【安全课件】地震灾害(3)

1城市灾害学主讲人:范涛2第3篇地震灾灾害第8章地震概述第9章抗震概念设计的总体原则2006.33第9章抗震概念设计的总体原则9.1建筑物场地的选择9.2建筑物体型的确定9.3结构抗震体系的选取9.4结构延性的实现9.5多道抗震防线的设置9.6非结构构件的处理9.7建筑材料的选择和施工2006.34第9章抗震概念设计的总体原则建筑抗震设计应包括三个层次的内容和要求：抗震概念设计、抗震计算和抗震构造措施。结构抗震概念设计就是根据地震震害的经验和教训所形成的关于结构抗震设计的基本原则和设计思想，在建筑结构的总体布局并在确定结构构件细部构造上得到的一些基本措施，它是在结构总体上把握抗震设计的基本原则。抗震计算就是运用已经形成的抗震计算理论对结构进行抗震计算得到结构构件的地震作用，进行荷载组合后对结构构件进行截面设计和节点的设计。抗震构造措施就是在利用已经被震害经验证明行之有效的一些构造措施来保证结构的整体性、加强结构局部薄弱环节等，以保证结构抗震计算的有效性。2006.35第9章抗震概念设计的总体原则抗震设计的上述三个层次的内容相互联系又缺一不可，忽略任何一部分都可能造成抗震设计的失败。建筑抗震概念设计的总体原则，一般包括为以下几个部分：注意结构场地选择，把握建筑体型，选取有利的结构抗震体系，利用结构延性，设置多道抗震防线，妥善处理非结构构件，注重建筑材料的选择和施工质量等。2006.369.1建筑物场地的选择对于场地选择的基本原则可以概括为：选择有利地段，避开不利地段，不在危险地段建造甲、乙和丙类建筑。一般认为，对于抗震有利的地段系指地震时地面没有残余变形的坚硬或开阔平坦密实均匀的中硬土范围或者地区；而对于抗震不利的地段系指可能产生明显的残余变形或者地基失效的某一范围或者地区；危险地段系指可能发生严重的地面残余变形的某一范围或地区。2006.379.1建筑物场地的选择为了考虑建筑物场地对于结构抗震的影响，仅仅对建筑物场地进行上述简单的类型划分并不能反应场地的实际情况。通常必须将场地按照某些指标或者描述进行划分，以便在建筑抗震设计中采取合理的设计参数和有关的抗震构造措施。2006.389.2建筑物体型的确定震害表明，简单、对称的建筑体型不易损坏，这是因为这类结构其地震反应与计算结果比较吻合，容易采取构造措施和细部处理。建筑设计不应采用严重不规则的设计方案。但是从建筑艺术的角度来看，如每幢建筑都采用规则对称的建筑体型，则未免太显单调，缺乏变化。近年来提出“规则”的概念，它包含了对平面立面外形尺寸、抗侧力构件、质量、刚度以及强度分布诸因素的综合要求，沿高度和沿水平方向均应予考虑。2006.399.2.1建筑物平面布局建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性，这样有利于抵抗水平和竖向荷载，受力明确，传力直接，减少扭转的影响。建筑物的平面以方形、矩形、圆形、正六边形、正八边形、椭圆形、扇形为宜。三角形平面也属于简单形状，但是由于其沿主轴方向不是都对称的，地震中容易产生较强的扭转震动，不是地震区的理想建筑平面形状。2006.3109.2.1建筑物平面布局2006.3119.2.1建筑物平面布局1972年尼加拉瓜的马那瓜地震，位于市中心的两幢相邻高层建筑的震害对比，有力地说明结构偏心会带来多么大的危害。马那瓜中央银行和美洲银行结构平面2006.3129.2.1建筑物平面布局15层的中央银行，有一层地下室，采用框架体系，两个钢筋混凝土电梯井和两个楼梯间均集中布置在平面右端，同时，右端山墙还砌有填充墙，造成很大偏心广地震时的强烈扭转振动，造成较严重的破坏，一些框架节点损坏，个别柱子屈服，围护墙等非结构部件破坏严重，修复费用高达房屋原造价的80％。2006.3139.2.1建筑物平面布局18层的美洲银行，有两层地下室，采用对称布置的钢筋混凝土芯筒。地震后，仅3～17层连梁上有细微裂缝，几乎没有其他非结构部件的损坏。2006.3149.2.1建筑物平面布局对体型复杂的建筑，一般可考虑设置防震缝，将建筑物分隔成规则的抗震结构单元。这种做法可以将复杂的建筑简单化，使得分析和设计的计算模型与实际结构比较接近，也避免了复杂结构的扭转振动所产生的震害。但是，在国内外地震灾害调查中，曾多次发生相邻建筑物相互碰撞而发生严重破坏的震害实例。设置防震缝需要注意两点：一是改变了结构的自振周期，有可能会使结构自振周期与场地卓越周期接近而加重震害；二是要保证抗震缝上下都有一定的宽度，否则会在地震时因两抗震单元之间碰撞而加重震害。2006.3159.2.1建筑物平面布局防震缝的加宽会给建筑、结构和设备设计带来一定的困难。近年来在国内的建筑设计中，通过调整平面形状和尺寸，并在构造和施工上采取一些措施，尽量不设置防震缝。此时要考虑应力和变形的可能集中，结构地震扭转效应等因素的影响，并采用专门的分析计算方法。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等情况，留有足够的宽度，其两侧的上部结构应完全分开。2006.3169.2.2建筑物的立面布局地震区的建筑立面要求采用矩形、梯形和三角形等变化均匀的几何形状，尽量不要采用带有突然变化的阶梯型立面、大底盘建筑甚至倒梯形立面。立面形状的突然变化将产生质量和刚度的剧烈变化，从而在地震中在该部位产生严重的塑性变形和应力集中，加重结构的地震灾害。《高层建筑混凝土结构技术规程》(JCJ3—2002)对地震区高层建筑的立面布置也作出了明确的规定：高层建筑的竖向体型宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。2006.3179.2.2建筑物的立面布局建筑竖向外挑和内收示意2006.3189.2.2建筑物的立面布局在实际的工程设计中，往往沿竖向分段改变构件截面尺寸或者混凝土强度等级。这种改变使得竖向刚度发生变化。从施工的角度而言，构件截面尺寸改变或者混凝土强度等级的变化不宜过多，但是从抗震设计的角度而言，改变的次数太小，每次变化将较大，从而容易产生较大的刚度突变。在实际工程中，沿竖向的刚度变化不超过4次。每次改变，梁柱尺寸减少100～150mm；剪力墙厚度减少50mm，混凝土强度等级降低一个等级为宜。构件尺寸的改变和混凝土强度的降低最好错层进行，尽量避免同层同时改变混凝土的强度和构件的截面尺寸。2006.3199.2.3建筑物的高度和高宽比建筑物越高，所受到的地震作用也就越大，因而产生破坏的可能性也就越大。日本1963年以前规定房屋高度不得超过31m，美国旧金山和洛杉矶1957年以前的房屋高度不能超过31m和46m。但是随着地震工程和工程抗震技术的发展，这些限制已经得到突破，人们已经逐渐认识到“房屋越高越危险”的概念也不是绝对的，也是有条件的。尽管如此，减小建筑物的高度仍然是控制地震灾害的有效手段之一。当然对于不同的结构体系，将有不同的最佳适宜高度。2006.3209.2.3建筑物的高度和高宽比在建筑抗震设计中，限制房屋建筑的高宽比比限制其高度更为重要。建筑的高宽比越大，地震作用下的侧移越大，则由于地震引起的倾覆力矩也越大。因此世界各国在各自国家的抗震设计中对于建筑的高宽比都进行了相应的限制。新西兰建议，地震区高层建筑的高宽比不宜超过4，日本也有基本类似的规定。由于高宽比过大造成倾覆力矩过大，从而产生震害的实例也不少。2006.3219.2.3建筑物的高度和高宽比1967年的委内瑞拉的加拉加斯地震，一栋11层的旅馆，底部3层为框架结构，以上各层为剪力墙结构，框架柱由于地震倾覆力矩产生巨大的轴向力使得柱子轴压比达到很大数值，延性降低，柱头发生剪切破坏。1985年的墨西哥地震，墨西哥市的一栋9层钢筋混凝土结构因为巨大的倾覆力矩使得整栋房屋倾斜，埋深2.5m的箱形基础翻转45°，并将下面的摩擦桩拔出。2006.3229.3结构抗震体系的选取结构抗震体系是抗震设计中应考虑的最关键问题，结构方案选取是否合理对安全和经济起主要作用。抗震结构体系的确定涉及到经济和技术条件以及地震评价、场地情况等多方面因素。对于低层建筑而言，水平荷载相对于竖向荷载处于次要地位，一般不会成为结构内力和变形的控制因素，在结构类型的选择上比较灵活。对于高层建筑而言，水平力包括地震作用或风荷载作用成为高层建筑结构内力和变形的主要因素，因此结构的抗侧力体系成为结构体系选型的重要组成部分，结构的抗侧能力的强弱是衡量结构体系是否经济合理的有效尺度。2006.3239.3结构抗震体系的选取结构体系的选取应根据建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑物的高度、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。此外，选择结构体系的自振周期应尽可能与场地卓越周期错开，否则地震时，结构将发生类共振现象而加重震害。1985年墨西哥城大地震，强震记录谱分析发现场地卓越周期约为2s，故使自振周期接近2s的建筑物大批倒塌或严重破坏。2006.3249.4结构延性的实现9.4.1提高结构延性的总体原则在进行结构设计时，不仅要求结构具有足够的强度和刚度，还要求结构具有足够的延性。为了防止结构在遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，结构应该具有足够的变形能力，避免结构倒塌，发生危及人们生命的严重破坏。延性可以从材料延性、截面延性、杆件延性、构件延性、楼层延性和结构延性等六个由低到高的层面上来理解。要结构具有一定的延性，则要求组成结构的材料、截面、杆件、构件等具有一定的延性。一般而言，对于结构中重要构件的延性要求高于对于结构整体的延性要求，对于构件中关键杆件的延性要求，又要高于整个构件的延性要求。2006.3259.4.1提高结构延性的总体原则结构构件的延性可以通过以下措施来实现：(1)砌体结构构件应按规定设置钢筋混凝土圈梁和构造柱、芯柱或采用配筋砌体等。(2)混凝土结构构件应该合理地选择截面尺寸、配置纵向受力钢筋和箍筋，避免剪切破坏先于弯曲破坏、混凝土的压溃先于钢筋的屈服、钢筋的锚固粘结失效先于构件破坏。(3)预应力混凝土的抗侧力构件，应该配置足够的非预应力钢筋。(4)钢结构构件应该合理控制截面尺寸，避免局部失稳或整个构件的失稳。2006.3269.4.1提高结构延性的总体原则为了保证结构的延性要求，各结构构件之间的连接不能过早破坏。因而结构构件之间的连接应符合下列要求：①构件节点的破坏，不应先于其连接的构件；②预埋件的锚固破坏，不应先于其连接件；③装配式结构构件的连接，应保证结构的整体稳定性；④预应力混凝土构件的预应力钢筋，宜在节点核心区以外锚固2006.3279.4.2提高延性的重点部位要使结构在遇到罕遇地震时具有很强的抗倒塌能力，则要求组成结构的构件以及组成构件的材料都具有很高的延性。但是，事实上在设计中这是无法做到的。比较经济可行的办法就是提高结构中的重要构件以及构件中的重点部位的延性。2006.3289.4.2提高延性的重点部位基本原则：(1)在结构的竖向，应该重点提高楼房中可能出现塑性变形集中的相对柔弱楼层的构件延性。例如，对于刚度沿高度均匀分布的简单体型高层建筑，应着重提高底层构件的延性；对于带大底盘的高层建筑，应该着重提高主楼与裙房顶面相衔接的楼层中构件的延性；对于其他不规则立面高层建筑，应着重加强体型突变处楼层的构件延性；对于框托墙体系，应着重提高底层或底部几层的框架的延性。2006.3299.4.2提高延性的重点部位基本原则：(2)在平面位置上，应该着重提高房屋周边转角处，平面突变处以及复杂平面各翼相接处的构件延性。对于偏心结构，应加大房屋周边特别是刚度较弱一端构件的延性。(3)对于具有多道抗震防线的抗侧力体系，应着重提高第一道防线中构件的延性。例如，在框一墙体系中，重点提高抗震墙的延性；在筒中筒体系中，重点提高实墙内的延性。2006.3309.4.2提高延性的重点部位基本原则：(4)在同一构件中，应着重提高关键杆件的延性。例如，对