计算的变形较大时,宜适当考虑构件开裂时的刚度退化,如取0.85EcIo。
第一阶段设计,变形验算以弹性层间位移角表示。不同结构类型给出弹性层间位移角限值范围,主要依据国内外大量的试验研究和有限元分析的结果,以钢筋混凝土构件(框架柱、抗震墙等)开裂时的层间位移角作为多遇地震下结构弹性层间位移角限值。
计算时,一般不扣除由于结构重力P-△效应所产生的水平相对位移;高度超过150m或H/B>6的高层建筑,可以扣除结构整体弯曲所产生的楼层水平绝对位移值,因为以弯曲变形为主的高层建筑结构,这部分位移在计算的层间位移中占有相当的比例,加以扣除比较合理。如未扣除,位移角限值可有所放宽。
框架结构试验结果表明,对于开裂层间位移角,不开洞填充墙框架为1/2500,开洞填充墙框架为1/926;有限元分析结果表明,不带填充墙时为1/800,不开洞填充墙时为1/2000。本规范不再区分有填充墙和无填充墙,均按89规范的1/550采用,并仍按构件截面弹性刚度计算。
对于框架-抗震墙结构的抗震墙,其开裂层间位移角:试验结果为1/3300~1/1100,有限元分析结果为1/4000~1/2500,取二者的平均值约为1/3000~1/1600。2001规范统计了我国当时建成的124幢钢筋混凝土框-墙、框-筒、抗震墙、筒结构高层建筑的结构抗震计算结果,在多遇地震作用下的最大弹性层间位移均小于1/800,其中85%小于1/1200。因此对框-墙、板柱-墙、框-筒结构的弹性位移角限值范围为1/800;对抗震墙和筒中筒结构层间弹性位移角限值范围为1/1000,与现行的混凝土高层规程相当;对框支层要求较框-墙结构加严,取1/1000。
钢结构在弹性阶段的层间位移限值,日本建筑法施行令定为层高的1/200。参照美国加州规范(1988)对基本自振周期大于0.7s的结构的规定,本规范取1/250。
单层工业厂房的弹性层间位移角需根据吊车使用要求加以限制,严于抗震要求,因此不必再对地震作用下的弹性位移加以限制;弹塑性层间位移的计算和限值在本规范第5.5.4和第5.5.5条有规定,单层钢筋混凝土柱排架为1/30。因此本条不再单列对于单层工业厂房的弹性位移限值。
多层工业厂房应区分结构材料(钢和混凝土)和结构类型(框、排架),分别采用相应的弹性及弹塑性层间位移角限值,框排架结构中的排架柱的弹塑性层间位移角限值,在本规范附录H第H.1节中规定为1/30。
结构在罕遇地震作用下薄弱层的弹塑性变形验算,应符合下列要求:
1 下列结构应进行弹塑性变形验算:
1)8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时,高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架;
2)7~9度时楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框架结构和框排架结构;
3)高度大于150m的结构;
4)甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构;
5)采用隔震和消能减震设计的结构。
2 下列结构宜进行弹塑性变形验算:
1)本规范表5.1.2-1所列高度范围且属于本规范表3.4.3-2所列竖向不规则类型的高层建筑结构;
2)7度Ⅲ、Ⅳ类场地和8度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构;
3)板柱-抗震墙结构和底部框架砌体房屋;
4)高度不大于150m的其他高层钢结构;
5)不规则的地下建筑结构及地下空间综合体。
注:楼层屈服强度系数为按钢筋混凝土构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力和按罕遇地震作用标准值计算的楼层弹性地震剪力的比值;对排架柱,指按实际配筋面积、材料强度标准值和轴向力计算的正截面受弯承载力与按罕遇地震作用标准值计算的弹性地震弯矩的比值。
5.5.2 震害经验表明,如果建筑结构中存在薄弱层或薄弱部位,在强烈地震作用下,由于结构薄弱部位产生了弹塑性变形,结构构件严重破坏甚至引起结构倒塌;属于乙类建筑的生命线工程中的关键部位在强烈地震作用下一旦遭受破坏将带来严重后果,或产生次生灾害或对救灾、恢复重建及生产、生活造成很大影响。除了89规范所规定的高大的单层工业厂房的横向排架、楼层屈服强度系数小于0.5的框架结构、底部框架砖房等之外,板柱-抗震墙及结构体系不规则的某些高层建筑结构和乙类建筑也要求进行罕遇地震作用下的抗震变形验算。采用隔震和消能减震技术的建筑结构,对隔震和消能减震部件应有位移限制要求,在罕遇地震作用下隔震和消能减震部件应能起到降低地震效应和保护主体结构的作用,因此要求进行抗震变形验算。 考虑到弹塑性变形计算的复杂性,对不同的建筑结构提出不同的要求。随着弹塑性分析模型和软件的发展和改进,本次修订进一步增加了弹塑性变形验算的范围。
结构在罕遇地震作用下薄弱层(部位)弹塑性变形计算,可采用下列方法:
1 不超过12层且层刚度无突变的钢筋混凝土框架和框排架结构、单层钢筋混凝土柱厂房可采用本规范第5.5.4条的简化计算法;
2 除1款以外的建筑结构,可采用静力弹塑性分析方法或弹塑性时程分析法等。
3 规则结构可采用弯剪层模型或平面杆系模型,属于本规范第3.4节规定的不规则结构应采用空间结构模型。
5.5.3 对建筑结构在罕遇地震作用下薄弱层(部位)弹塑性变形计算,12层以下且层刚度无突变的框架结构及单层钢筋混凝土柱厂房可采用规范的简化方法计算;较为精确的结构弹塑性分析方法,可以是三维的静力弹塑性(如push-over方法)或弹塑性时程分析方法;有时尚可采用塑性内力重分布的分析方法等。
结构薄弱层(部位)弹塑性层间位移的简化计算,宜符合下列要求:
1 结构薄弱层(部位)的位置可按下列情况确定:
1)楼层屈服强度系数沿高度分布均匀的结构,可取底层;
2)楼层屈服强度系数沿高度分布不均匀的结构,可取该系数最小的楼层(部位)和相对较小的楼层,一般不超过2~3处;
3)单层厂房,可取上柱。
2 弹塑性层间位移可按下列公式计算:
5.5.4 钢筋混凝土框架结构及高大单层钢筋混凝土柱厂房等结构,在大地震中往往受到严重破坏甚至倒塌。实际震害分析及实验研究表明,除了这些结构刚度相对较小而变形较大外,更主要的是存在承载力验算所没有发现的薄弱部位——其承载力本身虽满足设计地震作用下抗震承载力的要求,却比相邻部位要弱得多。对于单层厂房,这种破坏多发生在8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度区,破坏部位是上柱,因为上柱的承载力一般相对较小且其下端的支承条件不如下柱。对于底部框架-抗震墙结构,则底部和过渡层是明显的薄弱部位。
迄今,各国规范的变形估计公式有三种;一是按假想的完全弹性体计算;二是将额定的地震作用下的弹性变形乘以放大系数,即△up=ηp△ue;三是按时程分析法等专门程序计算。其中采用第二种的最多,本条继续保持89规范所采用的方法。
1 根据数千个(1~15)层剪切型结构采用理想弹塑性恢复力模型进行弹塑性时程分析的计算结果,获得如下统计规律:
1)多层结构存在“塑性变形集中”的薄弱层是一种普遍现象,其位置,对屈服强度系数ζy分布均匀的结构多在底层,分布不均匀结构则在ζy最小处和相对较小处,单层厂房往往在上柱。
2)多层剪切型结构薄弱层的弹塑性变形与弹性变形之间有相对稳定的关系。
对于屈服强度系数ζy均匀的多层结构,其最大的层间弹塑变形增大系数ηp可按层数和ζy的差异用表格形式给出;对于ζy不均匀的结构,其情况复杂,在弹性刚度沿高度变化较平缓时,可近似用均匀结构的ηp适当放大取值;对其他情况,一般需要用静力弹塑性分析、弹塑性时程分析法或内力重分布法等予以估计。
2 本规范的设计反应谱是在大量单质点系的弹性反应分析基础上统计得到的“平均值”,弹塑性变形增大系数也在统计平均意义下有一定的可靠性。当然,还应注意简化方法都有其适用范围。此外,如采用延性系数来表示多层结构的层间变形,可用μ=ηp/ζy计算。
3 计算结构楼层或构件的屈服强度系数时,实际承载力应取截面的实际配筋和材料强度标准值计算,钢筋混凝土梁柱的正截面受弯实际承载力公式如下:
4 2001规范修订过程中,对不超过20层的钢框架和框架-支撑结构的薄弱层层间弹塑性位移的简化计算公式开展了研究。利用DRAIN-2D程序对三跨的平面钢框架和中跨为交叉支撑的三跨钢结构进行了不同层数钢结构的弹塑性地震反应分析。主要计算参数如下:结构周期,框架取0.1N(层数),支撑框架取0.09N;恢复力模型,框架取屈服后刚度为弹性刚度0.02的不退化双线性模型,支撑框架的恢复力模型同时考虑了压屈后的强度退化和刚度退化;楼层屈服剪力,框架的一般层约为底层的0.7,支撑框架的一般层约为底层的0.9;底层的屈服强度系数为0.7~0.3;在支撑框架中,支撑承担的地震剪力为总地震剪力的75%,框架部分承担25%;地震波取80条天然波。
根据计算结果的统计分析发现:①纯框架结构的弹塑性位移反应与弹性位移反应差不多,弹塑性位移增大系数接近1;②随着屈服强度系数的减小,弹塑性位移增大系数增大;③楼层屈服强度系数较小时,由于支撑的屈曲失效效应,支撑框架的弹塑性位移增大系数大于框架结构。
以下是15层和20层钢结构的弹塑性增大系数的统计数值(平均值加一倍方差):
上述统计值与89规范对剪切型结构的统计值有一定的差异,可能与钢结构基本周期较长、弯曲变形所占比重较大,采用杆系模型时楼层屈服强度系数计算,以及钢结构恢复力模型的屈服后刚度取为初始刚度的0.02而不是理想弹塑性恢复力模型等有关。
5.5.5 在罕遇地震作用下,结构要进入弹塑性变形状态。根据震害经验、试验研究和计算分析结果,提出以构件(梁、柱、墙)和节点达到极限变形时的层间极限位移角作为罕遇地震作用下结构弹塑性层间位移角限值的依据。
国内外许多研究结果表明,不同结构类型的不同结构构件的弹塑性变形能力是不同的,钢筋混凝土结构的弹塑性变形主要由构件关键受力区的弯曲变形、剪切变形和节点区受拉钢筋的滑移变形等三部分非线性变形组成。影响结构层间极限位移角的因素很多,包括:梁柱的相对强弱关系,配箍率、轴压比、剪跨比、混凝土强度等级、配筋率等,其中轴压比和配箍率是最主要的因素。
钢筋混凝土框架结构的层间位移是楼层梁、柱、节点弹塑性变形的综合结果,美国对36个梁-柱组合试件试验结果表明,极限侧移角的分布为1/27~1/8,我国学者对数十榀填充墙框架的试验结果表明,不开洞填充墙和开洞填充墙框架的极限侧移角平均分别为1/30和1/38。本条规定框架和板柱-框架的位移角限值为1/50是留有安全储备的。
由于底部框架砌体房屋沿竖向存在刚度突变,因此对其混凝土框架部分适当从严;同时,考虑到底部框架一般均带一定数量的抗震墙,故类比框架-抗震墙结构,取位移角限值为1/100。
钢筋混凝土结构在罕遇地震作用下,抗震墙要比框架柱先进入弹塑性状态,而且最终破坏也相对集中在抗震墙单元。日本对176个带边框柱抗震墙的试验研究表明,抗震墙的极限位移角的分布为1/333~1/125,国内对11个带边框低矮抗震墙试验所得到的极限位移角分布为1/192~1/112。在上述试验研究结果的基础上,取1/120作为抗震墙和筒中筒结构的弹塑性层间位移角限值。考虑到框架-抗震墙结构、板柱-抗震墙和框架-核心筒结构中大部分水平地震作用由抗震墙承担,弹塑性层间位移角限值可比框架结构的框架柱严,但比抗震墙和筒中筒结构要松,故取1/100。高层钢结构,美国ATC3-06规定,Ⅱ类危险性的建筑(容纳人数较多),层间最大位移角限值为1/67;美国AISC《房屋钢结构抗震规定》(1997)中规定,与小震相比,大震时的位移角放大系数,对双重抗侧力体系中的框架-中心支撑结构取5,对框架-偏心支撑结构,取4。如果弹性位移角限值为1/300,则对应的弹塑性位移角限值分别大于1/60和1/75。考虑到钢结构在构件稳定有保证时具有较好的延性,弹塑性层间位移角限值适当放宽至1/50。
鉴于甲类建筑在抗震安全性上的特殊要求,其层间变位角限值应专门研究确定。
本章适用的现浇钢筋混凝土房屋的结构类型和最大高度应符合表6.1.1的要求。平面和竖向均不规则的结构,适用的最大高度宜适当降低。
注:本章“抗震墙”指结构抗侧力体系中的钢筋混凝土剪力墙,不包括只承担重力荷载的混凝土墙。
注:1 房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度(不包括局部突出屋顶部分);
2 框架-核心筒结构指周边稀柱框架与核心筒组成的结构;
3 部分框支抗震墙结构指首层或底部两层为框支层的结构,不包括仅个别框支墙的情况;
4 表中框架,不包括异形柱框架;
5 板柱-抗震墙结构指板柱、框架和抗震墙组成抗侧力体系的结构;
6 乙类建筑可按本地区抗震设防烈度确定其适用的最大高度;
7 超过表内高度的房屋,应进行专门研究和论证,采取有效的加强措施。
6.1.1 本章适用于现浇钢筋混凝土多层和高层房屋,包括采用符合本章第6.1.7条要求的装配整体式楼屋盖的房屋。
对采用钢筋混凝土材料的高层建筑,从安全和经济诸方面综合考虑,其适用最大高度应有限制。当钢筋混凝土结构的房屋高度超过最大适用高度时,应通过专门研究,采取有效加强措施,如采用型钢混凝土构件、钢管混凝土构件等,并按建设部部长令的有关规定进行专项审查。
与2001规范相比,本章对适用最大高度的修改如下:
1 补充了8度(0.3g)时的最大适用高度,按8度和9度之间内插且偏于8度。
2 框架结构的适用最大高度,除6度外有所降低。
3 板柱-抗震墙结构的适用最大高度,有所增加。
4 删除了在Ⅳ类场地适用的最大高度应适当降低的规定。
5 对于平面和竖向均不规则的结构,适用的最大高度适当降低的规范用词,由“应”改为“宜”,一般减少10%左右。对于部分框支结构,表6.1.1的适用高度已经考虑框支的不规则而比全落地抗震墙结构降低,故对于框支结构的“竖向和平面均不规则”,指框支层以上的结构同时存在竖向和平面不规则的情况。
还需说明:
仅有个别墙体不落地,例如不落地墙的截面面积不大于总截面面积的10%,只要框支部分的设计合理且不致加大扭转不规则,仍可视为抗震墙结构,其适用最大高度仍可按全部落地的抗震墙结构确定。
框架-核心筒结构存在抗扭不利和加强层刚度突变问题,其适用最大高度略低于筒中筒结构。框架-核心筒结构中,带有部分仅承受竖向荷载的无梁楼盖时,不作为表6.1.1的板柱-抗震墙结构对待。
钢筋混凝土房屋应根据设防类别、烈度、结构类型和房屋高度采用不同的抗震等级,并应符合相应的计算和构造措施要求。丙类建筑的抗震等级应按表6.1.2确定。
注:1 建筑场地为Ⅰ类时,除6度外应允许按表内降低一度所对应的抗震等级采取抗震构造措施,但相应的计算要求不应降低;
2 接近或等于高度分界时,应允许结合房屋不规则程度及场地、地基条件确定抗震等级;
3 大跨度框架指跨度不小于18m的框架;
4 高度不超过60m的框架-核心筒结构按框架-抗震墙的要求设计时,应按表中框架-抗震墙结构的规定确定其抗震等级。
6.1.2 钢筋混凝土房屋的抗震等级是重要的设计参数,89规范就明确规定应根据设防类别、结构类型、烈度和房屋高度四个因素确定。抗震等级的划分,体现了对不同抗震设防类别、不同结构类型、不同烈度、同一烈度但不同高度的钢筋混凝土房屋结构延性要求的不同,以及同一种构件在不同结构类型中的延性要求的不同。
钢筋混凝土房屋结构应根据抗震等级采取相应的抗震措施。这里,抗震措施包括抗震计算时的内力调整措施和各种抗震构造措施。因此,乙类建筑应提高一度查表6.1.2确定其抗震等级。
本章条文中,“X级框架”包括框架结构、框架-抗震墙结构、框支层和框架-核心筒结构、板柱-抗震墙结构中的框架,“X级框架结构”仅指框架结构的框架,“X级抗震墙”包括抗震墙结构、框架-抗震墙结构、筒体结构和板柱-抗震墙结构中的抗震墙。
本次修订的主要变化如下:
1 注意到《民用建筑设计通则》GB 50362规定,住宅10层及以上为高层建筑,多层公共建筑高度24m以上为高层建筑。本次修订,将框架结构的30m高度分界改为24m;对于7、8、9度时的框架-抗震墙结构,抗震墙结构以及部分框支抗震墙结构,增加24m作为一个高度分界,其抗震等级比2001规范降低一级,但四级不再降低,框支层框架不降低,总体上与89规范对“低层较规则结构”的要求相近。
2 明确了框架-核心筒结构的高度不超过60m时,当按框架-抗震墙结构的要求设计时,其抗震等级按框架-抗震墙结构的规定采用。
3 将“大跨度公共建筑”改为“大跨度框架”,并明确其跨度按18m划分。
钢筋混凝土房屋抗震等级的确定,尚应符合下列要求:
1 设置少量抗震墙的框架结构,在规定的水平力作用下,底层框架部分所承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时,其框架的抗震等级应按框架结构确定,抗震墙的抗震等级可与其框架的抗震等级相同。
注:底层指计算嵌固端所在的层。
2 裙房与主楼相连,除应按裙房本身确定抗震等级外,相关范围不应低于主楼的抗震等级;主楼结构在裙房顶板对应的相邻上下各一层应适当加强抗震构造措施。裙房与主楼分离时,应按裙房本身确定抗震等级。
3 当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时,地下一层的抗震等级应与上部结构相同,地下一层以下抗震构造措施的抗震等级可逐层降低一级,但不应低于四级。地下室中无上部结构的部分,抗震构造措施的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。
4 当甲乙类建筑按规定提高一度确定其抗震等级而房屋的高度超过本规范表6.1.2相应规定的上界时,应采取比一级更有效的抗震构造措施。
注:本章“一、二、三、四级”即“抗震等级为一、二、三、四级”的简称。
6.1.3 本条是关于混凝土结构抗震等级的进一步补充规定。
1 关于框架和抗震墙组成的结构的抗震等级。设计中有三种情况:其一,个别或少量框架,此时结构属于抗震墙体系的范畴,其抗震墙的抗震等级,仍按抗震墙结构确定;框架的抗震等级可参照框架-抗震墙结构的框架确定。其二,当框架-抗震墙结构有足够的抗震墙时,其框架部分是次要抗侧力构件,按本规范表6.1.2框架-抗震墙结构确定抗震等级;89规范要求其抗震墙底部承受的地震倾覆力矩不小于结构底部总地震倾覆力矩的50%。其三,墙体很少,即2001规范规定“在基本振型地震作用下,框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%”,其框架部分的抗震等级应按框架结构确定。对于这类结构,本次修订进一步明确以下几点:一是将“在基本振型地震作用下”改为“在规定的水平力作用下”,“规定的水平力”的含义见本规范第3.4节;二是明确底层框架部分所承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时仍属于框架结构范畴;三是删除了“最大适用高度可比框架结构适当增加”的规定;四是补充规定了其抗震墙的抗震等级。
框架部分按刚度分配的地震倾覆力矩的计算公式,保持2001规范的规定不变:
在框架结构中设置少量抗震墙,往往是为了增大框架结构的刚度、满足层间位移角限值的要求,仍然属于框架结构范畴,但层间位移角限值需按底层框架部分承担倾覆力矩的大小,在框架结构和框架-抗震墙结构两者的层间位移角限值之间偏于安全内插。
2 关于裙房的抗震等级。裙房与主楼相连,主楼结构在裙房顶板对应的上下各一层受刚度与承载力突变影响较大,抗震构造措施需要适当加强。裙房与主楼之间设防震缝,在大震作用下可能发生碰撞,该部位也需要采取加强措施。
裙房与主楼相连的相关范围,一般可从主楼周边外延3跨且不小于20m,相关范围以外的区域可按裙房自身的结构类型确定其抗震等级。裙房偏置时,其端部有较大扭转效应,也需要加强。
3 关于地下室的抗震等级。带地下室的多层和高层建筑,当地下室结构的刚度和受剪承载力比上部楼层相对较大时(参见本规范第6.1.14条),地下室顶板可视作嵌固部位,在地震作用下的屈服部位将发生在地上楼层,同时将影响到地下一层。地面以下地震响应逐渐减小,规定地下一层的抗震等级不能降低;而地下一层以下不要求计算地震作用,规定其抗震构造措施的抗震等级可逐层降低(图11)。
4 关于乙类建筑的抗震等级。根据《建筑工程抗震设防分类标准》GB 50223的规定,乙类建筑应按提高一度查本规范表6.1.2确定抗震等级(内力调整和构造措施)。本规范第6.1.1条规定,乙类建筑的钢筋混凝土房屋可按本地区抗震设防烈度确定其适用的最大高度,于是可能出现7度乙类的框支结构房屋和8度乙类的框架结构、框架-抗震墙结构、部分框支抗震墙结构、板柱-抗震墙结构的房屋提高一度后,其高度超过本规范表6.1.2中抗震等级为一级的高度上界。此时,内力调整不提高,只要求抗震构造措施“高于一级”,大体与《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3中特一级的构造要求相当。
钢筋混凝土房屋需要设置防震缝时,应符合下列规定:
1 防震缝宽度应分别符合下列要求:
1)框架结构(包括设置少量抗震墙的框架结构)房屋的防震缝宽度,当高度不超过15m时不应小于100mm;高度超过15m时,6度、7度、8度和9度分别每增加高度5m、4m、3m和2m,宜加宽20mm;
2)框架-抗震墙结构房屋的防震缝宽度不应小于本款1)项规定数值的70%,抗震墙结构房屋的防震缝宽度不应小于本款1)项规定数值的50%;且均不宜小于100mm;
3)防震缝两侧结构类型不同时,宜按需要较宽防震缝的结构类型和较低房屋高度确定缝宽。
2 8、9度框架结构房屋防震缝两侧结构层高相差较大时,防震缝两侧框架柱的箍筋应沿房屋全高加密,并可根据需要在缝两侧沿房屋全高各设置不少于两道垂直于防震缝的抗撞墙。抗撞墙的布置宜避免加大扭转效应,其长度可不大于1/2层高,抗震等级可同框架结构;框架构件的内力应按设置和不设置抗撞墙两种计算模型的不利情况取值。
6.1.4 震害表明,本条规定的防震缝宽度的最小值,在强烈地震下相邻结构仍可能局部碰撞而损坏,但宽度过大会给立面处理造成困难。因此,是否设置防震缝应按本规范第3.4.5条的要求判断。
防震缝可以结合沉降缝要求贯通到地基,当无沉降问题时也可以从基础或地下室以上贯通。当有多层地下室,上部结构为带裙房的单塔或多塔结构时,可将裙房用防震缝自地下室以上分隔,地下室顶板应有良好的整体性和刚度,能将地震剪力分布到整个地下室结构。
8、9度框架结构房屋防震缝两侧层高相差较大时,可在防震缝两侧房屋的尽端沿全高设置垂直于防震缝的抗撞墙,通过抗撞墙的损坏减少防震缝两侧碰撞时框架的破坏。本次修订,抗撞墙的长度由2001规范的可不大于一个柱距,修改为“可不大于层高的1/2”。结构单元较长时,抗撞墙可能引起较大温度内力,也可能有较大扭转效应,故设置时应综合分析(图12)。
框架结构和框架-抗震墙结构中,框架和抗震墙均应双向设置,柱中线与抗震墙中线、梁中线与柱中线之间偏心距大于柱宽的1/4时,应计入偏心的影响。
甲、乙类建筑以及高度大于24m的丙类建筑,不应采用单跨框架结构;高度不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构。
6.1.5 梁中线与柱中线之间、柱中线与抗震墙中线之间有较大偏心距时,在地震作用下可能导致核芯区受剪面积不足,对柱带来不利的扭转效应。当偏心距超过1/4柱宽时,需进行具体分析并采取有效措施,如采用水平加腋梁及加强柱的箍筋等。 2008年局部修订,本条增加了控制单跨框架结构适用范围的要求。框架结构中某个主轴方向均为单跨,也属于单跨框架结构;某个主轴方向有局部的单跨框架,可不作为单跨框架结构对待。一、二层的连廊采用单跨框架时,需要注意加强。框-墙结构中的框架,可以是单跨。
框架-抗震墙、板柱-抗震墙结构以及框支层中,抗震墙之间无大洞口的楼、屋盖的长宽比,不宜超过表6.1.6的规定;超过时,应计入楼盖平面内变形的影响。
6.1.6 楼、屋盖平面内的变形,将影响楼层水平地震剪力在各抗侧力构件之间的分配。为使楼、屋盖具有传递水平地震剪力的刚度,从78规范起,就提出了不同烈度下抗震墙之间不同类型楼、屋盖的长宽比限值。超过该限值时,需考虑楼、屋盖平面内变形对楼层水平地震剪力分配的影响。本次修订,8度框架-抗震墙结构装配整体式楼、屋盖的长宽比由2.5调整为2;适当放宽板柱-抗震墙结构现浇楼、屋盖的长宽比。
采用装配整体式楼、屋盖时,应采取措施保证楼、屋盖的整体性及其与抗震墙的可靠连接。装配整体式楼、屋盖采用配筋现浇面层加强时,其厚度不应小于50mm。
6.1.7 预制板的连接不足时,地震中将造成严重的震害。需要特别加强。在混凝土结构中,本规范仅适用于采用符合要求的装配整体式混凝土楼、屋盖。
框架-抗震墙结构和板柱-抗震墙结构中的抗震墙设置,宜符合下列要求:
1 抗震墙宜贯通房屋全高。
2 楼梯间宜设置抗震墙,但不宜造成较大的扭转效应。
3 抗震墙的两端(不包括洞口两侧)宜设置端柱或与另一方向的抗震墙相连。
4 房屋较长时,刚度较大的纵向抗震墙不宜设置在房屋的端开间。
5 抗震墙洞口宜上下对齐;洞边距端柱不宜小于300mm。
6.1.8 在框架-抗震墙结构和板柱-抗震墙结构中,抗震墙是主要抗侧力构件,竖向布置应连续,防止刚度和承载力突变。本次修订,增加结合楼梯间布置抗震墙形成安全通道的要求;将2001规范“横向与纵向的抗震墙宜相连”改为“抗震墙的两端(不包括洞口两侧)宜设置端柱,或与另一方向的抗震墙相连”,明确要求两端设置端柱或翼墙;取消抗震墙设置在不需要开洞部位的规定,以及连梁最大跨高比和最小高度的规定。
抗震墙结构和部分框支抗震墙结构中的抗震墙设置,应符合下列要求:
1 抗震墙的两端(不包括洞口两侧)宜设置端柱或与另一方向的抗震墙相连;框支部分落地墙的两端(不包括洞口两侧)应设置端柱或与另一方向的抗震墙相连。
2 较长的抗震墙宜设置跨高比大于6的连梁形成洞口,将一道抗震墙分成长度较均匀的若干墙段,各墙段的高宽比不宜小于3。
3 墙肢的长度沿结构全高不宜有突变;抗震墙有较大洞口时,以及一、二级抗震墙的底部加强部位,洞口宜上下对齐。
4 矩形平面的部分框支抗震墙结构,其框支层的楼层侧向刚度不应小于相邻非框支层楼层侧向刚度的50%;框支层落地抗震墙间距不宜大于24m,框支层的平面布置宜对称,且宜设抗震筒体;底层框架部分承担的地震倾覆力矩,不应大于结构总地震倾覆力矩的50%。
6.1.9 本次修订,增加纵横向墙体互为翼墙或设置端柱的要求。
部分框支抗震墙属于抗震不利的结构体系,本规范的抗震措施只限于框支层不超过两层的情况。本次修订,明确部分框支抗震墙结构的底层框架应满足框架-抗震墙结构对框架部分承担地震倾覆力矩的限值——框支层不应设计为少墙框架体系(图13)。
为提高较长抗震墙的延性,分段后各墙段的总高度与墙宽之比,由不应小于2改为不宜小于3(图14)。
抗震墙底部加强部位的范围,应符合下列规定:
1 底部加强部位的高度,应从地下室顶板算起。
2 部分框支抗震墙结构的抗震墙,其底部加强部位的高度,可取框支层加框支层以上两层的高度及落地抗震墙总高度的1/10二者的较大值。其他结构的抗震墙,房屋高度大于24m时,底部加强部位的高度可取底部两层和墙体总高度的1/10二者的较大值;房屋高度不大于24m时,底部加强部位可取底部一层。
3 当结构计算嵌固端位于地下一层的底板或以下时,底部加强部位尚宜向下延伸到计算嵌固端。
6.1.10 延性抗震墙一般控制在其底部即计算嵌固端以上一定高度范围内屈服、出现塑性铰。设计时,将墙体底部可能出现塑性铰的高度范围作为底部加强部位,提高其受剪承载力,加强其抗震构造措施,使其具有大的弹塑性变形能力,从而提高整个结构的抗地震倒塌能力。
89规范的底部加强部位与墙肢高度和长度有关,不同长度墙肢的加强部位高度不同。为了简化设计,2001规范改为底部加强部位的高度仅与墙肢总高度相关。本次修订,将“墙体总高度的1/8”改为“墙体总高度的1/10”;明确加强部位的高度一律从地下室顶板算起;当计算嵌固端位于地面以下时,还需向下延伸,但加强部位的高度仍从地下室顶板算起。
此外,还补充了高度不超过24m的多层建筑的底部加强部位高度的规定。
有裙房时,按本规范第6.1.3条的要求,主楼与裙房顶对应的相邻上下层需要加强。此时,加强部位的高度也可以延伸至裙房以上一层。
框架单独柱基有下列情况之一时,宜沿两个主轴方向设置基础系梁:
1 一级框架和Ⅳ类场地的二级框架;
2 各柱基础底面在重力荷载代表值作用下的压应力差别较大;
3 基础埋置较深,或各基础埋置深度差别较大;
4 地基主要受力层范围内存在软弱黏性土层、液化土层或严重不均匀土层;
5 桩基承台之间。
框架-抗震墙结构、板柱-抗震墙结构中的抗震墙基础和部分框支抗震墙结构的落地抗震墙基础,应有良好的整体性和抗转动的能力。
6.1.12 当地基土较弱,基础刚度和整体性较差,在地震作用下抗震墙基础将产生较大的转动,从而降低了抗震墙的抗侧力刚度,对内力和位移都将产生不利影响。
主楼与裙房相连且采用天然地基,除应符合本规范第4.2.4条的规定外,在多遇地震作用下主楼基础底面不宜出现零应力区。
6.1.13 配合本规范第4.2.4条的规定,针对主楼与裙房相连的情况,明确其天然地基底部不宜出现零应力区。
地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时,应符合下列要求:
1 地下室顶板应避免开设大洞口;地下室在地上结构相关范围的顶板应采用现浇梁板结构,相关范围以外的地下室顶板宜采用现浇梁板结构;其楼板厚度不宜小于180mm,混凝土强度等级不宜小于C30,应采用双层双向配筋,且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25%。
2 结构地上一层的侧向刚度,不宜大于相关范围地下一层侧向刚度的0.5倍;地下室周边宜有与其顶板相连的抗震墙。
3 地下室顶板对应于地上框架柱的梁柱节点除应满足抗震计算要求外,尚应符合下列规定之一:
1)地下一层柱截面每侧纵向钢筋不应小于地上一层柱对应纵向钢筋的1.1倍,且地下一层柱上端和节点左右梁端实配的抗震受弯承载力之和应大于地上一层柱下端实配的抗震受弯承载力的1.3倍。
2)地下一层梁刚度较大时,柱截面每侧的纵向钢筋面积应大于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍;同时梁端顶面和底面的纵向钢筋面积均应比计算增大10%以上;
4 地下一层抗震墙墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截面面积,不应少于地上一层对应墙肢端部边缘构件纵向钢筋的截面面积。
6.1.14 为了能使地下室顶板作为上部结构的嵌固部位,本条规定了地下室顶板和地下一层的设计要求:
地下室顶板必须具有足够的平面内刚度,以有效传递地震基底剪力。地下室顶板的厚度不宜小于180mm,若柱网内设置多个次梁时,板厚可适当减小。这里所指地下室应为完整的地下室,在山(坡)地建筑中出现地下室各边填埋深度差异较大时,宜单独设置支档结构。
框架柱嵌固端屈服时,或抗震墙墙肢的嵌固端屈服时,地下一层对应的框架柱或抗震墙墙肢不应屈服。据此规定了地下一层框架柱纵筋面积和墙肢端部纵筋面积的要求。
“相关范围”一般可从地上结构(主楼、有裙房时含裙房)周边外延不大于20m。
当框架柱嵌固在地下室顶板时,位于地下室顶板的梁柱节点应按首层柱的下端为“弱柱”设计,即地震时首层柱底屈服、出现塑性铰。为实现首层柱底先屈服的设计概念,本规范提供了两种方法:
其一,按下式复核:
设计时,梁柱纵向钢筋增加的比例也可不同,但柱的纵向钢筋至少比地上结构柱下端的钢筋增加10%。
其二,作为简化,当梁按计算分配的弯矩接近柱的弯矩时,地下室顶板的柱上端、梁顶面和梁底面的纵向钢筋均增加10%以上。可满足上式的要求。
楼梯间应符合下列要求:
1 宜采用现浇钢筋混凝土楼梯。
2 对于框架结构,楼梯间的布置不应导致结构平面特别不规则;楼梯构件与主体结构整浇时,应计入楼梯构件对地震作用及其效应的影响,应进行楼梯构件的抗震承载力验算;宜采取构造措施,减少楼梯构件对主体结构刚度的影响。
3 楼梯间两侧填充墙与柱之间应加强拉结。
6.1.15 本条是新增的。发生强烈地震时,楼梯间是重要的紧急逃生竖向通道,楼梯间(包括楼梯板)的破坏会延误人员撤离及救援工作,从而造成严重伤亡。本次修订增加了楼梯间的抗震设计要求。对于框架结构,楼梯构件与主体结构整浇时,梯板起到斜支撑的作用,对结构刚度、承载力、规则性的影响比较大,应参与抗震计算;当采取措施,如梯板滑动支承于平台板,楼梯构件对结构刚度等的影响较小,是否参与整体抗震计算差别不大。对于楼梯间设置刚度足够大的抗震墙的结构,楼梯构件对结构刚度的影响较小,也可不参与整体抗震计算。
6.1.16框架的填充墙应符合本规范第13章的规定。
6.1.17 高强混凝土结构抗震设计应符合本规范附录B的规定。
6.1.18 预应力混凝土结构抗震设计应符合本规范附录C的规定。
钢筋混凝土结构应按本节规定调整构件的组合内力设计值,其层间变形应符合本规范第5.5节的有关规定。构件截面抗震验算时,非抗震的承载力设计值应除以本规范规定的承载力抗震调整系数;凡本章和本规范附录未作规定者,应符合现行有关结构设计规范的要求。
一、二、三、四级框架的梁柱节点处,除框架顶层和柱轴压比小于0.15者及框支梁与框支柱的节点外,柱端组合的弯矩设计值应符合下式要求:
当反弯点不在柱的层高范围内时,柱端截面组合的弯矩设计值可乘以上述柱端弯矩增大系数。
6.2.2 框架结构的抗地震倒塌能力与其破坏机制密切相关。试验研究表明,梁端屈服型框架有较大的内力重分布和能量消耗能力,极限层间位移大,抗震性能较好;柱端屈服型框架容易形成倒塌机制。
在强震作用下结构构件不存在承载力储备,梁端受弯承载力即为实际可能达到的最大弯矩,柱端实际可能达到的最大弯矩也与其偏压下的受弯承载力相等。这是地震作用效应的一个特点。因此,所谓“强柱弱梁”指的是:节点处梁端实际受弯承载力
这种概念设计,由于地震的复杂性、楼板的影响和钢筋屈服强度的超强,难以通过精确的承载力计算真正实现。 本规范自89规范以来,在梁端实配钢筋不超过计算配筋10%的前提下,将梁、柱之间的承载力不等式转为梁、柱的地震组合内力设计值的关系式,并使不同抗震等级的柱端弯矩设计值有不同程度的差异。采用增大柱端弯矩设计值的方法,只在一定程度上推迟柱端出现塑性铰;研究表明,当计入楼板和钢筋超强影响时,要实现承载力不等式,内力增大系数的取值往往需要大于2。由于地震是往复作用,两个方向的柱端弯矩设计值均要满足要求:当梁端截面为反时针方向弯矩之和时,柱端截面应为顺时针方向弯矩之和;反之亦然。
对于一级框架,89规范除了用增大系数的方法外,还提出了采用梁端实配钢筋面积和材料强度标准值计算的抗震受弯承载力所对应的弯矩值的调整、验算方法。这里,抗震承载力即本规范5章的RE=R/γRE=R/0.75,此时必须将抗震承载力验算公式取等号转换为对应的内力,即S=R/γRE。当计算梁端抗震受弯承载力时,若计入楼板的钢筋,且材料强度标准值考虑一定的超强系数,则可提高框架“强柱弱梁”的程度。89规范规定,一级的增大系数可根据工程经验估计节点左右梁端顺时针或反时针方向受拉钢筋的实际截面面积与计算面积的比值,取1.1λs作为实配增大系数的近似估计,其中的1.1来自钢筋材料标准值与设计值的比值fyk/fy。柱弯矩增大系数值可参考λs的可能变化范围确定:例如,当梁顶面为计算配筋而梁底面为构造配筋时,一级的λs不小于1.5,于是,柱弯矩增大系数不小于1.1×1.5=1.65;二级λs不小于1.3,柱弯矩增大系数不小于1.43。
2001规范比89规范提高了强柱弱梁的弯矩增大系数ηc,弯矩增大系数ηc考虑了一定的超配钢筋(包括楼板的配筋)和钢筋超强。一级的框架结构及9度时,仍应采用框架梁的实际抗震受弯承载力确定柱端组合的弯矩设计值,取二者的较大值。
本次修订,提高了框架结构的柱端弯矩增大系数,而其他结构中框架的柱端弯矩增大系数仍与2001规范相同;并补充了四级框架的柱端弯矩增大系数。对于一级框架结构和9度时的一级框架,明确只需按梁端实配抗震受弯承载力确定柱端弯矩设计值;即使按增大系数的方法比实配方法保守,也可不采用增大系数的方法。对于二、三级框架结构,也可按式(6.2.2—2)的梁端实配抗震受弯承载力确定柱端弯矩设计值,但式中的系数1.2可适当降低,如取1.1即可;这样,有可能比按内力增大系数,即按式(6.2.2—1)调整的方法更经济、合理。计算梁端实配抗震受弯承载力时,还应计入梁两侧有效翼缘范围的楼板。因此,在框架刚度和承载力计算时,所计入的梁两侧有效翼缘范围应相互协调。
即使按“强柱弱梁”设计的框架,在强震作用下,柱端仍有可能出现塑性铰,保证柱的抗地震倒塌能力是框架抗震设计的关键。本规范通过柱的抗震构造措施,使柱具有大的弹塑性变形能力和耗能能力,达到在大震作用下,即使柱端出铰,也不会引起框架倒塌的目标。
当框架底部若干层的柱反弯点不在楼层内时,说明这些层的框架梁相对较弱。为避免在竖向荷载和地震共同作用下变形集中,压屈失稳,柱端弯矩也应乘以增大系数。
对于轴压比小于0.15的柱,包括顶层柱在内,因其具有比较大的变形能力,可不满足上述要求;对框支柱,在本规范第6.2.10条另有规定。
一、二、三、四级框架结构的底层,柱下端截面组合的弯矩设计值,应分别乘以增大系数1.7、1.5、1.3和1.2。底层柱纵向钢筋应按上下端的不利情况配置。
6.2.3 框架结构计算嵌固端所在层即底层的柱下端过早出现塑性屈服,将影响整个结构的抗地震倒塌能力。嵌固端截面乘以弯矩增大系数是为了避免框架结构柱下端过早屈服。对其他结构中的框架,其主要抗侧力构件为抗震墙,对其框架部分的嵌固端截面,可不作要求。
当仅用插筋满足柱嵌固端截面弯矩增大的要求时,可能造成塑性铰向底层柱的上部转移,对抗震不利。规范提出按柱上下端不利情况配置纵向钢筋的要求。
一、二、三级的框架梁和抗震墙的连梁,其梁端截面组合的剪力设计值应按下式调整:
6.2.4、6.2.5、6.2.8 防止梁、柱和抗震墙底部在弯曲屈服前出现剪切破坏是抗震概念设计的要求,它意味着构件的受剪承载力要大于构件弯曲时实际达到的剪力,即按实际配筋面积和材料强度标准值计算的承载力之间满足下列不等式:
规范在纵向受力钢筋不超过计算配筋10%的前提下,将承载力不等式转为内力设计值表达式,不同抗震等级采用不同的剪力增大系数,使“强剪弱弯”的程度有所差别。该系数同样考虑了材料实际强度和钢筋实际面积这两个因素的影响,对柱和墙还考虑了轴向力的影响,并简化计算。
一级的剪力增大系数,需从上述不等式中导出。直接取实配钢筋面积与计算实配筋面积之比λs的1.1倍,是ηv最简单的近似,对梁和节点的“强剪”能满足工程的要求,对柱和墙偏于保守。89规范在条文说明中给出较为复杂的近似计算公式如下:
式中,λN为轴压比,λSW为墙体实际受拉钢筋(分布筋和集中筋) 截面面积与计算面积之比,ζ为考虑墙体边缘构件影响的系数,ρtw为墙体受拉钢筋配筋率。
2001规范的框架柱、抗震墙的剪力增大系数ηvc、ηvw,即参考上述近似公式确定。此次修订,框架梁、框架结构以外框架的柱、连梁和抗震墙的剪力增大系数与2001规范相同,框架结构的柱的剪力增大系数随柱端弯矩增大系数的提高而提高;同时,明确一级的框架结构及9度的一级框架,只需满足实配要求,而即使增大系数为偏保守也可不满足。同样,二、三、四级框架结构的框架柱,也可采用实配方法而不采用增大系数的方法,使之较为经济又合理。
注意:柱和抗震墙的弯矩设计值系经本节有关规定调整后的取值;梁端、柱端弯矩设计值之和须取顺时针方向之和以及反时针方向之和两者的较大值;梁端纵向受拉钢筋也按顺时针及反时针方向考虑。
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