偶然偏心和雙向地震作用的正確選用

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偶然偏心和雙向地震作用的正確選用

考慮偶然偏心：[是]或[否]偶然偏心的含義指的是：有偶然因素引起的結構質量分布的變化，會導致結構固有振動特性的變化，因而結構在相同地震作用下的反應也將發(fā)生變化?？紤]偶然偏心，也就是考慮由偶然偏心引起的可能最不利的地震作用。詳見《SATWE用戶手冊》125頁10條。根據《高規(guī)》12頁第3.3.3條“計算單向地震作用時應考慮偶然偏心的影響”，故單向地震力計算時選[是]，雙向地震力計算時選[否]，多層規(guī)則結構可不考慮。考慮偶然偏心計算時，對結構的荷載（總重、風荷載）、周期、豎向位移、風荷載作用下的位移及結構的剪重比沒有影響；而對結構的地震力和地震下的位移（最大位移、層間位移、位移角等）有較大區(qū)別，平均增大18.47％；對結構構件（梁、柱）的配筋平均增大2％～3％。考慮雙向地震作用：[是]或[否]根據《抗規(guī)》第26頁第5.1.1條3款（強條）：“質量和剛度分布明顯不對稱的結構，應計入雙向地震作用下的扭轉影響”。一般情況下，均可在建筑結構的兩個主軸方向分別計算水平地震作用，此時可不考慮上一條的[偶然偏心]用戶可根據實際工程情況選擇是否需要考慮。實際，對于多層結構而言，如果比較規(guī)則，那么可通過《抗規(guī)》第5.2.5條（剪重比的要求）來考慮結構的扭轉和偶然偏心；對于高層而言，如果結構比較規(guī)則，則應選用“考慮偶然偏心”項，而不必再選“考慮雙向地震作用”。對于不規(guī)則結構，不論多層還是高層均應選用“考慮雙向地震作用”。——摘自《框架結構（結構專業(yè)）施工圖設計實例》梁峰 張敘主編2007年版10 偶然質量偏心《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程JGJ3-2002》3.3.3條規(guī)定，計算地震作用時，應考慮偶然偏心的影響，附加偏心距可取與地震作用方向垂直的建筑物邊長的5％。偶然偏心的含義指的是：由偶然因素引起的結構質量分布的變化，會導致結構固有振動特性的變化，因而結構在相同地震作用下的反應也將發(fā)生變化?？紤]偶然偏心，也就是考慮由偶然偏心引起的可能最不利的地震作用。從理論上，各個樓層的質心都可以在各自不同的方向出現偶然偏心，從最不利的角度出發(fā)，我們在程序中只考慮下列四種偏心方式：A)、X向地震，所有樓層的質心沿Y軸正向偏移5％，該工況記作EXP；B)、X向地震，所有樓層的質心沿Y軸負向偏移5％，該工況記作EXM；C)、Y向地震，所有樓層的質心沿X軸正向偏移5％，該工況記作EYP；D)、Y向地震，所有樓層的質心沿X軸負向偏移5％，該工況記作EYM；要實現偶然偏心，首要任務是確定各個偏心方式下的結構振動特性。最準確的辦法是當然是針對不同的偏心方式重新計算結構固有振動特性，求解廣義特征值問題，但是這樣做效率較低。對于完全采用剛性樓板假定的結構倒沒有問題，對于存在“獨立彈性節(jié)點”的結構則要花費較多的時間?？紤]到這一點，我們采用一種稍為簡單的方式來確定振動特性：將未偏心的初始結構的各振型的地震力作用點，按照指定方式偏移5％后，重新作用于結構上，此時結構產生的位移，就是一個近似的偏心振型。知道了解偏心振型，偏心地震作用的計算就可以進行了。這個辦法有一定的近似性，但提高了效率。通過試算，我們認為其結果還是比較合理的，可以在工程計算中采用?？紤]了偶然偏心地震后，就在原有的未偏心X,Y地震EX,EY的基礎上，新增加了四個地震工況EXP,EXM,EYP和EYM,在合力組合時，任一個有EX參與的組合，將EX分別代以EXP和EXM，將增加成三個組合；任一個有EY參與的組合，將EY分別代以EXP和EXM，將增加成三個組合。簡言之，地震組合數將增加到原來的三倍。11 雙向地震的扭轉效應《建筑抗震設計規(guī)范GB50011-2001》第5.1.1條規(guī)定，質量和剛度分布明顯不對稱的結構應計入雙向地震作用下的扭轉影響?，F在我們考慮某個地震反應參數，該參數在X和Y地震作用下的反應分別 ,那么在考慮了雙向地震扭轉效應后，對應于雙向地震工況 和 的地震反應 ， 將如下計算：             ,       在構件設計階段，做內力組合時，EX和EY對應的反應 ， 將被 ， 代替。——摘自《SATWE用戶手冊及技術條件》中國建筑科學研究院PKPM CAD工程部2002年版3.3.3 計算單向地震作用時應考慮偶然偏心的影響。每層質心沿垂直于地震作用方向的偏移值可按下式采用：式中   ----第i層質心偏移值（m），各樓層質心偏心方向相同；——摘自《高層建筑混凝土結構技術規(guī)程JGJ3-2002》12頁第3.3.3條5.1.1 各類建筑結構的地震作用，應符合下列規(guī)定：    3 質量和剛度分布明顯不對稱的結構，應計入雙向水平地震作用下的扭轉影響；其他情況，應允許采用調整地震作用效應的方法計入扭轉影響。——摘自《建筑抗震設計規(guī)范GB 50011-2001（2008年版）》第26頁第5.1.1條3款5.2.5 抗震驗算時，結構任一樓層的水平地震剪力應符合下式要求：                                   (5.2.5)式中     ----第i層對應于水平地震作用標準值的樓層剪力；            ----剪力系數，不應小于表5.2.5規(guī)定的樓層最小地震剪力系數值，對豎向不規(guī)則結構的薄弱層，尚應乘以1.15的增大系數；            ----第j層的重力荷載代表值。表5.2.5                   樓層最小地震剪力系數值類別        7度        8度        9度扭轉效應明顯或基本周期小于3.5s的結構        0.016（0.024）        0.032（0.048）        0.064基本周期大于5.0s的結構        0.012（0.018）        0.024（0.032）        0.040注：1  基本周期介于3.5s和5s之間的結構，可插入取值；    2  括號內數值分別用于設計基本地震加速度為0.15g和0.30g的地區(qū)。條文說明5.2.5   由于地震影響系數在長周期短下降較快，對于基本周期大于3.5s的結構，由此計算所得的水平地震作用下的結構效應可能太小。而對于長周期結構，地震動態(tài)作用中的地面運動速度和位移可能對結構的破壞具有更大影響，但是規(guī)范所采用的振型分解反應譜法尚無法對此作出估計。處于結構安全的考慮，增加了對各樓層水平地震剪力最小值的要求，規(guī)定了不同烈度下的剪力系數，結構水平地震作用效應應根據此進行相應調整。扭轉效應明顯與否一般可由考慮耦聯的振型分解反應譜法分析結果判斷，例如前三個振型中，二個水平方向的振型參與系數為同一個量級，即存在明顯的扭轉效應。對于扭轉效應明顯或基本周期小于3.5s的結構，剪力系數取0.2  ，保證足夠的抗震安全度。對于存在豎向不規(guī)則的結構，突變部位的薄弱層，尚應按本規(guī)范第3.4.3條的規(guī)定，再乘以1.15的系數。本條規(guī)定不考慮阻尼比的不同，是最低要求，各類結構，包括隔震和消能減震結構均需一律遵守。——摘自《建筑抗震設計規(guī)范GB 50011-2001（2008年版）》第33、238頁第5.2.5條18.抗震設計時，建筑結構的地震作用計算，在什么情況下應考慮偶然偏心的影響？在什么情況下應計算雙向地震作用下的扭轉影響？（1）《高層建筑規(guī)程》第3.3.3條明確規(guī)定，高層建筑結構無論平面是否規(guī)則在計算單向水平地震作用時均應考慮偶然偏心的影響。每層質心沿垂直于地震作用方向的偏移值（質量偶然偏心）可取0.05Li（Li為第i層垂直于地震作用方向的建筑物總長度）。實際計算時，將每層質心沿主軸的同一方向（正向或負向）偏移0.05Li。因為，即便是平面規(guī)則的（包括對稱）的建筑結構，國外的多數抗震設計規(guī)范同我國的《高層建筑規(guī)程》一樣，也考慮由于施工、使用及地震地面運動的扭轉分量等因素引起的偶然偏心影響，即對于平面規(guī)則的結構也規(guī)定了偶然偏心；對于平面布置不規(guī)則的結構，除其自身已有的偏心外，還要加上偶然偏心。高層建筑結構采用底部剪力法計算結構的地震作用時，也應考慮質量偶然偏心的影響。高層建筑結構在計算單向水平地震作用時，考慮偶然偏心的影響，有助于提高結構的抗震能力。（2） 對于《抗震規(guī)范》中的建筑結構，《抗震規(guī)范》沒有明確規(guī)定在計算單向水平地震作用時，應考慮偶然偏心的影響。但《抗震規(guī)范》在第5.2.3條就規(guī)則結構如何估計在水平地震作用下的扭轉影響，作出了如下規(guī)定：規(guī)則的不進行扭轉耦聯計算時，平行于地震作用方向的兩個邊榀，其地震作用應乘以增大系數。一般情況下，短邊可按1.15采用，長邊可按1.05采用；當扭轉剛度較小時，宜按不小于1.3采用。所謂結構的“扭轉剛度較小”，一般是指核心筒-外稀柱框架結構或類似的結構，當第一振型為以扭轉為主的振型 時，或 不為第一振型，但滿足 > 或 > 時；對于較高的高層建筑，當滿足 > 或 > 時，均屬于扭轉剛度較小的結構，應考慮地震作用的扭轉效應。但如果考慮扭轉影響的地震作用效應（例如，將地震作用效應乘以增大系數1.3）小于考慮偶然偏心引起的地震作用效應時，應采用后者，應保證抗震設計的安全，但二者不應疊加計算（通常取二者的最不利計算結果來進行構件設計）。由于SATWE軟件在進行結構地震作用計算時，會自動按扭轉耦聯計算，所以，當采用SATWE軟件進行結構計算時，對于平面規(guī)則的建筑結構，根據《抗震規(guī)范》第5.2.3條的規(guī)定，實際上可以不必將地震作用效應乘以增大系數來考慮扭轉影響。顯然，關于水平地震作用的扭轉影響，《抗震規(guī)范》僅對規(guī)則結構如何考慮，做出了明確規(guī)定；對實際工程中大量存在的不規(guī)則結構，如何考慮水平地震作用的扭轉影響，并沒有做出明確的規(guī)定。目前，SATWE軟件還不具備將邊榀框架乘以增大系數來考慮水平地震作用扭轉影響的功能，所以，這種增大系數法在實際工程中應用起來也很不方便。同高層建筑一樣，多層建筑結構也同樣存在由于施工、使用等原因所產生的偶然偏心引起的地震扭轉效應及地震地面運動扭轉分量的影響。所以編者建議，對于多層建筑結構，當結構屬于平面扭轉不規(guī)則結構，且結構在不考慮偶然偏心影響的條件下，扭轉位移比大于等于1.2時，也可考慮單向水平地震作用下偶然偏心的影響。（3） 建筑結構的平面扭轉不規(guī)則，其不規(guī)則程度如何判定，《抗震規(guī)范》和《高層建筑規(guī)程》都沒有明確的規(guī)定。根據《抗震規(guī)范》的主要編制人員在《建筑結構抗震設計規(guī)范疑問解答》一書中的建議，以及《高層建筑規(guī)程》主要編制人員的討論意見，可以認為：1） 不考慮水平地震作用偶然偏心影響的多層建筑結構，以及考慮水平地震作用偶然偏心影響高層建筑結構，當扭轉位移比大于1.2時，可判定為平面扭轉不規(guī)則的結構。2） 多層建筑結構，不考慮水平地震作用的偶然偏心影響時扭轉位移比大于1.3不大于1.5時，可判定為特別不規(guī)則的結構。平面特別不規(guī)則的多層建筑結構，應計入雙向水平地震作用下的扭轉影響。多層建筑結構，不考慮水平地震作用偶然偏心影響時的扭轉位移比大于1.5時，一般判定為嚴重不規(guī)則的結構。3）A級高度的高層建筑結構，考慮水平地震作用偶然偏心影響時，扭轉位移比大于1.4不大于1.5，B級高度的高層建筑結構、混合結構的高層建筑結構和《高層建筑規(guī)程》第10章所指的復雜高層建筑結構，考慮水平地震作用偶然偏心影響時，扭轉位移比大于1.3不大于1.4時，可判定這些高層建筑結構為特別不規(guī)則的結構。特別不規(guī)則的高層建筑結構，必須同時計算偶然偏心和雙向地震作用下的扭轉影響。因為，對比計算分析表明，兩者的地震作用效應誰更為不利，會隨具體工程不同而不同，同一工程的不同部位或不同的構件，一般也不會完全相同。安全可靠的辦法是取二者的不利結果來進行結構構件的設計。SATWE軟件具有同時計算偶然偏心和雙向水平地震作用效應的功能。程序在按《抗震規(guī)范》的公式（5.2.3-7）或公式（5.2.3-8）計算雙向水平地震作用的扭轉影響時，僅取不考慮偶然偏心的單行水平地震作用效應來計算。程序會自動比較考慮偶然偏心和雙向水平地震作用的計算結果，并取二者的最不利的計算結果來進行結構構件設計。4）A級高度的高層建筑結構，考慮水平地震作用偶然偏心影響時，扭轉位移比大于1.5，B級高度的高層建筑結構、混合結構的高層建筑結構和《高層建筑規(guī)程》第10章所指的復雜高層建筑結構，考慮水平地震作用偶然偏心影響時，扭轉位移比大于1.4時，一般可判定為嚴重不規(guī)則的結構。5） 建筑設計應符合抗震概念設計的要求，不規(guī)則的建筑方案應按規(guī)定采取加強措施：特別不規(guī)則的建筑方案應進行專門研究和論證，采取特別的加強措施；不應采用嚴重不規(guī)則的建筑方案。——摘自《混凝土結構設計問答實錄》姜學詩 編著  第24頁1.        何時考慮“偶然偏心”?《高規(guī)》第3.3.3條規(guī)定：計算單向地震作用時應考慮偶然偏心的影響。附加偏心距可取與地震作用方向垂直的建筑物邊長的5％?？刂婆既黄牡闹饕康氖强刂平Y構的扭轉效應。當結構在偶然偏心作用下的位移比大于1.2時，則說明該結構的質量和剛度的分布比較不均勻，抗扭轉的能力比較差。對于高層建筑，即便是均勻、對稱的結構，也應考慮偶然偏心的影響；對于多層建筑，則可以不考慮偶然偏心的影響。程序在進行偶然偏心計算時，總是假定結構所有樓層質量同時向某個方向偏心，對于不同樓層向不同方向運動的情況（比如某一層向X正向運動，另一樓層沿X負向運動），程序沒有考慮。2.        何時考慮“雙向地震作用”？《抗震規(guī)范》5.1.1條規(guī)定：質量和剛度分布明顯不對稱、不規(guī)則的結構，應計入雙向地震作用下的扭轉影響。其計算公式為：           ,       注意：規(guī)范規(guī)定只有質量和剛度明顯不對稱、不均勻的結構，才考慮雙向地震作用。目前，工程界普遍做法為：在剛性樓板假定下，結構位移比>1.2，需要考慮雙向地震作用。3.        “偶然偏心”和“雙向地震作用”同時選擇，程序如何處理？程序允許設計人員同時選擇“偶然偏心” 和“雙向地震作用”，若同時選擇，則程序在計算內力時自動選擇二者之間的較大值進行設計。——摘自《PKPM結構CAD軟件問題解惑及工程應用實例解析》陳岱林 趙兵 劉民易 編著  2005年版 第24頁        考慮偶然偏心規(guī)范規(guī)定： 《高層規(guī)程》第3.3.3條規(guī)定，“計算單向地震作用時應考慮偶然偏心的影響。”《高層規(guī)程》第4.3.5條規(guī)定，“在考慮偶然偏心影響的地震作用下”驗算樓層位移比。程序實現：偶然偏心是指由偶然因素引起的結構質量分布變化，會導致結構固有振動特性的變化，因而結構在相同地震作用下的反應也將發(fā)生變化?？紤]偶然偏心，就是考慮偶然偏心引起的不利地震作用。程序設置（考慮偶然偏心）選擇開關，由設計人員自行決定是否考慮偶然偏心的影響。考慮偶然偏心時，程序將無偏心的初始質量分布作為一組地震作用，再按附加偏心距取X、Y地震作用方向垂直建筑物邊長的±5％，形成四種偏心方式的兩組地震作用效應合起來共三個地震組合進行內力分析計算，使地震組合數增加到原來的三倍。操作要點：對于高層建筑結構，通常選擇考慮偶然偏心。初始值為不選擇。注意事項：由于結構平、立面布置的多樣性、復雜性，大量計算分析表明，計算雙向水平地震作用并考慮扭轉影響與計算單向水平地震作用并考慮偶然偏心的影響相比，前者并不總是不利的。因此抗震設計時，根據《抗震規(guī)范》第5.2.3條規(guī)定及其條文說明，對于多層建筑，除平面規(guī)則的可通過考慮扭轉耦聯計算來估計水平地震作用的扭轉影響外，凡屬該規(guī)范第3.4.2條所指的平面不規(guī)則多層建筑，亦應考慮偶然偏心的影響。        考慮雙向地震作用規(guī)范規(guī)定：《抗震規(guī)范》第5.1.1條規(guī)定，“質量和剛度分布明顯不對稱的結構，應計入雙向水平地震作用下的扭轉影響”?！陡邔右?guī)程》第3.3.1條規(guī)定，“質量與剛度分布明顯不對稱、不均勻的結構，應計入雙向水平地震作用下的扭轉影響”。程序實現：考慮雙向地震扭轉效應，在X和Y方向地震作用的效應分別為 和 ，則：         ,       程序對柱采用了與其他構件略有不同的雙向地震的組合方式。        柱的剪力和彎矩只考慮地震作用主方向的雙向地震組合，此方向不作雙向地震組合。在進行柱雙偏壓配筋計算時，這種調整后的組合方式會使計算結果更合理?？紤]雙向地震時，輸出雙向地震作用下樓層最大位移及位移比，將地震工況內力替換成雙向地震作用工況內力。操作要點：當建筑結構的質量和剛度明顯不對稱、不均勻時，應選擇該項。初始值為不選擇。對質量和剛度分布明顯不對稱，不均勻的分析討論參看6.8節(jié)。注意事項：（1）不對稱不均勻的結構是不規(guī)則結構的一種，指同一平面內質量、剛度布置不對稱，或雖在本層內對稱，但沿高度分布不對稱的結構。（2）從計算公式可以看出，考慮雙向水平地震作用，意味著對X和Y方向地震作用予以放大，構件配筋也會相應增大。（3）允許同時考慮偶然偏心和雙向地震作用，程序按規(guī)范要求分別計算，不進行疊加，取不利結果。——摘自《PKPM結構軟件從入門到精通》楊星 編著2008年版  第73頁4.        雙向地震作用《抗震規(guī)范》5.1.1條規(guī)定“質量和剛度分布明顯不對稱的結構，應計入雙向水平地震作用下的扭轉影響”。但“明顯不對稱的結構”如何衡量呢，如果沒有明確的標準，強制條文豈不成為可執(zhí)行可不執(zhí)行？建議本文提出的  特別不規(guī)則結構應考慮雙向地震作用。6.8.3  建筑結構不規(guī)則程度的分類3.特別不規(guī)則結構（1）結構方案中有多項超過了規(guī)范條款中“不宜”的規(guī)定，或某一項超過規(guī)定指標較多，具有較明顯的抗震薄弱部位，將會引起不良后果；（2）位移比：1.35＜A級高層建筑＜1.5，1.3＜B級高層建筑＜1.4；（3）周期比：A級高層建筑＜0.9，B級高層建筑＜0.85；（4）承載力比：A級高層建筑＞0.65，B級高層建筑＞0.75；（5）同時具有兩種復雜高層結構類型（如帶轉換層、帶加強層、錯層、連體、多塔等）；（6）具有高位轉換、復雜錯層或連體、偏置多塔、厚板轉換等特別復雜結構。——摘自《PKPM結構軟件從入門到精通》楊星 編著2008年8月版  第201、204頁