美标抗震设计中常见错误以及如何避免

本文讲述了结构工程师在进行抗震设计和计算时的常见错误,目的是帮助工程师避免这些错误。本文以清单格式编写,以便工程师可以自我检验,以及校核其他人的设计工作。本文基于 IBC 2012,ASCE/SEI 7-10,ACI 318-11,AISC 360-10,AISC 341-10 等标准。为方便识别,[ ] 中的数字专指 ASCE/SEI 7-10 中的章节号,除非另有说明。

1)抗震设计类别 A

在抗震设计类别(SDC)A 中时,不需要应用第 12 章的规定,而应按 [1.4] 的结构完整性一般规定进行设计。请注意这些规定包含一些经常被忽略的荷载。规定侧向力包括 1% 的恒载(对结构整体),5% 的恒载加活载(对梁轴向力的节点),20% 的墙重(对墙节点)。SDC A 中的非结构部件不需要做地震设计。参见 [1.4],[11.4.1] 和 [11.7]。

2)重要性系数 I

重要性系数是基于风险类别以及相关的生命安全、危害或结构的本质确定的。[表 1.5-1] 和 [IBC 表 1604.5] 都应进行检查。当建筑物使用功能扩展时,一般建筑物的 Ie 有可能变为 1.25 或 1.5。例如较小的教堂扩容至 300 人以上,或存储危险材料的建筑物。应该注意的是,对于结构设计 Ie = 1.0, 1.25 或 1.5;而对于非结构构件 Ip 仅为 1.0 或 1.5 [13.1.3],因此 Ip 可能不等于 Ie。参见 [11.5.1] 和 [表1.5-2]。

3)荷载连续传递路径

ASCE/SEI 7-10 对许多构件(如撑杆、节点、隔板、墙等)都有非常具体的规定。但是除了这些具体规定之外,工程师还应为所有的地震惯性力提供从起点到基础的连续传递路径。这样的路径必须与结构构件的刚度和强度相符。参见 [12.1.3]。

4)R 系数

反应修正系数 R 是弹性设计概念的一部分,但要考虑抗侧力体系固有的超强和延性的影响。为了确保结构可靠性,R 系数会引发许多要求,[表 12.2-1] 和 [表 15.4-1, 2] 列出了相应的详细要求。这些附加的要求非常重要,特别是对于ACI 318-11 第 21 章下的混凝土结构和 AISC 341-10 中 R 大于 3 的钢结构而言。

5)结构不规则

[表 12.3-1] 和 [表 12.3-2] 分别描述了结构平面和竖向不规则,并引发许多特定要求,这些要求都必须仔细检查,包括模态分析、三维分析、冗余系数、地震力放大,扭矩放大和撑杆设计力增加。参见 [12.3.2.1] 和 [12.3.2.2]。

6)超强系数 Ω

超强系数 Ω 是应用到地震力传递路径中特定构件的放大系数,其目的是在抗侧力体系达到完全耗能和延性之前防止发生薄弱环节。例如在钢结构支撑框架中,为了使支撑构件以受控且可靠的方式屈服并消散能量,荷载传递路径的其他部分(例如连接、螺栓、焊缝、角撑板、地脚螺栓、柱和撑杆)需要比支撑构件中的最大预期内力更强。因此超强系数及其荷载组合在 AISC 341-10 和 ACI 318-11 中专门应用于这些构件。例如 AISC 341-10 指出,地脚螺栓设计力必须通过超强系数放大,通常为 2.0 或更大,这适用于 R 大于 3 的所有钢结构,除非可以通过高级而严格的分析证明是其他情况。参见 [12.4], [12.2.5.2], [12.10.2.1], [12.3.3.3], [12.13.6.5] 和 [AISC 341,ACI 318 第 21 章,附录 D 等]。

7)冗余度系数 ρ

冗余度系数 ρ 是用于补偿缺少冗余的结构的一个系数, ρ 等于 1.0 或 1.3。对于位移计算、非结构构件、撑杆、Ω 荷载组合、隔板、SDC B 和 C 类结构,ρ 取 1.0。参见 [12.3.4]。

8)竖向地震荷载 Ev

[12.4.2.2] 要求竖向地震作用按照恒载的 0.2SDs 倍考虑,可向下或向上作用。它是针对 LRFD 设计法,也可以通过乘以 0.7 应用于 ASD 设计法。系数 Ie, Ip, ρ, R 都不适用于 Ev。

9)ASD 载荷组合 0.7E

对于 [12.4.2.3] 的 ASD 荷载组合,应使用 [12.4.2] 代替 [2.3.2] 和 [2.4.1]。地震力对应强度水平,因此对 ASD 组合应使用 0.7E。0.7E 也适用于非结构构件(Fp)的 ASD 设计。参见 [13.3.1]。

10)正交效应

结构两个正交方向中的每个方向都需要计算地震力。为了考虑两个正交方向以外的某个方向的地震力,须考虑“正交效应”。[12.5] 要求 SDC C 类中的不规则结构,和 SDC D, E, F 类中的角柱,应考虑一个正交方向上 100% 的地震力,再加上另一个方向上 30% 的地震力。应该注意的是,IEEE 693(电气设备)将正交效应应用于所有部分,包括角地脚螺栓。

11)有效地震重量

[12.7.2] 定义了有效地震重量 W。除了以下所述,W 中不包含活荷载。[12.7.2] 规定 W 必须包括以下重量:恒载,25% 的仓储活载,隔墙真实重量或 0.48 kPa 的面荷载 [4.3.2],工业设备运行重量和不平衡状态,20% 的雪荷载(大于 1.44 kPa 时),以及屋顶花园的重量。

12)沿高度分配基底剪力

一旦计算了基础剪力 V,它就必须沿高度进行分配。对于单层建筑,所有基底剪力都将分配到屋面上。对于多层建筑,基底剪力必须分配到各楼层,与各层的质量以及楼层距离基底的距离成比例。对于常规的多层建筑,地震力的分布呈倒三角形。对于诸如烟囱和砌体围墙之类的分布式质量结构,地震力应作用到结构高度的 2/3 处,而不是 1/2 或重心处。参见 [12.8.3]。

13)振型分解反应谱法

当结构具有明显的竖向或平面不规则时,方程 [12.8-12](三角形分布力)变得不准确,需要用振型分解反应谱法分析。参见 [表 12.6-1] 和 [12.9]。目的不是要细化基底剪力的数值,而是要更准确地执行以下操作:

a)沿高度分配基底剪力

b)量化水平扭转效应

c)考虑高阶振型的影响

请注意,[表 12.6-1] 中的“ NP”条目包含许多常见的不规则,包括平面不规则 1a, 1b 和竖向不规则 1a, 1b, 2, 3,都需要用振型分解反应谱法分析。

14)偶然偏心扭转

除了固有扭转外,还必须考虑结构的偶然偏心扭转。这是为了防止薄弱的抗扭布置,并考虑到活荷载的不利分布以及结构和非结构构件的刚度的变化。该规定适用于构筑物和建筑物。对于扭转不规则建筑物,偶然偏心扭转可能需要根据 [12.8.4.3] 进行放大。参见 [12.8.4.2]。

15)位移检验

弹性分析的位移结果必须用 Cd 放大以产生预期的变形。请注意 Cd 是一个非常大的数值,通常为 4 或 5。然后将位移除以 Ie,因为位移限值已经考虑了风险类别的影响。使用 ASD 荷载组合时,应注意不要将 0.7E 应用于位移计算。参见 [12.8.6],[12.12] 和 [表 12.12-1]。

16)隔板地震力

低楼层的隔板地震力可能要大于抗侧力体系所用的地震力 [公式 12.8-12],这是由于高阶振型效应所致,其中较低的楼层可能以更大的加速度振动。请注意 [公式 12.10-2] 的 Fpx min 经常控制设计。参见 [12.10.1.1]。

17)非结构部件

非结构部件由于高阶振型效应,以及本身振动力的放大作用,可能会经历更大的局部加速度。参见 [公式 13.3.1]。工业建筑通常具有很大的地震力,两个不同楼层上的最大地震力不太可能在同一时间点发生,因此在计算机模型中可评估以下两种工况。

1)运行一个荷载工况,有效地震重量包含楼面重量和设备重量,计算基底剪力 V,并按 [公式 12.8-12] 沿高度分配。

2)运行一个荷载工况,有效地震重量仅包含设备重量,以验证荷载传递路径是否合理。

注意非结构部件的地震荷载组合也包含竖向地震作用 Ev。除了 ACI 318-11 附录 D 规定以外,超强系数 Ω 在这里不适用。还应注意当非结构部件变得非常重时,即占总结构质量的 25% 或更多时,则应按 [15.3] 执行。对于这些重部件,必须在计算机模型中同时考虑非结构部件和主体结构的刚度和设计系数。

18)墙设计

由混凝土和混凝土砌块(CMU)制成的墙板的节点在过去的地震中表现很差。应按 [公式 12.11.1] 和 [公式 12.11.2.1] ,以及 ACI 318-11 附录 D 进行设计。

19)基础连梁

SDC C, D, E, F 类的桩承台和 SDC E, F 类的独立基础应根据 [12.13.6.2] 布置基础连梁,以确保在地震作用下基础系统作为一个整体运动,不允许柱或墙发生明显的相对位移。

20)基础倾覆作用折减

[12.13.4] 规定计算地基反力时,在满足一定条件的情况下允许对地震倾覆作用折减 25%,认识到第一振型的三角形分布力可能会被高阶振型效应抵消力的方向。

21)勘误

ASCE/SEI 7-10 和 IBC 2012 官方网站提供了这些文件的最新勘误表。由于印刷或升版导致的非预期错误将在勘误表中更正。

22)IBC 覆盖

IBC 2012 包含对 ASCE/SEI 7-10的修订。参见 [IBC 1613],[IBC 1613.5] 和 [IBC 18~23 章]。ASCE/SEI 7 的更新周期为六年,而 IBC 的更新周期为三年。对 IBC 的技术更改通常必须在发行日期之前得到批准。不可避免地,ASCE 7, IBC与其他标准(例如ACI,AISC等)之间的协调通常是通过勘误表,补编或 IBC 发布的修订案进行的。定期检查这些更改非常重要。各个州和地方政府也可能通过影响其辖区内项目的修正案。

结论

本文旨在通过运用知识和经验使错误最小化。上面的常见错误列表是由作者在日常审查工作中发现总结的,它是基于作者的经验,不应被理解为由 ASCE/SEI 7-10 或 NCSEA 准备或认可的共识性文件。

译者话:抗震设计中涉及众多参数和概念,且相互之间关联密切,需作为抗震知识体系来理解,否则很容易遗漏或错误的应用规范。