1、16-1第十六讲 非结构构件抗震设计规定戴国莹 抗震设计中的非结构构件通常包括建筑非结构构件和固定于建筑结构的建筑附属机电设备的支架。建筑非结构构件指建筑中除承重骨架体系以外的固定构件和部件，主要包括非承重墙体，附着于楼面和屋面结构的构件、装饰构件和部件、固定于楼面的大型储物架等；建筑附属机电设备指与建筑使用功能有关的附属机械、电气构件、部件和系统，主要包括电梯，照明和应急电源、通信设备，管道系统，空气调节系统，烟火监测和消防系统，公用天线等。一、抗震设防目标非结构的抗震设计所涉及的设计领域较多，一般由相应的建筑设计、室内装修设计、建筑设备专业等有关工种的设计人员分别完成。目前已有玻璃幕墙、电
2、梯等的设计规程，一些相关专业的设计标准也将陆续编制和发布。因此，在建筑抗震设计规范中，主要规定了主体结构体系设计中与非结构有关的要求。非结构构件的抗震设防目标，要与主体结构体系的三水准设防目标相协调，容许非结构构件的损坏程度略大于主体结构，但不得危及生命。其抗震设防分类，各国的抗震规范、标准有不同的规定，我国新规范将采用不同的计算系数和抗震措施来表征，把非结构构件的抗震设防要求，大致分为高、中、低三个层次：高要求时，外观可能损坏而不影响使用功能和防火能力，安全玻璃可能裂缝；中等要求时，使用功能基本正常或可很快恢复，耐火时间减少 14，强化玻璃破碎，其它玻璃无下落；一般要求，多数构件基本处于原位
3、，但系统可能损坏，需修理才能恢复功能，耐火时间明显降低，容许玻璃破碎下落。二、基本计算要求世界各国的抗震规范、规定中，有 60规定了要对非结构的地震作用进行计算，而仅有 28对非结构的构造做出规定。我国现行抗震规范（GBJll89）主要对出屋面女儿墙、长悬臂附属构件（雨棚等）的抗震计算做了规定。新规范明确结构体系计算时如何计入非结构的影响，以及非结构构件地震作用的基本计算方法。1非结构对结构整体计算的影响在结构体系抗震计算时，与非结构有关的规定是：1）结构体系计算地震作用时，应计入支承于结构构件的建筑构件和建筑附属机电设备的重力。2）对柔性连接的建筑构件，可不计入其刚度对结构体系的影响；对嵌入
4、抗侧力构16-2件平面内的刚性建筑构件，可采用周期调整系数等简化方法计入其刚度影响；当有专门的构造措施时，尚可按规定计入其抗震承载力。3）对需要采用楼面谱计算的建筑附属机电设备，应采用合适的简化计算模型计入设备与结构体系的相互作用。4）支承非结构构件的部位，应计入非结构构件地震作用效应所产生的附加作用。2非结构自身计算要求对于非结构自身设计时，有关的计算规定是：1）非结构构件自身的地震力应施加于其重心，水平地震力应沿任一水平方向。2）非结构构件自身重力产生的地震作用，一般只考虑水平方向，采用等效侧力法；当建筑附属设备（含支架）的体系自振周期大于 01s，且其重力超过所在楼层重力的1，或建筑附属
5、设备的重力超过所在楼层重力的 10时，如巨大的高位水箱、出屋面的大型塔架等，则采用楼面反应谱方法。3）非结构构件的地震作用，除了自身质量产生的惯性力外，还有地震时支座间相对位移产生的附加作用，二者需同时组合计算。非结构构件因支承点相对水平位移产生的内力，可按该构件在位移方向的刚度乘以规定的支承点相对水平位移计算。非结构构件在位移方向的刚度，应根据其端部的实际连接状态，分别采用刚接、铰接、弹性连接或滑动连接等简化的力学模型。相邻楼层的相对水平位移，可按规定的限值采用；防震缝两侧的相对水平位移，宜根据使用要求确定。3关于等效侧力法计算当采用等效侧力法时，非结构的水平地震作用标准值按下列公式计算：F
6、 1 2 maxG (16.1)式中 F 沿最不利方向施加于非结构构件重心处的水平地震作用标准值； 非结构构件功能系数，取决于建筑抗震设防类别和使用要求，由相关标准根据建筑设防类别和使用要求等确定；一般分为 1.4、1.0、0.6 三档； 非结构构件类别系数，取决于构件材料性能等因素，由相关标准根据构件材料性能等因素确定；一般 0.61.2 范围内取值； 1状态系数；对预制建筑构件、悬臂类构件、支承点低于质心的任何设备和柔性体系宜取 2.0，其余情况可取 1.0； 2位置系数，建筑的顶点宜取 2.0，底部宜取 1.0，沿高度线性分布；对新规范要求采用时程分析法补充计算的结构，应按其计算结果调整
7、； max地震影响系数最大值；可按多遇地震的规定采用；G 非结构构件的重力，应包括运行时有关的人员、容器和管道中的介质及储物柜中物品的重力。下列非结构构件的类别系数和功能系数可供参考：表 16-1 建筑非结构构件的类别系数和功能系数16-3功能系数构件、部件名称 类别系数乙类建筑 丙类建筑非承重外墙：围护墙玻璃幕墙等0.90.91.41.41.01.4连接：墙体连接件饰面连接件防火顶棚连接件非防火顶棚连接件1.01.00.90.61.41.01.01.01.00.61.00.6附属构件：标志或广告牌等 1.2 1.0 1.0高于 2.4m 储物柜支架：货架(柜) 文件柜文物柜0.61.01.0
8、1.40.61.0表 16-2 建筑附属设备构件的类别系数和功能系数功能系数构件、部件所属系统 类别系数乙类 丙类应急电源的主控系统、发电机,冷冻机等 1.0 1.4 1.4电梯的支承结构,导轨、支架,轿箱导向构件等 1.0 1.0 1.0悬挂式或摇摆式灯具 0.9 1.0 0.6其它灯具 0.6 1.0 0.6柜式设备支座 0.6 1.0 0.6水箱、冷却塔支座 1.2 1.0 1.0锅炉、压力容器支座 1.0 1.0 1.0公用天线支座 1.2 1.0 1.04关于楼面谱计算“楼面谱”对应于结构设计所用“地面反应措” ，即反映支承非结构构件的结构自身动力特性、非结构构件所在楼层位置，以及结
9、构和非结构阻尼特性对地面地震运动的放大作用。当采用楼面反应谱法时，非结构通常采用单质点模型，其水平地震作用标准值按下列公式计算：F sG (16.2)式中 s非结构构件的楼面反应谱值，取决于设防烈度、场地条件、非结构构件与结构体系之间的周期比、质量比和阻尼，以及非结构构件在结构的支承位置、16-4数量和连接性质。对支座间有相对位移的非结构构件则采用多支点体系，按专门方法计算。计算楼面谱的基本方法是随机振动法和时程分析法，当非结构构件的材料与结构体系相同时，可直接利用一般的时程分析软件得到；当非结构构件的质量较大，或材料阻尼特性明显不同，或在不同楼层上有支点，需采用第二代楼面谱的方法进行验算。此
10、时，可考虑非结构与主体结构的相互作用，包括“吸振效应” ，计算结果更加可靠。采用时程分析法和随机振动法计算楼面谱需有专门的计算软件。北京长富宫为地上 25 层的钢结构，前六个自振周期为 3.45s, 1.15s, 0.66s, 48s, 0.46s, 0.35s。采用随机振动法计算的顶层楼面反应谱如图 16.1 所示。 图 16.1 长富宫顶楼面反应谱5非结构构件地震作用效应组合 非结构构件的地震作用效应(包括自身重力产生的效应和支座相对位移产生的效应)和其它荷载效应的基本组合，一般应按结构构件的规定计算；幕墙需计算地震作用效应与风荷载效应的组合；容器类尚应计及设备运转时的温度、工作压力等产生
11、的作用效应。非结构构件抗震验算时，摩擦力不得作为抵抗地震作用的抗力；承载力抗震调整系数，连接件可采用 1.0，其余可按相关标准的规定采用。建筑装修的非结构构件，其变形能力相差较大。砌体材料组成的非结构构件，由于变形能力较差而限制在要求高的场所使用，国外的规范也只有构造要求而不要求进行抗震计算；金属幕墙和高级装修材料具有较大的变形能力，国外通常由生产厂家按结构体系设计的变形要求提供相应的材料，而不是由非结构的材料决定结构体系的变形要求；对玻璃幕墙， 建筑幕墙标准中已规定其平面内变形分为五个等级，最大为 1100，最小为 1400。二、建筑非结构构件的基本抗震措施新规范对建筑非结构构件的布置和选型
12、做了基本规定，并将 89 规范各章中有关建16-5筑非结构构件的构造要求汇总在一起，包括：1结构体系中，设置连接建筑构件的预埋件、锚固件的部位，应采取加强措施，以承受建筑构件传给结构体系的地震作用。2非承重墙体的材料、选型和布置，应根据设防烈度、房屋高度、建筑体型、结构层间变形、墙体抗侧力性能的利用等因素，经综合分析后确定。应优先采用轻质墙体材料，刚性非承重墙体的布置，应避免使结构形成刚度和强度分布上的突变。3墙体与结构体系应有可靠的拉结，应能适应不同方向的层间位移；8、9 度时应有满足层间变位的变形能力或转动能力。4 楼梯间和公共建筑的人流通道，其墙体的饰面材料要有限制，避免地震时塌落堵塞通
13、道。天然的或人造的石料和石板，仅当嵌砌于墙体或用钢锚件固定于墙体，才可作为外墙体的饰面。5砌体墙（包括砌体结构的后砌隔墙。框架结构中的砌体填充墙、单层钢筋混凝土柱厂房的砌体围护墙和隔墙、多层钢结构房屋的砌体隔墙等）应采取措施（如柔性连接等）减少对结构体系的不利影响，并按要求设置拉结筋、水平系梁、圈梁、构造柱等加强自身的稳定性和与结构体系的可靠拉结。6玻璃幕墙、预制墙板等的抗震构造，应符合专门的规定。三、建筑附属机电设备支架的基本抗震措施附属于建筑的机电设备和设施与结构体系的连接构件和部件，在地震时造成破坏的原因主要是：电梯配重脱离导轨；支架间相对位移导致管道接头损坏；后浇基础与主体结构连接不牢
14、或固定螺栓强度不足造成设备移位或从支架上脱落；悬挂构件强度不足导致电气灯具坠落；不必要的隔振装置，加大了设备的振动或发生共振，反而降低了抗震性能等。上述机电设备和设施的抗震措施，应根据设防烈度、建筑使用功能、房屋的高度、结构类型和变形特征、附属设备所处的位置和运转要求等，经综合分析后确定。基本的要求是：1参照美国 VBC 规范的规定，下列附属机电设备的支架可无抗震设防要求：1）重力不超过 15kN 的设备；2）内径小于 25mm 的煤气管道和内径小于 60 mm 的电气配管；3）矩形截面面积小于 038m 2 和圆形直径小于 070m 的风管；4）吊杆计算长度不超过 300mm 的吊杆悬挂管道
15、。2建筑附属设备不应设置在可能导致使用功能发生障碍等二次灾害的部位；对于有隔振装置的设备，应注意强烈振动对连接件的影响，并防止设备和建筑结构发生共振现象。建筑附属机电设备的支架应具有足够的刚度和强度，其与结构体系应有可靠的连接和锚固；对丙类建筑，应使设备在遭遇设防烈度地震影响后能迅速恢复运转。16-63地震时各种管道的破坏，主要是其支架之间或支架与设备相对移动造成接头损坏。合理设计各种支架、支座及其连接，包括采取增加接头变形能力的措施是有效的。管道和设备与结构体系的连接，应能允许二者间有一定的相对变位。管道、电缆、通风管和设备的大洞口布置不合理，将削弱主要承重结构构件的抗震能力，必须予以防止；对一般的洞口，其边缘应有补强措施。4 建筑附属机电设备的基座或连接件应能将设备承受的地震作用全部传递到结构上。结构体系中，用以固定建筑附属机电设备预埋件、锚固件的部位，应采取加强措施，以承受附属机电设备传给结构体系的地震作用。5建筑内的高位水箱应与所在结构可靠连接，高烈度时尚应考虑其对结构体系产生的附加地震作用效应。6在设防烈度地震下需要连续工作的建筑附属设备，包括烟火检测和消防系统，其支架应能保证在设防烈度地震时正常工作，重量较大的宜设置在结构地震反应较小的部位；相关部位的结构构件应采取相应的加强措施。
