建筑结构抗震计算及软件应用

青岛理工大学学报

JournalofQingdaoTechnologicalUniversity

建筑结构抗震计算及软件应用

门　楷1,丘国雄2,薄琳琳3

(1.青岛理工大学,青岛266033;2.深圳建筑科学研究院,深圳518031;3.山东省东营市建筑设计研究院,东营257091)

摘　要:在总结我国建筑结构抗震计算及软件应用的工程实践基础上,论述了抗震概念设计与抗震计算的关系、抗震计算的主要依据、主要要求及软件应用.关键词:建筑结构,抗震计算,软件应用中图分类号:TU31　　在国内外历史上,1556年陕西华县大地震,死亡约83万人;1920年,宁夏海原815级大地震,死亡约

20万人;1976年7月28日,唐山718级地震,伤亡42万多人,经济损失百亿元以上;1995年1月17日,日本兵库县南部地区发生712级地震,死亡5420人,伤217万人,避难者达30万人,经济损失996亿美元;1999年8月17日,土耳其西部发生714级地震,死亡115万人,伤217万人,50多万人无家可归,直接经济损失达200亿美元;1999年9月21日,我国南投县发生7.3级地震,全岛有强烈震感,死亡2470人,伤1.13万人,直接经济损失约118亿美元;2004年12月26日,印度尼西亚苏门答腊岛海域发生8.9级强震,地震引起的海啸波及多个国家,造成几十万人遇难,500万人流离失所,经济损失严重,这是自19年美国阿拉斯加发生里氏9.2级地震以来世界震级最强的地震,也是自1900年以来震级排名第5的强震.

国内外地震工程学的发展和计算机技术的进步,为防震减灾奠定了基础.美国CloughRW等著的《结构动力学》,RobertLWiegel主编的《地震工程学》,日本冈本舜三著的《抗震工程学》等;我国刘恢先主编的《唐山大地震震害》,王光远著的《建筑结构的振动》,地震工程编写组编著的《地震工程概论》,胡聿贤

[1]

著的《地震工程学》,沈聚敏等编著的《抗震工程学》等,全面论述了结构动力学、地震工程学的理论和结构抗震设计的方法、结构抗震计算的理论和方法,为制定、修订抗震设计规范提供了依据.

1　抗震概念设计与抗震计算

抗震概念设计是指“:根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想,进行建筑和结构总体布置,并确定细部构造的过程”.实际上在工程设计中,大型工程的设计都要进行初步设计,对于建筑结构设计就是建筑结构方案和布置;对于建筑抗震设计而言,就是抗震概念设计.抗震设计包括概念设计和计算两个组成部分,缺一不可.但自TJ11—78规范颁布以来,在工程结构抗震设计方面出现了一种强调概念设计,忽视抗震计算的不良倾向,这是非常有害的.

GBJ11—规范条文说明中指出:对结构抗震设计来说“概念设计”,比“计算设计”更为重要.由于地震的不确定性和复杂性,以及结构计算模型的假定与实际情况的差异,使“计算设计”很难有效地控制结构的抗震性能,因此不能完全依赖计算,结构抗震性能的决定因素是良好的“概念设计”.笔者认为这个说明是不全面的,起到了忽视抗震计算的误导作用,也忽视了国际和国内地震工程和计算力学的发展趋势,给予那些“懒于抗震计算”“抗震设计难以量化”、的工程师们钻了空子.GB500011—2001[2]条文说明中去掉了这段说明,这是正确的.GB500011—2001要求某些建筑结构,应按规范有关规定进行罕遇地震作用下

收稿日期:2005—01—04

第1期　　门　楷等:建筑结构抗震计算及软件应用

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弹塑性变形分析.这是我国地震工程学发展的结果,也为SATWE、SAP84、NTAMS等结构分析软件的开

发起到了促进作用.

在我国,由于结构设计涉及人民生命财产安全,规范有些是强制性的条文,必须遵守.规范既有概念设计部分(基本设计原则),同时也有结构计算部分(定量部分),各有其内容和要求,只有概念设计(方案、构造),没有计算不能完成结构设计,没有方案、构造,无法进行结构计算,在计算中反复调整方案和结构布置.任何结构设计都必须符合力学规律(弹性、弹塑性).随着计算机技术的发展和计算力学的进步以及结构计算软件的开发,我国的结构抗震计算必将做得更好,抗震设计的质量必将不断提高.

2　结构抗震计算的主要依据

抗震计算要依据抗震规范、混凝土规范、地基基础规范、荷载规范等;影响结构抗震计算的因素很复杂,输入参数多达六、七十个.有荷载参数、抗震设防类别、地震动参数、场地类别、地基土参数、结构的几何和材料性能参数、结构模型、计算方法选择、截面抗震计算的有关参数、抗震变形计算参数等.直接影响地震作用计算的主要参数是,结构自重、抗震设防烈度、场地类别、设计地震分组、结构的振动周期(结构刚度)及阻尼比等.

1980年以后很长时间,TBSA等程序不考虑恒载与活载之分,与荷载规范规定出入很大,导致计算地震作用时,重力荷载代表值取值不合理,不能考虑活荷载的不利布置,荷载效应的最不利组合和活载按楼层的折减等.TBSA等程序没有钢结构材料,对于钢结构(很多高层建筑上部有桅杆、钢塔等),按等效刚度输入,误差甚大.又如很多结构工程师对场地类别的确定及对地震作用计算的影响不够了解,经常将场地类别误认为是场地土类型(软土、硬土).例如某甲级设计院在海口某超高层建筑结构设计中,将勘察单位确定的Ⅱ类场地,听从某研究单位的个人意见,划为Ⅰ类场地,地震作用减小了1/3.又如TBSA、TAT等程序,计算模型为薄壁柱模型,对某些结构计算误差很大,并且不考虑楼板变形对结构分析的影响.又如TBSA没有混凝土异形柱截面输入,按等效刚度计算异形柱混凝土框架,误差甚大.按SATWE分析异形柱框架内力,再按CRSC(天津大学土木工程学院软件)进行截面设计是最为合理、精确的[3].

高层混凝土结构的抗震设计重点是延性设计.GBJ11—规范局部修订主要是保证“强柱弱梁”“强剪弱弯”的内力调整方法.对此,一段时间,许多软件的内力调整系数与规范不一致[3].现行规范又作了一些修改.高层建筑结构的延性设计至关重要,在结构计算和软件应用中须加重视.如天津市的钢筋混凝土异形柱结构技术规程规定的异形柱框架结构内力调整系数略大,以保证异形柱框架结构的抗震延性[4].

3　结构抗震计算的主要要求和软件应用

现行规范规定的抗震计算内容,包括场地土的地震反应分析,弹性结构和弹塑性结构的内力和变形计算,结构构件的截面抗震计算,结构地基基础的承载力和变形计算,隔震结构的抗震计算,非结构构件的抗震计算等.3.1　场地土的地震反应分析

场地土的地震反应分析在规范中没有直接要求,但结构工程师必须全面了解场地对地面震动的影响及其计算方法,才能全面了解场地对结构地震反应的重要影响.在场地土的地震反应分析研究方面,甘肃省地震局、冶金部建筑研究总院、哈尔滨工力所、中国建筑科学研究院抗震所等单位都曾作过深入的研究,并开发出相关的计算软件.在20世纪80年代初,王志良等人就深入研究了粘弹性土层地震反应的波动分析法,并编制了计算程序LSR—1980.3.2　弹性结构的抗震计算3.2.1　弹性结构的地震作用和作用效应计算.最一般的情况是在双向地震作用下双向偏心结构的扭转耦联计算(CQC法),同时考虑楼板变形的影响及剪力墙结构为板壳墙元模型,考虑角柱、铰接柱、不调幅梁、连梁、饺接梁等特殊构件以及多塔、错层、转换层结构;材料可以是钢、混凝土及型钢混凝土、钢管混凝土等.软件SATWE的技术条件符合规范及有关标准的规定,以剪力墙模型区分的国内外软件如表1所示[5].

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青岛理工大学学报

表1　剪力墙模型

模型薄壁杆件板—梁墙元墙组元

国　产

TBSA　PKPM—TAT　GSCAD—SSTUS—ADBW　BSSAD　ETS4TBSA—TBWE　GSCAD—SSW

ETABS

第27卷

　　规范规定某些结构应计入重

力二阶效应的影响,这一般是高层钢结构,SATWE能够考虑P2△效应.SATWE可考虑上部结构与地下室结构或人民防空地下

国　外

室结构的共同作用,显然这样考STAADⅢ　SAP2000

板壳墙元PKPM—SATWE　TBSA—TBSAPSAP84

SuperSAP　ANSYS虑结构层及外荷载的作用是符合

结构实际工作状态的,特别是地

下室及人防地下室的荷载及其组合与上部结构是不相同的.过去,多数高层结构设计层间位移较小,为1/3000～1/5000,这些结构往往是刚度有余延性不足,这是值得注意的.

3.2.2　弹性结构的时程分析法.GB50011—2001规定,对某些建筑应采用时程分析法进行多迂地震下补充计算,SATWE能够进行弹性结构的时程分析.笔者计算了青岛某银行大厦,大厦顶部的桅杆高达40多m,用TAT—D进行弹性时程分析,最大顶点位移达1/30,这是很不安全的.3.2.3　混凝土异形柱框轻结构的抗震计算.近年来,在广东、天津推广应用的砼异形柱框较多.高层住宅结构工程实践表明这种结构类型具有一定的优越性,已在全国许多省市推广.这种结构的计算,GSCAD、SATWE及SATWE内力分析与CSRC(天津大学土木工程学院软件)进行截面设计结果是不相同的,后者是最为精确的,因为CSRC对异形柱截面设计进行了大量的研究工作[4].3.2.4　底部框墙砖房结构的抗震计算.SATWE及SACB(建筑科学研究院抗震所乔培章)都可以计算,在底框墙部分SATWE较为精确,在砖墙体的抗震验算方面SACB较为精细.3.2.5　非结构构件的抗震计算.随着经济建设的发展,城市高层建筑的室外装饰越来越高,如玻璃幕墙、金属幕墙、石材幕墙、大尺寸的活动窗扇、广告牌等.这些构件的计算,有的无规范可依,有的规范很不完善,计算结果差别甚大.如青岛的干挂花岗岩高达百米,缺乏完整的计算;上海金茂大厦及青岛中银大厦的玻璃幕墙的结构计算,外国承包商的计算与中方业主的计算结果相差甚大.构件的计算一般由承包商进行,计算依据很不一致.这些计算一般由主体结构的设计单位审查,但责任很不明确.如青岛某大厦的玻璃幕墙造价达4000元/m2,经工程监理单位审查确定停工,后聘请国内的结构专家进行计算审查,300多个点的玻璃承载力不满足要求.

玻璃幕墙、金属与石材幕墙技术规范均规定“,幕墙的变形性能可用建筑物的层间相对位移值表示,在设计允许的相对位移范围内幕墙不应损坏;平面变形性能应按主体结构弹性层间位移值的3倍进行设计”.又规定“幕墙结构在设防烈度地震作用下,经修理后幕墙仍可使用,在罕遇地震作用下幕墙骨架不得脱落”.“幕墙构件设计时,在重力荷载、地震作用、温度作用和主体结构位移影响下,应具有安全性”.所有这些,不经过精确的结构计算如何满足要求?中国建筑科学研究院高层建筑技术开发部编制的玻璃幕墙结构设计程序CWAP,主要是按规范进行承载力验算,对于幕墙的变形性能要求方面的计算等尚待完善.3.2.6　隔震和消能减震结构的计算.规范规定,隔震支座应进行罕遇地震作用下位移的验算.隔震和消能减震结构体系,一般情况下,宜采取时程分析法进行计算[6].广州大学土木系研制出隔震结构的计算软件,该软件可与TBSA接力运行,建议最好与SATWE接力运行.

自1996年SATWE研发以后,国内的一些主要高层建筑结构多采用SATWE进行计算,如南京新街口百货Ⅱ期工程、陕西省信息大厦、广州南航大厦、广州中水广场、陕西省邮政电信局网管中心等工程.结构CAD软件应用的实践表明,SATWE是一个深受结构工程师欢迎的软件.3.3　弹塑性结构的抗震计算

[7]

笔者在《工程设计CAD与智能建筑》2000第4期发表了《钢筋砼高层结构的弹塑性分析》,论述了

高层RC建筑结构弹塑性分析的方法,分析软件和工程实例,以及高层RC建筑结构弹塑性分析的重要性和可操作性.GB50011—2001规定,不规则且具有明显薄弱部位可能导致地震时严重破坏的建筑结构,应按规范中有关规定进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析.工程实践也表明,对某些结构要求进行弹塑性变形分析是必要的、合理的,也是可行的.

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以清华大学的弹塑性地震反应分析软件NTAMS为代表的国产软件,在工程结构分析中发挥着重要

的作用.陕西省某大厦为高层结构,52层,高1.4m,8度设防,Ⅲ类场地,湿陷性黄土地区,是国内8度区最高的组合筒体RC结构.大厦弹塑性分析采用程序CANNY99,进行了Pushover分析及弹塑性时程分析,基本上算清楚结构的弹塑性抗震性能.结构弹塑性最大层间变形接近或小于1/120,顶部最大位移1/140,梁构件有较大的塑性变形,但不破坏,结构抗震延性较好,结构满足要求.

用CANNY—C分析了安徽蚌埠某医院综合病房楼—16层RC框剪结构,采用杆系模型,分析结果发现,梁、墙出现屈服破坏,但柱均未屈服,最大层间位移为1/134(5层),结构满足要求,结构的抗震延性较好.

中国建筑科学研究院PKPM工程部研发了弹塑性分析软件EPDA,杆单元采用纤维束模型,墙采用壳元模型,空间结构采用层模型,平面结构采用杆系模型,其优点是可与弹性结构分析软件SATWE接力运行.3.4　地基基础的抗震计算

影响地基基础计算的因素很多,它涉及到土性参数等基本计算参数的采用,由于规范的不尽完善,计算方法的差异,结构工程师水平的参差不齐,使得地基基础的计算质量受到很大的影响.上部结构的地震反应分析一般假定为上部结构通过地下室和基础嵌固于地基土的悬臂结构,不考虑上部结构、地下室、基础和地基的相互作用.GBJ50011—2001规定[2],对某些结构,若计入地基与结构动力相互作用的影响,对刚性地基假定所计算的水平地震剪力可予以折减,这只是对抗震有利的情况,但在软土地基、湿陷性黄土地基、液化土地基等中高压缩性地基中,考虑上部结构地下室、基础和地基的动力相互作用,也可能对上部结构、基础和地基存在不利影响.显然在强震时,建筑物的地基变形将会加大,甚至造成地基失效,建筑物倾倒.

建筑抗震设计规范[2]规定,地基抗震承载力应取承载力特征值乘以地基抗震承载力调整系数(115～110)计算,显然这是很粗糙的.国家标准,建筑地基基础设计规范[8]规定,地基基础设计以地基承载力的计算为主,对于变形计算均采用各向同性均质线性变形体理论.这对于低压缩性土比较符合实际,但在我国高层建筑集中的大城市,如北京、上海、广州等地,地震强度高,风载大(如海口、福州、厦门等市).如工程地质条件差的上海为Ⅲ类场地;北京、天津、福州为软土,覆盖土层很厚;深圳、广州、海口为海相冲积层;西安、兰州等地多为自重湿陷性黄土,黄土地区面积达万km2,这些高压缩性地基土在强震、强风作用下,会处于弹塑性状态.因此,淡化承载力验算,以弹塑性变形控制为主的地基基础设计理论与方法是岩土工程学的发展趋势.

现行规范[7]给出的地基(包括桩基)最终变形量计算,它采用各向同性均质线性变形体理论,沉降计算经验系数是很粗糙的,对于高压缩性地基土与沉降观测结果相差甚大,并且无法计算湿陷性黄土的湿陷变形和地震时地基的震陷量.西北建筑工程学院焦五一工程师经过40多年的研究,通过大量软土和湿陷性黄土地基的试验观测,提出用弦线模量法计算地基变形和湿陷性黄土地基的湿陷变形,在地基变形计算方面有重大突破[9].采用这个方法计算了意大利比萨斜塔等几百项工程,计算结果与试验观测结果相比误差在10%以内.

4　结束语

(1)优秀的结构抗震设计既要有良好的抗震概念设计,又要有精细的抗震计算.(2)结构抗震计算和计算软件的技术条件主要依据国家的规范、规程.

(3)不同的结构体系和结构部位对抗震计算有不同的要求,应区别对待.在目前计算技术条件下,复杂

结构地震反应的弹塑性分析,应予重视.各种软件所采用的计算模型应尽可能的符合结构(含地基)的实际受力状况.

(下转第88页)

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青岛理工大学学报第27卷

BankWaterFrontPlanningandDesigningoftheCity

———TakingRecreationBeltofWaterfrontSceneryinLongkouasanExample

SunQian,LiBing2ying

(SchoolofArchitecture,QindaoTechnologicalUniversity,Qingdao266033)

Abstract:Thepaperexpoundsthecreationbackground,localization,planningconception,theoveralldesignofrecreationbeltofwaterfrontsceneryinLongkouNanshanEastSeaDevelopmentZone,ex2plainsthefiveimportantfactorsinlandscapedesignandthreedesignconceptions.Keywords:bankwater,openspace,people,siteplan

作者简介:孙　倩(19782　),女,2003级硕士研究生(上接第55页)参　考　文　献

[1]　胡聿贤.地震工程学.北京:地震出版社,1988[2]　建筑抗震设计规范GB50011—2001

[3]　门楷等.高层钢筋混凝土建筑结构的抗震延性设计.工程设计CAD与智能建筑,2001(9):31235

[4]　门楷,汤学礼.多高层钢筋混凝土结构异形截面柱设计的几个问题.工程设计CAD与智能建筑,2000(9):39243[5]　丘海燕等.工程结构CAD软件产业化发展趋势.工程设计CAD与智能建筑,2001(1):529[6]　郑洪谦,刘文锋,高虹等.隔震体系结构地震反应分析.青岛建筑工程学院学报,2001,22(3):95299[7]　门楷等.高层钢筋高混凝土结构的弹塑性分析.工程设计CAD与智能建筑,2000(4):25228[8]　建筑地基设计规范GB50007—2002

[9]　焦五一.弦线模量软件计算地基变形可靠性的论据.见:第九届全国土力学及岩土工程学术会议论文集.北京:清华大学出版社,2003.

6132626

Earthquake2ResistantCalculationofBuildingStructures

andApplicationofSoftware

MenKai1,QiuGuo2xiong2,BoLin2lin1

(1.QingdaoTechnologicalUniversity,Qingdao266033;2.ShenzhenAcademyBuildingResearch,Shenzhen518031;

3.ShandongDongyingArchitecturalDesignResearchInstitute,Dongying257091)

Abstract:Onthebasisoftheengineeringpracticeinearthquake2resistantcalculationandsoftwareappli2cationinChina,thispaperdiscussestherelationshipbetweenconceptualearthquake2resistantdesignandearthquake2resistantcalculation,mainbasisandmainrequirementandapplicationofearthquake2resist2antcalculationsoftwares.

Keywords:buildingstructures,earthquakeresistantcalculation,applicationofsoftware),男,高级工程师作者简介:门　楷(19312