建筑抗震结构设计中,双向地震这个词有什么意义?

来源:建筑界编辑:黄子俊发布时间:2020-09-15 14:58:06

[摘要] 地震作用计算和结构抗震验算为结构设计提供依据,而在结构规则性判别这一问题上,偶然偏心、双向地震以及扭转耦联这三个词经常困扰着我们,我们来看看什么是“双向地震”。

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  考虑偶然偏心通常会有一个前提:计算单向地震作用。既然有单向作用,必然也会有双向作用。本篇文章就来讨论一下双向地震作用计算的一些问题。

  1 形成原因

  根据实测的强震记录显示,地震运动几乎不会仅仅出现在某一个方向,而是一种三维的运动,三个方向同时作用。

  《抗规》5.1.1条第3款规定:“质量和刚度分布明显不对称的结构,应计入双向水平地震作用下的扭转影响;其他情况,应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。”

  这说明,对于质量和刚度分布对称的结构,是可以采用单向地震作用(考虑偶然偏心)进行结构构件及内力计算的。

  2 用途

  双向地震作用主要用于结构、构件的内力计算。

  3 双向地震的前提

  首先需要说明的是,不论单向还是双向,本质上都是一种近似的算法,均属于估算的范畴。

  双向水平地震作用计算,主要计算的是结构的扭转地震作用效应

  使用双向地震作用的前提是“质量和刚度分布明显不对称”,针对何种结构可以定义为不对称,根据朱总《抗震》一书中的理解,“质量和刚度分布明显不对称的结构”其判断应属于对结构不规则的判断,所以采用抗规中对扭转不规则的计算方法,即当扭转位移比大于1.2时,可看作明显不对称,此时应计入双向地震作用下的扭转影响。

  4 双向地震的计算

  当使用双向地震作用计算时,并不是真的用软件计算两个方向地震力同时作用下,结构的力学表现。而是分别计算两个方向水平地震单独作用下产生的同一效应,然后将二者结果做简单的组合。

  由于两个不同方向的水平地震存在相位差,其峰值加速度并不会同时出现,因此在分析双向水平地震作用效应时,应对地震作用效应适当折减。根据实测记录,对震中以外的区域,当一个方向的水平峰值加速度为1时,另一个方向的水平峰值加速度为0.85,因此,双向水平地震作用可采用随机振动理论,按《抗规》的公式计算。

  假设上式中,Sy=Sx,则S=1.31Sx。即两个方向水平地震单独作用产生的同一效应相等,意味着结构的扭转作用很大时,双向水平地震作用是单向作用效应的1.31倍,由此可见,对框架结构的边柱、角柱这类受扭转作用影响明显的构件,双向地震作用的效果显著。

  当Sy/Sx趋向于0时,即接近单向作用时,双向水平地震作用也随之减小,由此可见,对中部框架柱及框架梁的双向地震作用效应影响并不显著。

  双向地震作用计算,本质上是将两个单向地震作用进行组合,而且这两个单向地震作用的取值和单纯计算单向地震时也不一样。概括为一句话:双向地震计算是考虑扭转耦联,不考虑偶然偏心的单向地震作用组合后的结果(CQC法)。

  而单向地震计算则是同时考虑偶然偏心和扭转耦联。

  以计算框架柱偏心受压为例。

  当按双向偏心受压计算配筋时,相应的XY方向的弯矩应考虑扭转耦联但不考虑偶然偏心。

  当分别按两个方向单向偏心受压计算时,弯矩应取用考虑扭转耦联并考虑偶然偏心的弯矩值。

  顺便解释一下CQC和SRSS的关系,简单来说就是结构扭转变形很小的时候,以单向平动变形为主,该方向各阶振型自振周期一般相差较大,耦联系数趋近于0,CQC法退化为SRSS法。

  在实际设计当中,可以先不勾选双向地震作用,只考虑偶然偏心,当扭转位移比超过1.2之后,再勾选重新计算一次,根据第二次的结果来配筋即可。

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