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在新西兰做结构设计(一)

新西兰,又被称为“中土世界”,被誉为世界上最后一片净土。这一片净土不仅有高大巍峨的崇山峻岭和冰川峡湾,也星罗棋布着诸多湖泊、温泉和火山。而新西兰诸多美景背后的造物主,便是这个星球陆地和海洋的真正领主——板块


新西兰的主要国土分为南岛和北岛,分别属于太平洋板块和印度洋板块,而太平洋板块的周边,便是著名的“环太平洋火环”,新西兰正是坐落在这火环的上方。千万年以来板块不断碰撞消融,使得新西兰持续经受着火山、地震以及海啸的洗礼,这也使得居住在此的人们,在与大自然的抗争过程中,因地制宜发展出了与众不同的抗震方式。


与基建狂魔的国度不同,新西兰的民宅大多为木结构,设计和施工方式是典型的预制装配式,以木材型材和钢制连接件为主。但由于木材的强度远远低于钢材,而且缺乏焊接这类高强度的连接方式,因此木结构节点多为铰接,地震作用下变形较大。虽然木结构与钢结构相比,在强度和刚度上相差甚远,但是木材的自重远远小于钢材,因此木结构的房屋总重量往往较小,产生的地震力也会比钢结构小很多。基于木结构的特点,新西兰专门发明了一种特制的板材,固定在木框架墙的侧面,不仅起到抵御地震剪力的作用,也可以作为室内装修的木材饰面。限于篇幅本文不对此进行展开了,有机会可以另开篇幅给大家介绍新西兰的这种抗震板。


本期文章将重点介绍一下新西兰抗震规范的地震力计算方式,并将其与国标进行了一些比较,以便大家对欧美的抗震设计有更多一点的了解。


说到抗震设计,首先绕不开的一个计算便是反应谱,相比国内抗震规范的公式和设计参数,新西兰的反应谱计算更为细致深入。新西兰关于地震作用的规范为ASNZS 1170.5(Earthquake actions),首先在规范3.1.1 Elastic site spectra中,规定了elastic site hazard spectrum for horizontal loading(弹性水平地震作用反应谱?), C(T)的计算公式:

该公式共由4个参数构成,分别为反应谱形状系数Ch(T)、场地危险系数Z、重现周期系数R以及近震影响系数N(T,D)(强行翻译,若不准确请参考原文)。其中Ch(T)的形状大家可能就非常熟悉了:

Ch(T)可对标中国抗震规范中的水平地震影响系数α以及特征周期Tg,决定了反应谱曲线的水平段和下降段的开始。Z在国标中并没有明确对应的参数,R则更类似国标中多遇地震和罕遇地震的加速度参数。N(T,D)则可对标国标中的设计地震分组。通过Ch(T)和其他几个参数的乘积,便可以确定弹性地震作用反应谱参数C(T)。

然而,C(T)仅仅能够描述该场地的反应谱的形状,并未包括建筑物本身的特性造成的影响。因此,在ASNZS 1170.5的section 5中,对作用在具体建筑上的地震作用的计算进行了规定:

这个公式看上去复杂,但是核心参数只有两个Sp以及μ。根据条文4.4的定义,Sp的取值也与μ有关:

可见,在具体建筑物的地震作用计算上,μ起到了关键性的作用。首先让我们看一下规范对于μ的定义:

从字面上来看,意思就是结构延性系数,然而,关于这个延性系数的取值,却和材料特性、抗震目标有关,已经有点接近类似性能设计的范畴了,展开讲的话会牵涉到很多不同的规范,在这里,我们只需要知道这个μ是一个很重要的参数就可以了,如果非要在国标里找一个类似的参数,我想阻尼比ζ可能更接近μ的定义吧。

回到反应谱的计算,当我们求得了Cd(T1)之后,我们便可以求出地震剪力V了。计算公式如下:

根据定义,这个V相当于国标的基底剪力,根据这个基底剪力,我们可以求出各层的地震剪力数值:

这几乎就是国标底部剪力法的计算公式了。


当然,新西兰规范里也有关于振型分解反应谱法和时程分析法的规定,在这里我就不一一展开了,有兴趣的同学可以自行研究一下。在新西兰90%的民宅都是10m以下的木结构,偶尔有配筋砖,底部剪力法的应用已经绰绰有余了。


本期介绍就到这里,喜欢可以关注本公众号,以后将为您带来更多来自新西兰的介绍。



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作者: ganggouren

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