結構抗震設計講義八

第9章

非結構構件

返回總目錄教學提示：非結構構件分為建筑非結構構件和建筑設備兩類。其抗震設防目標，原則上要與主體結構三水準的設防目標相協(xié)調(diào)，但同時對非結構構件有與主體結構不同的性能要求。非結構構件的抗震計算可采用等效側力法和樓面反應譜法。教學要求：本章要求學生了解非結構構件的分類、非結構構件抗震規(guī)定、抗震計算要點及構造措施。本章內(nèi)容

●9.1概述●9.2非結構構件的抗震計算●9.3非結構構件的基本抗震措施●9.4習題非結構構件分為建筑非結構構件和建筑設備兩類。建筑非結構構件包括室內(nèi)和室外建筑非結構件，其中室內(nèi)建筑非結構件包括各類隔墻、頂棚、吊柜和貼面等，室外建筑非結構件包括各類幕墻、女兒墻、出屋面煙囪、建筑標志牌、建筑飾面、挑檐、雨棚、遮光板和建筑上的廣告牌等。建筑附屬設備包括電梯、永久及臨時供電及照明設備(包括配電電盤、應急發(fā)電機及油箱等)、暖通、空調(diào)設備及管道、水箱、滅火系統(tǒng)、煤氣設備及管道、有線及無線通訊設備(包括控制臺、交換機、計算機及服務器等)及天線、保安監(jiān)視系統(tǒng)、辦公自動化設備、容器、貨架及儲物柜等。廠房設備還包括各類生產(chǎn)設備。建筑附屬設備本身的抗震性，應由生產(chǎn)廠負責解決，抗震設計規(guī)范規(guī)定了建筑附屬設備同建筑主體結構的連接部分的抗震要求，這部分連接的抗震設計，應由各相關專業(yè)的設計人員負責解決。9.1.1非結構構件的分類9.1概述9.1.2非結構的抗震設防目標隨著經(jīng)濟的發(fā)展，人民對室內(nèi)生活和工作環(huán)境的要求日漸提高，非結構構件的造價與總造價的比例也隨之提高。為保障人們的生活、生產(chǎn)和社會活動的正常運行，減少經(jīng)濟損失，非結構構件的抗震設防就顯的十分重要。非結構構件的抗震設防目標，原則上要與主體結構三水準的設防目標相協(xié)調(diào)，但同時對非結構構件有同主體結構不同的性能要求。在多遇地震下，建筑非結構構件不宜有破壞。機、電設備應能保持正常運行功能；在設防烈度地震下，建筑非結構構件可以容許比結構構件有較重的破壞，但不得危及生命，機電設備應盡量保持運行功能，即使遭到破壞也應能盡快恢復，特別是避免發(fā)生次生災害的破壞；在罕遇地震下，各類非結構構件可能有較重的破壞，但應避免重大次生災害。9.1概述9.1.3非結構構件抗震計算的基本要求1.非結構對結構整體計算的影響在結構體系抗震計算時，與非結構有關的規(guī)定有如下幾條。(1)結構體系計算地震作用時，應計入支承于結構構件的建筑構件和建筑附屬機電設備的重力。(2)對柔性連接的建筑構件，可不計入其剛度對結構體系的影響；對嵌入抗側力構件平面內(nèi)的剛性建筑構件，可采用周期調(diào)整系數(shù)等簡化方法計入其剛度影響；當有專門的構造措施時，尚可按規(guī)定計入其抗震承載力。(3)對需要采用樓面譜計算的建筑附屬機電設備，應采用合適的簡化計算模型計入設備與結構體系的相互作用。(4)結構體系中，支承非結構構件的部位，應計入非結構構件地震作用效應所產(chǎn)生的附加作用。9.1概述2.非結構自身的計算要求對于非結構自身設計時，有關計算規(guī)定如下。(1)非結構構件自身的地震力應施加于其重心，水平地震力應沿任一水平方向。(2)非結構構件自身重力產(chǎn)生的地震作用，一般只考慮水平方向，采用等效側力法；當建筑群眾性機電設備(含支架)的體系自振周期大于0.1s，且其重力超過所在樓層重力的1%，或建筑附屬機電設備的策略超過所在樓層重力的10%時，如巨大的高位水箱、出屋面的大型塔架等，則采用樓面反應譜方法。非結構構件的地震作用，除了自身質(zhì)量產(chǎn)生的慣性力外，還有地震時支座間相對位移產(chǎn)生的附加作用，二者需同時組合計算。非結構構件因支承點相對水平位移產(chǎn)生的內(nèi)力，可按該構件在位移方向的剛度乘以規(guī)定的支承點相對水平位移計算。非結構構件在位移方向的剛度，應根據(jù)其端部的實際連接狀態(tài)，分別采用剛接、鉸接、彈性連接或滑動連接等簡化的力學模型。相鄰樓層的相對水平位移，可按規(guī)定的限值采用；防震縫兩側的相對水平位移，宜根據(jù)使用要求確定。9.1概述9.1.4非結構構件的地震反應分析非結構構件與支架或連接組成的附屬系統(tǒng)(或稱子系統(tǒng))與其所在的主體結構(稱為主系統(tǒng)或建筑物)組成一個總系統(tǒng)。若按總系統(tǒng)來分析非結構構件的支架和連接所受的地震作用，不僅在技術上有困難，是也很不經(jīng)濟。為此，人們轉而研究樓面反應譜，即把建筑物與子系統(tǒng)隔離開，建立建筑物各樓層的地震反應譜，用這個反應譜進行附屬系統(tǒng)的抗震設計。9.1概述9.2非結構構件的抗震計算9.2.1等效側力法1.計算表達式對只在一個樓層有支點的附屬系統(tǒng)，稱為單支點系統(tǒng)，為簡化計算通過對大量建筑不同樓層上的不同周期的附屬系統(tǒng)反應的計算結果進行統(tǒng)計，直接給出附屬系統(tǒng)的地震作用簡化公式，即等效側力法。非結構構件的水平地震作用標準計算表達公式為(9-1)式中：F——沿最不利方向作用于附屬系統(tǒng)重心的水平地震力標準值；——附屬系統(tǒng)功能系數(shù)，反映附屬系統(tǒng)的重要性，與附屬系統(tǒng)性質(zhì)及建筑類別有

關，功能級別一、二、三級分別取1.4、1.0、0.6，建筑構件的功能級別可參照表9-1

有關系數(shù)取值，建筑設備的功能級別可參照表9-2有關系數(shù)取值；——附屬系統(tǒng)類別系數(shù)，反映附屬系統(tǒng)特性對地震反應的影響，建筑構件可參照

表9-1取值，建筑設備可參照表9-2取值；——附屬系統(tǒng)的連接狀態(tài)系數(shù)，反映地震時附屬系統(tǒng)反應放大的情況，彈性附屬

系統(tǒng)或與建筑物彈性連接(以下簡稱“彈性連接”)時取2，其他情況(即與建筑物剛

接的剛性附屬系統(tǒng)，以下簡稱“一般情況”)時取1；——樓層位置系數(shù)，地面為1，樓頂為2，沿高度線性分布；——多遇地震的地震影響系數(shù)最大值；

G——附屬系統(tǒng)重力。建筑構件功能級別，建筑物設防類別類別名稱甲類乙類丙類非承重外墻圍護墻一級一級一級0.9玻璃幕墻等一級一級一級0.9非承重內(nèi)墻樓梯間隔墻一級二級二級1.5電梯間隔墻天井隔墻到頂防火隔墻一級一級一級三級二級二級三級二級二級1.50.90.9其他隔墻二級三級三級0.6墻體連接件一級一級二級2.0連接飾面連接件二級二級三級2.0頂棚防火頂棚一級二級二級0.9非防火頂棚二級二級三級0.6表9-1建筑構件的功能級別和類別系數(shù)9.2非結構構件的抗震計算建筑構件功能級別，建筑物設防類別類別名稱甲類乙類丙類附屬構件女兒墻、小煙筒一級二級三級3.0標志牌、廣告牌一級二級二級3.0挑檐、雨棚二級二級三級2.5高于2.4m的儲物柜貨架、文件柜文物柜一級一級二級一級三級二級0.91.59.2非結構構件的抗抗震計算設備部件所屬系統(tǒng)功能級別，建筑物設防類別為：甲類乙類丙類應急電器系統(tǒng)煙火檢測和滅火系統(tǒng)保安監(jiān)視系統(tǒng)一級一級一級2.0排煙、排風口電器主管和主纜電機、變壓器、控制中心一級二級三級2.0電梯的支撐結構系統(tǒng)一級二級二級1.5懸掛式燈具一級二級三級1.5其他燈具一級二級三級0.7彈性支撐管網(wǎng)一級二級2.0剛性支撐管網(wǎng)二級三級0.7柜式設備支座一級二級三級1.5水箱、冷卻塔支座鍋爐、壓力容器支座一級二級二級二級三級二級1.51.0表9-2建筑設備的功能能級別和類別系系數(shù)9.2非結構構件的抗抗震計算應當指出，等效效側力法對附屬屬系統(tǒng)質(zhì)量與樓樓層質(zhì)量之比較較大時，算出的的結果趨于保守守。因此當與建建筑物剛接的剛剛性附屬系統(tǒng)的的重力超過所在在樓層的1%，或彈性的或彈彈性連接的附屬屬系統(tǒng)的重力超超過所在樓層的的10%時，不宜采用該該方法，而宜采采用樓反應譜程程序計算附屬系系統(tǒng)的地震作用用。9.2非結構構件的抗抗震計算2.實例分析一冷風機組型號號為39FD560，重量G=28.1kN，高1.625m，寬1.94m，長8.755m，屬柜式設備。。機組剛性安裝裝于建筑物半高高樓層，考慮剛剛性連接的情況況，丙類建筑，，烈度為8度。功能系數(shù)：按功功能級別三級，，取=0.6類別系數(shù)=1.5，連接狀態(tài)系數(shù)數(shù)=l，樓層位置系數(shù)數(shù)=1.5，地震影響系數(shù)數(shù)最大值=0.16，作用于附屬系系統(tǒng)重心的水平平地震作用標準準值F=0.6×1.5×l×1.5×0.16×28.1=6.07kN，驗算地腳螺栓栓強度：設重心心在樓面以上lm處，則水平地震震作用的力矩為為6.07×l=6.07kN·m，按平面尺寸的的短邊取兩排地地腳螺栓問的距距離1.94m，則每排地腳螺螺栓應能承受6.07/1.94=3.13kN的拉力。9.2非結構構件的抗抗震計算9.2.2樓面反應譜法1.計算表達式樓面反應譜是計計算非結構構件件和設備地震作作用的有效方法法。其中樓面反反應譜為對于應應于結構設計所所用地面反應譜譜，即反映支承承非結構構件的的結構自身動力力特性、非結構構構件所在的樓樓層位置，以及及結構和非結構構阻尼特性對地地面地震運動的的放大作用。當當采用樓面反應應譜發(fā)時，非結結構構件通常采采用單質(zhì)點模型型，其水平地震震作用標準值宜宜按下式公式計計算：式中：，，，，G——與等效側力法定定義相同；——非結構構件的樓樓面反應譜值，，取決于設防烈烈度、場地條件件、非結構構件件與主結結構體體系之間的周期期比、值量比和和阻尼，以及非非結構構件在結結構的支承位置置、數(shù)量和和連連接性質(zhì)。9.2非結構構件的抗抗震計算2.樓面反應譜樓面反應譜是安裝裝在某樓面上的、、具有不同自振周周期和阻尼的單自自由度系統(tǒng)對樓面面地震運動反應的的最大值的均值組組成的曲線。樓面面反應譜的發(fā)展經(jīng)經(jīng)歷了兩個階段。。第一代樓面反應應譜將不含附屬系系統(tǒng)的主系統(tǒng)的樓樓面反應作為輸入入，求具有不同自自振周期的單自由由度系統(tǒng)的反應譜譜，其優(yōu)點是解耦耦，避免了求解主主系統(tǒng)的運動方程程。這種樓面反應應譜僅對很輕的非非結構構件能給出出可靠的地震作用用。由于它不考慮慮附屬系統(tǒng)與主系系統(tǒng)間的相互作用用等4個影響因素，所得得到的樓面反應譜譜有較大的誤差，，在某些情況下誤誤差可達百分之幾幾百。9.2非結構構件的抗震震計算這4個影響因素如下。。(1)質(zhì)量比。當附屬系系統(tǒng)與主系統(tǒng)樓層層的質(zhì)量比大于0.001時，附屬系統(tǒng)對主主系統(tǒng)相應樓層的的反應有明顯影響響；否則可使用第第一代樓面反應面面譜。(2)諧振。當附屬系統(tǒng)統(tǒng)的自振周期與主主系統(tǒng)的自振周期期相等或接近時，，兩個系統(tǒng)將發(fā)生生強烈的相互作用用，出現(xiàn)“吸振器器效應”，此時附附屬系統(tǒng)出現(xiàn)強烈烈的振動；而主系系統(tǒng)的反應則大大大減弱，同時主系系統(tǒng)的自振周期將將發(fā)生漂移。(3)非經(jīng)典阻尼。當附附屬系統(tǒng)與主系統(tǒng)統(tǒng)樓層的阻尼特性性不一致時，聯(lián)合合系統(tǒng)具有非經(jīng)典典阻尼性質(zhì)。在諧諧振的情況下，其其影響不可忽視；；此時主坐標中的的阻尼矩陣不是對對角陣，形成主坐坐標中的阻尼耦聯(lián)聯(lián)運動方程，不能能用基于杜哈梅積積分的振型疊加法法求解。(4)多支座激勵。當附附屬系統(tǒng)在主系統(tǒng)統(tǒng)不同樓層有支點點時，不同支點間間的相互運動還會會引起附屬系統(tǒng)中中的附加內(nèi)力，即即“偽靜力效應””。為克服第一代樓面面反應譜的缺點，，第二代樓面反應應譜基于求解由主主系統(tǒng)和安裝在不不同樓層上的單自自由度附屬系統(tǒng)組組成的組合系統(tǒng)中中附屬系統(tǒng)的地震震反應，這樣就綜綜合考慮了上述4個因素的影響，從從而得到更可靠的的樓面反應譜。GB50011—2001《建筑抗震設計規(guī)范范》對樓面反應譜的構構成沒有提出具體體要求，但容許采采用專門方法，可可以采用第二代樓樓面反應譜計算程程序FSAP。9.2非結構構構件的抗抗震計算算研究樓面面反應譜譜的目的的是為附附屬系統(tǒng)統(tǒng)的抗震震設計。。有了樓樓面反應應譜，只只要知道道附屬系系統(tǒng)本身身的特性性(自振周期期、質(zhì)量量和阻尼尼)就可查出出其地震震作用，，而不需需要分析析主系統(tǒng)統(tǒng)。但建建立樓面面反應譜譜時需要要知道主主系統(tǒng)的的自振特特性(自振周期期、振型型)，這些特特性當建建筑物抗抗震設計計完成后后都是已已知的。。應當說說明，這這里所說說的設備備抗震設設計僅限限于驗算算設備的的支架、、連接件件或錨固固件的抗抗震能力力，不包包括設備備自身的的抗震能能力。這這里所說說的設備備自振周周期是指指設備和和支架、、連接件件或錨固固件組成成的子系系統(tǒng)的自自振周期期。對于于與樓層層剛接的的設備，，則是指指設備自自身的自自振周期期。非結構構構件地震震作用效效應一般般應與自自身重力力產(chǎn)生的的效應、、支座相相對位移移產(chǎn)生的的效應或或其他效效應進行行基本組組合。其其中幕墻墻應考慮慮地震作作用效應應與風荷荷載效應應的組合合，而容容器類尚尚應計及及設備運運轉時的的溫度、、工作壓壓力等產(chǎn)產(chǎn)生的效效應。非結構構構件的抗抗震驗算算應按各各類結構構構件的的規(guī)定進進行，但但摩擦力力不得作作為抵抗抗地震作作用的抗抗力，承承載力抗抗震調(diào)整整系數(shù)，，連接件件可采用用1.0，其余可可按有關關標準的的規(guī)定進進行。9.2非結構構構件的抗抗震計算算9.3非結構構構件的基基本抗震震措施9.3.1建筑非結結構構件件的基本本抗震措措施建筑非結結構構件件的抗震震措施包包括其的的布置、、造型和和構造要要求等，，具體內(nèi)內(nèi)容如下下。1.結構體系系相關部部位的要要求設置連接接建筑構構件的預預埋件、、錨固件件的部位位，應采采取加強強措施，，以承受受建筑構構件傳給給結構體體系的地地震作用用。2.非承重墻墻體的材材料、選選型和布布置要求求應根據(jù)設設防烈度度、房屋屋高度、、建筑體體型、結結構層間間變形、、墻體抗抗側力性性能的利利用等因因素，經(jīng)經(jīng)綜合分分析后確確定。應應優(yōu)先采采用輕質(zhì)質(zhì)墻體材材料，采采用剛性性非承重重墻體時時，其布布置應避避免使結結構形成成剛度和和強度分分布上的的突變。。樓梯間間和公共共建筑的的人流通通道，其其墻體的的飾面材材料要有有限制，，避免地地震時塌塌落堵塞塞通道。。天然的的或人造造的石料料和石板板，僅當當嵌砌于于墻體或或鋼錨件件固定于于墻體，，才可作作為外墻墻體的飾飾面。3.墻體結構構體系的的拉結要要求墻體應與與結構體體系有可可靠的拉拉結，應應能適應應不同方方式的層層間位移移；8度、9度時結構構體系有有較大的的變形，，墻體的的拉結應應具有可可適應層層間變位位的變形形能力或或適應結結構構件件轉動變變形的能能力。4.砌體墻的的構造措措施砌體墻主主要包括括砌體結結構中的的后砌隔隔墻、框框架結構構中的砌砌體填充充墻、單單層鋼筋筋混凝土土柱廠房房的砌體體圍護和和隔墻、、多層鋼鋼結構房房屋的砌砌體隔墻墻、砌體體女兒墻墻等，應應采取措措施(如柔性連連接等)減少對結結構體系系的不利利影響，，并按要要求設置置拉結筋筋、水平平系梁、、圈梁、、構造柱柱等加強強自身的的穩(wěn)定性性和與結結構體系系的可靠靠拉結。。有關的的具體要要求詳見見GB50011—2001《建筑抗震震設計規(guī)規(guī)范》的相應規(guī)規(guī)定。5.頂棚和雨雨篷的構構造措施施各類頂棚棚、雨篷篷與主體體結構的的連接件件，應有有滿足要要求的連連接承載載力，足足以承擔擔非結構構自身重重力和附附加地震震作用。。6.幕墻的構構造措施施玻璃幕墻墻、預制制墻板等等的抗震震構造，，應符合合專門的的規(guī)定。。9.3非結構構構件的基基本抗震震措施9.3.2建筑附屬屬機電設設備支架架的基本本抗震措措施機電設備備和設施施的抗震震措施，，應根據(jù)據(jù)抗震設設防烈度度、建筑筑使用功功能、房房屋的高高度、結結構類型型和變形形特征、、附屬設設備所處處的位置置和運轉轉要求等等，經(jīng)綜綜合分析析后確定定?；颈疽笕缛缦隆?.小型沒備備無抗震震設防要要求下列附屬屬機電設設備的支支架可無無抗震設設防要求求。(1)重力不超過1.5kN的設備；(2)內(nèi)徑小于25mm的煤氣管道和內(nèi)內(nèi)徑小于60mm的電氣配管。(3)矩形截面面積小小于0.38m2圓形直徑小于0.70m的風管。(4)吊桿計算長度不不超過300mm的吊桿懸掛管道道。9.3非結構構件的基基本抗震措施2.建筑附屬設備的的布置不應設置在可能能導致使用功能能發(fā)生障礙等二二次災害的部位位；對于有隔振振裝置的設備，，應注意強烈振振動對連接件的的影響，并防止止設備和建筑結結構發(fā)生共振現(xiàn)現(xiàn)象。對丙類建建筑，應使建