建筑抗震概念设计

第四章建筑抗震概念设计结构概念设计是根据人们在学习和实践中所建立的正确概念，运用人的思维和判断力，正确和全面地把握结构的整体性能。即根据对结构品性（承载能力、变形能力、耗能能力等）的正确把握，合理地确定结构总体与局部设计，使结构自身具有好的品性。抗震概念设计包括正确的场地选择，合理的结构选型和布置、正确的构造措施等。强调抗震概念设计是由于地震作用的不确定性（随机性、复杂性、间接性和耦连性）和结构计算假定与实际情况的差异。这使得其计算结果不能全面真实地反映结构的受力、变形情况，并确保结构安全可靠。地震是一种随机振动，有着难于把握的复杂性和不确定性。要准确把握预测建筑物能遭受地震的特性及参数一时尚难做到。结构分析方面，由于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。计算设计弹性计算(反应谱理论)时程分析弹性时程分析弹塑性时程分析概念设计：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，往往是构造良好结构性能的决定性因素，这即是所谓的“概念设计”。概念设计：（空间作用、非线性性质、材料时效、阻尼变化等不确定的因素)刚度分布构件延性能量输入房屋体形结构体系概念设计的内容：建筑场地选择建筑选型与结构布置设置多道抗震防线1.避开抗震危险地段地震危险地段：地震时可能发生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流等地段，以及震中烈度为8度以上的发震断裂带在地震时可能发生地表错位的地段。地震危险地段包括：断层陡峭的山区存在液化或润滑夹层的坡地大面积采空区4.1场地选择对建筑抗震有利的地段：开阔平坦地带的坚硬场地土或密实均匀的中硬场地土。对建筑抗震不利的地段：条状突出的山嘴，孤立的山包和山梁的顶部，高差较大的台地边缘，非岩质的陡坡，河岸和边坡的边缘软弱土、宜液化土、故河道、断层破碎带、暗埋塘浜沟谷或半挖半填地基在平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的地段2.选择有利抗震的场地1.建筑平面布置平面宜简单、规则、对称，减少偏心；质量和刚度变化均匀，避免楼层错层；平面长度不过长，突出部分长度l不过大；L、l等值满足要求；不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面图形。4.2建筑的平立面布置根据1985年墨西哥地震震害资料，墨西哥国家重建委员会首都地区规范与施工规程分会分析了房屋破坏原因，按房屋体型分类统计得出的地震破坏率列于表2。从表中可以看出，拐角形建筑的破坏率很高，高达42%。表2墨西哥地震房屋破坏原因建筑特征破坏率（%）拐角形建筑42刚度明显不对称15低层柔弱8碰撞15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类型2.建筑立面布置竖向体型规则、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。结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。1971年美国圣菲南多地震，Olive-View医院位于9度区，主楼遭到严重破坏。它是一幢刚度和强度在底层突变的建筑的典型震例，其教训值得借鉴。该主楼是六层钢筋混凝土房屋，其剖面如图11所示。该幢建筑三层以上为框架—剪力墙体系，底层和二层为框架体系，而二层有较多的砖隔墙。该结构上、下层的侧向层间刚度相差约为10倍。地震后，上面几层震害很轻，而底层严重偏斜，纵向侧移达600mm，横向侧移约600mm，角柱出现严重的受压酥碎现象。Olive—View医院主楼剖面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%立面不规则类型有利的房屋体形1平面•方形、圆形、矩形、正六边形、正八边形、椭圆形•L形、T形、十字形、U形、H形、Y形2立面变化要均匀不利对抗震不利的结构布置形式3.建筑物的高度现浇钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度（m）结构类型烈度678(0.2g)9框架60504024框架—抗震墙13012010050抗震墙全部落地14012010060部分框支12010080—筒体框架—核心筒15013010070筒中筒18015012080板柱—抗震墙807055—注：1房屋高度指室外地面到檐口或屋面板顶的高度（不考虑局部突出屋顶部分）；4.房屋的高宽比结构类型框架、板柱-剪力墙5432框架-剪力墙5543剪力墙6654筒中筒、框架-核心筒6654非抗震设计抗震设防烈度6、7度8度9度A级高度钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比建筑物的高宽比是一个需要慎重考虑的问题，建筑物的高宽比愈大，地震作用的侧移愈大，水平地震力引起的倾覆作用愈严重。由于巨大的倾覆力矩在底层柱和基础中所产生的拉力和压力比较难于处理，为有效地防止在地震作用下建筑的倾覆，保证有足够的地震稳定性，应对建筑的高宽比有所限制。1967年委内瑞拉加拉加斯地震曾发生明显由于过大倾覆力矩引起破坏的震害实例。该市一幢18层的公寓，为钢筋混凝土框架结构，地上各层均有砖填充墙，地下室空旷。在地震中，由于倾覆力矩在地下室柱中引起很大的轴力，造成地下室很多柱子被压碎，钢筋压弯呈灯笼状。另一震害实例是1985年墨西哥地震时，该市一幢9层钢筋混凝土结构由于水平地震作用使整个房屋倾倒，埋深2.5m的箱形基础翻转了45o，并连同基础底面的摩擦桩拔出。5.防震缝的合理设置合理设置防震缝，可以将体型复杂的建筑物划分为“规则”的建筑物，从而降低抗震设计的难度，提高抗震设计的可靠度。防震缝的设置，应根据建筑类型、结构体系和建筑体型等具体情况区别对待。高层建筑设置防震缝后，给建筑、结构和设备设计带来一定困难，基础防水也不容易处理。因此，高层建筑通过调整平面形状和尺寸，在构造上和施工上采取措施，尽可能不设缝（伸缩缝、沉降缝和防震缝）。但下列情况应设置防震缝，将整个建筑划分为若干个简单的独立单元：（1）平面或立面不规则，又未在计算和构造上采取相应措施；（2）房屋长度超过规定的伸缩缝最大间距，又无条件采取特殊措施而必需设伸缩缝时；（3）地基土质不均匀，房屋各部分的预计沉降量（包括地震时的沉陷）相差过大，必需设置沉降缝时；（4）房屋各部分的质量或结构的抗推刚度悬殊过大；钢砼结构的防震缝最小宽度应符合以下要求：1、框架结构房屋的防震缝宽度，当高度不超过15m时可采用70mm；超过15m时，6度、7度、8度和9度相应每增加高度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可采用1.项规定数值的70%，抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用1.项规定数值的50%；且均不宜小于70mm。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。4.3结构选型与结构布置1、结构选型单从抗震角度考虑，作为一种好的结构型式，应具备下列性能：（1）延性系数高（2）强度/重力的比值大（3）匀质性好（4）正交各向同性（5）构件连接具有整体性、连续性和较好的延性，并能发挥材料的全部强度。钢砼结构的优点：1、通过现场浇筑，可形成具有整体式节点的连续结构2、就地取材3、造价较低4、有较大的抗侧移刚度，从而减小结构侧移，保护非结构构件遭破坏。5、良好的设计可以保证结构具有足够的延性。钢砼结构的缺点：1、周期性往复水平荷载作用下，构件刚度因裂缝开展而递减。2、构件开裂处钢筋的塑形拉伸，使裂缝不能闭合3、低周往复荷载下，杆件塑性铰区反向斜裂缝的出现，将混凝土挤碎，产生永久性的“剪切滑移”抗震结构体系的确定《抗震规范》关于抗震结构体系，有下列各项要求：（1）应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径（2）宜有多道抗震防线，应避免因部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力或对重力的承载能力。（3）应具备必要的强度以及良好的变形能力和耗能能力（4）宜具有合理的刚度和强度分布，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，对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。1．结构力求对称，以避免扭转。对称结构在单向水平地震动下，仅发生平移振动，各层构件的侧移量相等，水平地震力则按刚度分配，受力比较均匀。非对称结构由于质量中心与刚度中心不重合，即使在单向水平地震动下也会激起扭转振动，产生平移—扭转耦连振动。由于扭转振动的影响，远离刚度中心的构件侧移量明显增大，从而所产生的水平地震剪力则随之增大，较易引起破坏，甚至严重破坏。为了把扭转效应降低到最低程度，可以减小结构质量中心与刚度中心的距离，图14给出了由抗震墙和框架组成的主抗侧力构件的不利布置的实例和受推荐的实例。结构布置的一般原则在国内外地震调查资料中，不难发现角柱的震害一般较重，这主要由于角柱受扭转反应最为显著。1972年尼加拉瓜的马那瓜地震，位于市中心15层的中央银行，有一层地下室，采用框架体系，设置两个钢筋混凝土电梯井和两个楼梯间，都集中布置在主楼两端一侧，两端山墙还砌有填充墙，如图15所示。这种结构布置造成质量中心与刚度中心明显不重合，偏心很大，显然对抗震不利。1972年发生地震时，该幢大厦遭到严重破坏，五层周围柱子严重开裂，钢筋压屈，电梯井墙开裂，混凝土剥落。围护墙等非结构构件破坏严重，有的倒塌。因此，需要合理布置抗侧力构件。例如，在结构布置时，应特别注意具有很大抗推刚度的钢筋混凝土墙体和钢筋混凝土的芯筒位置，力求在平面上要居中和对称。此外，抗震墙沿房屋周边布置，可以使结构具有较大的抗扭刚度和较大的抗倾覆能力。图15马那瓜中央银行结构平面（a）低层平面；（b）剖面2．竖向布置力求均匀。结构抗震性能的好坏，除取决于总的承载能力、变形和耗能能力外，避免局部的抗震薄弱部位是十分重要的。1976年罗马尼亚地震，普鲁耶什有一幢四层框架体系房屋，底层为咖啡馆，无隔墙。上面几层为住宅，砖隔墙较多。受震后，底层因柱子折断而倒塌，上面几层整体坐落。布加勒斯特市的一幢9层框架体系大楼，上部为住宅，底层为商店，同一次地震后，底层严重破坏，濒临倒塌。图16所示“薄弱层”机构的存在是地震中建筑物破坏的常见原因之一。图16薄弱层导致的破坏纯框架——单一抗侧力体系（倒塌率较高）框－墙、框－撑体系、筒－框、筒中筒4.4多道抗震防线多道抗震防线（1）一个抗震结构体系，应有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）抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部赘余度，有意识的建立起一系列分布的屈服区，以使结构能够吸收和耗散大量的地震能量，一旦破坏也易于修复。（一）设置多道抗震防线单一结构体系只有一道防线，一旦破坏就会造成建筑物倒塌。特别是当建筑物的自振周期与地震动卓越周期相近时，建筑物由此而发生的共振，更加速其倒塌进程。如果建筑物采用的是多重抗侧力体系，第一道防线的抗侧力构件在强烈地震作用下遭到破坏后，后备的第二道乃至第三道防线的抗侧力构件立即接替，抵挡住后续的地震动的冲击，可保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌。在遇到建筑物基本周期与地震动卓越周期相同或接近的情况时，多道防线就更显示出其优越性。当第一道抗侧力防线因共振而破坏，第二道防线接替工作，建筑物自振周期将出现较大幅度的变动，与地震动卓越周期错开，使建筑物的共振现象得以缓解，避免再度严重破坏。1．第一道防线的构件选择第一道防线一般应优先选择不负担或少负担重力荷载的竖向支撑或填充墙，或选择轴压比值较小的抗震墙、实墙筒体之类的构件作为第一道防线的抗侧力构件。不宜选择轴压比很大的框架柱作为第一道防线。在纯框架结构中，宜采用“强柱弱梁”的延性框架。2．结构体