2010 新规范的计算问题及处理办法吴文勇焦柯

2010新规范的 计算问题及处理办法吴文勇焦柯广东省建筑设计研究院深圳市广厦软件有限公司 2010年9月

广东省建筑设计研究院作为《抗规》和《高规》的参编单位，05年来积极参与了新规范的编制工作。特别是一年来，对新规范的可操作性做了大量的工作，并对新规范应用过程中可能遇到的问题及其处理办法做了详细的总结。广东省建筑设计研究院作为《抗规》和《高规》的参编单位，05年来积极参与了新规范的编制工作。特别是一年来，对新规范的可操作性做了大量的工作，并对新规范应用过程中可能遇到的问题及其处理办法做了详细的总结。 1)规范的情况：今天讲座内容涉及《建筑抗震设计规范》、《混凝土结构设计规范》和《高层建筑混凝土结构技术规程》 3本新规范。其中《抗规》为正式稿(目前书店已有购买)，《混规》和《高规》为报批稿(正式稿目前正在印刷)。新旧规范计算不同的108项内容2/3来自《抗规》，另外1/3来自《高规》和《混规》。《抗规》将在12月执行，旧的规范将废止。 10月27日建设部举行了新抗规的全国贯宣会议，田司长明确了： 1)12月1日正式执行新抗规，没有过渡期； 2)以设计合同签订日为准，12月1日以后的设计合同按新抗规计。

2)广厦的情况： 作为国内两大结构CAD之一的广厦结构CAD,15.0新规范版已通过内部4轮测试和用户测试，8月15日开始在网上发布了用户正式版和非用户学习版。 15.0针对新旧规范的不同，修改了108项内容,做了大量测试，一如继往地同前14个版本一样能够保持高度的稳定性，用户正式版和非用户学习版可用于实际工程设计。今天上午的讲座与其它培训的区别是：不再讲规范为何修改,而是关注如何执行，详细介绍对执行中所遇到问题的思考。希望通过今天的讲座，帮助大家完成旧规范计算到新规范计算的转换。

讲座包括7方面的主要内容:一、第1次以规范的形式确定基于性能的抗震设计方法;(基于性能的设计是设计的最高原则,设计和规范将围绕性能要求进行,规范具有了更高的理论高度)二、新规范如何真正实现强柱弱梁？(梁柱承载力差要达到1.4倍才能实现90%工程的强柱弱梁,但不能把柱内力提高1.4倍,否则钢筋将增加60%,这是开发商受不了的,本次规范如何实现这1.4倍)三、取消楼面无限刚假定(全弹性是抗震计算基本假定);(随着建筑方案越来越复杂,有一半的结构方案局部或整体不满足无限刚假定,抗规声明了以前高规的误解,要按实际模型计算各项送审指标)四、如何进行楼梯构件的抗震承载力验算？(楼梯不能先于整个结构破坏,楼梯构件不是次要构件,10抗规第一次以规范的形式明确除墙柱梁外,楼梯构件是第4类抗震构件)五、新规范设计中一些概念的变化; 六、新规范新增的计算内容; 七、新旧规范设计含钢量的变化。(有些地方钢筋增加了40%,如何向开发商解释)

在讲主要内容前,提醒审图特别要注意如下8点: 1.给定水平力下的位移比控制； 2.给定水平力下的框剪调整系数； 3.给定水平力下的墙柱倾覆力矩; 4.柱墙组合弯矩和剪力调整有较大增大； 5.三级抗震墙轴压比和约束边缘构件的新要求; 6.增加了三级抗震柱节点核心区的验算; 7.框架结构楼梯的抗震计算; 8.钢构件按抗震等级进行截面计算。

一、第1次以规范的形式确定基于性能的抗震设计方法一、第1次以规范的形式确定基于性能的抗震设计方法 1.基于性能设计的国内外应用现状； 2.《抗规》如何规定抗震性能目标? 3.介绍性能设计的计算方法； 4.工程实例中进行不同性能目标的计算对比。

1.基于性能设计的国内外应用现状 • 美国加州结构工程师协会（SEAOC） 1995年提出; • 一直受到美国、日本、欧洲、新西兰、中国等国重视; • 已经被美国和日本以规范的形式确认; • 正被我国以规范的形式确认。

2.抗震性能目标 1）旧规范的“小震不坏，中震可修、大震不倒”也是一种性能目标，新规范更加完善、系统、定量和可操作性； 2）[新抗附录M]提出了A-D 4个性能目标等级、3个地震水准、7个性能水准（7种计算方法或7个计算过程）。

罕遇地震、性能1、方法3目标最高 图示：1-4个性能目标等级、3地震水准、7个性能水准(计算方法) 7性能水准 7 6 5 5 4 1 3 3 1 性能目标增高 2 1 性能4 1 性能3 结构性能增加罕遇性能2 设防性能1 多遇地震作用增加

7性能水准(计算方法)结构预期的震后性能状况 1)详细定义了每种计算对应的宏观损坏程度、内力组合和材料强度的取值; 2)如第3水准:不计设计内力调整和风荷载效应，取设计内力和设计材料强度。

3.性能设计的计算方法 计算目标有两个：基于荷载和基于位移。 1)4种基于性能的抗震设计方法 a、振型分解方法7水准弹性分析和设计(GSSAP): i、弹性反应谱分析 ii、弹性动力时程分析 iii、竖向地震计算 b、静力弹塑性分析（PUSHOVER）和能力谱方法 (GSNAP);（方法简单，位移荷载曲线这目标可控，所有设计单位可做到静力弹塑性） c、动力弹塑性分析(GSNAP); （计算不成熟，对错难以判定，大型设计单位的电算部门可做到动力弹塑性） d、结构弹性、弹塑性的静力、动力抗震试验。(节点算不清，做实验为主)

常规设计选择： 多遇和性能1 2)通用计算GSSAP 如何实现7水准弹性计算？地震信息中增加两参数：地震水准和性能要求，实现《抗规》附录M的性能计算。

对应宏观损坏形成承载力阶梯，有3种内力选择(由大到小) ： a、调整后的设计内力 b、未调整的设计内力 c、标准内力。材料强度的选择(由小到大)有：设计强度、标准强度和极限强度。

平时计算常碰到的情况 [新抗5.5.2]应进行弹塑性变形验算的结构： 3)弹塑性计算GSNAP的静力弹塑性分析（PUSHOVER）和能力谱方法实现第二阶段弹塑性变形验算 a)8度Ⅲ、Ⅳ类场地和9度时高大的单层钢筋混凝土柱厂房的横向排架; b)7-9度时楼层屈服强度系数小于0.5 的钢筋混凝土框架结构; c)高度大于150m 的结构(此条为新增内容); d)甲类建筑和9度时乙类建筑中的钢筋混凝土结构和钢结构; e)采用隔震和消能减震设计的结构。

弹塑性计算GSNAP的静力弹塑性分析（PUSHOVER）和能力谱方法弹塑性计算GSNAP的静力弹塑性分析（PUSHOVER）和能力谱方法 • 单元模型：高规中可采用塑性铰模型和纤维束弹塑性壳模型 • 塑性铰模型:使用复杂,没有很好的延性 • 主流发展是: • a)梁、杆、柱、撑采用纤维束模型; • b)剪力墙、楼板采用弹塑性壳单元。 • 使用简单,有很好的延性 • 接力GSSAP自动读取钢筋，考虑全弹塑性模型。

UN F 顶点推覆曲线 Vb UN Vb 1)对水平力《高规》要求采用：地震剪力换算的水平力； 2)得到弹塑性下的顶点位移荷载曲线； 3)根据位移荷载曲线转换为加速度-位移曲线（能力谱）

需求谱 1)将反应谱的加速度-周期曲线转换为加速度-位移曲线； 2)实际我们习惯看反应谱的加速度-周期曲线； 3)所以位移荷载曲线进一步转换为加速度-周期曲线，进行如下抗倒塌验算。

影响系数 层间位移角周期-最大位移角曲线周期-影响系数曲线需求谱曲线周期-加速度曲线能力曲线 1/105 T 等效单自由度体系验算曲线

结构抗倒塌验算 a)需求谱曲线（周期-影响系数曲线）——结构在静力推覆分析过程中，随着结构的破坏、结构阻尼的增加、结构自振周期的变化，反映出结构在设计烈度大震下的弹塑性最大水平地震影响系数曲线。该曲线综合反映了结构弹塑性变形过程中地震作用变化的情况。（弹塑性有效阻尼对应的需求谱） b)能力曲线（周期-加速度曲线）——基于等效单质点体系综合统计出的结构周期加速度曲线。随着结构进入弹塑性状态，结构的自振周期、顶点加速度反应也发生变化，当该曲线穿过需求普曲线时，说明结构能够抵抗设计烈度的大震，否则就认为不能抵抗设计烈度的大震情况。越早穿过需求普曲线，说明结构抵抗大震的能力越强，当曲线趋于水平时，说明结构接近破坏、倒塌；

c)周期-最大层间位移角曲线——基于等效单质点体系综合统计出的结构周期顶点位移曲线。随着结构进入弹塑性状态，结构的自振周期、顶点位移反应也发生变化，竖向连接需求谱与能力谱曲线的交点，则该点的层间位移值可以理解为抵抗设计烈度大震时的结构弹塑性层间位移，也可以把该点的层间位移角与规范限值比较，比规范小则满足设计要求，反之则认为不满足设计要求。

4)不同性能目标的计算对比 a)性能水平1-4的计算算例：20层框剪结构，设防烈度8度，抗震等级3级

层2柱21各性能目标下最大轴力、配筋和轴压比比较层2柱21各性能目标下最大轴力、配筋和轴压比比较表中可见，该柱按照规范多遇地震设计的配筋（1703）满足中震性能4（1465）要求，但不满足大震性能4（2690）要求。

b)静力推覆算例：框架结构实际工程 • 材料参数：梁、柱主筋采用300Mpa，梁、柱箍筋和板钢筋采用210Mpa，钢筋蜕化系数0.015；梁板混凝土强度等级为C25，柱混凝土强度等级为C30。 • 模型参数：柱有两种截面400*600(mm)和600*500(mm)，梁的截面为200*600(mm)，层高3米，总层数为11层，柱底嵌固。梁、柱单元剖分尺寸小于2米。 y x 计算模型

Pushover分析 • 荷载定义：沿X向作用倒三角形水平荷载；荷载—柱顶位移曲线层间位移角 1、5个计算软件比较:荷载—顶层位移和最大层间位移角； 2、纤维束模型的结构极限承载力明显比塑性铰模型要大，原因在于塑性铰模型在C点会马上失去承载力，而纤维束模型由于钢筋的延性不会突然失去承载力；

得到弹塑性位移角 性能设计并不复杂,每个工程师都可完成

二、新规范如何真正实现强柱弱梁？ • 提高框架结构柱的设计内力调整； • 考虑压筋对梁抗弯承载力的贡献； • 考虑板对梁承载力计算的贡献； • 新的梁挠度和裂缝计算。

1)分为框架和非框架调整; 2)框架增大了20-25%; 3)其它增加了四级调整。 1、提高框架结构柱的设计内力调整 [旧抗6.2.2]柱端弯矩增大系数，一级取1.4，二级取1.2，三级取1.1。 [新抗6.2.2]框架柱端弯矩增大系数；对框架结构，一级取1.7，二级取1.5，三级取1.3，四级取1.2；其他结构类型中的框架，一级取1.4，二级取1.2，三、四级取1.1。

新旧规范框架结构柱的设计内力调整对比：（增大系数的推导过程）新旧规范框架结构柱的设计内力调整对比：（增大系数的推导过程）

实际工程看内力和钢筋增大多少：7层框架结构，设防烈度7度，抗震等级2级实际工程看内力和钢筋增大多少：7层框架结构，设防烈度7度，抗震等级2级

1)算例中弯矩增大了25%（1.5/1.2=1.25）,配筋增大了38%；1)算例中弯矩增大了25%（1.5/1.2=1.25）,配筋增大了38%； 2)结论：一般工程中弯矩增大20%左右，配筋增大30%。

2、考虑梁压筋对梁抗弯承载力的贡献 [新混6.2.10 ]梁受弯承载力计算包含压筋项，可以考虑压筋的贡献。如何考虑？ 1)实配压筋一般情况下并未达到承载力极限，采用f’yAs不成立； 2)不考虑受压筋计算的受拉筋配筋率>2%，压筋达到承载力极限； 3)在0%-2%之间按线性插值考虑受压筋比例； 4)按构造要求设定受压和受拉钢筋比例。

实际工程算例：梁截面200X500mm，C20混凝土,三级抗震等级实际工程算例：梁截面200X500mm，C20混凝土,三级抗震等级结论： 1)配筋一般减少比例10%-20%左右； 2)随配筋率增加，减少比例增加； 3)计算时考虑的压筋承载力仍偏小，梁计算拉筋还是偏于保守。

3、考虑板对梁承载力计算的贡献 [新混5.2.4 ] 对现浇楼板和装配整体式结构，宜考虑楼板作为翼缘对梁刚度和承载力的影响。如何考虑？ 1)梁配筋计算可考虑每侧3倍板厚的影响； 2)当板为梁的上翼缘时，对于负弯矩(支座)，按板构造钢筋面积考虑对梁的影响，对于正弯矩(跨中) ，按板混凝土受压考虑对梁的影响；

1)考虑上下翼缘的不同影响； 2)考虑两侧相邻板不同标高的影响。 3)当板为梁的下翼缘时，对于负弯矩，按板混凝土受压考虑对梁的影响，对于正弯矩，按板构造钢筋面积考虑对梁的影响。

在总信息中可选择：梁配筋计算考虑板的影响，在总信息中可选择：梁配筋计算考虑板的影响，建议考虑。

实际工程：梁截面200X500mm，C20混凝土，板厚100mm，梁板顶面平齐。实际工程：梁截面200X500mm，C20混凝土，板厚100mm，梁板顶面平齐。结论： 1)配筋一般减少比例10%左右； 2)当板的面外刚度参与空间分析时，计算时板已承担了部分内力，自动不考虑；当梁侧两边的板采用刚性板或膜元时，才能考虑板对梁承载力的贡献。

4、新的梁挠度和裂缝计算 旧规范梁计算挠度和裂缝偏大，人为增加了梁钢筋。 1) 梁裂缝计算 [旧混7.1.2]钢筋混凝土构件受力特征系数为2.1。 [新混7.1.2]钢筋混凝土构件受力特征系数为1.9。 2) 梁挠度计算:短期刚度计算公式中增加了板受压翼缘项。 [旧混7.2.2] [新混7.2.2] γ’f ——受压翼缘截面面积与腹板有效截面面积的比值；

梁截面200X500mm，C20混凝土，板厚100mm，梁板顶平齐。梁截面200X500mm，C20混凝土，板厚100mm，梁板顶平齐。结论： 1)计算裂缝减少10%，挠度减少20%左右； 2)梁板标高将影响梁挠度计算。

三、取消楼面无限刚假定，规范明确：全弹性是抗震计算基本假定三、取消楼面无限刚假定，规范明确：全弹性是抗震计算基本假定 1、无限刚假定在如下9类结构中存在的问题 1)无板结构 2)弱连接结构 3)开大洞结构 4)狭长结构 5)连体结构 6)错层结构 7)有缝结构 8)多塔结构 9)斜柱斜梁结构

走廊弱连接 宿舍狭长高层住宅核心筒部分弱连接

开大洞 双塔裙房连接部位影响两塔振动周期

连体狭长弱连接有缝

Z4 2、位移控制采用实际模型 [新抗3.4.3] 条文说明：2001版说明中提到的刚性楼盖，并不是刚度无限大。计算扭转位移时，楼盖刚度可按实际情况确定而不限于刚度无限大假定。如两端墙、中间框架的结构: 1)无限刚位移比1.0; 2)弹性位移比1.48; 3)两端位移小中间大, Z4处为最大位移; 4)无限刚和弹性差别较大。

新的疑问：局部非主体结构位移大如何处理？ [新抗5.5.1]条文说明：在多遇地震作用下，建筑主体结构不受损坏，在罕遇地震作用下，建筑主体结构遭受破坏或严重破坏但不倒塌。采用主体结构的层间位移控制，可排除非主体结构的层间位移。平面内塔块定义排除非主体结构。

3、给定水平力下的位移比计算 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可能偏小，不能真实地反映结构的扭转不规则。理论上不严密，不同组合位移之间的运算是无物理意义的。如10层框剪结构： CQC位移比1.46 给定水平力下的位移比1.64

采用给定水平力下的位移比计算 [新抗3.4.3] 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。如何换算给定水平力? [新高3.4.5 ]条文说明：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。

周期和地震作用文本计算书中输出： 4.地震反应谱分析结果 0.0度方向............................................................. 层号塔号地震力(kN) 地震剪力(kN) 倾覆弯矩(kN.m) 地震剪力换算的水平力(kN) 1 1 4.60 188.81 3830.15 2.68 2 1 12.83 186.13 3299.88 7.65 3 1 21.09 178.48 2786.63 12.26 4 1 27.04 166.21 2300.07 14.83 5 1 29.54 151.38 1846.18 15.26 6 1 28.68 136.12 1425.84 15.29 7 1 26.45 120.83 1037.89 17.51 8 1 27.17 103.31 684.83 23.59 9 1 33.98 79.73 377.98 33.26 10 1 46.46 46.46 139.38 46.46

结构位移文本计算书中增加如下输出： 3.给定CQC地震剪力换算的水平力并考虑偶然偏心下的位移比工况 3 -- -ex地震方向0度层号塔号构件编号水平最大位移层平均位移层位移比层高(mm) 有害位移构件编号最大层间位移平均层间位移层间位移比层间位移角比例(%) 1 1 柱 1 0.78 0.78 1.00 3000 柱 1 0.78 0.78 1.00 1/3832 100.00 2 1 柱 1 2.18 1.22 1.79 3000 柱 1 1.40 1.40 1.00 1/2146 44.49 3 1 柱 1 3.84 2.33 1.64 3000 柱 1 1.66 1.11 1.49 1/1810 33.90 4 1 柱 1 5.62 3.63 1.55 3000 柱 1 1.78 1.30 1.37 1/1681 28.30 5 1 柱 1 7.46 5.05 1.48 3000 柱 1 1.84 1.42 1.30 1/1631 24.51 …… 8 1 柱 1 12.88 9.53 1.35 3000 柱 1 1.75 1.50 1.17 1/1712 16.81 9 1 柱 1 14.52 10.99 1.32 3000 柱 1 1.63 1.46 1.12 1/1835 14.76 10 1 柱 1 15.99 12.39 1.29 3000 柱 1 1.47 1.40 1.05 1/2035 11.92 ---------------------------------------------------------------------------------- 最大层间位移角= 1/1622(及其层号=6)

4、分块分塔分部位结构的计算(薄弱层扩展到薄弱部位的概念)4、分块分塔分部位结构的计算(薄弱层扩展到薄弱部位的概念) [新抗3.4.4] 平面不对称且凹凸不规则或局部不连续，可根据实际情况分块计算扭转位移比，对扭转较大的部位应采用局部的内力增大系数。有连接结构：弱连接、连体、凹凸结构,如下分两塔,分别输出位移比。

1)首先应整体计算，分块输出位移比; 2)其次切成3块单独计算，位移比偏大10% 。

2010 新规范的计算问题及处理办法吴文勇焦柯