CN106337590A - 一种提高建筑结构抗倒塌能力的抗震设计方法 - Google Patents

Abstract

一种提高建筑结构抗倒塌能力的抗震设计方法，本发明涉及建筑结构抗倒塌能力的抗震设计方法。本发明是为了解决现有技术所引起的中低层建筑结构抗倒塌能力弱、建筑结构各楼层的抗倒能力未能充分发挥的问题。本发明步骤为：一：选择所使用的建筑结构体系，设计建筑结构构件的尺寸并估算建筑结构的基本周期T₁；二：计算结构各层所受的地震作用并求出各层的层间剪力，计算建筑结构的底部剪力V₁与建筑结构各层的屈服强度之和S₁的比值λ₁；三：确定建筑结构的层延性能力μ；四：得到新的建筑结构底部剪力V_base；五：重新计算结构各层所受的地震作用，根据各层的地震作用求各层的层间剪力。本发明应用于抗震设计领域。

Description

一种提高建筑结构抗倒塌能力的抗震设计方法

技术领域

本发明涉及建筑结构的抗震设计方法。

背景技术

震害调查发现，中低层建筑结构的抗倒塌能力相对高层建筑结构弱，究其原因在于(1)在抗震设计时，高层建筑结构比中低层建筑结构的设计要求严格；(2)多数建筑抗震设计规范中仅对重要、复杂建筑结构进行基于非线性时程分析方法的抗倒塌能力验算，而对于量大面广的普通建筑结构不要求进行抗倒塌能力验算。因此，有必要进一步关注中低层建筑结构的抗地震倒塌能力，研究可提高其抗倒塌能力的设计方法。

地震作用计算是建筑结构抗震设计工作开展的前提，其目的为获得地震引起的建筑结构各层所受的侧向荷载，为后续的结构设计提供结构上所作用的外荷载条件。对于中低层建筑结构，如果层间变形以剪切型为主，目前国内外主要建筑抗震设计规范中均推荐使用底部剪力法来进行地震作用的计算，其得到的作用在结构上的侧向荷载分布模式接近倒三角形形状。

振型分解反应谱法也被广泛用于地震作用的计算，由于底部剪力法是振型分解反应谱法的简化形式，因此振型分解反应谱法被认为可得到更精确的地震作用计算结果，但是对于以剪切变形为主的中低层建筑结构，使用振型分解反应谱和底部剪力法得到的侧向荷载基本一致。由于底部剪力法的计算量和使用的复杂程度远低于振型分解反应谱法，其在中低层建筑结构抗震设计中得到了更为广泛的应用。

实践和数值分析表明，使用底部剪力法设计的建筑结构各楼层的抗倒塌能力存在明显差异，未能充分发挥各楼层自身的抗震能力。如果能通过对地震作用计算方法的改变，获得建筑结构所受侧向荷载更为合理的分布模式，既可以通过调整建筑结构各层之间相对的设计屈服强度的方式实现各楼层自身的抗震能力的充分发挥，进而实现对其抗倒塌能力的提高。

发明内容

本发明是为了解决现有抗震设计方法所引起的中低层建筑结构抗倒塌能力弱、建筑结构各楼层的抗倒能力未能充分发挥的问题，而提出的一种提高建筑结构抗倒塌能力的抗震设计方法。

一种提高建筑结构抗倒塌能力的抗震设计方法按以下步骤实现：

步骤一：确定待设计建筑结构的层数N和场地类型；选择所使用的建筑结构体系，设计建筑结构构件的尺寸并估算建筑结构的基本周期T₁；

步骤二：利用底部剪力法，计算结构各层所受的地震作用并求出各层的层间剪力，并计算建筑结构的底部剪力V₁与S₁的比值λ₁＝V₁/S₁，所述S₁为使用未考虑结构顶部附加力的底部剪力法计算得到的结构各层的屈服强度之和；

步骤三：根据步骤一中选择的建筑结构体系，确定建筑结构的层延性能力μ；

步骤四：根据步骤二中建筑结构的底部剪力V₁，得到新的建筑结构底部剪力V_base；

步骤五：重新计算结构各层所受的地震作用，根据各层的地震作用求各层的层间剪力。

发明效果：

本发明设计方法的思路为在不改变建筑结构造价的前提下，通过改变建筑结构各层所受的地震作用来实现建筑结构的合理设计。

1、在相同结构造价的前提下，按本发明的抗震设计方法进行设计的结构与按现行抗震设计规范中普遍采用的底部剪力法进行设计的结构相比，抗地震倒塌能力有大幅提高，有效地保障了地震作用下结构的安全性。

2、采用本发明的抗震设计方法，在设计过程中只需改变结构所受地震作用计算的相关部分，其余设计过程与现行抗震设计规范中的过程相同，因此十分易于工程设计人员接受和使用。

附图说明

图1为所设计8层结构的地震倒塌易损性曲线对比图。

具体实施方式

具体实施方式一：一种提高建筑结构抗倒塌能力的抗震设计方法包括以下步骤：

步骤一：根据设计要求及所处地点，确定待设计建筑结构的层数N和场地类型；选择所使用的建筑结构体系(如钢筋混凝土框架、钢框架、砌体结构等)，按常规结构设计方法初步设计结构构件的尺寸并估算建筑结构的基本周期T₁；

步骤二：利用建筑抗震设计规范(如现行《建筑抗震设计规范》GB50011-2010)中给出的底部剪力法(不需考虑顶部附加力)，计算结构各层所受的地震作用并求出各层的层间剪力(其值与各层的屈服强度相同)，计算建筑结构的底部剪力V₁与S₁的比值λ₁＝V₁/S₁，所述S₁为使用未考虑结构顶部附加力的底部剪力法计算得到的结构各层的屈服强度之和；

步骤三：根据步骤一中选择的建筑结构体系，根据以往此类结构体系所具有的层延性能力或设计期望达到的层延性能力，确定结构的所期望达到的层延性能力μ；

步骤四：根据步骤二中建筑结构的底部剪力V₁(对结构的底部剪力V₁进行调整)，得到新的建筑结构底部剪力V_base；

步骤五：保持结构各层的屈服强度之和S₂不变(S₂为在S₁的基础上考虑了底部剪力法的顶部附加力)，采用改进的地震作用沿结构高度的分布模式，重新计算结构各层所受的地震作用，根据各层的地震作用求各层的层间剪力。

在已知步骤五中得到的结构各层层间剪力的情况下，结构的后续设计过程按照建筑抗震设计规范中给出的方法进行。

所述构件指建筑结构中的梁、柱、墙体、楼板等，地震作用其实质是作用在结构侧向的地震荷载。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述步骤四中得到新的建筑结构底部剪力V_base具体为：

V_base＝λ_base×S₂

其中所述S₂为使用考虑结构顶部附加力的底部剪力法计算得到的结构各层的屈服强度之和，λ_base为新的结构底部剪力系数。

其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一至二之一不同的是：所述λ_base具体为：

其中所述为底部剪力调整系数。

其它步骤及参数与具体实施方式一至二之一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述具体为：

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述步骤五中求各层的层间剪力的具体过程为：

F_i＝p_i×V_base

其中所述F_i为建筑结构第i层的地震作用，p_i为建筑结构第i层的地震作用分布系数。

其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：所述p_i具体为：

$p_i=\frac{A+{\mathrm{Bx}}_i+{{\mathrm{Cx}}_i}^2}{a+{\mathrm{bx}}_i+{{\mathrm{cx}}_i}^2}$

其中所述x_i为建筑结构第i层所在高度h_i与建筑结构总高度H的比值，A、a、B、C、b为系数，表达式为：

A,a＝α₁×(lnN-α₂)²+α₃×(μ+α₄)²-α₅×(lnT₁-α₆)²-α₇

B,b＝α₁×[μ+ln(N×T₁)]-α₂。

其中α₁～α₇为公式中的系数。

其它步骤及参数与具体实施方式一至五之一相同。

实施例一：

步骤一：假设待设计结构的基本情况为：8层，依据《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)规定，其抗震设防烈度为8度(0.2g)，二类场地，设计地震分组为第一组。结构形式采用钢筋混凝土框架结构。按常规结构设计方法设计构件的尺寸并估算结构的基本周期T₁＝1.68s(可使用有限元建模的方法计算出了其周期，也可使用现行《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中给出的经验公式估计结构的基本周期)。

步骤二：利用建筑抗震设计规范(如现行《建筑抗震设计规范》GB50011-2010)中给出的底部剪力法(不需考虑顶部附加力)，计算结构各层所受的地震作用并求出各层的层间剪力(即各层的设计时期望达到的屈服强度)，计算结构的底部剪力V₁与结构各层的屈服强度之和S₁的比值λ₁＝V₁/S₁。

步骤三：根据步骤一中选择的钢筋混凝土框架结构体系，参考以往此类结构体系所具有的层延性能力，确定该结构的期望达到的层延性能力μ＝4。使用公式(1)对结构的底部剪力V₁进行调整，得到新的结构底部剪力V_base。

V_base＝λ_base×S₂ (1)

式中S₂为在S₁基础上考虑了底部剪力法中的顶部附加力。λ_base和按公式(2)和(3)计算

步骤四：使用公式(4)重新计算结构各层所受的地震作用，然后根据各层的地震作用求出各层的层间剪力。

F_i＝p_i×V_base (4)

式中F_i为结构第i层的地震作用；p_i为结构第i层的地震作用分布系数，按公式(5)计算

$p_i=\frac{A+{\mathrm{Bx}}_i+{{\mathrm{Cx}}_i}^2}{a+{\mathrm{bx}}_i+{{\mathrm{cx}}_i}^2}---\left(5\right)$

式中x_i为结构第i层所在高度h_i与结构总高度H的比值；A和a的表达式均符合公式(6)，B和b的表达式均符合公式(7)，其中系数α₁～α₇的取值见表1；C＝9606.67，c＝-51512.70。

A,a＝α₁×(lnN-α₂)²+α₃×(μ+α₄)²-α₅×(lnT₁-α₆)²-α₇ (6)

B,b＝α₁×[μ+ln(N×T₁)]-α₂ (7)

表1公式A、a、B、b表达式中的系数

步骤五：在已知结构各层层间剪力的情况下，结构的后续设计过程按照现行建筑抗震设计规范中给出的方法进行。

表2给出了按上述实施方式设计的结构和按《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中给出的底部剪力法设计的8层钢筋混凝土框架结构各层的强度值。图1给出了使用底部剪力法与本发明方法设计的上述8层钢筋混凝土框架结构的地震倒塌易损性曲线对比，可以得出结构倒塌概率最大降低了35％。图中横坐标S_a为结构的基本周期T₁对应的弹性加速度反应谱值，g为重力加速度常数9.81m/s²。

表2所设计8层结构各层屈服强度设计值

Claims (6)

1.一种提高建筑结构抗倒塌能力的抗震设计方法，其特征在于，所述提高建筑结构抗倒塌能力的抗震设计方法包括以下步骤：

步骤一：确定待设计建筑结构的层数N和场地类型；选择所使用的建筑结构体系，设计建筑结构构件的尺寸并估算建筑结构的基本周期T₁；

步骤二：利用底部剪力法，计算结构各层所受的地震作用并求出各层的层间剪力，并计算建筑结构的底部剪力V₁与S₁的比值λ₁＝V₁/S₁，所述S₁为使用未考虑结构顶部附加力的底部剪力法计算得到的结构各层的屈服强度之和；

步骤三：根据步骤一中选择的建筑结构体系，确定建筑结构的层延性能力μ；

步骤四：根据步骤二中建筑结构的底部剪力V₁，得到新的建筑结构底部剪力V_base；

步骤五：重新计算结构各层所受的地震作用，根据各层的地震作用求各层的层间剪力。

2.根据权利要求1所述的一种提高建筑结构抗倒塌能力的抗震设计方法，其特征在于，所述步骤四中得到新的建筑结构底部剪力V_base具体为：

V_base＝λ_base×S₂

其中所述S₂为使用考虑结构顶部附加力的底部剪力法计算得到的结构各层的屈服强度之和，λ_base为新的结构底部剪力系数。

3.根据权利要求2所述的一种提高建筑结构抗倒塌能力的抗震设计方法，其特征在于，所述λ_base具体为：

其中所述为底部剪力调整系数。

4.根据权利要求3所述的一种提高建筑结构抗倒塌能力的抗震设计方法，其特征在于，所述具体为：

5.根据权利要求4所述的一种提高建筑结构抗倒塌能力的抗震设计方法，其特征在于，所述步骤五中求各层的层间剪力的具体过程为：

F_i＝p_i×V_base

其中所述F_i为建筑结构第i层的地震作用，p_i为建筑结构第i层的地震作用分布系数。

6.根据权利要求5所述的一种提高建筑结构抗倒塌能力的抗震设计方法，其特征在于，所述p_i具体为：

$p_i=\frac{A+{\mathrm{Bx}}_i+{{\mathrm{Cx}}_i}^2}{a+{\mathrm{bx}}_i+{{\mathrm{cx}}_i}^2}$

其中所述x_i为建筑结构第i层所在高度h_i与建筑结构总高度H的比值，表达式为：

A,a＝α₁×(lnN-α₂)²+α₃×(μ+α₄)²-α₅×(lnT₁-α₆)²-α₇

B,b＝α₁×[μ+ln(N×T₁)]-α₂。