3-结构概念设计

建筑结构抗震概念设计主讲：钱晓旭2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计2抗震设计的总体要求建筑抗震设计包括三个层次的内容与要求：概念设计——在总体上把握抗震设计的基本原则抗震计算——为建筑抗震设计提供定量手段构造措施——在保证结构整体性、加强局部薄弱环节等意义上保证抗震计算结果的有效性建筑抗震设计在总体上要求把握的基本原则:注意场地选择，把握建筑体型，利用结构延性，设置多道防线，重视非结构因素2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计3第二章结构抗震概念设计结构抗震概念设计是指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。2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计4一、选择抗震有利的地段选择建筑场地时，宜选择对建筑抗震有利的地段，避开对建筑抗震设计不利的地段。不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。图2-1房屋震害指数与局部地形的关系曲线（地形变化）图2-2地理位置的放大作用2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计51、选择抗震有利的建筑场地和地基时应注意以下几点：（1）选择选择薄的场地覆盖层。对于柔性建筑，厚土层上的震害重，薄土层上的震害轻，直接座落在基岩上的震害更轻。（2）选择坚实的场地土。震害表明，场地土刚度大，则房屋震害指数小，破坏轻；刚度小，则震害指数大，破坏重。故应选择具有较大平均剪切波速的坚硬场地土。二、选择抗震有利的建筑场地和地基2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计6二、选择抗震有利的建筑场地和地基（3）将建筑物的自振周期与地震动的卓越周期错开，避免共振。震害表明，如果建筑物的自振周期与地震动的卓越周期相等或相近，建筑物的破坏程度就会因共振而加重。（4）采取基础隔震或消能减震措施。利用基础隔震或消能减震技术改变结构的动力特性，减少输入给上部结构的地震能量，从而达到减小主体结构地震反应的目的。2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计7三、有利的房屋抗震体型基本原则不规则建筑——主要根据体型（平面和立面）、刚度和质量沿平面、高度的不同等因素进行判别。1、选择对抗震有利的建筑平面和竖向2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计8三、有利的房屋抗震体型基本原则平面规则性：平面偏心、平面凹角、刚性楼层、楼板突变、平面外水平断错、非平行结构体系立面规则性：刚度突变的柔性层、质量分布突变、立面形状突变、竖向抗侧力构件在其平面内的间断、承载力突变（薄弱层）2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计9三、有利的房屋抗震体型建筑物平、立面布置的基本原则：结构对称——有利于减轻结构的地震扭转效应形状规则——在地震时应力集中现象较少，有利于抗震质量与刚度变化均匀——平面内使结构刚度中心与质量中心相一致，避免扭转效应高度方向均匀变化，避免薄弱层，减小变形集中、鞭梢效应对称、规则、质量与刚度变化均匀2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计10建筑抗震概念设计结构规则性平面不规则的类型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1221222.1122扭转不规则max3.0BBmaxBmax3.0BBmaxBmaxBmax3.0BBmaxBmax3.0BB凹凸角不规则2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计11算例：平面规则性2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计122020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计13算例：平面规则性2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计142020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计15平面不规则的类型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BBb5.0BBlAAA3.00l局部不连续大开洞错层2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计16建筑抗震概念设计结构规则性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%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2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计17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%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。2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计18竖向抗侧力构件不连续示例竖向抗侧力结构屈服抗剪强度非均匀化（有薄弱层）2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计19三、有利的房屋抗震体型设计要求（1）建筑抗震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；（2）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，结构的侧向刚度变化宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自上而下逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。（3）体型复杂、平立面特别不规则的建筑结构,可按实际需要在适当部位设置防震缝形成多个较规则的抗侧力结构单元2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计20三、有利的房屋抗震体型2、合适的房屋高度房屋愈高，所受到的地震力和倾覆力矩就愈大，破坏的可能性也就愈大。不同结构体系的最大建筑高度的规定，综合考虑了结构的抗震性能、地基基础条件、震害经验、抗震设计经验和经济性等因素。2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计21现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度(m)2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计22三、有利的房屋抗震体型2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计23三、有利的房屋抗震体型3、不大的房屋高宽比房屋的高宽比愈大，地震作用下结构的侧移和基底倾覆力矩就愈大。2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计24三、有利的房屋抗震体型2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计25算例：高宽比2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计262020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计27三、有利的房屋抗震体型4、防震缝的合理设置高层建筑宜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）。但体形复杂、平立面特别不规则的建筑结构，可按实际需要在适当部位设置防震缝，形成多个较规则的抗侧力结构单元。防震缝应留有足够的宽度，其两侧上部结构应完全脱开。当设置伸缩缝和沉降缝时，其宽度应符合防震缝的要求。2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计28三、有利的房屋抗震体型4、防震缝的合理设置2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计29三、有利的房屋抗震体型4、防震缝的合理设置2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计30在进行结构方案平面布置时，应使结构抗侧力体系对称布置，以避免扭转。为了把扭转效应降低到最低程度，应尽可能减小结构质量中心与刚度中心的距离。除结构平面布置要合理外，结构沿竖向的布置应等强。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。四、合理的抗震结构布置2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计31四、合理的抗震结构布置马那瓜美洲银行大厦马那瓜中央银行大厦1972年12月23日马那瓜地震,由于中央银行大厦结构严重不规则,地震破坏严重,震后拆除;相邻的美洲银行大厦结构规则,只轻微损坏,震后稍加修理便恢复使用。2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计32建筑抗震概念设计结构规则性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。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。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2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计33抗震结构的材料应满足下列要求：1、延性系数（表示极限变形与相应屈服变形之比）高；2、“强度/重力”比值大；3、匀质性好；4、正交各向同性；5、构件的连接具有整体性、连续性和较好的延性，并能充分发挥材料的强度。五、合理的结构材料2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计342020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计35六、提高结构抗震性能的措施1、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。如果建筑物采用的是多重抗侧力体系，可保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌。（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。2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计36六、提高结构抗震性能的措施（2）结构体系的多道设防框架—抗震墙结构体系中，剪力墙是第一道防线，框架部分起到第二道防线的作用，单层厂房纵向体系中，柱间支撑是第一道防线，柱是第二道防线。2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计37六、提高结构抗震性能的措施（3）结构构件的多道防线联肢抗震墙中，连系梁是第一道防线。“强柱弱梁”型的延性框架，梁处于第一道防线。在超静定结构构件中，赘余构件为第一道防线2020/4/25第2讲地震特征与结构概念设计38图2-3马那瓜市美洲银行大厦（a）平面；（b）剖面六、提高结构抗震性能的措施202