非结构构件地震反应分析及设计方法

第26卷第1期 河北建筑工程学院学报

2008年3月JOURNALOFHEBEIINSTITUTEOFARCHITECTUREANDCIVILENGINEERINGVo.l26No.1March2008

非结构构件地震反应分析及设计方法

毕全超 朱守芹 谢 军

河北建筑工程学院

摘 要 对非结构构件的地震反应做了初步的分析,并对非结构构件基于可靠性的结构优化设计和基于性能的结构抗震设计中的一些问题进行了探讨.指出影响非结构构件损坏的主要参数有地震加速度和层间位移角,并由层间位移角量化了部分非结构构件的性能水准指标.

关键词 非结构构件;地震反应;结构优化设计

中图号 TU3

非结构构件,诸如门窗、隔墙、围护墙、吊顶、设备等,在地震时,比结构构件更易受到破坏,它关系着人们的生命财产安全,也愈来愈受到世界各国的重视.因此,对非结构构件进行地震反应分析及设计方法的探讨,是十分必要的.

1 非结构构件地震破坏的原因

非结构构件在地震时遭受破坏的主要原因有两个,即惯性力作用和结构系统变形.地震时,房屋的各个部分均受到惯性力的作用.非结构构件的滑移或倾斜程度以及所承受地震侧力的大小,均影响其使用或安全.因此在设计时必然要考虑到这种惯性力的作用.

另外,当结构系统受到地震作用后,发生变形,改变原来的几何形状.强烈地震时,建筑顶层侧移很大,窗户、填充墙等嵌在结构构件内的非结构构件,可能因不适应整体结构的变形,发生破碎、掉落,出现裂缝,甚至倒塌.由此可见,除了考虑非结构构件所受到的惯性力外,还须考虑结构系统在地震时的变形对其可能的影响.

2 非结构构件地震反应分析

2.1 刚性非结构的地震反应

当非结构构件很大时,通过其支承加速度而产生的反应甚为简单.这时可分为两种情况,一种是非结构的支承本身的刚度很大,此时,非结构上各点的加速度均与支承的加速度相同,放大系数等于1.0.另一种是非结构的支承本身有一定的柔性,此时,作为次级动力系统的非结构构件,其反应基准上类似于刚体,但会产生不大的放大作用.前一种情况地震反应容易分析,而柔性支承应用更为广泛.

2.1.1 柔性支承的刚性非结构

对于一个具有柔性支承条件的刚性非结构构件,可将其视为单自由度系统,非结构构件的质量即为系统的质量,而系统的刚度即为支承的刚度,质量与刚度均与所考虑的方向有关,系统所受的激励即为支承结构的运动.此时,系统的反应基本上是支承结构运动的卓越频率和系统频率的函数.

在房屋的中、上部结构震动中,往往是结构本身的基本频率占主导地位,而地震动主频率影响相对较小.此时,地震侧力放大系数Me可这样来确定:对于固定在房屋上的构件

Me=1

对于弹性固定在房屋上的构件,当Ta/T1.4时,

Me=1

当0.6

Me=2

收稿日期:2007-09-03作者简介:男,1981年生,助教,张家口市,075024(1)(2)(3)

第1期毕全超 朱守芹 谢 军 非结构构件地震反应分析及设计方法

Ta=0.32(We/k)1/25(4)式中,Ta 非结构构件的周期;

T 支承结构的基本周期;We 所考虑的非结构构件的重量;K 支承系统的刚度.

在房屋的较低部位,结构本身的频率不再起主要作用,此时可按规范的设计侧力采用.

2.1.2 楼盖反应谱

要想得到更准确的地震反应,就需要采用楼盖反应谱,它是计算非结构构件和设备地震力的有效方法.楼面谱的发展经历了两个阶段.第一代楼面谱将不含附属系统的主系统的楼面反应作为输入,求具有不同自振周期的单自由度系统的反应谱,其优点是解耦,避免了求解主系统的运动方程.

第二代楼面谱 基于求解由主系统和安装在不同楼层上的单自由度附属系统组成的组合系统中附属系统的地震反应![2],会得到更可靠的楼面谱.

2.2 柔性非结构的地震反应

当非结构构件本身为柔性时,其地震时的性状已不再能够从单自由度模型得到.柔性非结构的地震反应分析,一般有两种方法,一种是等效静力法,它适用于从直接造价、系统运行的可靠性及公众安全来说均为不太重要的非结构子系统;另一种是动态分析法,适用于重要的非结构构件,它需用楼盖反应谱作为该子系统的输入.

2.2.1 等效静力分析法

将非结构子系统视为固定在地面,按规范规定的公式计算出等效静侧力.适用于不太重要的非结构子系统.

2.2.2 动态分析法

当非结构构件重要且支承可视为点时,或支承可视为刚性盘体时,可采用标准的动态分析方法.如果同一结构有数处支承,且支承激动不相同时,标准的动力学方程就不再适用了,这时可采用下述简化的运动方程:

M +Cu +Ku=-MR g(t)

式中, g(t) 包含各支承加速度时程在内的向量;

R 影响矩阵.(5)

3 非结构构件的设计

为了保障各类非结构构件的地震安全,需要控制非结构的损坏.控制非结构构件破坏,首先需明确是通过结构设计来控制,还是通过构件设计来控制,或者同时通过两者来控制.如果通过结构设计控制,则需明确控制参数.控制参数主要有两个.一是结构刚度,具体反应结构刚度,并直接控制非结构破坏的是层间侧移,此时需将层间侧移限制在允许限值之内;二是房屋的楼面加速度,其值同地面运动特性、结构的周期与阻尼以及楼面标高等因素有关,此时,需将楼面加速度限制在允许值之内.

3.1 基于可靠性的优化设计[4]

基于可靠性的优化问题通常被表示如下:

Ct=C0+CfPf∀min

破坏概率.

显然式(9)没有考虑非结构构件破坏的影响,而考虑结构不同部分破坏(结构的或非结构的)的优化目标函数可表示为:

Ct=C0+CfPf+CfP'f'∀min

式中:Cf' 非结构构件破坏所造成的损失,Pf' 非结构构件的破坏概率.

令Pf'/Pf= ,则式(10)可表示为;

Ct=C0+CfPf+ CfP'='C0=(Cf+ Cf')Pf=C0+CFPf

:CCf+Cf'(8)(7)(6)式中:Ct 总耗资,C0 建筑初始投资,Cf 主体结构破坏所造成的损失,Pf 主体结构

6河北建筑工程学院学报第26卷这样式(7)就转化成了式(6)形式,而CF具有比Cf更加广泛的意义. 为非结构构件与主体结构的破坏概率比,显然是一个变量,对于同一类型的结构可由理论分析式对已有的震害进行统计分析而得到.

3.2 基于性能的非结构构件设计

由于非结构构件的种类繁多,其性能水准亦相差很大,从基于性能设计的角度出发,不仅要建立一个相对量化的、明确的性能指标,还要使这些性能指标与结构的性能指标相互协调一致.因此,经过对非结构构件的地震反应进行研究和分析后认为,鉴于多数非结构构件是依附或固定在结构之上,于是在地震作用下非结构构件所在楼层的楼面反应(主要是楼层加速度和位移),不仅是结构的地震反应输出,同时又能与非结构构件建立某种联系,可以在一定程度上较好地描述非结构构件在地震作用下的性能水准.

4 结论

通过对非结构构件刚性和柔性的地震反应分析及对其设计的研究分析,我们可以得出这样的结论:

(1)非结构构件在地震作用下的惯性力及变形是导致其破坏的主要因素.从这两方面出发,通过对非结构构件的地震反应分析,使我们进行非结构构件设计时,能做到有的放矢;

(2)非结构部分能明显影响建筑系统的横向刚度和能量吸收能力,结果导致结构地震响应和破坏时间历程的改变;

(3)对于非结构构件的设计,可应用基于可靠性的结构优化设计或基于性能的结构设计;

(4)影响非结构构件损坏的主要参数有地震加速度和层间位移角.通过基于性能的结构设计,对楼层加速度和楼层位移研究的深入以及它们对非结构构件损伤的影响程度的论证,量化了部分非结构构件的性能水准指标.

参 考 文 献

[1]程耿东,李刚.基于功能的结构抗震设计中一些问题的探讨.建筑结构学报,2000,1

[2]秦权,聂宇.非结构构件和设备的抗震设计和简化计算方法.建筑结构学报,2001,3

[3]李国强.结构设计的发展方向 以整体结构可靠度为目标的设计方法.全国第三届工程结构可靠性学术交流会议论文集,南京:1992

[4]王全凤.结构优化基本方法及其在高层建筑中应用.厦门大学出版社,1995

[5]郭子雄等.建筑结构抗震变形验算中层间弹性位移角限值的研讨.工程抗震,1998,2

SeismicResponseAnalysisandDesign

MethodsofNon-structuralComponents

BiQuanchao ZhuShouqin XieJun

HebeiInstituteofArchitectureandCivilEngineering

Abstract Elementaryanalysesaboutseismicresponseofnon-structuralcomponentsaremade.Someproblems

aboutbothoptimaldesignbaseddependabilityandseismicdesignbasedbehaviorarediscussedinthispaper.Itpointsoutthatthemainparametersaffectingthecrackofnon-structuralcomponentsareseismicaccelerationanddriftangleofstory,andthelatterquantifiesthepartbehaviornorm.

Keywords non-structuralcomponents;seismicresponse;optimaldesign

第26卷第1期 河北建筑工程学院学报

2008年3月JOURNALOFHEBEIINSTITUTEOFARCHITECTUREANDCIVILENGINEERINGVo.l26No.1March2008

非结构构件地震反应分析及设计方法

毕全超 朱守芹 谢 军

河北建筑工程学院

摘 要 对非结构构件的地震反应做了初步的分析,并对非结构构件基于可靠性的结构优化设计和基于性能的结构抗震设计中的一些问题进行了探讨.指出影响非结构构件损坏的主要参数有地震加速度和层间位移角,并由层间位移角量化了部分非结构构件的性能水准指标.

关键词 非结构构件;地震反应;结构优化设计

中图号 TU3

非结构构件,诸如门窗、隔墙、围护墙、吊顶、设备等,在地震时,比结构构件更易受到破坏,它关系着人们的生命财产安全,也愈来愈受到世界各国的重视.因此,对非结构构件进行地震反应分析及设计方法的探讨,是十分必要的.

1 非结构构件地震破坏的原因

非结构构件在地震时遭受破坏的主要原因有两个,即惯性力作用和结构系统变形.地震时,房屋的各个部分均受到惯性力的作用.非结构构件的滑移或倾斜程度以及所承受地震侧力的大小,均影响其使用或安全.因此在设计时必然要考虑到这种惯性力的作用.

另外,当结构系统受到地震作用后,发生变形,改变原来的几何形状.强烈地震时,建筑顶层侧移很大,窗户、填充墙等嵌在结构构件内的非结构构件,可能因不适应整体结构的变形,发生破碎、掉落,出现裂缝,甚至倒塌.由此可见,除了考虑非结构构件所受到的惯性力外,还须考虑结构系统在地震时的变形对其可能的影响.

2 非结构构件地震反应分析

2.1 刚性非结构的地震反应

当非结构构件很大时,通过其支承加速度而产生的反应甚为简单.这时可分为两种情况,一种是非结构的支承本身的刚度很大,此时,非结构上各点的加速度均与支承的加速度相同,放大系数等于1.0.另一种是非结构的支承本身有一定的柔性,此时,作为次级动力系统的非结构构件,其反应基准上类似于刚体,但会产生不大的放大作用.前一种情况地震反应容易分析,而柔性支承应用更为广泛.

2.1.1 柔性支承的刚性非结构

对于一个具有柔性支承条件的刚性非结构构件,可将其视为单自由度系统,非结构构件的质量即为系统的质量,而系统的刚度即为支承的刚度,质量与刚度均与所考虑的方向有关,系统所受的激励即为支承结构的运动.此时,系统的反应基本上是支承结构运动的卓越频率和系统频率的函数.

在房屋的中、上部结构震动中,往往是结构本身的基本频率占主导地位,而地震动主频率影响相对较小.此时,地震侧力放大系数Me可这样来确定:对于固定在房屋上的构件

Me=1

对于弹性固定在房屋上的构件,当Ta/T1.4时,

Me=1

当0.6

Me=2

收稿日期:2007-09-03作者简介:男,1981年生,助教,张家口市,075024(1)(2)(3)

第1期毕全超 朱守芹 谢 军 非结构构件地震反应分析及设计方法

Ta=0.32(We/k)1/25(4)式中,Ta 非结构构件的周期;

T 支承结构的基本周期;We 所考虑的非结构构件的重量;K 支承系统的刚度.

在房屋的较低部位,结构本身的频率不再起主要作用,此时可按规范的设计侧力采用.

2.1.2 楼盖反应谱

要想得到更准确的地震反应,就需要采用楼盖反应谱,它是计算非结构构件和设备地震力的有效方法.楼面谱的发展经历了两个阶段.第一代楼面谱将不含附属系统的主系统的楼面反应作为输入,求具有不同自振周期的单自由度系统的反应谱,其优点是解耦,避免了求解主系统的运动方程.

第二代楼面谱 基于求解由主系统和安装在不同楼层上的单自由度附属系统组成的组合系统中附属系统的地震反应![2],会得到更可靠的楼面谱.

2.2 柔性非结构的地震反应

当非结构构件本身为柔性时,其地震时的性状已不再能够从单自由度模型得到.柔性非结构的地震反应分析,一般有两种方法,一种是等效静力法,它适用于从直接造价、系统运行的可靠性及公众安全来说均为不太重要的非结构子系统;另一种是动态分析法,适用于重要的非结构构件,它需用楼盖反应谱作为该子系统的输入.

2.2.1 等效静力分析法

将非结构子系统视为固定在地面,按规范规定的公式计算出等效静侧力.适用于不太重要的非结构子系统.

2.2.2 动态分析法

当非结构构件重要且支承可视为点时,或支承可视为刚性盘体时,可采用标准的动态分析方法.如果同一结构有数处支承,且支承激动不相同时,标准的动力学方程就不再适用了,这时可采用下述简化的运动方程:

M +Cu +Ku=-MR g(t)

式中, g(t) 包含各支承加速度时程在内的向量;

R 影响矩阵.(5)

3 非结构构件的设计

为了保障各类非结构构件的地震安全,需要控制非结构的损坏.控制非结构构件破坏,首先需明确是通过结构设计来控制,还是通过构件设计来控制,或者同时通过两者来控制.如果通过结构设计控制,则需明确控制参数.控制参数主要有两个.一是结构刚度,具体反应结构刚度,并直接控制非结构破坏的是层间侧移,此时需将层间侧移限制在允许限值之内;二是房屋的楼面加速度,其值同地面运动特性、结构的周期与阻尼以及楼面标高等因素有关,此时,需将楼面加速度限制在允许值之内.

3.1 基于可靠性的优化设计[4]

基于可靠性的优化问题通常被表示如下:

Ct=C0+CfPf∀min

破坏概率.

显然式(9)没有考虑非结构构件破坏的影响,而考虑结构不同部分破坏(结构的或非结构的)的优化目标函数可表示为:

Ct=C0+CfPf+CfP'f'∀min

式中:Cf' 非结构构件破坏所造成的损失,Pf' 非结构构件的破坏概率.

令Pf'/Pf= ,则式(10)可表示为;

Ct=C0+CfPf+ CfP'='C0=(Cf+ Cf')Pf=C0+CFPf

:CCf+Cf'(8)(7)(6)式中:Ct 总耗资,C0 建筑初始投资,Cf 主体结构破坏所造成的损失,Pf 主体结构

6河北建筑工程学院学报第26卷这样式(7)就转化成了式(6)形式,而CF具有比Cf更加广泛的意义. 为非结构构件与主体结构的破坏概率比,显然是一个变量,对于同一类型的结构可由理论分析式对已有的震害进行统计分析而得到.

3.2 基于性能的非结构构件设计

由于非结构构件的种类繁多,其性能水准亦相差很大,从基于性能设计的角度出发,不仅要建立一个相对量化的、明确的性能指标,还要使这些性能指标与结构的性能指标相互协调一致.因此,经过对非结构构件的地震反应进行研究和分析后认为,鉴于多数非结构构件是依附或固定在结构之上,于是在地震作用下非结构构件所在楼层的楼面反应(主要是楼层加速度和位移),不仅是结构的地震反应输出,同时又能与非结构构件建立某种联系,可以在一定程度上较好地描述非结构构件在地震作用下的性能水准.

4 结论

通过对非结构构件刚性和柔性的地震反应分析及对其设计的研究分析,我们可以得出这样的结论:

(1)非结构构件在地震作用下的惯性力及变形是导致其破坏的主要因素.从这两方面出发,通过对非结构构件的地震反应分析,使我们进行非结构构件设计时,能做到有的放矢;

(2)非结构部分能明显影响建筑系统的横向刚度和能量吸收能力,结果导致结构地震响应和破坏时间历程的改变;

(3)对于非结构构件的设计,可应用基于可靠性的结构优化设计或基于性能的结构设计;

(4)影响非结构构件损坏的主要参数有地震加速度和层间位移角.通过基于性能的结构设计,对楼层加速度和楼层位移研究的深入以及它们对非结构构件损伤的影响程度的论证,量化了部分非结构构件的性能水准指标.

参 考 文 献

[1]程耿东,李刚.基于功能的结构抗震设计中一些问题的探讨.建筑结构学报,2000,1

[2]秦权,聂宇.非结构构件和设备的抗震设计和简化计算方法.建筑结构学报,2001,3

[3]李国强.结构设计的发展方向 以整体结构可靠度为目标的设计方法.全国第三届工程结构可靠性学术交流会议论文集,南京:1992

[4]王全凤.结构优化基本方法及其在高层建筑中应用.厦门大学出版社,1995

[5]郭子雄等.建筑结构抗震变形验算中层间弹性位移角限值的研讨.工程抗震,1998,2

SeismicResponseAnalysisandDesign

MethodsofNon-structuralComponents

BiQuanchao ZhuShouqin XieJun

HebeiInstituteofArchitectureandCivilEngineering

Abstract Elementaryanalysesaboutseismicresponseofnon-structuralcomponentsaremade.Someproblems

aboutbothoptimaldesignbaseddependabilityandseismicdesignbasedbehaviorarediscussedinthispaper.Itpointsoutthatthemainparametersaffectingthecrackofnon-structuralcomponentsareseismicaccelerationanddriftangleofstory,andthelatterquantifiesthepartbehaviornorm.

Keywords non-structuralcomponents;seismicresponse;optimaldesign