什么是规定水平力?CQC和规定水平力的区别

2019-04-01 11:34 阅读 203 次 评论 0 条

“规定的水平力”一般可采用振型组合后的楼层地震剪力换算的水平地震作用力,并考虑偶然偏心,请问规定水平力不用CQC计算,那采用的振型组合是什么方法?难道是SRSS?

“规定水平力”是10版规范新增的概念,规范中提到的相关内容如下:

1)《抗规2010》3.4.3条和《高规2010》3.4.5条对“扭转不规则”采用“规定水平力”定义,其中《抗规2010》说明:“在规定水平力下楼层的最大弹性水平位移(或层间位移),大于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.2 倍 ”;

2)《抗规2010》6.1.3条和《高规2010》8.1.3条规定倾覆力矩的计算采用规定水平力,其中《抗规2010》条文:“设置少量抗震墙的框架结构,在规定的水平力作用下,底部框架所承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时,其框架的抗震等级仍应按框架结构确定,抗震墙的抗震等级可与框架的抗震等级相同”,此外,还有关于框支框架以及短肢墙的倾覆力矩均采用规定水平力;

3)《高规2010》3.11.4条文说明:“……当采用弹塑性静力分析时,在计算分析中采用的侧向作用力分布形式宜适当考虑高振型的影响,可采用本规程3.4.5条提出的‘规定水平地震力’”。

由上述规范内容可见,当计算结构的扭转位移比、地震倾覆力矩以及采用弹塑性静力法进行性能化设计时,均需采用规定水平力的计算结果。

“规定水平力”的计算方法规范也给出了说明:

1)《抗规2010》3.4.3条文说明“该水平力一般采用振型组合后的楼层地震剪力换算的水平作用力,并考虑偶然偏心;结构楼层位移和层间位移控制值验算时,仍采用CQC的效应组合”;

2)《高规2010》3.4.5条文说明“‘规定水平地震力’一般可采用振型组合后的楼层地震剪力换算的水平作用力,并考虑偶然偏心。水平作用力的换算原则:每一楼面处的水平作用力取该楼面上、下两个楼层的地震剪力差的绝对值;连体下一层各塔楼的水平作用力,可由总水平作用力按该层各塔楼的地震剪力大小进行分配计算”。

下面通过一个三自由度体系图解下“规定水平力”,见下扫描图。由图中推导可知,内力(规定水平力)与位移(层间位移角)的求解均需通过振型组合方法,振型组合方法建立了结构动力反应最大值Q与各振型反应最大值Qi 的近似关系,具体可参见随机振动理论。振型组合方法有两种:完全平方开方法CQC与平方和平方根法SRSS,前者应用于扭转耦联的结构动力系统,考虑相关振型间的关联性,引入互相关系数;后者应用于平动(不考虑扭转耦联)的结构动力系统,振型之间的关联性很弱,近似认为独立,如上图中的串联多自由度体系。所以,软件中控制两种方法的开关是“是否考虑扭转耦联”,考虑到实际结构不可避免的会存在扭转效应(自身偶然偏心、地震扭转分量等),一般设计中均考虑扭转耦联,也就是说一般采用CQC振型组合方法。

CQC方法是将结构各振型的响应在概率的基础上采用完全二次方开方的组合方式得到总的结构响应,每一点都是最大值,可能出现两端位移大,中间位移小,所以CQC方法计算的结构位移比或倾覆力矩可能偏小,不能真实地反映结构的扭转不规则。而且不同组合的位移之间的运算也是无物理意义的。规定水平力是单向水平静力,结构在其作用下的位移,不会出现上述CQC法计算时出现的“怪异现象”。

规定水平力

规定水平力

 

在2010版《建筑抗震设计规范》GB 50011-2010及《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ 3-2010中引用了“规定水平力”的概念,主要体现在以下两处:

a、结构在地震作用下的位移比计算;

b、结构的倾覆力矩计算。其中后者包含了:框架倾覆力矩、短肢墙倾覆力矩、框支框架倾覆力矩和一般剪力墙的倾覆力矩统计。

一.10版《抗规》3.4.3 和《高规》3.4.5 对“扭转不规则”采用 “规定水平力”定义。即:楼层位移比不再采用根据CQC法直接得到的节点最大位移与平均位移比值计算,而是根据给定水平力下的位移计算。其中10版《抗规》3.4.3:“在规定水平力下楼层的最大弹性水平位移或(层间位移),大于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.2 倍 ”;其条文说明解释了为何采用“规定水平力”来计算位移比:扭转位移比计算时,楼层的位移不采用各振型位移的CQC组合计算,按国外的规定明确改为取“给定水平力”计算,可避免有时CQC计算的最大位移出现在楼盖边缘的中部而不在角部,而且对无限刚楼板,分块无限刚楼盖和弹性楼盖均可采用相同的计算方法处理。

何为“规定水平力”?10版《高规》3.4.5条文解释给出了详细定义:扭转位移比计算时,楼层的位移可取“规定水平地震力”计算,由此得到的位移比与楼层扭转效应之间存在明确的相关性。“规定水平地震力”一般可采用振型组合后的楼层地震剪力换算的水平作用力,并考虑偶然偏心。水平作用力的换算原则:每一楼面处的水平作用力取该楼面上、下两个楼层的地震剪力差的绝对值;连体下一层各塔楼的水平作用力,可由总水平作用力按该层各塔楼的地震剪力大小进行分配计算。结构楼层位移和层间位移控制值验算时,仍采用CQC的效应组合。

结合10版PKPM软件除了原有各工况的位移统计结果,当计算地震作用时,软件同时给出规定水平力下的位移统计结果,用于位移比的判断。具体实施:SATWE总信息中关于“规定水平力”的确定方式的选择,程序提供了两种方式:1、楼层剪力差方法(规范方法);2、节点地震作用CQC组合方法。结合实际工程计算发现,采用不同方式其位移计算结果相同,但规定水平力作用下位移比结果相差较大.

二、10版《抗规》6.1.3和10版《高规》8.1.3 中关于框架剪力墙结构倾覆力矩的计算应采用规定水平力方法。

其中10版《抗规》6.1.3.1条文:设置少量抗震墙的框架结构,在规定的水平力作用下,底部框架所承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时,其框架的抗震等级仍应按框架结构确定,抗震墙的抗震等级可与框架的抗震等级相同。明确了少墙框架结构应属于框架结构,其框架抗震等级应按框架结构采用,即明确了地震倾覆力矩用于判断结构类型时(即界定是否按框架-剪力墙设计,或是否短肢墙较多的结构),应采用规定水平力计算倾覆力矩,只需要看嵌固端(或第一层)的计算结果。

10版PKPM在WV02Q.OUT文件中输出的地震倾覆力矩分三种情况:

(1)、规定水平力框架柱及短肢墙地震倾覆力矩(抗规);

(2)、规定水平力框架柱及短肢墙地震倾覆力矩(轴力方式);

(3)、内力CQC的框架柱及短肢墙地震倾覆力矩。

第二种轴力方式是高规的编写专家提出的方法,但并未写入规范里,只可作为参考;第三种内力CQC方法是08版及之前版本采用的方式,按02版抗规设计时,看此结果。第一种采用规定水平力方法,按10版新规范计算时,应看第一种结果。且SATWE总信息中“规定水平力”的确定方式也应选择楼层剪力差方法(规范方法),如选择节点地震作用CQC组合方法,则计算结果有较大差异.:

 

《抗规》3.4.3和《《        高            规    》          3.4.5对“ 扭  转  不 规 则 ”采 用“ 规 定 水 平  力”定其 中

《抗规》表3.4.3-1中 “在规定的水平力作用下楼层的最大弹性水平位移或(层间位移),大于于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.2倍”《抗规》3.4.3条文说明,扭转位移比计算时,楼层的位移不采用各振型位移的CQC组合计算,按国外的规定明确改为取“给定水平力”计算,可避免有时CQC计算的最大位移出现在楼盖边缘的中部而不在角部,而且对无限刚楼板,分块无限刚楼盖和弹性楼盖均可采用相同的

计算方法处理;该水平力一般采用振型组合后的楼层地震剪力换算的水平作用力,并考虑偶然偏心;结构楼层位移和层间位移控制值验算时,仍采用CQC的效应组合。

《高规》3.4.5条文说明:扭转位移比计算时,楼层的位移可取“规定水平地震力”计算,由此得到的位移比与楼层扭转效应之间存在明确的相关性

“规定水平地震力”一般可采用振型组合后的楼层地震剪力换算的水平作用力,并考虑偶然偏心。水平作用力的换算原则:每一楼面处的水平作用力取该楼面上、下两个楼层的地震剪力差的绝对值;连体下一层各塔楼的水平作用力,可由总水平作用力按该层各塔楼的地震剪力

大小进行分配计算。结构楼层位移和层间位移控制值验算时,仍采用

CQC的效应组合。

《抗规》6.1.3和《高规》8.1.3倾覆力矩的计算采用规定水平力,其中《抗规》条文:设置少量抗震墙的框架结构,在规定的水平力作用下,底部框架所承担的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%时,其框架的抗震等级仍应按框架结构确定,抗震墙的抗震等级可与框架的抗震等级相同。

《抗规》6.1.3条文说明本条是关于混凝土结构抗震等级的进一步补充规定。„„本次修订进一步明确以下几点:一是将“在基本振型地震作用下”改为“在规定的水平力作用下”,“规定的水平力”的含义见本规范第3.4节(CQC方法存在的问题:是将结构各个振型的响应在概率的基础上用完全二次方开方的组合方式得到总的结构响应,每一点都是最大值,可能出现两端位移大,中间位移小,所以CQC方法计算的结构位移比可能偏小,不能真实地反映结构的扭转不规则。而且不同组合的位移之间的运算也是无物理意义的。)

对框剪结构,一般情况根据CQC法计算的位移比要比根据给定水平力下的计算位移比小。

PKPM

软件实施与应用:

PKPM除了给出原有各工况的位移统计结果,当计算地震作用时,同时给出规定水平力下的位移比和倾覆力矩统计结果,用于位移比和倾覆力矩比结果的判断。

1.原有各工况的位移统计结果主要用于位移结果的判定

2.规定水平力计算地震作用下的位移比统计结果主要用于位移比的判定

3.对框架剪力墙结构、部分短肢剪力墙结构等,其框架、短肢墙所占倾覆力矩比、框支框架倾覆力矩和一般剪力墙的倾覆力矩统计结果。按规定水平力作用下计算的倾覆力矩统计结果的判断

 

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