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文檔簡介
1、高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計 (電子教案)(電子教案)高等教育出版社高等教育出版社第第3 3章章結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般原則結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般原則本章內(nèi)容本章內(nèi)容3.1 3.1 基本假定基本假定3.2 3.2 荷載效應(yīng)及地震作用效應(yīng)組合荷載效應(yīng)及地震作用效應(yīng)組合3.4 3.4 高層建筑結(jié)構(gòu)水平位移限值高層建筑結(jié)構(gòu)水平位移限值3.5 3.5 罕遇地震作用下薄弱層抗震變形驗算罕遇地震作用下薄弱層抗震變形驗算3.6 3.6 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計3.7 3.7 結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計基本要求結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計基本要求3.8 3.8 最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點3.3
2、3.3 構(gòu)件承載力計算、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算和構(gòu)件承載力計算、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算和 抗傾覆驗算抗傾覆驗算3.1 3.1 基本假定基本假定彈性變形假定彈性變形假定 高層建筑結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與位移采用彈性方法計算??紤]到實際結(jié)構(gòu)中,某些構(gòu)件體現(xiàn)了較為明顯的彈塑性性質(zhì), 因此, 在截面設(shè)計時需充分考慮材料的這種性質(zhì), 對框架梁及連梁等構(gòu)件可考慮局部塑性變形引起的內(nèi)力重分布。剛性樓板假定剛性樓板假定 高層建筑結(jié)構(gòu)空間體能整體協(xié)同工作的原因是由于各抗側(cè)力結(jié)構(gòu)之間通過樓板聯(lián)系, 進行高層建筑內(nèi)力與位移計算時, 假定聯(lián)系各抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的樓板在其自身平面內(nèi)有無限大的剛度, 而在其平面外的剛度很小, 可忽略不計。平面抗側(cè)力假定平面抗
3、側(cè)力假定 任何一片抗側(cè)力結(jié)構(gòu)(一榀框架或一片剪力墻等) 在其平面外的剛度可忽略不計, 它只承受在其平面內(nèi)的側(cè)向力。3.2 荷載效應(yīng)及地震作用效應(yīng)組合荷載效應(yīng)及地震作用效應(yīng)組合荷載效應(yīng)荷載效應(yīng) 荷載效應(yīng)是指由作用引起的結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件的反應(yīng),可體現(xiàn)為內(nèi)力、變形及裂縫等,荷載效應(yīng)組合是指按極限狀態(tài)設(shè)計時,為保證結(jié)構(gòu)的可靠性而對同時出現(xiàn)的各種荷載效應(yīng)設(shè)計值規(guī)定的組合。 3.1 3.1 基本假定基本假定3.2 3.2 荷載效應(yīng)及地震作用效應(yīng)組合荷載效應(yīng)及地震作用效應(yīng)組合無地震作用效應(yīng)組合時,無地震作用效應(yīng)組合時, 荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值為荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值為式中 荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值;永久荷載分項系數(shù);
4、考慮結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限的荷載調(diào)整系數(shù),設(shè)計使用年限為50年時取1.0,設(shè)計使用年限為100年時取1.1;樓面活荷載分項系數(shù);風(fēng)荷載的分項系數(shù);永久荷載效應(yīng)標(biāo)準值;樓面活荷載效應(yīng)標(biāo)準值;風(fēng)荷載效應(yīng)標(biāo)準值;3.2 3.2 荷載效應(yīng)及地震作用效應(yīng)組合荷載效應(yīng)及地震作用效應(yīng)組合荷載分項系數(shù) 、 應(yīng)按下列規(guī)定采用:永久荷載的分項系數(shù) :當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)不利時,對由可變荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)取1.2,對由永久荷載效應(yīng)控制的組合應(yīng)取1.35;當(dāng)其效應(yīng)對結(jié)構(gòu)有利時,應(yīng)取1.0。樓面活荷載的分項系數(shù) : 一般情況下應(yīng)取1.4。風(fēng)荷載的分項系數(shù) 應(yīng)取1.4。承載力計算時:位移計算時,式中各分項系數(shù)均應(yīng)取1.0。樓面活荷
5、載組合值系數(shù)和風(fēng)荷載組合值系數(shù), 當(dāng)永久荷載效應(yīng)起控制作用時分別取0.7和0.0;當(dāng)可變荷載效應(yīng)起控制作用時應(yīng)分別取1.0和0.6 或0.7 和1.0,對書庫、檔案庫、通風(fēng)機房和電梯機房,樓面活荷載組合系數(shù)取0.7 的場合應(yīng)取為0.9。3.2 3.2 荷載效應(yīng)及地震作用效應(yīng)組合荷載效應(yīng)及地震作用效應(yīng)組合有地震作用效應(yīng)組合時,有地震作用效應(yīng)組合時, 荷載效應(yīng)和地震作用效應(yīng)組荷載效應(yīng)和地震作用效應(yīng)組合的設(shè)計值應(yīng)按下式確定合的設(shè)計值應(yīng)按下式確定式中 S荷載效應(yīng)和地震作用效應(yīng)組合的設(shè)計值;重力荷載代表值的效應(yīng);水平地震作用標(biāo)準值的效應(yīng), 尚應(yīng)乘以相應(yīng) 的增大系數(shù)或調(diào)整系數(shù);豎向地震作用標(biāo)準值的效應(yīng),
6、尚應(yīng)乘以相應(yīng) 的增大系數(shù)或調(diào)整系數(shù);重力荷載分項系數(shù);水平地震作用分項系數(shù);風(fēng)荷載分項系數(shù);豎向地震作用分項系數(shù);風(fēng)荷載的組合值系數(shù), 應(yīng)取0.2。3.2 3.2 荷載效應(yīng)及地震作用效應(yīng)組合荷載效應(yīng)及地震作用效應(yīng)組合有地震作用效應(yīng)組合時,有地震作用效應(yīng)組合時, 荷載效應(yīng)和地震作用效應(yīng)組荷載效應(yīng)和地震作用效應(yīng)組合的設(shè)計值應(yīng)按下式確定合的設(shè)計值應(yīng)按下式確定位移計算時,式中各分項系數(shù)均應(yīng)取1.0。 荷載效應(yīng)和地震作用效應(yīng)的分項系數(shù)應(yīng)按下列規(guī)定采用:承載力計算時,分項系數(shù)應(yīng)按下表采用。當(dāng)重力荷載效應(yīng)對結(jié)構(gòu)承載力有利時,表中 不應(yīng)大于1.0。3.2 3.2 荷載效應(yīng)及地震作用效應(yīng)組合荷載效應(yīng)及地震作用效
7、應(yīng)組合有地震作用效應(yīng)組合時荷載和作用分項系數(shù)3.3 3.3 構(gòu)件承載力計算、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算和抗傾覆驗算構(gòu)件承載力計算、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算和抗傾覆驗算構(gòu)件承載力計算構(gòu)件承載力計算 高層建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力應(yīng)按下列各式計算: 無地震作用組合: 有地震作用組合: 式中 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù),對安全等級為一級的結(jié)構(gòu) 構(gòu)件,不應(yīng)小于1.1,對安全等級為二級的結(jié) 構(gòu)構(gòu)件,不應(yīng)小于1.0;作用組合效應(yīng)的設(shè)計值;構(gòu)件承載力設(shè)計值;構(gòu)件承載力抗震調(diào)整系數(shù)。3.3 3.3 構(gòu)件承載力計算、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算和抗傾覆驗算構(gòu)件承載力計算、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算和抗傾覆驗算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算和抗傾覆驗算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算和抗傾覆驗算結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算 對剪力墻結(jié)構(gòu)、框
8、架剪力墻結(jié)構(gòu)、筒體結(jié)構(gòu)為: H 房屋總高度;式中 結(jié)構(gòu)一個主軸方向的彈性等效側(cè)向剛度,可 按倒三角形分布荷載作用下結(jié)構(gòu)頂點位移相等的 原則,將結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度折算為豎向懸臂受彎構(gòu) 件的等效側(cè)向剛度;第i、j 樓層重力荷載設(shè)計值, 取1.2倍的永久 荷載標(biāo)準值與1.4倍的樓面可變荷載標(biāo)準值的 組合值;3.3 3.3 構(gòu)件承載力計算、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算和抗傾覆驗算構(gòu)件承載力計算、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定驗算和抗傾覆驗算 對框架結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足: 結(jié)構(gòu)抗傾覆驗算n 結(jié)構(gòu)計算總層數(shù)。式中 第i 樓層層高; 第i 樓層的彈性等效側(cè)向剛度, 可取該 層剪力與層間位移的比值;式中 穩(wěn)定力矩,計算時,永久荷載取90, 樓面活荷載取50;傾
9、覆力矩, 按風(fēng)荷載或地震作用計算 其設(shè)計值。3.4 3.4 高層建筑結(jié)構(gòu)水平位移限值高層建筑結(jié)構(gòu)水平位移限值 高層建筑層數(shù)多、高度大, 為保證在正常使用條件中, 主體結(jié)構(gòu)基本處于彈性受力狀態(tài),控制裂縫的開展及控制其寬度在規(guī)范允許范圍內(nèi), 以及保證填充墻、隔墻及幕墻等非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的完好, 要求高層建筑結(jié)構(gòu)必須具有足夠的剛度, 且須對結(jié)構(gòu)樓層層間最大位移與層高之比進行限值。 高層建筑結(jié)構(gòu)是按彈性方法計算內(nèi)力和變形的, 計算得到的變形是彈性階段的值, 比結(jié)構(gòu)在大震作用下彈塑性階段的位移要小得多, 因而控制值較為嚴格。 按彈性方法計算的樓層層間最大位移與層高之比u h 應(yīng)滿足:3.4 3.4 高層建筑結(jié)
10、構(gòu)水平位移限值高層建筑結(jié)構(gòu)水平位移限值高度不大于150 的高層建筑, 其樓層層間最大位移與層高之比u h 不宜大于下表的限值;高度不小于250 的高層建筑,其樓層層間最大位移與層高之比u h 不宜大于1/500;高度在150250 之間的高層建筑, 其樓層層間最大位移與層高之比u h 的限值按以上第 條和第 條的限值線性插入取用。樓層層間最大位移與層高之比的限值3.5 3.5 罕遇地震作用下薄弱層抗震變形驗算罕遇地震作用下薄弱層抗震變形驗算應(yīng)進行彈塑性變形驗算的結(jié)構(gòu)應(yīng)進行彈塑性變形驗算的結(jié)構(gòu)高度大于150 的結(jié)構(gòu)。甲類建筑和 度抗震設(shè)防的乙類建筑。采用隔震和消能減震設(shè)計的結(jié)構(gòu)。下列結(jié)構(gòu)宜進行彈
11、塑性變形驗算下列結(jié)構(gòu)宜進行彈塑性變形驗算采用時程分析的房屋和豎向不規(guī)則類型的高層建筑結(jié)構(gòu)。 度、類場地和 度抗震設(shè)防的乙類建筑。板柱剪力墻結(jié)構(gòu)。 度時樓層屈服強度系數(shù)小于0.5的鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)。所謂樓層屈服強度系數(shù) 是指:3.5 3.5 罕遇地震作用下薄弱層抗震變形驗算罕遇地震作用下薄弱層抗震變形驗算下列結(jié)構(gòu)宜進行彈塑性變形驗算下列結(jié)構(gòu)宜進行彈塑性變形驗算 結(jié)構(gòu)薄弱層(部位) 層間彈塑性位移應(yīng)符合: h 薄弱層層高。式中 層間彈塑性位移; 層間彈塑性位移角限值,按下表采用。彈塑性層間位移角限值3.5 3.5 罕遇地震作用下薄弱層抗震變形驗算罕遇地震作用下薄弱層抗震變形驗算 結(jié)構(gòu)薄弱層(部位
12、) 層間彈塑性位移的簡化計算須符合:結(jié)構(gòu)薄弱層(部位) 的位置樓層屈服強度系數(shù)沿高度分布均勻的結(jié)構(gòu), 取底層。樓層屈服強度系數(shù)沿高度分布不均勻的結(jié)構(gòu), 取該系數(shù)最小的樓層(部位) 及相對較小的樓層, 一般不超過 處。在預(yù)估的罕遇地震作用下,薄弱層(部位)在預(yù)估的罕遇地震作用下,薄弱層(部位) 彈塑性變彈塑性變形形 的計算可采用以下方法:的計算可采用以下方法:不超過12層且層側(cè)向剛度無突變的框架結(jié)構(gòu), 可采用以下簡化方法求得 。3.5 3.5 罕遇地震作用下薄弱層抗震變形驗算罕遇地震作用下薄弱層抗震變形驗算層間彈塑性位移計算式為: 樓層延性系數(shù);式中 彈塑性層間位移;層間屈服位移;罕遇地震作用下
13、按彈性分析的層間位移。此時, 水平地震影響系數(shù)最大值按表3.4采用。彈塑性層間位移增大系數(shù),當(dāng)薄弱層(部位) 的屈服強度系數(shù)不小于相鄰層(部位) 該系數(shù)平均值的0.8時,可按表3.5采用, 當(dāng)不大于該平均值的0.5時,可按表內(nèi)相應(yīng)數(shù)據(jù)的1.5倍采用;其余情況采用內(nèi)插法取值。3.5 3.5 罕遇地震作用下薄弱層抗震變形驗算罕遇地震作用下薄弱層抗震變形驗算表3.4水平地震影響系數(shù)最大值表3.5結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移增大系數(shù)3.5 3.5 罕遇地震作用下薄弱層抗震變形驗算罕遇地震作用下薄弱層抗震變形驗算采用分步積分法時, 宜符合以下要求:應(yīng)按建筑場地類別和所處地震動參數(shù)區(qū)劃的特征周期選用不少于兩條實際地
14、震波和一組人工模擬的地震波的加速度時程曲線。地震波延續(xù)時間不宜少于結(jié)構(gòu)自振周期的5倍和15, 數(shù)值化時距可取為0.01 或0.02。輸入地震波的最大加速度, 按下表采用。在預(yù)估的罕遇地震作用下,薄弱層(部位)在預(yù)估的罕遇地震作用下,薄弱層(部位) 彈塑性變彈塑性變形形 的計算可采用以下方法:的計算可采用以下方法:時程分析時輸入地震加速度的最大值3.6 3.6 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計應(yīng)分析結(jié)構(gòu)方案不符合抗震概念設(shè)計的情況、選用適宜的結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo), 并分析論證結(jié)構(gòu)設(shè)計與結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)的符合性。 結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)應(yīng)綜合考慮抗震設(shè)防類別、設(shè)防烈度、場地條件、結(jié)構(gòu)的特殊
15、性、建造費用、震后損失和修復(fù)難易程度等各項因素選定。結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)分為、 四個等級, 結(jié)構(gòu)抗震性能分為、 五個水準(表.)。表3.7結(jié)構(gòu)抗震性能目標(biāo)3.6 3.6 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計 每個性能目標(biāo)均與一組在指定地震地面運動下的結(jié)構(gòu)抗震性能水準相對應(yīng)。結(jié)構(gòu)抗震性能水準可按表. 進行宏觀判別, 各種性能水準結(jié)構(gòu)的樓板均不應(yīng)出現(xiàn)受剪破壞。表3.8各性能水準結(jié)構(gòu)預(yù)期的震后性能狀況3.6 3.6 結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計結(jié)構(gòu)抗震性能設(shè)計 結(jié)構(gòu)彈塑性計算分析應(yīng)符合下列要求: 高度不超過150 的高層建筑可采用靜力彈塑性分析方法, 高度超過200 時應(yīng)采用彈塑性時程分析法, 高度在150200 時可
16、視結(jié)構(gòu)不規(guī)則程度選擇靜力或時程分析法。高度超過300 的結(jié)構(gòu)或新型結(jié)構(gòu)或特別復(fù)雜的結(jié)構(gòu), 應(yīng)由兩個不同單位進行獨立的計算校核。 彈塑性計算分析應(yīng)以混凝土構(gòu)件的實際配筋、型鋼和鋼構(gòu)件的實際截面規(guī)格為基礎(chǔ),不應(yīng)以估算的配筋和鋼構(gòu)件替代。 復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)進行施工模擬分析, 應(yīng)以施工全過程完成后的內(nèi)力為初始狀態(tài)。 彈塑性時程分析宜采用雙向或三向地震輸入, 計算結(jié)果宜取多組波計算結(jié)果的包絡(luò)值。 應(yīng)對計算分析結(jié)果進行合理性判斷。3.7 3.7 結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計基本要求結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計基本要求高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)符合下列規(guī)定高層建筑結(jié)構(gòu)應(yīng)符合下列規(guī)定安全等級為一、二級時, 應(yīng)滿足抗連續(xù)倒塌概念設(shè)計的要求。安全等級
17、為一級且有特殊要求時, 可采用拆除構(gòu)件方法進行抗連續(xù)倒塌設(shè)計。抗連續(xù)倒塌概念設(shè)計應(yīng)符合下列要求抗連續(xù)倒塌概念設(shè)計應(yīng)符合下列要求通過必要的結(jié)構(gòu)連接措施增強結(jié)構(gòu)的整體性, 不允許采用摩擦連接傳遞重力荷載。主體結(jié)構(gòu)宜采用多跨規(guī)則的超靜定結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有適宜的延性, 避免剪切破壞、壓潰破壞、錨固破壞、節(jié)點先于構(gòu)件破壞。結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)具有一定的反向承載能力。周邊及邊跨框架的柱距不宜過大。3.7 3.7 結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計基本要求結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計基本要求抗連續(xù)倒塌概念設(shè)計應(yīng)符合下列要求抗連續(xù)倒塌概念設(shè)計應(yīng)符合下列要求轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)應(yīng)具有整體多重傳遞重力荷載途徑。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)梁柱宜剛接, 梁板頂、底鋼筋在支座
18、處宜按受拉要求連續(xù)貫通。鋼結(jié)構(gòu)框架梁柱宜剛接。獨立基礎(chǔ)之間宜采用拉梁連接??惯B續(xù)倒塌的拆除構(gòu)件方法應(yīng)符合下列基本要求抗連續(xù)倒塌的拆除構(gòu)件方法應(yīng)符合下列基本要求逐個分別拆除結(jié)構(gòu)周邊的豎向構(gòu)件、底層內(nèi)部豎向構(gòu)件以及轉(zhuǎn)換桁架的腹桿等重要構(gòu)件??刹捎脧椥造o力方法分析剩余結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形。3.7 3.7 結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計基本要求結(jié)構(gòu)抗連續(xù)倒塌設(shè)計基本要求抗連續(xù)倒塌的拆除構(gòu)件方法應(yīng)符合下列基本要求抗連續(xù)倒塌的拆除構(gòu)件方法應(yīng)符合下列基本要求剩余結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力應(yīng)滿足RS 的要求。其中: S 為剩余結(jié)構(gòu)構(gòu)件內(nèi)力設(shè)計值,可按JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程第4.12.4條計算; R 為剩余結(jié)構(gòu)構(gòu)件承
19、載力設(shè)計值,可按JGJ3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程第4.12.5條采用; 為效應(yīng)折減系數(shù),對中部水平構(gòu)件取0.67, 對角部和懸挑水平構(gòu)件取1.0,其他構(gòu)件取1.0。3.8 3.8 最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策 結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策是抗災(zāi)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的兩個層中的第一個層次。工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論在國際上發(fā)展了多年, 國際標(biāo)準ISO2394-1996結(jié)構(gòu)可靠性總原則已推薦采用優(yōu)化方法來制定工程結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準。 工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計在工程中不能普遍應(yīng)用的原因: 現(xiàn)行設(shè)計規(guī)范或規(guī)程沒有明確要求采用優(yōu)化設(shè)計方法。 大多數(shù)設(shè)計人員不熟悉結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的理論和方法。 土木工程的管理體制及習(xí)慣做法, 缺乏追求
20、優(yōu)化設(shè)計方案的動力。隨著規(guī)程或規(guī)范的修訂及設(shè)計人員業(yè)務(wù)水平的提高, 抗震結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法必將為設(shè)計人員所采納和應(yīng)用。3.8 3.8 最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策優(yōu)化的策略和方法優(yōu)化的策略和方法結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計可分為兩個階段: 第一階段是決策結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)防水平, 在此階段不僅要考慮結(jié)構(gòu)的近期投資, 而且要考慮其長遠效益(結(jié)構(gòu)遇災(zāi)的損失期望)。 第二階段是按最優(yōu)設(shè)防烈度進行優(yōu)化設(shè)計, 也即對結(jié)構(gòu)進行最小造價設(shè)計, 以期用最小造價實現(xiàn)為結(jié)構(gòu)所規(guī)定的最優(yōu)設(shè)防能力, 從而以十分合理的方式大大簡化抗震結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。第一階段: 抗災(zāi)結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策??篂?zāi)結(jié)構(gòu)的設(shè)防水平有兩種表達方式, 即設(shè)防荷載參數(shù)
21、和設(shè)防可靠度。設(shè)防荷載參數(shù)也即設(shè)防烈度, 它是設(shè)計地震加速度的反映, 主要取決于地面運動加速度峰值和場地特征周期, 而可靠度既是安全指標(biāo)也是經(jīng)濟指標(biāo)。3.8 3.8 最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策工程優(yōu)化是一個多目標(biāo)規(guī)劃問題, 包括內(nèi)容繁多, 如經(jīng)濟效益、社會效益、施工方案、使用功能等, 這些目標(biāo)只能在工程不同的進程階段予以實現(xiàn)。結(jié)構(gòu)的變量設(shè)計階段, 即在工程結(jié)構(gòu)的建筑方案、結(jié)構(gòu)拓撲和材料已決定后, 結(jié)構(gòu)的設(shè)計方案(設(shè)計向量x) 可以表示為設(shè)防烈度I 的函數(shù)x(I)。此階段的目標(biāo)函數(shù)包括:結(jié)構(gòu)的造價(近期投資) C(x) 和長遠的經(jīng)濟和社會效益L(x), 優(yōu)化目的是使目標(biāo)函數(shù)W(x)達到:W
22、(x) C(x) L(x) min如設(shè)防烈度為I, 上式可表示為:Wx(I)Cx(I)Lx(I) min3.8 3.8 最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策優(yōu)化目標(biāo)函數(shù):式中x(I)代表在設(shè)防烈度為I 時結(jié)構(gòu)的最小造價設(shè) 計方案; 調(diào)整參數(shù) 是考慮對近期投資C 和損失期望L 的不 同重視程度而設(shè)置的參數(shù), 對特別重要 的結(jié)構(gòu), 可取 1.0, 無特別要求時, 取 1.0, 如只考慮利息因素, 可取 1.0。Wx(I)= x(I)+ Lx(I) minx(I)其相應(yīng)造價;3.8 3.8 最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策針對每個設(shè)防烈度I, 結(jié)構(gòu)的最小造價設(shè)計方案x(I)是唯一的, 故目標(biāo)函數(shù)式可簡化
23、為W(I) (I) L(I) min圖3.1 最優(yōu)設(shè)防烈度決策圖 造價 (I)是設(shè)防烈度I 的增函數(shù), 而損失期望L(I)是設(shè)防烈度I 的減函數(shù), 因而兩者之和W(I)的曲線必定有一個最低點, 與該點相應(yīng)的設(shè)防烈度就是決策所需的最優(yōu)設(shè)防烈度 。即給出若干不同的I, 分別求出相應(yīng)的最小造價 ,即可求得函數(shù) (I)曲線的若干點, 圖3.1中給出了這種曲線上的一個例子。3.8 3.8 最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策第二階段: 按最優(yōu)設(shè)防烈度進行優(yōu)化設(shè)計。 在第一階段求得最優(yōu)設(shè)防烈度 后,就可以進行設(shè)防烈度為 時的最小造價設(shè)計, 求設(shè)計方案x( ),使結(jié)構(gòu)造價Cx( ) min 并滿足規(guī)范的要求和條
24、件。這樣得到的就是考慮了損失期望L(x) 的抗震結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計方案。由于在決策最優(yōu)設(shè)防烈度 時已考慮了損失期望,在此只需以最小造價的設(shè)計方案使結(jié)構(gòu)具有抗抵所決策的最優(yōu)設(shè)防烈度 的抗力即可。3.8 3.8 最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策造價曲線造價曲線C CI I 的計算的計算 對被優(yōu)化的抗震結(jié)構(gòu), 給出若干不同的 (i 1,2,3,),分別求出相應(yīng)的最小造價 ( ), 即可得出函數(shù) (I) 曲線上的若干點。 在實際工程中, 同一設(shè)計小組, 針對同一個設(shè)計對象和不同的設(shè)防烈度 (i ,), 可以分別得出一個設(shè)計方案x( )和相應(yīng)的造價Cx(I) 。 為了減小工作量, 可用C I 曲線近似地代替
25、I 曲線。因為在求 x(I)時須將結(jié)構(gòu)造價表達為設(shè)計向量的函數(shù)C(x) 才能進行迭代計算, 此函數(shù)C(x)難以全面體現(xiàn)結(jié)構(gòu)真正的造價。 簡化方法得出設(shè)計方案x 后, 即可按常規(guī)辦法計算結(jié)構(gòu)真正的造價C(I), 這樣更符合實際情況。3.8 3.8 最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策損失期望曲線損失期望曲線L LI I 的計算的計算災(zāi)害荷載都具有“強度大的發(fā)生頻率低, 強度小的發(fā)生頻率高” 的特點, 因而抗災(zāi)結(jié)構(gòu)在服役期間能經(jīng)常遇到小強度的災(zāi)害, 遇到很大強度災(zāi)害的概率較小。對不同等級的災(zāi)害不能同等對待, 應(yīng)該有不同的設(shè)防標(biāo)準, 也即抗災(zāi)結(jié)構(gòu)多級設(shè)防的概念。目前, 我國GB50011-2010建筑抗
26、震設(shè)計規(guī)范提出的是抗震設(shè)防三個水準的要求, 即“小震不壞,中震可修, 大震不倒”。三個水準烈度的相對關(guān)系如附表8.15所示。3.8 3.8 最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策附表8.15三個水準烈度3.8 3.8 最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策 我國規(guī)范還規(guī)定了 個破壞等級和與其相應(yīng)破壞狀態(tài)的定性描述。若 代表I 級破壞,則有( , , , , )(基本完好, 輕微破壞, 中等破壞, 嚴重破壞, 倒塌)。 與“不壞, 可修, 不倒”3個等級相比,5個等級分級較細, 計算時較為方便, 它們與三個等級劃分的大致關(guān)系如附表8.15所示, 不壞相當(dāng)于基本完好 ,可修相當(dāng)于中等破壞 ,不倒相當(dāng)于嚴重破壞
27、 。 采用以下符號:x( ) 按 烈度設(shè)防(滿足規(guī)范的一切要 求) 的設(shè)計方案; 大于發(fā)生 級破壞的概率; 發(fā)生 級破壞的概率;3.8 3.8 最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策最優(yōu)設(shè)防水平?jīng)Q策 按烈度I 設(shè)防并按規(guī)范設(shè)計的結(jié)構(gòu)方案x(I)的總損失期望值為式中 結(jié)構(gòu)受到 級破壞時的損失值, 它包括結(jié)構(gòu) 破壞本身的直接損失和由于結(jié)構(gòu)破壞而引發(fā)的 間接損失, 它考慮了抗震設(shè)計規(guī)范所規(guī)定的 多級失效準則。這樣, 即可針對具體問題求 得圖3.1 所示的Cx(I)I 曲線。 在遇到烈度S 地震時發(fā)生大于 級 破壞的概率。 我們稱 為地震烈度為S 時的條件失效概率。按照附表8.15設(shè)計準則的規(guī)定, 可得相應(yīng)三個等級的條件失
28、效概率曲線。3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的選取結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的選取一個優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案, 能使結(jié)構(gòu)的受力特性良好, 并且具有較好的經(jīng)濟性及長遠的效益。對于同一建筑設(shè)計方案, 可有多個不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案, 如選用不同的結(jié)構(gòu)形式, 不同的建筑材料, 不同結(jié)構(gòu)單元體的劃分; 伸縮縫、沉降縫和防震縫的不同設(shè)置位置和處理方式; 抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的不同布置方式和位置, 主樓與裙房的關(guān)系, 轉(zhuǎn)換層的布置及采用的形式等。一個優(yōu)秀的設(shè)計必須選擇一個經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)方案, 即要選擇一個切實可行的結(jié)構(gòu)形式和結(jié)構(gòu)體系, 在結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟性之間取得最佳平衡。3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的選取
29、結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的選取一個成功的方案, 應(yīng)做到結(jié)構(gòu)受力體系明確, 傳力簡捷, 并力求平面和立面規(guī)則, 這一點在地震區(qū)尤為重要。設(shè)計者必須對工程的設(shè)計要求有深刻的理解, 應(yīng)對地理環(huán)境、材料供應(yīng)及施工條件等情況進行綜合分析, 并充分注重與建筑、水、電、暖等相關(guān)專業(yè)的協(xié)調(diào)。在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)的選型和結(jié)構(gòu)方案的確定。對較為復(fù)雜的工程, 宜進行多方案的比較, 擇優(yōu)選用。在方案的選擇及確定過程中, 光靠規(guī)范是遠遠不夠的, 必須充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)工程師的智慧與大量的實踐經(jīng)驗。3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點結(jié)構(gòu)計算結(jié)構(gòu)計算 結(jié)構(gòu)計算包括計算模型的采用、荷載的取值、內(nèi)力計算和特殊構(gòu)件及結(jié)構(gòu)特殊部位的計算等。計算模型的采
30、用: 所謂計算模型, 就是指將實際結(jié)構(gòu)簡化成理論計算模型, 計算模型不僅要反映結(jié)構(gòu)的真實受力性能, 與結(jié)構(gòu)實際受力情況一致, 而且又要盡可能地簡化, 以便于計算。結(jié)構(gòu)計算是在計算模型的基礎(chǔ)上進行的, 計算模型選用不當(dāng)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全事故的情況屢有發(fā)生, 因此選擇恰當(dāng)?shù)挠嬎隳P褪潜WC結(jié)構(gòu)安全的重要條件。對體型復(fù)雜、結(jié)構(gòu)布置復(fù)雜的高層建筑應(yīng)至少用兩個不同力學(xué)模型的結(jié)構(gòu)分析軟件進行整體計算。3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點對JG3-2010高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定的復(fù)雜高層建筑結(jié)構(gòu), 應(yīng)采用彈性時程分析法進行補充計算,并宜采用彈塑性靜力或動力分析方法驗算薄弱層彈塑性變形。計算模型還應(yīng)有相應(yīng)的構(gòu)造
31、措施來保證, 實際結(jié)構(gòu)的節(jié)點不可能是純粹的剛接或鉸接點,但與計算模型的誤差應(yīng)在設(shè)計允許范圍之內(nèi)。荷載取值: 荷載取值的大小, 直接影響計算結(jié)果的準確與否, 所以不能馬虎, 如建筑師決定的樓面、屋面的做法, 結(jié)構(gòu)工程師必須在計算樓、屋面荷載時與之統(tǒng)一。高層建筑結(jié)構(gòu)的荷載應(yīng)按國家標(biāo)準GB50009-2001建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范采用。3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點計算軟件的選?。涸谟嬎隳P图昂奢d取值確定后, 就可進行結(jié)構(gòu)的計算。當(dāng)前, 對多數(shù)建筑而言, 均有程序進行結(jié)構(gòu)計算。在采用軟件時, 須特別注意軟件的適用范圍及通用性,輸入數(shù)據(jù)間的相互協(xié)調(diào)。計算完畢后, 還要校核結(jié)果的真實性。如大多數(shù)程序在計算梁
32、構(gòu)件時, 一般都未考慮軸力對其性能的影響, 但如果其軸向拉力達到一定值時, 拉力對其性能的影響可能起主要作用, 如梁構(gòu)件上方為一拱結(jié)構(gòu)就是使梁承受拉力的一典型實例, 框支剪力墻的托梁也屬此情形。當(dāng)進行結(jié)構(gòu)時程分析時, 還須明確地震波的特性, 并盡可能采用與場地性能一致的地震波。3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點對計算結(jié)果,不能采用一味認同的態(tài)度,須對電算成果進行認真分析與判斷,如結(jié)構(gòu)的自振周期、振型、位移曲線、層間位移值、頂點位移值、底部總剪力與總質(zhì)量的比值等參數(shù)都是進行結(jié)果校核的參數(shù)。特殊構(gòu)件的計算: 任何軟件有其適用性,在結(jié)構(gòu)整體計算中,對結(jié)構(gòu)中一些重要的、較特殊的構(gòu)件計算,一般不可能全面反
33、映其真實情況,為確保這些構(gòu)件的設(shè)計安全,有必要對這些構(gòu)件單獨取出,并模擬邊界受力后重新進行復(fù)算。如中庭中的柱、框支剪力墻的托梁、大跨度梁的撓度和裂縫的寬度、不規(guī)則開洞的剪力墻等構(gòu)件均屬此類。3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點協(xié)同工作性能: 在框架剪力墻結(jié)構(gòu)計算中, 應(yīng)考慮剪力墻和框架兩種結(jié)構(gòu)類型的不同受力特點, 并按協(xié)同工作條件進行內(nèi)力、位移分析??蚣芙Y(jié)構(gòu)中設(shè)置了電梯井、樓梯間或其他剪力墻的抗側(cè)結(jié)構(gòu)后, 應(yīng)按框架剪力墻結(jié)構(gòu)計算。有時雖然剪力墻的數(shù)量不多,但計算中若按純框架計算,不考慮設(shè)置的剪力墻所受的剪力,則框架結(jié)構(gòu)的上部計算剪力將小于實際承受的剪力,使框架計算偏不安全。 結(jié)構(gòu)計算完成并確認輸出
34、結(jié)果無誤后,即可進行結(jié)構(gòu)的承載力的計算、側(cè)移限制及變形驗算。3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點抗震措施抗震措施抗震等級的劃分 抗震等級的不同,體現(xiàn)在對結(jié)構(gòu)抗震性能要求嚴格與否的程度,等級越高,結(jié)構(gòu)抗震性能要求就嚴格,當(dāng)有特殊要求時則提升到特一級,其計算和構(gòu)造措施比一級更加嚴格。相反,如抗震等級較低,則抗震要求較低。對各類不同的高層建筑結(jié)構(gòu),其抗震措施應(yīng)符合以下要求:甲類、乙類建筑: 應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求加強其抗震措施; 當(dāng)設(shè)防烈度為9度時,應(yīng)符合比9度抗震設(shè)防更高的要求采取抗震措施。當(dāng)建筑場地為類時,應(yīng)允許仍按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求采取抗震構(gòu)造措施。3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計
35、要點丙類建筑: 應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度確定其抗震措施。 當(dāng)建筑場地為類時, 除度外, 應(yīng)允許按抗震設(shè)防烈度降低一度的要求采取抗震構(gòu)造措施。抗震設(shè)計時, 高層建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)根據(jù)設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型和房屋高度采用不同的抗震等級, 并應(yīng)符合相應(yīng)的計算和構(gòu)造措施要求。 級高度丙類建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震等級應(yīng)按附表8.16確定。 當(dāng)本地區(qū)的設(shè)防烈度為 度時, 級高度乙類建筑的抗震等級應(yīng)按特一級采用, 甲類建筑應(yīng)采取更有效的抗震措施。 級高度丙類建筑鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震等級應(yīng)按附表8.17確定。3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點附表8.16A 級高度的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震等級3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)
36、計要點附表8.17 級高度的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震等級3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點高層建筑地下室位置與抗震等級 當(dāng)利用地下室頂層作為上部結(jié)構(gòu)的嵌固端時, 地下一層的抗震等級應(yīng)按上部結(jié)構(gòu)采用, 地下一層以下結(jié)構(gòu)的抗震等級可根據(jù)具體情況采用三級或四級, 地下室柱截面每側(cè)的縱向鋼筋面積除應(yīng)符合計算要求外, 不應(yīng)少于地上一層對應(yīng)柱每側(cè)縱向鋼筋面積的1.1倍。 地下室中超出上部主樓范圍且無上部結(jié)構(gòu)的部分, 其抗震等級可根據(jù)具體情況采用三級或四級。 度抗震設(shè)計時,地下室結(jié)構(gòu)的抗震等級不應(yīng)低于二級。抗震設(shè)計時, 與主樓連為整體的裙房的抗震等級不應(yīng)低于主樓的抗震等級, 主樓結(jié)構(gòu)在裙房頂部上、下各一層應(yīng)適當(dāng)加強抗
37、震構(gòu)造措施。3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點抗震等級是根據(jù)高層建筑震害、工程設(shè)計經(jīng)驗及研究成果劃分的。 不同的結(jié)構(gòu)類型進行組合后, 其抗震等級一般不予降低, 個別情況要求更加嚴格。 如框架核心筒結(jié)構(gòu)與框架剪力墻結(jié)構(gòu)基本上是一致的, 盡管框架核心筒結(jié)構(gòu)由于剪力墻組成筒體而大大提高了抗側(cè)力能力, 但周邊稀柱框架較弱, 設(shè)計上的處理與框架剪力墻結(jié)構(gòu)仍基本相同??蚣芗袅Y(jié)構(gòu)中, 由于剪力墻部分剛度遠大于框架部分的剛度, 因此對框架部分的抗震能力要求比純框架結(jié)構(gòu)可以適當(dāng)降低。 當(dāng)剪力墻部分的剛度相對較少時, 則框架部分的設(shè)計仍應(yīng)按普通框架考慮, 不應(yīng)降低要求。3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點 級高度的
38、高層建筑結(jié)構(gòu), 按附表8.16確定其抗震等級。 乙類建筑 度設(shè)防時, 抗震等級提升到特一級。 級高度的高層建筑, 其抗震等級應(yīng)有更嚴格的要求, 即按附表8.17采用。 特一級構(gòu)件除符合一級抗震要求外, 框架柱、框架梁、框支柱和筒體、剪力墻的內(nèi)力及配筋等均比一級抗震有更嚴格的要求。多道抗震防線多道抗震防線含有兩個方面的意義: 一是指一個抗震結(jié)構(gòu)體系, 應(yīng)由若干個延性較好的分體系組成, 并由延性較好的結(jié)構(gòu)構(gòu)件將各分體系聯(lián)系起來協(xié)同工作。 3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點 二是指抗震結(jié)構(gòu)體系應(yīng)有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部贅余度, 有意識地建立起一系列分布的屈服區(qū), 以使結(jié)構(gòu)能吸收和消耗大量的地震能量,
39、 一旦遭受破壞也易于修復(fù)??拐鹪O(shè)防中存在的問題 一是震后修復(fù)集中體現(xiàn)在單一體系的結(jié)構(gòu)構(gòu)件, 修復(fù)困難, 且工作量巨大。 二是構(gòu)件的性能兼承重構(gòu)件和耗能構(gòu)件于一身, 給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來許多困難, 尤其是在構(gòu)造處理方面。 三是抗震體系的不明確導(dǎo)致結(jié)構(gòu)中耗能部位和結(jié)構(gòu)的破壞形式不能預(yù)先確定, 設(shè)計帶有一定的盲目性。3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點多道抗震防線的目的 通過合理的設(shè)計, 在結(jié)構(gòu)的適當(dāng)部位(或構(gòu)件) 設(shè)置屈服區(qū), 在地震作用下, 這些部位或構(gòu)件首先屈服, 形成塑性鉸耗散大量的地震能量。 減少主要承重構(gòu)件的損壞程度, 利用次要構(gòu)件的耗能來保護主要承重構(gòu)件。 地震后, 結(jié)構(gòu)的修復(fù)主要在次要的構(gòu)件上
40、, 這樣的修復(fù)位置明確, 修復(fù)費用也降低。 交叉的耗能支撐、耗能阻尼器等均屬于多道抗震防線體系。3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點實際建筑結(jié)構(gòu)體系中的多道抗震防線 框架剪力墻體系由延性框架和剪力墻兩個系統(tǒng)組成, 剪力墻為第一道防線, 框架為第二道防線; 框架筒體體系由延性框架和筒體組成, 筒體為第一道防線, 框架為第二道防線; 筒中筒體系由內(nèi)實腹筒及外空腹筒組成, 內(nèi)實腹筒為第一道防線, 外空腹筒為第二道防線; 在交叉支撐及耗能器的結(jié)構(gòu)中, 交叉耗能支撐和耗能阻尼器為第一道防線, 結(jié)構(gòu)本身為第二道防線。3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點延性延性延性的概念 延性是結(jié)構(gòu)屈服后變形能力大小的一種性質(zhì),是
41、結(jié)構(gòu)吸收能量能力的一種體現(xiàn),常用延性系數(shù)來表示,所謂延性系數(shù)是結(jié)構(gòu)最大變形與屈服變形的比值,即承載力與延性的區(qū)別承載力是強度的體現(xiàn), 延性則是變形能力的體現(xiàn)。式中延性系數(shù), 表示結(jié)構(gòu)延性的大?。籾結(jié)構(gòu)最大變形;結(jié)構(gòu)屈服變形。3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點 一個結(jié)構(gòu), 如果承載力較低, 延性較好, 雖然破壞較早, 但變形能力較好, 可能不至于倒塌; 相反, 如果承載力較高, 延性差, 盡管破壞較晚, 但因變形能力差, 可能導(dǎo)致倒塌。 增大延性能增大結(jié)構(gòu)變形能力, 消耗地震動的能量, 從而提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。 合理的抗震設(shè)計應(yīng)使結(jié)構(gòu)成為延性結(jié)構(gòu), 所謂延性結(jié)構(gòu)是指隨著塑性鉸數(shù)量的增多, 結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)屈服現(xiàn)象, 在承受的地震作用不大的情況下, 結(jié)構(gòu)變形性能增加較快。結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性與縱筋配筋率、鋼筋種類、混凝土的極限壓應(yīng)變及軸壓比等因素有關(guān), 要使結(jié)構(gòu)具有較好延性, 歸納起來有以下四個要點值得注意:3.9 3.9 設(shè)計要點設(shè)計要點強柱弱梁 目的是控制塑性鉸出現(xiàn)的位置在梁端, 盡可能避免塑性鉸在柱中出現(xiàn)。 試驗及理論分析表明, 梁先屈服, 可使整個框架有較大的內(nèi)力重分布和能量的耗散能力, 極限層間位移增大, 抗
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