1、- 1 -專題三專題三 結構薄弱層的概念和控制結構薄弱層的概念和控制在 02 版“抗規” 關于結構沿豎向規則性要求中，對側向剛度不規則定義一種薄弱層的概念；在 89 版“抗規” 中，原先就有的彈塑性薄弱層的概念。這兩種薄弱層概念一并在此說明，解釋在計算機軟件中怎樣實現的，要注意些什么問題。1 結構層剛度沿豎向突變產生的薄弱層1.1 規范條文高規的 4.4.2、5.1.14 條規定，抗震設計的高層建筑結構，其樓層側向剛度小于其上一層的 70%或小于其上相臨三層側向剛度平均值的 80%，或某樓層豎向抗側力構件不連續，其薄弱層對應于地震作用標準值的地震剪力應乘以 1.15 的增大系數。另外高規附錄

2、E.0.2 條規定，當底部帶轉換層高層建筑結構的轉換層設置在 3 層及 3層以上時，其樓層側向剛度尚不應小于相鄰上部樓層側向剛度的 60%?？拐鹨幏陡戒?E2.1規定，筒體結構轉換層上下層的側向剛度比不宜大于 2。1.2 軟件實現規范對結構的層剛度有明確的要求，在判斷樓層是否為薄弱層時，抗震規范和高規建議的計算層剛度的下列方法（地下室是否能作為嵌固端、轉換層剛度是否滿足要求等，都要求有層剛度作為依據）：方法 1：高規附錄 E.0.1 建議的方法剪切剛度：Ki = Gi Ai / hi方法 2：高規附錄 E.0.2 建議的方法剪彎剛度：Ki = Vi / i方法 3：抗震規范的 3.4.2 和

3、3.4.3 條文說明及高規建議的方法地震剪力與地震層間位移的比：Ki = Vi / i軟件已全部實現。程序提供三種方法的選擇項，用戶可以選用其中之一。程序隱含的方法是第 3 種，即地震作用下層剪力與層間位移之比。- 2 -對于薄弱層：對于薄弱層：（1）程序將該層地震作用標準值的地震剪力乘以 1.15 的增大系數；（2）程序設有指定薄弱層項。用戶可手工指定薄弱層；（3）這三種計算方法有差異是正常的，可以根據需要選擇；（4）對于大多數一般的結構應選擇第第 3 種層剛度算法；（5）對于多層結構可以選擇第 1 種層剛度算法；（6）對于有斜支撐的鋼結構可以選擇第 2 種層剛度算法。選擇第 3 種方法計算

4、層剛度和剛度比控制時，一般要采用“剛性樓板假定”的條件。對于有彈性板或板厚為零的工程，應計算兩次。在剛性樓板假定條件下計算層剛度并找出薄弱層。再在真實條件下計算，并且檢查原找出的薄弱層是否得到確認，完成其它計算。轉換層是樓層豎向抗側力構件不連續的薄弱層。不管該層程序判斷是否滿足剛度比要求，用戶都應將該層手工置為“薄弱層” 。第 3 種方法適用于所有結構類型計算剛度比及薄弱層，且比其它二種方法更易通過剛度比驗算。1.3 操作方法分為層剛度比計算方法的設定和指定薄弱層的操作。SATWE層剛度比計算方法的設定層剛度比計算方法的設定進入菜單2.結構分析和構件內力計算SATWE 計算控制參數在層剛度比計

5、算框中的三個任選項剪切剛度 、 剪彎剛度或地震剪力與地震層間位移的比內選一打 ，則可。指定薄弱層，此時程序自動判定的薄弱層仍舊調整指定薄弱層，此時程序自動判定的薄弱層仍舊調整進入菜單1.接 PM 生成 SATWE 數據1.分析與設計參數補充定義調整信息在指定的薄弱層個數項內填入要用戶設定薄弱層的總層數，再在各薄弱層層號項內填入薄弱層的結構層號。TAT層剛度比計算方法的設定層剛度比計算方法的設定進入菜單3.結構內力，配筋計算計算選擇在層剛度計算選擇框中的三個任選項剪切層剛度 、 剪彎層剛度或平均剪力/平均層間位移內選一打 ，則可。指定薄弱層，此時程序自動判定的薄弱層仍舊放大指定薄弱層，此時程序自

6、動判定的薄弱層仍舊放大 1.15進入菜單2.數據檢查和圖形檢查3.參數修正調整信息在考慮附加薄弱層地震剪力的人工調整項內打 ，此時彈出折減系數菜單。在指定薄弱層的層號行中填入 X 方向、Y 方向的薄弱層放大系數值。注意：程序按填入的放大系數調整，不一定是 1.15。PMSAP層剛度比計算方法的設定層剛度比計算方法的設定進入菜單3.參數補充與修改設計信息 。在樓層剛度比計算框中的三個任選項剪切剛度算法 、 剪彎剛度算法或- 3 -地震層間剪力比地震層間位移算法內選一。指定薄弱層，此時程序自動判定的薄弱層仍舊調整指定薄弱層，此時程序自動判定的薄弱層仍舊調整進入菜單3.參數補充與修改計算調整信息在指

7、定的薄弱層個數項中填入要用戶設定薄弱層的總層數，再在指定的各薄弱層層號項內填入薄弱層的結構層號。1.4 關聯操作剛性樓板假定：設定第三種層剛度比計算方法（地震剪力與地震層間位移的比）時，一般應該有剛性樓板假定。地下室：層剛度比計算用于地下室是否能作為嵌固端的判定條件。但注意，用第三種層剛度比計算方法（地震剪力與地震層間位移的比）計算層剛度比時，已經考慮了地下室的基礎回填土的約束剛度，所以是不符合規范規定的。此時用戶可以如下操作：（1）將地下室信息中回填土對地下室的約束相對剛度比填為 0，先算一遍，判定地下室是否可作為嵌固端。（2）用第一種層剛度比計算方法（剪切剛度比）先算一遍，判定地下室是否可

8、作為嵌固端。轉換層上、下剛度突變的控制：選取那種層剛度計算方法要按高規規定方法進行。1.5 結果說明程序逐層輸出每一層層剛度比和薄弱層地震剪力放大系數。SATWE層剛度比和薄弱層地震剪力放大系數的結果可在 WMASS.OUT 中查看。如以下所示：各層剛心、偏心率、相鄰層側移剛度比等計算信息Ratx，Raty：X、Y 方向本層塔側移剛度與下一層相應塔側移剛度的比值Ratx1，Raty1：X、Y 方向本層塔側移剛度與上一層相應塔側移剛度 70%的比值 或上三層平均側移剛度 80%的比值中之較小者RJX，RJY，RJZ：結構總體坐標系中塔的側移剛度和扭轉剛度=Floor No：1，Tower No.

9、：1Xstif= 45.7917(m)，Ystif= -11.6787(m)，Alf = 0.0000(Degree)Xmass= 50.9751(m)，Ymass= -13.9529(m)，Gmass= 1022.9373(t)Eex = 0.4070，Eey = 0.1706Ratx = 1.0000，Raty = 1.0000Ratx1= 2.1582，Raty1= 2.3140，薄弱層地震剪力放大系數= 1.00RJX = 4.7175E+06(kN/m)，RJY = 4.7783E+06(kN/m)，RJZ = 0.0000E+00(kN/m)TAT層剛度比和薄弱層地震剪力放大系數的

10、結果可在 TAT-M.OUT 中查看。如以下所示： - | 各層附加薄弱層地震剪力的人工調整系數 | - 層號：Nfloor = 4 調整系數：X 向 WakeX = 1.00 Y 向 WakeY = 1.00- 4 - 層號：Nfloor = 3 調整系數：X 向 WakeX = 1.00 Y 向 WakeY = 1.00 層號：Nfloor = 2 調整系數：X 向 WakeX = 1.15 Y 向 WakeY = 1.15 層號：Nfloor = 1 調整系數：X 向 WakeX = 1.00 Y 向 WakeY = 1.00* 第四部分 各層層剛度、剛度中心、剛度比 * 各層(地震平均

11、剪力/平均層間位移)剛度、剛度比等，其中： Ratio_d1：表示本層與下一層的層剛度之比 Ratio_u1：表示本層與上一層的層剛度之比 Ratio_u3：表示本層與上三層的平均層剛度之比-層號 塔號 X 向層剛度 Y 向層剛度 剛心坐標：X、Y X 向偏心率 Y 向偏心率- 4 1 0.1361E+07 0.1636E+07 51.92 -14.33 0.02 0.11 3 1 0.9378E+06 0.9106E+06 53.00 -13.21 0.05 0.28 2 1 0.1812E+07 0.1663E+07 46.97 -13.43 0.33 0.02 1 1 0.2843E+0

12、7 0.2570E+07 47.19 -13.69 0.28 0.00-層號 塔號 Ratio_d1：X、Y Ratio_u1：X、Y Ratio_u3：X、Y 薄弱層放大系數：X、Y- 4 1 1.45 1.80 1.26 1.32 1.39 1.49 1.00 1.00 3 1 0.52 0.55 0.69 0.56 0.82 0.69 1.15 1.15 2 1 0.64 0.65 1.93 1.83 1.61 1.32 1.15 1.15 1 1 1.00 1.00 1.57 1.55 2.07 1.83 1.00 1.00PMSAP層剛度比和薄弱層地震剪力放大系數的結果可在工程名_T

13、B.RPT（簡單摘要）文件中查看。如以下所示：7. 樓層剛度比X 剛度比：本層 X 剛度比下層 X 剛度Y 剛度比：本層 Y 剛度比下層 Y 剛度X 剛度比 1：本層 X 剛度比上層 X 剛度的 70%和上三層 X 剛度平均值的 80%中的大者Y 剛度比 1：本層 Y 剛度比上層 Y 剛度的 70%和上三層 Y 剛度平均值的 80%中的大者采用的樓層剛度比算法:剪彎剛度算法X 剛度比 Y 剛度比 X 剛度比 1 Y 剛度比 1 薄弱層調整系數樓層：1 剛度比： 1.00 1.00 0.03 0.04 1.15樓層：2 剛度比： 1.87 1.59 1.43 1.41 1.00樓層：3 剛度比：

14、 1.00 1.01 9.53 5.37 1.00樓層：4 剛度比： 0.15 0.25 1.58 1.39 1.00- 5 -2 結構樓層受剪承載力沿豎向突變產生的薄弱層2.1 規范條文高規的 4.4.3、5.1.14 條規定，A 級高度高層建筑的樓層層間抗側力結構的受剪承載力不宜小于其上一層受剪承載力的 80%，不應小于其上一層受剪承載力的 65%；B 級高度高層建筑的樓層層間抗側力結構的受剪承載力不應小于其上一層受剪承載力的 75%。抗震設計的高層建筑結構，結構樓層層間抗側力結構的承載力小于其上一層的 80%，其薄弱層對應于地震作用標準值的地震剪力應乘以 1.15 的增大系數。2.2 軟

15、件實現程序無自動進行樓層層間受剪承載力不滿足的判斷的功能。用戶在確定某層抗側力結構的受剪承載力小于其上一層的 80%時，應將該層手工設置為薄弱層。2.3 操作方法用戶可做指定薄弱層的操作。SATWE指定薄弱層，此時程序自動判定的薄弱層仍舊調整指定薄弱層，此時程序自動判定的薄弱層仍舊調整進入菜單1.接 PM 生成 SATWE 數據1.分析與設計參數補充定義調整信息 。在指定的薄弱層個數項內填入要手工設定薄弱層的總層數，再在各薄弱層層號項內填入相當的薄弱層所在結構的層號。TAT指定薄弱層，此時程序自動判定的薄弱層仍舊放大指定薄弱層，此時程序自動判定的薄弱層仍舊放大 1.15進入菜單2.數據檢查和圖

16、形檢查3.參數修正調整信息 。在考慮附加薄弱層地震剪力的人工調整項內打 ，此時彈出折減系數菜單。在指定薄弱層的層號行中填入 X 方向、Y 方向的薄弱層放大系數值。注意：程序按填入的放大系數調整，不一定是 1.15。PMSAP指定薄弱層，此時程序自動判定的薄弱層仍舊調整指定薄弱層，此時程序自動判定的薄弱層仍舊調整進入菜單3.參數補充與修改計算調整信息在指定的薄弱層個數項中填入要用戶設定薄弱層的總層數，再在指定的各薄弱層層號項內填入薄弱層的結構層號。關聯操作見薄弱層（剛度比） ：參見剛度比的薄弱層相關內容。2.4 結果說明程序逐層輸出每一層薄弱層（包括用戶指定）地震剪力放大系數。詳見薄弱層（剛度比

17、）的結果說明。- 6 -3 結構彈塑性變形驗算我國的抗震設計的基本思想，是“三水準設防和兩階段設計” ；三水準設防是“小震不壞，中震可修，大震不倒” ；兩階段設計是第一階段，小震下彈性設計，即多遇地震下結構和構件承載力驗算和結構彈性變形驗算，對各類結構按規范要求采取抗震措施；第二階段，對一些規范規定的結構進行罕遇地震下的彈塑性變形驗算。結構彈塑性變形驗算，指罕遇地震下結構層間位移不超過彈塑性層間位移角，屬變形能力極限狀態驗算。3.1 驗算范圍“高規”4.6.4 條，高層建筑結構在罕遇地震作用下薄弱層彈塑性變形驗算，應符合下列規定：下列結構應應進行彈塑性變形驗算：（1）7-9 度時樓層屈服強度系

18、數小于 0.5 的框架結構；（2）甲類建筑和 9 度抗震設防的乙類建筑結構；（3）采用隔震和消能減震技術的建筑結構。下列結構宜宜進行彈塑性變形驗算：（A）在下列高度范圍：）在下列高度范圍：（1）8 度、類場地和 7 度，建筑高度大于 100m；（2）8 度、類場地，建筑高度大于 80m；（3）9 度，建筑高度大于 60m。并且存在以下問題的：（1）剛度突變的軟弱層；（2）受剪承載力的突變層；（3）結構豎向抗側力構件上下不連續貫通；（4）上部樓層收進部位到室外地面的高度 H1 與房屋高度 H 之比大于 0.2 時，上部樓層收進后的水平尺寸 B1 小于下部樓層水平尺寸的 0.75 倍；（5）上部結

19、構樓層相對于下部樓層外挑時，下部樓層的水平尺寸 B 小于上部樓層水平尺寸 B1 的 0.9 倍，或水平外挑尺寸 a 大于 4m。（B）7 度度、類場地和類場地和 8 度抗震沒設防的乙類建筑結構；度抗震沒設防的乙類建筑結構；（C）板柱）板柱-剪力墻結構。剪力墻結構。驗算目的，防止結構在罕遇地震時倒塌。樓層屈服強度系數是指，按構件實際配筋和材料強度標準值計算的樓層受剪承載力與按罕遇地震作用計算的樓層彈性地震剪力的比值。3.2 彈塑性變形計算方式（1）罕遇地震作用取值 烈度789max0.50（0.72）0.9（1.2）1.4（2）作用效應組合只考慮罕遇地震下的彈塑性層間變形，不考慮其它荷載下產生的

20、變形；地震作用分項- 7 -系數馭 1.0，其它荷載組合值系數取 0。（3）計算方法“高規”5.5.1 條規定，7、8、9 度抗震設計的高層建筑結構，在罕遇地震作用下薄弱層（部位）彈塑性變形計算可采用：（a）彈塑性位移增大系數法“高規”5.5.3 條的簡化方法，適用于不超過 12 層，且層側向剛度無突變的框架結構；（b）彈塑性時程分析方法；（c） “抗震規范”5.5.3 條，還提出可采用靜力彈塑性分析方法。PKPM 軟件系列提供了相應的計算軟件，在 TAT、SATWE、PMSAP 結構設計程序中提供了計算薄弱層彈塑性變形的增大系數法；也提供了高層建筑結構彈塑性時程分析程序EPDA，靜力彈塑性分

21、析方法程序 PUSHOVER，用于上款規定的建筑結構的薄弱層彈塑性變形計算。3.3 彈塑性層間位移的簡化方法簡化方法即為彈塑性位移增大系數法。A. 結構薄弱層的位置確定結構薄弱層的位置確定按“高規”5.5.3.1 款有：（1）樓層屈服強度系數沿高度分布均勻的結構，可取底層；（2）樓層屈服強度系數沿高度分布不均勻的結構，可取該系數最小的樓層及相對較小的樓層，一般不超過 2-3 處。B. 層間彈塑性位移可按下列公式計算層間彈塑性位移可按下列公式計算ppeuu其中：p -彈塑性位移增大系數，當薄弱層的屈服強度系數不小于相鄰層該系數平均值的0.8 時，按下表采用；當不大于該平均值的 0.5 時，可按表

22、內相應數值的 1.5 倍采用；其他情況可采用用內插。結構的彈塑性位移增大系數 py框架總層數0.50.40.32-41.31.41.605-71.51.651.808-121.82.002.20y-樓層屈服強度系數。y=Vy/VeVy-樓層實際受剪承載力，按構件實際配筋和材料強度標準值計算；Ve-罕遇地震作用標準值產生的框架樓層彈性地震剪力；可采用多遇地震作用標準值產生的層間地震剪力乘以罕遇地震與多遇地震的水平地震影響系數最大值的比值；對于7、8、9 度，此比值分別有 6.25(6.00)、5.625(5.00)和 4.375。 C. 彈塑性位移驗算彈塑性位移驗算- 8 -ppuh其中：層間彈

23、塑性位移角限值，可按高規中表 4.6.5 采用；對框架結構，當柱軸壓比p小于 0.40 時，可提高 10%；當柱全高的箍筋構造比規范規定的最小配筋特征值大 30%時，可提高 20%，但累計不超過 25%。 層高hD. 樓層受剪承載力的估算樓層受剪承載力的估算TAT、SATWE 采用“擬弱柱化法” ，計算公式如下：（1）計算柱端正截面受彎承載力當柱的時，b01()0.5(1/)acyykssckMf A haNhNf bh 式中 柱端按實際配筋和材料強度標準值計算的正截面受彎承載力；cyM 鋼筋強度標準值；ykf 受拉區縱向鋼筋實際配筋截面面積；asA N可取重力荷載代表值的柱軸向壓力； 混凝土

24、軸心抗壓強度標準值。ckf （2） 計算柱和樓層受剪承載力( )( )( )( )ulcyjcyjyjnMiMiViHi1( )( )myyjjV iVi式中 第 i 層第 j 根柱受剪承載力；( )yV i 、分別為第 i 層第 j 根柱上、下端正截面受彎承載力，按( )ucyjMi( )lcyjMi（1）節計算； 第 i 層柱凈高；( )nHi 第 i 層樓層受剪承載力。( )yV iE. 軟件的操作（彈塑性位移增大系數法）軟件的操作（彈塑性位移增大系數法）- 9 -在進入“構件配筋設計與驗算”菜單時，選擇“計算 12 層以下框架結構的薄弱層”的計算選項，程序會自動執行計算，結果輸出在 T

25、AT-K.OUT（TAT） 、SAT-K.OUT（SATWE）文件中。以一幢 7 層框架為例，輸出的 SAT-K.OUT 文件內容如下：= Output of Weak-Storey-Analysis of Frame Structure Displacements of Floors under earthquake load = Vx、Vy - The Shear Force of Floors（樓層剪力） VxV、VyV - The Bearing Shear Force of Floors（承載力） - Floor Tower Vx Vy VxV VyV (kN) (kN) (kN)

26、(kN) - 7 1 330.78 384.67 794.12 741.31 6 1 2430.16 2683.98 3656.01 3711.57 5 1 4063.65 4389.33 4797.23 4797.23 4 1 5255.97 5630.55 5531.87 5531.87 3 1 6192.91 6645.11 5858.66 5858.66 2 1 7152.73 7659.95 5963.40 6000.83 1 1 8183.14 8707.41 5145.58 4952.42 The Yield Coefficients of Floor（樓層屈服強度系數） - Floor Tower Gsx Gsy - 7 1 2.4007 1.9271 6 1 1.5044 1.3829 5 1 1.1805 1.0929 4 1 1.0525 0.9825 3 1 0.9460 0.8816 2 1 0.8337 0.7834 1 1 0.6288 0.5688 The Elastic-Plastic Displacement of Floor in X-Direction（X 向彈塑性位移） - F