12-钢筋混凝土结构抗震概念设计 W15

第11讲钢筋混凝土结构抗震概念设计2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计2§4.1概述多层和高层钢筋混凝土结构体系包括：框架结构、框架-抗震墙结构、抗震墙结构、筒体结构和框架-筒体结构等。本章仅介绍前两种。钢筋混凝土框架房屋：钢筋混凝土纵梁、横梁和柱等构件组成承重体系的房屋。框架-抗震墙结构：在框架房屋中增加抗震墙构成。钢筋混凝土框架房屋层数一般在十层以下。抗震墙主要承受水平荷载，框架主要承受竖向荷载。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计3抗震墙框架房屋框架-抗震墙2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计4一、结构层间屈服强度有明显的薄弱楼层§4.2震害及其分析12345678910111213(mm)层13567911134080120在强烈地震作用下，结构的薄弱楼层率先屈服、发展弹塑性变形，并形成弹塑性变形集中的现象，不能发挥整体的抗震能力。1976年唐山大地震中，位于天津塘沽区的天津碱厂十三层蒸吸塔框架，该结构楼层屈服强度分布不均匀，造成6层和11层的弹塑性变形集中，导致6层以上全部倒塌。右图为该结构输入天津波的弹塑性分析结果。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计5二、框架梁、柱的震害梁柱变形能力不足，构件过早发生破坏。一般是梁轻柱重，柱顶重于柱底，尤其是角柱和边柱更易发生破坏。1、柱顶柱顶周围有水平裂缝、斜裂缝或交叉裂缝。重者混凝土压碎崩落，柱内箍筋拉断，纵筋压曲成灯笼状。主要原因：节点处弯矩、剪力、轴力都较大，受力复杂，箍筋配置不足，锚固不好等。破坏不易修复。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计62、柱底与柱顶相似，由于箍筋较柱顶密，震害相对柱顶较轻。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计73、短柱当柱高小于4倍柱截面高度（H/b4)时形成短柱。短柱刚度大，易产生剪切破坏。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计84、角柱由于双向受弯、受剪,加上扭转作用，震害比内柱重。5、梁柱节点节点核心区产生对角方向的斜裂缝或交叉斜裂缝，混凝土剪碎剥落。节点内箍筋很少或无箍筋时，柱纵向钢筋压曲外鼓。节点破坏的主要原因是节点的受剪承载力不足，约束箍筋太少，梁筋锚固长度不够以及施工质量差所引起。6、框架梁震害多发生于梁端。在地震作用下梁端纵向钢筋屈服，出现上下贯通的垂直裂缝和交叉裂缝。破坏的主要原因是梁端屈服后产生的剪力较大，超过了梁的受剪承载力，梁内箍筋配置较稀，以及反复荷载作用下混凝土抗剪强度降低等。节点破坏将导致梁柱失去相互之间的联系。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计9三、填充墙的震害砌体填充墙刚度大而承载力低，首先承受地震作用而遭破坏。一般7度即出现裂缝，8度和8度以上地震作用下，裂缝明显增加，甚至部分倒塌，一般是上轻下重，空心砌体墙重于实心砌体墙，砌快墙重于砖墙。框架-剪力墙结构上部较严重，框架结构下部震害严重。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计10填充墙破坏的主要原因是：墙体受剪承载力低，变形能力小，墙体与框架缺乏有效的拉结，在往复变形时墙体易发生剪切破坏和散落。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计11四、抗震墙的震害在强震作用下，抗震墙的震害主要表现在墙肢之间连梁的剪切破坏。主要是由于连梁跨度小，高度大形成深梁，在反复荷载作用下形成X型剪切裂缝，为剪切型脆性破坏，尤其是在房屋1/3高度处的连梁破坏更为明显。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计12五、防震缝的震害防震缝宽度过小，地震时结构相互碰撞造成震害。总结以上震害调查结果，除注意场地和地基因素外，从结构上主要应注意：1）结构的刚度在平面上和沿竖向的分布要规则、均匀；2）结构构件要有足够的承载力和延性；3）重视构造，加强对混凝土的约束，防止剪切、锚固等脆性破坏；4）保证施工质量。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计13原因：单跨框架，结构冗余度不够2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计14原因：单跨框架，结构冗余度不够2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计15集集地震中，高层建筑扭转破坏（平面不规则）。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计16集集地震中，底框结构破坏（竖向不规则）。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计17学校建筑，纵向无墙走廊大悬臂，严重破坏。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计18走廊有柱，破坏较轻。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计19走廊有柱，带翼墙，震害较轻。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计20临街建筑，单面纵墙，刚度偏心，倒塌。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计21§4.3钢筋混凝土结构房屋设计特点及概念设计一、单柱及群柱的曲线PPPPyPyuAB---位移延性比yu/PPABC2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计22PPABCyu弹性范围有约束屈服范围无约束屈服范围二、钢筋混凝土结构的抗震设计特点使用阶段或在常遇地震作用时，结构在弹性范围工作；在基本烈度地震作用时,结构在弹塑性范围工作;在罕遇烈度地震作用时,结构亦在弹塑性范围工作;程度不同2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计23三、钢筋混凝土结构的概念设计1.设置多道抗震防线；2.合理控制结构的弹塑区部位；1）结构有较好的塑性内力重分布能力；2）结构有较宽的约束屈服范围及极限变形；3）局部破坏不致导致整个结构失效及具有易于修复的可能性。3.加强结构的整体性和构件间的连接；4.抗侧力构件的刚度、强度、延性应有适当的对应关系；5.上部结构应与地基条件适应。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计24三、钢筋混凝土结构的概念设计1.设置多道抗震防线；2.合理控制结构的弹塑区部位；1）结构有较好的塑性内力重分布能力；2）结构有较宽的约束屈服范围及极限变形；3）局部破坏不致导致整个结构失效及具有易于修复的可能性。3.加强结构的整体性和构件间的连接；4.抗侧力构件的刚度、强度、延性应有适当的对应关系；5.上部结构应与地基条件适应。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计25§4.4抗震设计的一般规定一、房屋的适用最大高度和最大高宽比《抗震规范》规定：乙、丙和丁类建筑的框架结构和框架-抗震墙结构适用的最大高度应不超过下表的规定。甲类建筑适用的最大高度应专门研究。注：1.房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度（不包括局部突出屋顶部分）；2.框架-核心筒结构指周边稀柱框架与核心筒组成的结构；3.部分框支抗震墙结构指首层或底部两层框支抗震墙结构；4.筒体结构带有一部分主要承受竖向荷载的无梁楼盖时，不作为板柱抗震墙结构；5.不规则或Ⅳ类场地的结构，其最大适用高度一般降低20%左右；6.超过表内高度的房屋，应进行专门研究和论证，采取有效的加强措施。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计26一、房屋的适用最大高度和最大高宽比高层建筑的高宽比限值多层与高层钢筋混凝土房屋抗震设计2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计27二、结构的抗震等级地震作用下，钢筋混凝土结构的地震反应有下列特点：1、地震作用越大，房屋的抗震要求越高；2、结构的抗震能力主要取决于主要抗侧力构件的性能；3、房屋越高，地震反应越大，抗震要求越高。地震作用与烈度、场地等有关，从经济角度考虑，对不同烈度、场地的结构的抗震要求可以有明显的差别。主、次抗侧力构件的抗震要求应有差别。抗震等级是确定结构构件抗震计算和抗震措施的标准。根据设防烈度、房屋高度、建筑类别、结构类型及构件在结构中的重要程度确定，共分四个等级，一级最高。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计28下表为丙类建筑抗震等级的划分：2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计291、甲、乙、丁类建筑应按抗震设防标准中的抗震措施所要求的设防烈度按上表确定抗震等级。2、当框架-抗震墙结构有足够的抗震墙时,其框架部分是次要抗侧力构件,可按框架-抗震墙结构中的框架确定抗震等级。否则按框架结构确定等级。区分标准是看框架部分承受的地震倾覆力矩是否大于结构总地震倾覆力矩的50%。nimjiijchVM11框架承受的地震倾覆力矩可按下式计算：cM--框架-抗震墙结构在基本振型地震作用下框架部分承受的地震倾覆力矩；n--结构层数；m--框架i层柱的根数；ijV--第i层j根框架柱的计算地震剪力；ih--第i层层高。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计303、裙房与主楼的等级cccccc1cc裙房顶部上下各一层应提高抗震措施4、多层与高层建筑的地下室当地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下一层的抗震等级应与上部结构相同，地下一层以下的抗震等级可根据具体情况采用三级或更低等级。地下室中无上部结构的部分，可根据具体情况采用三级或更低等级。图中c为抗震等级裙房与主楼相连，除应按裙房本身考虑外，不应低于主楼的抗震等级；主楼结构在裙房顶层及相邻上下各一层应适当加强抗震构造措施。裙房与主楼分离时，应按裙房本身确定抗震等级。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计31三、建筑结构布置宜规则四、合理设计结构破坏机制1、框架结构为了充分发挥整个结构的抗震能力，较合理的地震破坏机制应为节点基本不破坏，梁比柱的屈服能早发生、多发生；同一层中，各柱两端屈服历程越长越好；底层柱底的塑性铰宜最晚发生。梁柱端的塑性铰出现得尽可能分散。2、框架-抗震墙结构抗震墙的各墙段（包括小开洞墙和联肢墙肢）的高宽比不宜小于2，使其成弯剪破坏。连梁宜在梁端塑性屈服，且有足够的变形能力，在墙段充分发挥抗震作用前不失效。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计32五、构件在极限破坏前不发生明显的脆性破坏主要抗侧力的钢筋混凝土构件的极限破坏应以构件弯曲时主筋受拉屈服破坏为主，应避免变形性能差的混凝土首先压溃或剪切破坏，以及钢筋锚固失效和粘接破坏。延性破坏和脆性破坏两者的变形性能差别很大，与其相关的因素有：抗剪和抗弯承载力之比、剪跨比、剪压比、轴压比、主筋率、配筋率、箍筋形式、混凝土和钢筋材料、钢筋连接和锚固方式等。规范中许多规定都属于这方面的要求。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计33当建筑平面过长、结构单元的结构体系不同、高度和刚度相差过大以及各结构单元的地基条件有较大差异时，应考虑设防震缝。其最小宽度应符合下面要求：高层建筑宜选用合理的建筑结构方案，不设防震缝。1、防震缝（1）钢筋混凝土框架房屋的防震缝宽度，当高度不超过15m时可采用70mm，超过15m时，6、7、8、9度相应每增加高度5m、4m、3m、2m，宜加宽20mm。六、防震缝与抗撞墙（2）框架-抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用框架规定数值的50%，且不宜小于70mm。（3）防震缝两侧结构类型不同时，按不利体系考虑，并按低的房屋高度计算缝宽。th框架框架-抗震墙2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计348、9度设防的钢筋混凝土框架房屋防震缝两侧的结构，当结构高度、刚度或层高相差较大时，可在防震缝两侧房屋的尽端设垂直于防震缝的抗撞墙。2、抗撞墙层高不同高度、刚度相差较大每一侧的数量不应少于两道。宜分别对称布置，墙肢的长度可不大于一个柱距。内力应按考虑和不考虑抗撞墙两种情况进行分析，按不利情况取值。抗撞墙的端柱和框架边柱箍筋应沿房屋全高加密。2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计352、钢筋混凝土框架的梁、柱构件应避免剪切破坏“强剪弱弯”构件弯曲破坏形成的极限剪力应小于构件斜截面的极限剪力。七、钢筋混凝土框架的结构体系1、钢筋混凝土框架结构宜对称布置3、钢筋混凝土框架的梁、柱构件之间应设置成“强柱弱梁”4、梁柱节点的承载力宜大于梁、柱构件的承载力。“强节点、强锚固”2020/5/6第11讲混凝土结构抗震概念设计36抗震墙的一般布置原则是“均匀、分散、对称、周边”。八、框架-剪力墙结构的结构布置1、抗震墙布置的基本原则框架-抗震墙结构中的抗震墙