地震工程学11(建筑抗震概念设计)-翟永梅

同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention第十一章第十一章建筑抗震概念设计建筑抗震概念设计翟翟永永梅梅同同济济大大学学土木工程学院土木工程学院上上海海防防灾灾救救灾灾研研究究所所地震工程学地震工程学同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention第十一章第十一章建筑抗震概念设计建筑抗震概念设计定义与基本内容定义与基本内容根据地震灾害和工程经验等所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称为概念设计。意义（1）“计算设计”很难有效控制结构的薄弱环节，不能完全解决问题——地震作用的不确定性——结构计算假定与实际情况的差异（计算模型、非结构墙体对结构刚度的影响、阻尼变化等）（2）经验总结、定性判断同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention第11章建筑抗震概念设计11.1场地选择11.2建筑的平立面布置11.3结构选型与结构布置11.4多道抗震防线11.5刚度、承载力和延性的匹配11.6确保结构的整体性11.7非结构部件处理同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention基本概念•1、计算设计（Numericaldesign）：按荷载计算、内力分析及组合、强度计算、构造措施等称为计算设计。•“计算设计”——不能完全依赖！•地震方面——地震是一种随机振动，具有复杂性、不确定性，因此很难准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数。地震在时间和空间上都具有很大的随机性。•结构分析——未能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，也存在不确定性。同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention基本概念——续•2、概念设计（Conceptualdesign）：立足于工程抗震基本理论及长期工程抗震经验总结的工程抗震基本概念的抗震设计。„在着手进行结构抗震设计时，着眼于结构的总体地震反应，灵活运用抗震设计准则，既注意总体布置上的大原则，又考虑关键部分的细节，从而全面、合理地解决结构抗震设计中的基本问题。„有助于掌握明确的设计思想，灵活、恰当地运用抗震设计原则，是设计人员不致陷入盲目的计算工作，从而做到比较合理的抗震设计。„抗震概念设计是目前工程设计高度自动化的背景下唯一具有能动性和创造性的设计过程。同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention基本概念——续抗震概念设计的思路：„在工程设计一开始，把握好能量输入、房屋体型、结构体系、刚度分布、构件延性等几个主要方面，从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节。„辅以必要的计算和构造措施，有可能使房屋建筑具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。由于对地震作用及结构性能的了解还远远不够，在某种意义上，概念设计比计算设计更重要。同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention11.1场地选择不同的场地上的建筑震害不同,在建筑选址时，要尽量选择对建筑抗震有利的地段，避开不利和危险地段。•场地选择„选择有利地段（稳定基岩、坚硬土等）„避开不利地段，无法避免时应采取有效措施（软弱土、液化土、条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘等）„不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑（可能发生滑坡、崩塌、地裂、泥石流等及发震断裂带等）•I类场地时，抗震构造措施„（新规范）甲、乙类建筑按设防烈度采取„（甲、乙、丙）类建筑可按设防烈度降低一度采取（6度不降）同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention11.1场地选择2）关于地基基础设计，抗震规范有如下规定：1、避开危险地带（如断裂带等）；2、同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上；无法避开时，除考虑不同土层差异运动的影响外，还应采用局部深基础，使整个建筑物的基础落在同一土层上（图）3、同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基；（可设沉降缝，成为两个单元）4、地基为软弱粘性土、液化土、新近填土或严重不均匀时，应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响，并采取相应措施，基础应加强其整体性和刚性。同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention11.2建筑的平立面布置一幢房屋的动力性能基本上取决于它的建筑布局和结构布置。建筑布局简单合理，结构布置符合抗震原则，就能从根本上保证房屋具有良好的耐震性能。„《抗震规范》3.4.1条规定：建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。„3.4.2条规定：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；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减少，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention‹‹建筑结构的规则性建筑结构的规则性建筑结构的规则性对抗震能力的重要影响的认识始自若干现代建筑在地震中的表现。最为典型的例子是1972年2月23日南美洲的马那瓜地震。马那瓜有相距不远的两幢高层建筑，一幢为十五层高的中央银行大厦，另一幢为18层高的美洲银行大厦。当地地震烈度估计为8度。一幢破坏严重，震后拆除；另一幢轻微损坏，稍加修理便恢复使用。同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention马那瓜中央银行大厦试问：那一幢破坏严重呢？马那瓜美洲银行大厦同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention1）平面不规则4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙。4层以上的楼板仅为5cm厚，搁置在高45cm长14m小梁上。2）竖向不规则塔楼上部（4层楼面以上），北、东、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在4层楼板水平处的过渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根1m×1.55m的柱子上（间距9.4m）。上下两部分严重不均匀，不连续。主要破坏：第4层与第5层之间(竖向刚度和承载力突变),周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈；横向裂缝贯穿3层以上的所有楼板(有的宽达1cm),直至电梯井东侧；塔楼西立面、其他立面窗下和电梯井处的空心砖填充墙及其它非结构构件均严重破坏或倒塌。震后计算分析结果:1.结构存在十分严重扭转效应;2.塔楼3层以上北面和南面大多数柱子抗剪能力大大不足,率先破坏；3.水平地震作用下,柔而长的楼板产生可观的竖向运动等。马那瓜中央银行大厦结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包括4个L形的桶体，对称地由连梁连接起来，这些连梁在地震时遭到剪切破坏，是整个结构能观察到的主要破坏。分析表明：1.对称的结构布置及相对刚强的联肢墙，有效地限制了侧向位移，并防止了明显的扭转效应；2.避免了长跨度楼板和砌体填充墙的非结构构件的损坏；3.当连梁剪切破坏后，结构体系的位移虽有明显增加，但由于抗震墙提供了较大的侧向刚度，位移量得到控制。美洲银行同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention不规则类型定义扭转不规则楼层的最大弹性水平位移（或层间位移），大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍凹凸不规则结构平面凹进的一侧尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%楼板局部不连续楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%,或开洞面积大于该层楼面面积的30%，或较大的楼层错层平面不规则的类型1δ2δ212δδ+22.1122δδδ+×扭转不规则max3.0BBmaxBmax3.0BBmaxBmaxBmax3.0BBmaxBmax3.0BB凹凸角不规则同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPreventionBBb5.0BBlAAA=3.00l局部不连续大开洞错层不规则类型定义扭转不规则楼层的最大弹性水平位移（或层间位移），大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍凹凸不规则结构平面凹进的一侧尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%楼板局部不连续楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%,或开洞面积大于该层楼面面积的30%，或较大的楼层错层平面不规则的类型同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention不规则类型定义侧向刚度不规则该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%竖向抗侧力构件不连续竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架等向下传递楼层承载力突变抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%竖向不规则的类型17.0+iiKKiK1+iK2+iK3+iK)3(8.0321+++++iiiiKKKK沿竖向的侧向刚度不规则（有柔软层）竖向抗侧力构件不连续同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention竖向抗侧力结构屈服抗剪强度不均匀（有薄弱层）iyQ,1,+iyQ1,,8.0+iyiyQQ严重不规则是指体型复杂，多项不规则指标超过表中指标或某一项大大超过规定值，具有严重的抗震薄弱环节，将会导致地震破坏的严重后果者。注：以上规定主要针对钢筋混凝土和钢结构的多层和高层建筑。竖向不规则的类型不规则类型定义侧向刚度不规则该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%竖向抗侧力构件不连续竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架等向下传递楼层承载力突变抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention建筑结构类型，依其抗震性能优劣而排列的顺序是：①钢结构；②型钢混凝土结构；③混凝土—钢混合结构；④现浇钢筋混凝土结构；⑤预应力混凝土结构；⑥装配式钢筋混凝土结构；⑦配筋砌体结构；⑧砌体结构等。11.3结构体系的合理选择同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention11.3结构体系的合理选择抗震结构体系是抗震设计应考虑的关键问题，结构方案的选取是否合理，对安全性和经济性起决定性作用。规范规定：1.结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径受力明确、传力合理、传力路线不间断、抗震分析与实际表现相符合。同济大学TongjiUniversity上海防灾救灾研究所ShanghaiInstituteofDisasterPrevention2.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。由于柱子的数量较少或承载能力较