4  地震作用和结构抗震验算

摘 要

4  地震作用和结构抗震验算
4.1  一般规定
4.2  地震作用
4.3  抗震验算
条文说明

4  地震作用和结构抗震验算

4.1  一般规定

4.1.1  各类建筑与市政工程地震作用计算时,设计地震动参数应根据设防烈度按本规范第2.2节的相关规定确定,并按下列规定进行调整:

     1  当工程结构处于发震断裂两侧10km以内时,应计入近场效应对设计地震动参数的影响。

     2  当工程结构处于条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩石和强风化岩石的陡坡、河岸与边坡边缘等不利地段时,应考虑不利地段对水平设计地震参数的放大作用。放大系数应根据不利地段的具体情况确定,其数值不得小于1.1,不大于1.6。

4.1.2  各类建筑与市政工程的地震作用,应采用符合结构实际工作状况的分析模型进行计算,并应符合下列规定:

     1  一般情况下,应至少沿结构两个主轴方向分别计算水平地震作用;当结构中存在与主轴交角大于15°的斜交抗侧力构件时,尚应计算斜交构件方向的水平地震作用。

     2  计算各抗侧力构件的水平地震作用效应时,应计入扭转效应的影响。

     3  抗震设防烈度不低于8度的大跨度、长悬臂结构和抗震设防烈度9度的高层建筑物、盛水构筑物、贮气罐、储气柜等,应计算竖向地震作用。

     4  对平面投影尺度很大的空间结构和长线型结构,地震作用计算时应考虑地震地面运动的空间和时间变化。

     5  对地下建筑和埋地管道,应考虑地震地面运动的位移向量影响进行地震作用效应计算。

4.1.3  计算地震作用时,建筑与市政工程结构的重力荷载代表值应取结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和。各可变荷载的组合值系数,应按表4.1.3采用。

4.1.4  各类建筑与市政工程结构的抗震设计应符合下列规定:

     1  各类建筑与市政工程结构均应进行构件截面抗震承载力验算。

     2  应进行抗震变形、变位或稳定验算。

     3  应采取抗震措施。


4.2  地震作用

4.2.1  建筑与市政工程的水平地震作用确定应符合下列规定:

     1  采用底部剪力法或振型分解反应谱法计算建筑结构、桥梁结构、地上管线、地上构筑物等建筑与市政工程的水平地震作用时,水平地震影响系数的取值应符合本规范第4.2.2条的规定。

     2  采用时程分析法计算建筑结构、桥梁结构、地上管线、地上构筑物等市政工程的水平地震作用时,输入激励的平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法采用地震影响系数曲线在统计意义上相符。

     3  地下工程结构的水平地震作用应根据地下工程的尺度、结构构件的刚度以及地震地面运动的差异变形采用简化方法或时程分析方法确定。

4.2.2  各类建筑与市政工程的水平地震影响系数取值,应符合下列规定:

     1  水平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。

     2  水平地震影响系数最大值不应小于表4.2.2-1的规定。

     3  特征周期应根据场地类别和设计地震分组按表4.2.2-2采用。当有可靠的剪切波速和覆盖层厚度且其值处于本规范表3.1.3所列场地类别的分界线±15%范围内时,应按插值方法确定特征周期。

     4  计算罕遇地震作用时,特征周期应在本条第3款规定的基础上增加0.05s。

4.2.3  多遇地震下,各类建筑与市政工程结构的水平地震剪力标准值应符合下列规定:

     1  建筑结构抗震验算时,各楼层水平地震剪力标准值应符合下式规定:

     式中:VEki——第i层水平地震剪力标准值;

          λ——最小地震剪力系数,应按本条第3款的规定取值;对竖向不规则结构的薄弱层,尚应乘以1.15的增大系数;

          Gj——第j层的重力荷载代表值。

     2  市政工程结构抗震验算时,其基底水平地震剪力标准值应符合下式规定:

     式中:VEkO——基底水平地震剪力标准值;

         λ——最小地震剪力系数,应按本条第3款的规定取值;

         G——总重力荷载代表值。

     3  多遇地震下,建筑与市政工程结构的最小地震剪力系数取值应符合下列规定:

       1)对扭转不规则或基本周期小于3.5s的结构,最小地震剪力系数不应小于表4.2.3的基准值;

       2)对基本周期大于5.0s的结构,最小地震剪力系数不应小于表4.2.3的基准值的0.75倍;

       3)对基本周期介于3.5s和5s之间的结构,最小地震剪力系数不应小于表4.2.3的基准值的(9.5—T1)/6倍(T1为结构计算方向的基本周期)。



4.3  抗震验算

4.3.1  结构构件的截面抗震承载力,应符合下式规定:

     式中:S——结构构件的地震组合内力设计值,按本规范4.3.2条的规定确定;

           R——结构构件承载力设计值,按结构材料的强度设计值确定;

           γRE——承载力抗震调整系数,除本规范另有专门规定外,应按表4.3.1采用。

4.3.2  结构构件抗震验算的组合内力设计值应采用地震作用效应和其他作用效应的基本组合值,并应符合下式规定:

     式中:S——结构构件地震组合内力设计值,包括组合的弯矩、轴向力和剪力设计值等;

          γG——重力荷载分项系数,按表4.3.2-1采用;

          γEh、γEv——分别为水平、竖向地震作用分项系数,其取值不应低于表4.3.2-2的规定;

           γDi——不包括在重力荷载内的第i个永久荷载的分项系数,应按表4.3.2-1采用;

           γi——不包括在重力荷载内的第i个可变荷载的分项系数,不应小于1.5;

           SGE——重力荷载代表值的效应,有吊车时,尚应包括悬吊物重力标准值的效应;

           SEhk——水平地震作用标准值的效应;

           SEvk——竖向地震作用标准值的效应;

           SDik——不包括在重力荷载内的第i个永久荷载标准值的效应;

           Sik——不包括在重力荷载内的第i个可变荷载标准值的效应;

           ψi——不包括在重力荷载内的第i个可变荷载的组合值系数,应按表4.3.2-1采用。

4.3.3  各类结构地震作用下的变形验算应符合下列规定:

     1  钢筋混凝土结构、钢结构、钢-混凝土组合结构等房屋建筑,应进行多遇地震下的弹性变形验算,并不应大于容许变形值。

     2  桥梁结构,应验算罕遇地震作用下顺桥向和横桥向桥墩墩顶的位移或桥墩塑性铰区域塑性转动能力,墩顶的位移不应大于桥墩容许位移,塑性铰区域的塑性转角不应大于最大容许转角。


条文说明:

4  地震作用和结构抗震验算

4.1  一般规定

4.1.1  本条明确设计地震动参数的调整要求和控制底线。通常工程设计地震动参数可由现行国家标准《中国地震动参数区划图》GB18306确定。但区划图给出的地震动参数仅为一般场地条件下的参数,对于近场效应、局部突出地形、实际场地条件等影响因素并无规定。为了确保工程地震安全,尚需考虑上述因素的影响对区划图的参数进行调整,方可用于工程设计。本条规定了考虑近场效应、局部突出地形以及场地条件影响的调整原则和最低调整要求。

    所谓的发震断裂,指的是全新世活动断裂中,近500年来发生过M≥5级地震的断裂或今后100年内可能发生M≥5级地震的断裂。

    国内多次大地震的调查资料表明,局部地形条件是影响建筑物破坏程度的一个重要因素。宁夏海原地震,位于渭河谷地的姚庄,烈度为7度;而相距仅2km的牛家山庄,因位于高出百米的突出的黄土梁上,烈度竟高达9度。1966年云南东川地震,位于河谷较平坦地带的新村,烈度为8度;而邻近一个孤立山包顶部的硅肺病疗养院,从其严重破坏程度来评定,烈度不低于9度。海城地震,在大石桥盘龙山高差58m的两个测点上收到的强余震加速度记录表明,孤突地形上的地面最大加速度,比坡脚平地上的加速度平均大1.84倍。1970年通海地震的宏观调查数据表明,位于孤立的狭长山梁顶部的房屋,其震害程度所反映的烈度,比附近平坦地带的房屋约高出一度。2008年汶川地震中,陕西省宁强县高台小学,由于位于近20m高的孤立的土台之上,地震时其破坏程度明显大于附近的平坦地带。

     因此,当需要在条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩石和强风化岩石的陡坡、河岸和边坡边缘等不利地段建造丙类及丙类以上建筑时,除保证其在地震作用下的稳定性外,尚应考虑局部突出地形对地震动参数的放大作用,这对山区建筑的抗震计算十分必要。

     实施与检查控制

     (1)实施

     1)根据历次地震宏观震害经验和地震反应分析结果,局部突出地形地震反应的总体趋势,大致可以归纳为以下几点:

     ① 高突地形距离基准面的高度越大,高处的反应越强烈。

     ② 离陡坎和边坡顶部边缘的距离越大,反应相对减小。

     ③ 从岩土构成方面看,在同样地形条件下,土质结构的反应比岩质结构大。

     ④ 高突地形顶面越开阔,远离边缘的中心部位的反应明显减小。

     ⑤ 边坡越陡,其顶部的放大效应相应加大。

     2)基于以上变化趋势,以突出地形的高差H,坡降角度的正切H/L,以及场址距突出地形边缘的相对距离L1/H为参数,归纳出各种地形的地震力放大作用:

     式中:λ——局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数;

          a一一局部突出地形地震动参数的增大幅度,按表4采用;

          ξ一一附加调整系数,与建筑场地离突出台地边缘的距离L1和相对高差H的比值有关。当L1/H<2.5时,ξ可取1.0;当2.5≤L1/H<5时,ξ可取0.6;当L1/H≥5时,ξ可取0.3。L、L均应按距离场地的最近点考虑。

     按上述方法计算的增大系数应满足本条要求,即局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数λ的计算值,小于1.1时取1.1,大于1.6时取1.6。

     3)按表4,局部突出地形地震影响系数的增大幅度a存在取值为0的情况,但不能据此简单地将此类场地从抗震不利地段中划出,而应根据地形、地貌和地质等各种条件综合判断。

     4)本条规定的最大增大幅度0.6是根据分析结果和综合判断给出的,本条的规定对各种地形,包括山包、山梁、悬崖、陡坡都可以应用。

     5)本条要求放大的仅是水平向的地震影响系数最大值,竖向地震影响系数最大值不要求放大。

     (2)检查

     检查岩土工程勘察报告,复核建筑场地的高度、坡降角度和至台地边缘的距离,确定增大系数的合适取值。

4.1.2  本条明确地震作用计算的基本原则和要求。静力设计中,各类结构的荷载取值是一个十分重要的关键设计参数;同样,在抗震设计中,正确的地震作用取值也是十分重要的。本条规定了地震作用计算时结构计算模型、水平地震作用方向、扭转效应、竖向地震作用、地震地面运动的空间特性、地面位移的基本要求。

     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。

     实施与检查控制

     (1)实施

     由于地震发生的地点是随机的,对某结构物而言,地震作用的方向是随意的,而且结构的抗侧力构件也不一定是正交的,这些在计算地震作用时都应注意。另外,结构物的刚度中心与质量中心不会完全重合,这必然导致结构物产生不同程度的扭转。最后还应提到,震中区的竖向地震作用对某些结构物的影响不容忽视,工程实践时应注意把握好以下几个问题:

     1)水平地震作用的计算方向

     一般情况下,应沿结构两个主轴方向分别考虑水平地震作用计算。考虑到地震可能来自任意方向,当有斜交抗侧力构件时,应考虑对各构件的最不利方向的水平地震作用,即与该构件平行方向的水平地震作用。需要注意的是:斜向地震作用计算时,结构底部总剪力以及楼层乾力等数值一般要小于正交方向计算的结果,但对于斜向抗侧力构件来说,其截面设计的控制性内力和配筋结果却往往取决于斜向地震作用的计算结果,因此,当结构存在斜交构件时,不能忽视斜向地震作用计算。

     注意斜交构件与斜交结构的差别。有斜交抗侧力构件时是指结构中任一抗侧力构件与结构主轴方向斜交时,均应按本规范要求计算各抗侧力构件方向的水平地震作用,而不是仅指斜交结构。

     2)竖向地震作用的计算范围

     竖向地震作用计算时,应注意大跨度和长悬臂结构的界定,如表5所示。

     (2)检查

     检查地震作用方向,查看计算的模型和项目。

4.1.3  本条明确重力荷载代表值的取值要求。建筑结构抗震计算时,重力荷载代表值的取值十分重要,按现行国家标准《建筑结构可靠性设计统一标准》GB50068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。

     实施与检查控制

     (1)实施

     对于按等效均布计算的楼面消防车荷载,根据概率原理,当建筑工程发生火灾、消防车进行消防作业的同时,本地区发生50年一遇地震(多遇地震)的可能性是很小的。因此,对于建筑抗震设计来说,消防车荷载属于另一种偶然荷载,计算建筑的重力荷载代表值时,可不予以考虑。

     (2)检查

     检查重力荷载代表值,查看计算的组合系数。

4.1.4  本条明确结构构件抗震验算的范围和设计基本要求。强烈地震下结构和构件并不存在承载力极限状态的可靠性。从根本上说,建筑结构的抗震验算应该是在强烈地震下的弹塑性变形能力和承载力极限状态的验算。本条结合我国工程实践,对构件抗震承载力验算范围和设计基本要求提出强制性要求是必要的。  

     实施与检查控制

     (1)实施

     6度设防时一般不计算,当规范、规程中有具体规定时仍应计算。对于一些体型复杂的不规则结构,仍然需要计算。

     不规则建筑按相关的技术标准进一步界定。

     (2)检查

     检查抗震验算范围,查看计算的原始参数和构件验算内容。

4.2  地震作用

4.2.1  本条明确地震作用计算方法的选取原则。地震作用计算是结构抗震设计的重要内容,而地震作用取值的合适与否很大程度上取决于地震作用计算方法选择的是否合适。本条对各种地震作用计算方法的基本原则进行强制性规定是合适的。

4.2.2  本条明确各类建筑与市政工程水平地震影响系数的取值。弹性反应谱理论仍是现阶段抗震设计的最基本理论,我国工程界习惯采用地震影响系数曲线形式来表述反应谱。本条规定了不同设防烈度、设计地震分组和场地类别的地震影响系数的基本设计参数——最大值和设计特征周期等,是正确计算建筑结构地震作用的关键。

     实施与检查控制

     (1)实施

     凡国家标准和各行业标准无明确规定的结构,其阻尼比均按0.05取值。

     当采用工程场地地震动安全性评价报告作为工程抗震设计依据时,工程场地地震动安全性评价报告应按规定的权限审批,且按地震安全性评价报告所提供的参数计算的地震作用不应小于按设防烈度和规范方法计算的结果,否则,应按规范方法的计算结果进行设计。

     进行罕遇地震计算的设计特征周期增加0.05s,以反映大震级地震动的频谱特性与中小震级的不同。

     (2)检查

     检查地震影响系数,查看计算书的烈度、设计地震分组、阻尼比和场地类别。

4.2.3  本条明确水平地震作用的下限控制要求。地震作用的取值直接决定着工程结构的抗震承载能力,是抗震设计的重要内容之一。但鉴于现阶段的科学技术手段,尚难以对地震以及地震地面运动的强度、频谱、持续时间等特性作出准确的预测;另外,结构计算本身仍然存在很大的不确定性,因此,为了保证工程结构具备必要的抗震承载能力,对用于结构设计的地震作用作出下限规定,已成为国际通行的做法。

     实施与检查控制

     (1)实施

     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,则以上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、位移等的计算分析。即应先调整楼层剪力,再计算内力及位移。

     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)最小剪重比的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遵守。

     6)采用场地地震安全性评价报告的参数进行计算时,也应遵守本条规定。

     (2)检查

     检查最小地震剪力,查看计算结果的楼层剪力系数。

4.3  抗震验算

4.3.1  本条明确结构构件抗震承载力验算的基本原则和要求。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(多遇地震)作用下构件承载力验算的形式来表现。现阶段,大部分结构构件截面抗震验算时,采用了各有关标准的承载力设计值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=RdRE。为了保证结构构件抗震承载力验算的准确性,对抗震验算的基本表达式及关键参数取值提出强制性要求,是必要的。

     实施与检查控制

     (1)实施

     对电算结果的分析认可是十分重要的;对关键的抗震薄弱部位和构件,抗震承载力必须满足要求,必要时应采用手算复核,避免电算结果因计算模型不完全符合实际而造成安全隐患。

     由于抗震承载力验算时引入的“承载力抗震调整系数γRE”小于1.0,构件设计内力的最不利组合不一定是地震基本组合,在设防烈度较低时尤其如此,此时,要特别注意这些构件的细部构造要求。

     地基基础构件的抗震验算,与地基基础设计规范协调,仍采用基本组合,其表达式按本条规定执行,基础构件的抗震承载力调整系数γRE既应根据受力状态按照本条表4.3.1采用。例如,对于钢筋混凝土柱下独立基础的底板受弯配筋计算可按梁受弯采用,即γRE取0.75;对条形地基梁的受剪验算取0.85等。

     (2)检查

     检查抗震验算表达式,查看关键部位的构件抗震承载力。

4.3.2  本条明确结构构件截面的地震组合内力计算原则和要求。地震作用效应组合是结构构件抗震设计的重要内容,设计人员应严格执行。需要注意的是,鉴于地震本身的不确定性以及结构抗震计算的不确定性,结构计算所得的地震作用效应尚应根据抗震概念设计的原则要求进行必要的调整。

     本条中,不包括在重力荷载内的永久荷载,主要指的是土压力、水压力、预应力等不变荷载;不包括在重力荷载内的可变荷载主要包括温度作用、风荷载等。

     实施与检查控制

     (1)实施

     地震作用效应基本组合中,含有考虑抗震概念设计的一些效应调整。在现行国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011及相关技术规程中,属于抗震概念设计的地震作用效应调整的内容较多,有的是在地震作用效应组合之前进行的,有的是在组合之后进行的,实施时需加以注意。

     (2)检查

     检查地震基本组合,查看计算的分项系数。

4.3.3  本条明确各类结构的地震变形验算原则和要求。结构抗震验算根本上应该是弹塑性变形验算,抗震相关技术标准主要进行的是结构构件抗震承载力验算,其主要目的是为了减少验算工作量并符合设计习惯。鉴于抗震变形验算的重要性以及结构计算分析技术和手段的丰富与发展,本条对各类工程结构抗震变形验算的基本原则和要求作出强制性要求,既可以促进结构弹塑性分析技术的发展和应用,也可以确保工程结构的抗震安全性,是十分必要的。


目录:

4  地震作用和结构抗震验算

4.1  一般规定

4.2  地震作用

4.3  抗震验算

条文说明