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1 建筑结构抗震设计 建筑工程学院

2 第二章建筑抗震 概念设计总则 教学目的和要求 1. 了解建筑抗震概念设计的意义 2. 掌握场地选择 建筑平立面的确定 结构及体系 抗震性能化设计等概念设计的基本原则

3 2.1 建筑抗震概念设计的意义 建筑抗震概念设计 (Seismic Concept Design of Buildings) 是指根据地震灾害和工程经验等形成的基本设计原则和设计思想, 进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程, 它是人们对地震灾害的经验总结, 为抗震设计的完成提供正确的概念和思路 结构抗震设计的三个层次 : 1. 概念设计 : 在总体上把握抗震设计的基本原则 ; 2. 抗震计算 : 为抗震设计提供定量手段 ; 3. 构造措施 : 保证抗震计算结果的有效性

4 概念设计把握的基本原则 : (1) 建筑场地 (2) 地基和基础 (3) 建筑物的平面和立面布置宜规则 对称, 质量和刚度变化均匀 (4) 抗震结构体系应有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径 ; 宜有多道抗震设防 ; 应有必要的承载力 良好的变形能力和耗能能力 ; 宜有合理的刚度和承载力分布 (5) 结构构件延性与整体性 (6) 非结构构件与主体结构有可靠的连接与锚固 (7) 材料和施工质量 (8) 隔震与消能

5 2.2 建筑场地选择 大量震害表明, 建筑场地的地质状况 地形地貌对建筑物震害有很大影响 地震波对建筑物的间隔破坏 断层处的建筑物破坏

6 选择建筑场地, 应根据工程需要, 掌握地震活动情况 工程地质和地震地质的有关资料, 场地划分见下表 2-1 地段类别 有利地段 一般地段 地质 地形 地貌 稳定基岩, 坚硬土 开阔 平坦 密实 均匀的中硬土等 不属于有利 不利和危险的地段 不利地段 危险地段 软弱土, 液化土, 条状突出的山嘴, 高耸孤立的山丘, 陡坡, 陡坎, 河岸和边坡的边缘, 平面分布上成因 岩性 状态明显不均匀的土层 ( 如故河道 疏松的断层破碎带 暗埋的塘浜沟谷和半填半挖地基 ), 高含水量的可塑黄土, 地表存在结构性裂缝等地震时可能发生滑坡 崩塌 地陷 地裂 泥石流等及发震断裂带上可能发生地表位错的部位

7 2.2.1 地形的影响 震害表明 : 局部孤突地形对地震有放大作用, 震害加重 1920 年宁夏海原地震位于渭河河谷的姚庄烈度为 7 度, 相距 2km 的牛家庄, 坐落在 100m 的黄土山嘴上, 烈度 9 度 1975 年辽宁海城地震中, 高差 58m 的两个测点, 地面加速度相差 1.84 倍 1994 年云南昭通地震, 芦家湾山梁长 150m, 顶部宽 15m 一端高 60m, 一端高 50m, 中间呈鞍较高端部的最大加速度 0.632g, (9 度 ) 鞍部为 0.257g (7 度 ), 较低端部为 0.431g (8 度 )

8 高突地形地震反应的总体趋势 : 1. 高突地形距离基准面的高度愈大, 高处的反应愈大 ; 2. 离陡坎和边坡顶部边缘的距离大, 反应相对减小 ; 3. 在同样地形条件下, 土质结构的反应比岩质结构大 ; 4. 高突地形顶面愈开阔, 远离边缘的中心部位的反应明显减小 ; 5. 边坡愈陡, 其顶部的放大效应相应加大 对条状突出的山嘴 高耸孤立的山丘 非岩石的陡坡 河岸和边坡边缘等不利地段, 对设计地震动参数产生放大作用

9 局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数 : λ α ξ λ = 1+ ξα 局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数 局部突出地形地震动参数的增大幅度, 见表 2-2 附加调整系数

10 2.2.2 工程地质和水文条件的影响 工程地质和水文条件的影响主要体现在 : 场地土坚硬程度 覆盖层厚度 ( 土层的性质 厚度 ) 场地自振周期和粉 砂土的液化 地下水的影响等方面 场地覆盖层厚度一般情况下是指 : 地面至剪切波速大于 500m s-1 且其下卧各岩土的剪切波速均不小于 500m s-1 的土层顶面的距离 国内外多次大地震的经验表明 : 柔性建筑, 厚土层上的震害重, 薄土层上的震害轻 场地土是指 : 场地范围内的地基土 震害调查结果表明 : 场地土刚性 ( 坚硬程度 ) 大小不同, 使其上建筑的震害程度出现很大差异 一般来说, 地基土刚性大, 房屋破坏轻, 反之, 破坏重 从地震记录也可以看出, 不同刚性的场地土的地震动强度, 差异也很大

11 地震动的卓越周期 : 又称地震动主导周期, 它相当于根据地震时某一地区地面运动记录计算出来的反应谱的主峰位置所对应的周期 场地卓越周期或固有周期是场地的重要地震动参数之一, 它的长短随场地土类型 地质构造 震级 震源深度 震中距大小等多种因素而变化 场地土液化 : 饱和松散的粉土和砂土, 在强烈地震作用下, 土颗粒有挤密的趋势, 孔隙水压力急剧上升, 土颗粒处于悬浮状态, 使得地基土发生液化, 丧失抗剪承载力, 并出现喷水冒砂现象 ( 日本 1964 年地震 土耳其 1999 年地震 )

12 2.2.3 避开抗震危险地段 抗震的危险地段与不利地段的主要差异体现在危险地段在地震时场地 地基的稳定性可能遭到破坏, 建造在这类地段上的建筑物破坏是不易用工程措施加以解决的, 或者所花代价极为昂贵 我国规范规定的发震断裂最小避让距离如表 2-3.

13 2.3 建筑体型选择 建筑物的平 立面布置基本原则是 : 平面形状规则 对称, 竖向质量 刚度连续 均匀, 避免楼板错层 这里的 规则, 包含了对建筑的平 立面外形尺寸, 抗侧力构件布置 质量分布, 直至承载力分布等诸多要求

14 2.3.1 建筑平面规则性地震区的建筑, 平面形状以正方形 矩形 圆形为好, 正多边形 椭圆形也是较好的平面形状 满足表 2-4 规定的建筑物, 可以认为是平面规则的建筑 ; 而表 2-4 以外的建筑, 可认为是平面不规则的建筑

15 不规则平面示例 扭转不规则 当 δ 2 >1.2[(δ 1 +δ 2 )/2], 则属扭转不规则, 但应使 δ 2 1.5[(δ 1 +δ 2 )/2]

16 2.3.2 建筑竖向规则性 地震区的建筑, 立面和竖向剖面同样要求规则, 立面外形最好采用矩形 梯形等均匀变化的几何形状, 尽量避免出现过大的内收或外挑 建筑物的几何尺寸和侧向刚度等沿竖向变化均匀 建筑物局部突出震害 建筑物底部刚度突变破坏

17 建筑物竖向不规则类型

18 不规则立面示例

19 2.3.3 不规则结构的处理 在进行建筑的抗震设计时, 对于不规则的建筑结构, 应从结构计算 内力调整 采取必要的加强措施等多方面加以仔细考虑, 并对薄弱部位采取有效的抗震构造措施以保证建筑的整体抗震性能

20 平面不规则而竖向规则的建筑结构 : 1 结构计算时应采用空间结构计算模型 ; 2 当属于扭转不规则时, 应计入扭转影响, 且楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的 1.5 倍, 当最大层间位移远小于规范限值时, 可适当放宽 3 当属于凸凹不规则或楼板局部不连续时, 应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型 ; 4 高烈度或不规则程度较大时, 宜计入楼板局部变形的影响 ; 5 当属于平面不对称且凹凸不规则或局部不连续时, 可根据实际情况分块计算扭转位移比, 扭转较大的部位应考虑局部的内力增大系数

21 平面规则而竖向不规则的建筑结构 : 1 在结构计算时同样应采用空间结构计算模型, 刚度小的楼层的地震剪力应乘以不小于 1.15 的增大系数, 其薄弱层应按 建筑抗震设计规范 的有关规定进行弹塑性变形分析 ; 2 当竖向抗侧力构件不连续时, 该构件传递给水平转换构件的地震内力应根据烈度高低和水平转换构件的类型 受力情况 几何尺寸等, 乘以 1.25~2.0 的增大系数 ; 3 相邻层的侧向刚度比, 应依据其结构类型分别不超过 建筑抗震设计规范 的有关规定 ; 4 楼层承载力突变时, 薄弱层抗侧力结构的受剪承载力不应小于相邻上一楼层的 65%

22 平面不规则而竖向也不规则的建筑结构 : 1 应根据不规则类型的数量和程度, 有针对性地采取各项抗震措施, 使之同时满足上述两种情况的要求 2 特别不规则时, 应经专门研究, 采取更有效的加强措施或对薄弱部位采用相应的抗震性能设计方法

23 2.3.4 防震缝的设置 体型复杂 平立面不规则的建筑结构, 应根据不规则程度 地基基础条件和技术经济等因素的比较分析, 确定是否设置防震缝

24 防震缝应根据抗震设防烈度 结构材料种类 结构类型 结构单元的高度和高差以及可能的地震扭转效应的情况, 留有足够的宽度, 其两侧的上部结构应完全分开 当设置伸缩缝和沉降缝时, 其宽度应符合规范关于防震缝的要求

25 钢筋混凝土房屋的最小缝宽应满足下列要求 : (1) 框架结构 ( 包括设置少量抗震墙的框架结构 ) 房屋的防震缝宽度, 当高度不超过 15m 时不应小于 100mm; 高度超过 15m 时,6 度 7 度 8 度和 9 度分别每增加高度 5m 4m 3m 和 2m, 宜加宽 20mm (2) 框架 抗震墙结构房屋的防震缝宽度不应小于 (1) 中规定数值的 70%, 抗震墙结构房屋的防震缝宽度不应小于 (1) 中规定数值的 50%; 且均不宜小于 100mm (3) 防震缝两侧结构类型不同时, 宜按需要较宽防震缝的结构类型和较低房屋高度确定缝宽

26 2.4 结构体系选择结构体系是抗震设计应考虑的最关键问题之一, 结构方案的选取是否合理, 对建筑安全性和经济性起决定性的作用 结构体系应根据建筑的抗震设防类别 抗震设防烈度 建筑高度 场地条件 地基 结构材料和施工等因素, 经技术 经济和使用条件综合比较确定

27 合理的抗震结构体系应符合下列要求 : (1) 应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径 (2) 应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力 (3) 应具备必要的抗震承载力, 良好的变形能力和消耗地震能量的能力 (4) 对可能出现的薄弱部位, 应采取措施提高抗震能力 同时, 结构体系尚宜符合下列各项要求 (1) 宜有多道抗震防线 (2) 宜具有合理的刚度和承载力分布, 避免因局部削弱或突变形成薄弱部位, 产生过大的应力集中或塑性变形集中 (3) 结构在两个主轴方向的动力特性宜相近

28 2.5 提高结构抗震性能的措施 结构的延性 结构延性定义为结构承载能力无明显降低的前提下, 结构发生非弹性变形的能力 这里 无明显降低 比较认同的指标是, 不低于其极限承载力的 85% 一个构件或结构的延性一般用其最大允许变形 δp 与屈服变形 δy 的比值 μ 来确定, 即 μ=δp/δy, 称为延性系数 结构抗震能力的强弱, 主要取决于这个结构对地震能量 吸收与耗散 能力的大小, 而它又取决于结构延性的大小, 结构延性好, 变形能力强, 则结构吸收与耗散地震能量的能力就大, 同时结构还保持着相当的承载能力以承受竖向重力荷载, 以保证结构不倒塌

29 2.5.2 延性结构的设计与构造措施 一 强柱弱梁 与 强剪弱弯 所谓 强柱弱梁 指一般长柱的受弯承载力, 对短柱而言则应由受剪承载力控制 强剪弱弯 要求截面弯曲屈服时相应的剪力低于截面受剪承载力 节点的 强剪弱弯 关系, 梁柱节点核心区的受剪承载力应大于梁的弯曲屈服超强引起的剪力

30 二 塑性铰 塑性铰的分布确定了结构的破坏机制, 其具体部位则影响到铰的耗能性能 塑性铰的形成次序 分布规律 具体部位和铰的发展范围与外部条件有关 ( 外力大小与变形幅度 ) 也受到结构本身条件的控制 ( 构件尺寸 配筋构造 承载力关系等 ) 框架结构出现塑性铰的理想次序和部位为梁端和柱根部 框剪结构出现铰的理想次序为剪力墙连梁 框架梁端和剪力墙根部 剪力墙结构出现铰的理想次序为连梁及墙肢根部

31 三 提高结构抗倒塌能力的体系措施 框架结构 : 在关键部位设置若干特殊延性框架, 也就是抗震等级提高一至二级的框架 关键部位一般指平面有突变部位 较长平面的中部及尽端转角部位等 框剪结构及剪力墙结构 : 依靠特殊延性剪力墙的合理布置及构造措施, 如在关键部位采用提高抗震等级的双肢或多肢有端柱约束的剪力墙等

32 四 提高构件延性的一些特殊构造措施 (1) 用人工开缝改善梁 柱 墙的延性 梁开缝 柱开缝

33 墙开缝 墙开缝

34 (2) 利用交叉斜筋改善梁 柱 节点核心及剪力墙的延性 短梁 短柱

35 节点 剪力墙

36 (3) 梁端塑性铰区交叉配筋

37 (4) 高强混凝土 高轴压 大截面柱采用核心配筋 核心配筋柱 弱连接缝 (5) 采用弱连接缝, 防止由于裙墙的约束形成短柱

38 2.5.3 多道抗震设防多道防线的概念 (1) 整个抗震结构体系由若干个延性较好的分体系组成, 并由延性较好的结构构件连接起来协同工作 (2) 抗震结构体系具有最大可能数量的内部 外部赘余度, 有意识地建立起一系列分布的塑性屈服区, 以使结构能吸收和耗散大量的地震能量, 一旦破坏也易于修复

39 2.5.4 结构整体性 实现结构的整体性包括 3 个方面 : 1 结构整体协同受力, 合理分配结构中各个构件和楼层的刚度和强度, 以实现结构的整体屈服机制, 这可以使得整体结构的承载能力和变形能力能够得到最大程度地发挥 对于框架结构, 就是要求实现 强柱弱梁 破坏机制 2 构件之间的连接构造措施应能保证实现结构直至倒塌破坏仍可保持整体受力, 即所有构件应发挥其预定的能力 3 足够的构件延性抗震构造措施, 保证结构实现整体屈服机制目标时的承载力和变形能力

40 2.5.5 建筑物抗倒塌能力 提高结构系统的抗倒塌能力 : 第一需要提高结构系统的整体安全储备 : 通过完善结构第二阶段 大震不倒 抗震设计方法实现 第二需要尽可能增加结构系统的意外安全储备 : 增强结构系统的鲁棒性 整体稳定性和整体牢固性

41 2.6 非结构构件的处理 建筑抗震设计规范 GB 中规定 : (1) 非结构构件, 包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备, 自身及其与结构主体的连接, 应进行抗震设计 ; 其抗震设计, 应由相关专业人员分别负责进行 (2) 附着于楼 屋面结构上的非结构构件, 以及楼梯间的非承重墙体, 应与主体结构有可靠的连接或锚固, 避免地震时倒塌伤人或砸坏重要设备 (3) 框架结构的围护墙和隔墙, 应估计其设置对结构抗震的不利影响, 避免不合理设置而导致主体结构的破坏 (4) 幕墙 装饰贴面与主体结构应有可靠连接, 避免地震时脱落伤人 (5) 安装在建筑上的附属机械 电气设备系统的支座和连接, 应符合地震时使用功能的要求, 且不应导致相关部件的损坏

42 2.7 结构材料与施工 1 为保证抗震结构的基本承载能力和变形能力, 结构材料性能指标, 应符合规范的最低要求 2 抗震结构对材料和施工质量的特别要求, 应在设计文件上注明

43 2.8 建筑抗震性能化设计基于性能的抗震设计 ( 简称 PBSD) 兴起于 20 世纪 90 年代 PBSD 设计的主要思想 : 使抗震设计从宏观定性的目标向具体量化的多重目标过渡, 业主和设计者可选择所需的性能目标 ; 抗震设计中更强调实施性能目标的深入分析和论证, 更有利于建筑结构的创新, 经过论证 ( 包括试验 ) 可以采用非现行规范规定的新的结构体系 新技术 新材料 ; 有利于针对不同抗震设防要求 场地条件以及建筑的重要性, 采用不同的性能目标和抗震措施, 它具有多级性 全面性 灵活性的特点

44 我国各类房屋 ( 砖房 混凝土框架 底层框架砖房 单层工业厂房 单层空旷房屋等 ) 的地震破坏分级 :

45 根据房屋地震破坏等级划分, 将地震性能设计控制目标归纳为 4 种性能 :

46 本章小结 1. 概念设计及其重要性 2. 地形对建筑抗震性能的影响 3. 规则建筑 不规则建筑 严重不规则建筑的判断标准, 以及对应的抗震措施 4. 建筑 结构的总体布置原则 5. 抗震结构体系应满足的要求 6. 延性的概念及其作用, 如何保证结构的延性 7. 多道设防及其意义 8. 非结构构件与主体结构的连接要求 9. 性能化设计的概念及控制目标

47 本章结束, 谢谢!

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