中震弹性与中震不屈服

一、结构抗震性能设计总述目前，我们国家采用的是“三水准，两阶段”的抗震设计方法。“三水准”是抗震设防目标，具体就是小震不坏、中震可修、大震不倒。“两阶段”是设计方法，第一阶段是小震作用效应下的构件承载能力和结构弹性变形计算，此阶段设计可以保证结构满足第一水准“小震不坏”的抗震设防要求；第二阶段是验算结构在大震作用下的弹塑性变形，此阶段设计可以保证结构满足第三水准“大震不坏”的抗震设防要求。然而，对于大多数结构，只是仅仅进行了第一阶段设计，通过概念设计和抗震构造措施来满足第三水准的设计要求。至于第二水准“中震可修”的抗震设防目标要求，在以前的设计中也很少提及，为了检验按照多遇地震（考虑强柱弱梁、强剪弱弯）设计的结构能否达到中震可修的目标，因此，新的《抗震设计规范2010版》和《高规2010版》都对结构在设防烈度地震下提出了性能目标，并具有可操作性。《住建部关于印发超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点的通知》(建质[2010]109号)具体规定了复杂结构和超限结构的范围，其中第一章第二条列出了超限高层建筑工程的范围。对于这些复杂和超限结构，超限审查专家委员会根据《超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点》的具体要求并结合结构方案的实际情况提出与之相适应的结构抗震性能目标，然后，设计者采取相应的措施来保证既定的抗震性能目标。其中，中震弹性和中震不屈服是两个最常见的性能化设计目标。《高规2010版》将结构的抗震性能目标分为A、B、C、D四个等级，然后用1、2、3、4、5五个结构抗震性能水准去量化和判别四个等级的抗震性能目标。不同抗震性能水准的结构承载力设计规定：第1性能水准的结构，应满足弹性设计要求。a、小震作用下抗震承载力应满足：REwkwwEvKEvEhkEhGEGRSSSS/（1）式中各符号含义见《抗规》5.4.1条和5.4.2条。变形验算应符合《抗规》5.5节的要求。b、中震作用下抗震承载力应符合下式要求，并不计入风荷载效应组合：REEvkEvEhkEhGEGRSSS/（2）式中：EhkS——水平地震作用标准值的构件内力，不需考虑与抗震等级有关的增大系数；EvkS——竖向地震作用标准值的构件内力，不需考虑与抗震等级有关的增大系数。c、结构构件抗震等级应满足规范的要求，对需特别加强的构件可适当提高，已为特一级的不再提高。第2性能水准的结构，在中震或大震作用下：a、关键及普通竖向构件的抗震承载力宜符合弹性设计要求，并不计入风荷载效应组合，按式（2）进行计算。b、耗能构件的受剪承载力宜符合弹性设计要求，按式（2）进行计算。其正截面承载力应符合屈服承载力设计要求，重力荷载分项系数G、水平地震分项系数Eh及抗震承载力调整系数RE均取1.0，竖向地震作用分项系数Eh取0.4，即：KEvkEhkGERSSS4.0（3）式中：KR——按材料强度标准值计算的截面承载力标准值。第3性能水准的结构，整体结构已经进入弹塑性状态，应进行弹塑性计算分析。为方便设计，允许采用等效弹性方法计算竖向构件及关键部位构件的组合内力（GES、EhkS、EvkS），计算中可适当考虑结构阻尼比的增加（增加值一般不大于0.02）以及剪力墙连梁刚度的折减（刚度折减系数一般不小于0.3）。实际工程设计中，可以先对底部加强部位和薄弱部位的竖向构件承载力按上述方法计算，再通过弹塑性分析校核全部竖向构件均未屈服。在中震或大震作用下：a、关键及普通竖向构件的正截面承载力应符合屈服承载力设计要求，按式（3）进行计算。b、关键及普通竖向构件的受剪承载力宜满足弹性设计要求。按式（2）进行计算。c、部分耗能构件进入屈服阶段，但抗剪承载力宜满足屈服承载力设计要求。按式（3）进行计算。d、在大震作用下，结构薄弱部位的最大层间位移角应满足《抗规》弹塑性层间位移角的限值要求。第4性能水准的结构，整体结构应进行弹塑性计算分析。在中震和大震作用下：a、关键构件的抗震承载力应符合屈服承载力设计要求，按式（3）进行计算。b、部分竖向构件及大部分耗能构件进入屈服阶段，但为防止构件脆性破坏其受剪截面应满足以下要求：钢筋混凝土构件应满足015.0bhfVVckEKGE（4）钢—混凝土组合构件应满足015.0)5.025.0()(bhfAfAfVVcksPspkaakEKGE（5）上两式中的GEV、EKV可按弹塑性计算结果取值，也可按等效弹性方法计算结果取值（通常偏于安全）。式中：GEV——重力荷载代表值产生的构件剪力；EKV——地震作用标准值产生的构件剪力，不需乘与抗震等级有关的系数；akf——剪力墙端部暗柱中型钢的强度标准值；dA——剪力墙端部暗柱中型钢截面面积；pkA——剪力墙墙内钢板的强度标准值；pA——剪力墙墙内钢板的横截面面积。c、在大震作用下，结构薄弱部位的最大层间位移角应满足《抗规》弹塑性层间位移角的限值要求。第5性能水准的结构，整体结构应进行弹塑性计算分析。在大震作用下：a、关键构件的抗震承载力宜符合屈服承载力设计要求，按式（3）进行计算。b、较多的竖向构件进入屈服阶段，但不允许同一楼层的竖向构件全部屈服。宜控制整体结构的承载力不发生下降。如发生下降也应控制下降幅度不超过10%。c、为防止构件脆性破坏其受剪截面应满足以下要求：钢筋混凝土构件应满足式（4），钢—混凝土组合构件应满足式（5）。d、允许部分耗能构件发生比较严重破坏。e、在大震作用下，结构薄弱部位的最大层间位移角应满足《抗规》弹塑性层间位移角的要求。不同抗震性能目标在不同等级地震作用下的抗震性能水准抗震性能目标内容备注A级小震按规范对全部构件的抗震承载力进行小震弹性设计考虑内力调整系数、荷载分项系数、承载力抗震调整系数中震对所有构件的承载力进行中震弹性设计无内力调整系数、不计入风荷载作用效应，但有荷载分项系数、承载力抗震调整系数大震关键及普通竖向构件抗弯弹性、抗剪弹性耗能构件抗弯不屈服、抗剪弹性弹性设计无内力调整系数、不屈服无任何调整系数、不计入风荷载作用效应B级小震按规范对全部构件进行小震弹性设计考虑内力调整系数、荷载分项系数、承载力抗震调整系数中震关键及普通竖向构件抗弯弹性、抗剪弹性耗能构件抗弯不屈服、抗剪弹性弹性设计无内力调整系数、不屈服无任何调整系数、不计入风荷载作用效应大震关键及普通竖向构件抗弯不屈服、抗剪弹性耗能构件部分抗弯屈服、抗剪不屈服弹性设计无内力调整系数、不屈服无任何调整系数、不计入风荷载作用效应、弹塑性层间位移角应满足限值C级小震按规范对全部构件进行小震弹性设计考虑内力调整系数、荷载分项系数、承载力抗震调整系数中震关键及普通竖向构件抗弯不屈服、抗剪弹性耗能构件部分抗弯屈服、抗剪不屈弹性设计无内力调整系数、不屈服无任何调整系数、不计入风荷载作用效应服大震关键构件抗弯不屈服、抗剪不屈服部分竖向构件抗弯屈服、全部竖向构件抗剪不屈服（公式不同）大部分耗能构件抗弯屈服、抗剪屈服不屈服无任何调整系数、不计入风荷载作用效应、弹塑性层间位移角应满足限值D级小震按规范对全部构件进行小震弹性设计考虑内力调整系数、荷载分项系数、承载力抗震调整系数中震关键构件抗弯不屈服、抗剪不屈服部分竖向构件抗弯屈服、全部竖向构件抗剪不屈服（公式不同）大部分耗能构件抗弯屈服、抗剪屈服不屈服无任何调整系数、不计入风荷载作用效应大震关键构件宜抗弯、抗剪不屈服较多竖向构件抗弯屈服、同一楼层竖向构件不宜全部屈服、全部竖向构件抗剪不屈服（公式不同）部分耗能构件破坏严重不屈服无任何调整系数、不计入风荷载作用效应注：1、“关键构件”是指该构件的失效可能引起结构的连续破坏或危及生命安全的严重破坏，可由结构工程师根据工程实际情况分析确定，如：底部加强部位的重要竖向构件、水平转换构件及与其相连的竖向支承构件、大跨连体结构的连接体及与其相连的竖向支承构件、大悬挑结构的主要悬挑构件、加强层伸臂和周边环带结构的竖向支撑构件、承托上部多个楼层框架柱的腰桁架、长短柱在同一楼层且数量相当时该层各个长短柱、扭转变形很大部位的竖向（斜向）构件、重要的斜撑构件等；2、“普通竖向构件”是指“关键构件”之外的竖向构件；3、“耗能构件”包括框架梁、剪力墙连梁及耗能支撑等。二、中震弹性和中震不屈服中震，即设防烈度地震，其水平地震影响系数和加速度时程曲线最大值一般为小震的2.85倍左右（大震，即罕遇地震，其水平地震影响系数和加速度时程曲线最大值一般为小震的6倍左右）。承载力性能要求中，保持弹性指不考虑构件内力调整（如抗震等级四级）的抗震验算；不屈服指内力、材料强度均按标准值计算，并且不考虑抗震承载力调整系数。多个“宜”小震弹性、中震弹性和中震不屈服设计要求比较设计参数小震弹性中震弹性中震不屈服水平地震影响系数最大值按多遇地震按基本烈度地震按基本烈度地震时程分析地震加速度时程曲线最大值按多遇地震按基本烈度地震按基本烈度地震内力调整系数按规范要求1.0（四级抗震）1.0（四级抗震）0.2Qo调整有无无薄弱层内力放大有无无荷载分项系数按规范要求按规范要求1.0承载力抗震调整系数按规范要求按规范要求1.0材料强度取值材料强度设计值材料强度设计值材料强度标准值风荷载作用效应有无无小震弹性：REwkwwEvKEvEhkEhGEGRSSSS/中震弹性：REEvkEvEhkEhGEGRSSS/中震不屈服：KEvkEhkGERSSS4.0按中震弹性进行结构设计，虽取消了内力调整系数，但保留了荷载分项系数，材料强度按设计值取值，从一定程度上保留了结构的安全度和可靠度，属于正常设计。按中震不屈服进行结构设计，在取消内力调整系数的基础上，使荷载分项系数、承载力抗震调整系数取为1.0，并且材料强度取为标准值，从而使得构件在中震作用下达到弹性极限状态，属于承载力极限状态设计。所以，中震不屈服设计是中震弹性设计的承载能力极限状态，中震弹性设计要比中震不屈服设计抗震要求更严、安全储备更大。三、中震弹性和中震不屈服怎么用计算分析软件PKPM来实现中震弹性的PKPM操作步骤：第一步，进行完小震下的构件承载能力和结构弹性变形计算之后，从新进入“SATWE”的菜单1“接PM生成SATWE数据”。如下图所示：第二步，点击“分析与设计参数补充定义”。如下图所示：第三步，在总信息中选取“不计算风荷载”。如下图所示：第四步，在地震信息中，a、选取中震或大震“弹性”设计；b、修改“地震影响系数最大值”；c、勾掉“考虑偶然偏心和考虑双向地震作用”；d、修改“周期折减系数和结构的阻尼比”；e、剪力墙抗震等级改为“四级”（可选项）。如下图所示：第五步，在调整信息中，a、修改“连梁刚度折减系数”；b、取消“薄弱层地震内力放大调整”；c、取消“0.2Qo分段调整”。如下图所示：第六步，修改完所有与中震弹性有关的参数之后，便可生成数据文件并进行计算。如下图所示：中震不屈服的PKPM操作步骤：第一、二、三、五、六步同“中震弹性”相应的步骤，仅第四步不同。第四步，在地震信息中，a、选取中震或大震“不屈服”设计；b、修改“地震影响系数最大值”；c、勾掉“考虑偶然偏心和考虑双向地震作用”；d、修改“周期折减系数和结构的阻尼比”；e、剪力墙抗震等级改为“四级”（可选项）。如下图所示：四、小震弹性和中震弹性、中震不屈服的结果比较1、荷载分项系数比较小震计算荷载组合：中震弹性荷载组合：中震不屈服荷载组合：2、关于内力调整、0.2Qo调整、薄弱层内力放大、双向地震作用、偶然偏心调整前的考虑了考虑双向地震作用、偶然偏心影响；调整后的考虑了0.2Qo调整、薄弱层内力放大1.25最终输出在构建信息里（考虑双向地震作用、偶然偏心、0.2Qo调整、薄弱层内力放大1.25）此处对组合后的内力进行抗震等级系数调整用于检查可能出现的问题3、地震作用放大2.85倍，相应的内力也会增大2.85倍左右小震下不计入双向地震作用和偶然偏心影响小震下计算了双向地震作用和偶然偏心影响最终的内力设计值不是2.85倍的因素可能有：a、小震下计算了双向地震作用和偶