多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计

5多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计5.1概述5.2抗震设计的一般要求5.3框架内力与位移计算5.4钢筋混凝土框架结构构件设计5.5框架结构设计例题本章要点掌握：水平地震作用的计算；框架内力和位移计算；框架梁、柱、节点的抗震设计。理解：多高层钢筋混凝土结构房屋抗震设计的一般要求。了解：多层及高层钢筋混凝土结构房屋的主要结构体系及震害特点。结构概念的理解柱子的轴压比：还有剪跨比(柱截面承受的弯距与剪力相对大小的一个参数。表示为：M/Vh，h表示柱截面高度。此值大于2称该柱为长柱。小于2为短柱。)轴力与抗压强度与截面积的乘积之比，一般和抗震时柱子的延性息息相关(同时和剪跨比也有很大关系)，轴压比越小，变形能力越强，反之亦然，柱子和梁比起来，它的变形能力比较差，但是柱子在结构中的地位比梁大，所以要对它的变形能力作更多的要求，轴压比，剪跨比的限制就是因此而来的轴压比是为了控制小偏心受压(脆性)，在规范中也有限值，按抗震等级分：柱轴压比限值结构类型抗震等级一二三框架结构0.70.80.9框架抗震墙板柱抗震墙及筒体0.750.850.95部分框支抗震墙0.60.7—结构设计几个限值的意义1、轴压比：主要为控制结构的延性，规范对墙肢和柱均有相应限值要求，见抗规6.3.7和6.4.6，在剪力墙的轴压比计算中，轴力取重力荷载代表设计值，与柱子的不一样。2、剪重比：主要为控制各楼层最小地震剪力，确保结构安全性，见抗规5.2.5。3、侧向刚度比：主要为控制结构竖向规则性。位移比：主要为控制结构平面规则性，以免形成扭转，对结构产生不利影响。控制比例为1.5。见抗规3.4.2、3.4.3。4、周期比：主要为控制结构扭转效应，减小扭转对结构产生的不利影响，要求见高规4.3.5。5、刚重比：主要为控制结构的稳定性，以免结构产生滑移和倾覆，要求见高规。6、剪跨比：梁的剪跨比，剪力的位置a与h0的比值。剪跨比影响了剪应力和正应力之间的相对关系，因此也决定了主应力的大小和方向，也影响着梁的斜截面受剪承载力和破坏的方式；同时也反映在受剪承载力的公式上。柱的剪跨比：若反弯点在柱子层高范围内，可取柱子的剪跨比小于2时，需要全长加密，见混凝土规范11.4.12、11.4.17。7、剪压比（梁柱截面上的名义剪应力V/fcbh0与混凝土轴心抗压强度设计值的比值）：梁塑性铰区的截面剪压比对梁的延性、耗能能力及保持梁的强度、刚度有明显的影响，当剪压比大于0.15的时候，梁的强度和刚度有明显的退化现象，此时再增加箍筋用量，也不能发挥作用，因此对梁柱的截面尺寸有所要求。8、轴压比：轴压比是指有地震作用组合的柱组合轴压力设计值与柱的全截面面积和砼轴心受压抗压强度设计值乘积的比值，是影响柱子破坏形态和延性的主要因素之一。轴压比限值的依据是理论分析和试验研究并参照国外的类似条件确定的，其基准值是对称配筋柱大小偏心受压状态的轴压比分界值。9、跨高比：梁的跨高比（梁的净跨与梁截面高度的比值）对梁的抗震性能有明显的影响。梁（非剪力墙的连梁）的跨高比小于5和深梁都按照深受弯构件进行计算的。10、延性比：延性比即为弹塑性位移增大系数。延性是指材料、构件、结构在初始强度没有明显退化的情况下的非弹性变形能力。延性比主要分为三个层面，即截面的延性比、构件的延性比和结构的延性比。结构的延性比多指框架或者剪力墙等结构的水平荷载-顶层水平位移（P-delta）、水平荷载-层间位移等曲线。5.1概述多层和高层钢筋混凝土结构体系包括：框架结构体系由梁和柱组成，平面布置灵活，易于满足建筑物设置大房间的要求，应用广泛。抗震墙也称剪力墙，这种结构体系由钢筋混凝土纵横墙组成，抗侧力性能较强，但平面布置不灵活，纯剪力墙体系一般用于住宅、旅馆和办公楼建筑。筒体结构或由四周封闭的剪力墙构成单筒式的筒状结构；或以楼电梯为内筒，密排柱深梁框架为外框筒组成筒中筒结构。这种结构的空间刚度大，抗侧和抗扭刚度都很强，建筑布局亦灵活。常用于超高层公寓、办公楼和商业大厦建筑等。框架-抗震墙结构：在框架房屋中增加抗震墙构成。框架－筒体体系：在框架房屋中增加筒体构成。抗震墙一、结构布置不合理引起的震害扭转破坏：结构的平面布置不当容易造成刚度中心和质量中心的不重合，使地震时结构产生过大的扭转反应。旋转轴唐山地震时，位于天津市的一幢平面为L形的建筑由于不对称而产生了强烈的扭转反应，导致离转动中心较远的东南角和东北角处严重破坏薄弱层破坏：地震作用下，结构抗侧移刚度沿高度方向的突然变化易在抗侧移刚度薄弱的楼层形成塑性变形和破坏集中，造成结构的倒塌。具有薄弱底层的房屋，易在地震时倒塌。漩口中学某教学楼整体后仰北川妇幼保健院大楼倾倒建筑群由一幢L型和一幢C型大楼组成，地震中，C形大楼向内倾倒，砸向L形大楼。上图为C形大楼的柱网布置。柱距大，柱网稀，在横向只有一跨框架，冗余度不足。彰化县员林镇龙邦富贵名门大楼16层钢筋混凝土结构住宅，柱距7~10m，柱子数量不足，赘余度不足。应力集中：结构竖向布置的突变处由于应力集中会产生严重震害。台湾南投县集集镇、原为供奉玄天上帝的武昌宫震后底层坍塌防震缝处碰撞：防震缝如果宽度不够，其两侧的结构单元在地震时就会相互碰撞而产生震害ⅠⅡ日本阪神震害1995二、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。日本神户大地震破坏的槽型钢骨混凝土柱（剪压）日本神户大地震桥梁钢筋混凝土桥墩的剪切破坏加腋时，塑性铰转移2.柱底与柱顶相似，由于箍筋较柱顶密，震害相对柱顶较轻。北川一中教学楼：柱配筋不足，上部叠合塌落，五层变为三层。3.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。绵竹实验学校教学楼，四层框架，窗间墙砌筑不合理形成短柱破坏都江堰市交通稽查所，三层框架，窗间墙砌筑不合理形成短柱破坏为避免在框架结构中形成短柱，在楼梯梁下改为构造柱支撑时的破坏情况。角柱加短柱4.角柱由于双向受弯、受剪,加上扭转作用，震害比内柱重。角柱的破坏5.框架梁震害多在梁端，为剪切破坏。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斜裂缝（因弯剪作用）。在梁负弯矩钢筋切断处由于抗剪能力削弱也易产生裂缝，造成梁剪切破坏。原因：梁端屈服后产生的剪力较大，超过梁的受剪能力，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因素引起的。6.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，节点内箍筋很少或没有放置箍筋时，柱纵向筋压曲外鼓。梁筋锚固破坏。锚固长度不足，从节点内拔出，将混凝土拉裂。装配式框架构件连接处易发生脆断，剖口焊接钢筋处易拉断，焊接处后浇混凝土开裂或散落。原因：节点受弯承载力不足，约束混凝土太少，梁筋锚固长度不足及施工质量引起。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。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。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。五、其他1.伸缩缝宽度太小，地震时发生碰撞造成震害。如：天津友谊宾馆，东西段之间没有15cm抗震缝，在唐山地震时，防震缝处不少面积因碰撞而掉落。2.建造在软弱地基上的高柔建筑物，因Tg=T1发生共振，烈度不高但其破坏的例子屡见不鲜。如：1976年委内瑞拉发生6.5级地震，距震中56km的加拉加斯冲积场地上有4幢10至12层钢筋混凝土框架结构公寓倒塌。1976年唐山发生7.8级地震，距震中70km的天津塘沽地区，地质条件为淤泥粘土层的天津碱厂蒸发塔工程，高55m的框架结构，7层以上部分倒塌。3.建造在软弱地基上或液化土层上的框架结构，在地震时常因地基不均匀沉陷使上部结构倾斜甚至倒塌。北川底框建筑的破坏施工中未设置墙体锚拉钢筋施工中的楼梯出现塑性铰绵竹市汉旺镇人保大厦顶部装饰坠落都江堰市公安局办公楼顶部通信塔折断，女儿墙倒塌。鞭端效应5.2抗震设计的一般要求5.2.1结构体系选择不同的结构体系，其抗震性能、使用效果和经济指标亦不同。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。选择结构体系在震区应综合考虑如下条件：•现浇混凝土房屋适用的最大高度—表5.1•房屋高宽比限值—高宽比值愈大，即建筑愈瘦高，地震作用下的侧移愈大，地震引起的倾覆作用愈严重，两侧柱轴力愈大，构件易压屈。震例1：1967年委内瑞拉的加拉加斯地震，曾发生明显的由于过大倾覆力矩引起的破坏震害。该市一栋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，地震中，地下室大部分柱子在中段被压碎，钢筋压弯呈灯笼状。震例2:1985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45°，并连同将基础底面的摩擦桩拔出。表5-1现浇钢筋混凝土房屋结构适用的最大高度(m)结构类型6度7度8度9度框架，板柱抗震墙4432框架—抗震墙5543筒体，抗震墙6654适用的房屋最大高宽比不应采用40557080板柱-抗震墙80100120150180筒中筒7090100130150框架-核心筒筒体不应采用5080100120部分框支抗震墙6080100120140抗震墙5080100120130框架-抗震墙2435405060框架98(0.3g)8(0.2g)76烈度结构类型注：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框架一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为框支层的结构，不包括仅个别框支墙的情况；4表中框架，不包括异形柱框架；5板柱一抗震墙结构指板柱、框架和抗震墙组成抗侧力体系的结构；6乙类建筑可按本地区抗震设防烈度确定其适用的最大高度；7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。•建筑物刚度与场地条件有关；•选择合理的基础形式及埋置深度：天然地基时，埋深不小于房屋高度的1/15；桩基础时不小于1/18（不计桩长）。5.2.2结构布置1.结构布置的基本原则结构平面简单规则，结构的主要抗侧力构件应对称均匀，结构的刚心与质心重合，避免扭转及局部应力集中。结构的竖向布置，质量沿高度方向均匀分布，避免刚度突变，尽可能降低建筑物的重心，以利结构的整体稳定性。合理地设置变形缝。加强楼屋盖的整体性。尽可能做到技术先进，经济合理。2.框架结构布置框架结构主要用于10层以下的住宅、办公及各类公共建筑与工业建筑。常见的框架柱网形式有方格式与内廊式两类。承重框架宜双向设置——抵抗不同方向的地震作用。楼、电梯间不宜布置在结构的尽端及转角处。刚度沿高度方向上应分布均匀——避免薄弱层。出屋面小结构不要做成砖混结构——鞭端效应。延性框架的设计要点：——“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、强节点、强锚固。应优先采用轻质墙体材料，刚性非承重墙体的布置，在平面和竖向的布置宜均匀对称，避免形成薄弱层或短柱。墙体与框架应可靠连接，以适应不同方向的层间侧移。砌体填充墙宜于梁柱轴线重合，并与柱脱开或采用柔性连接。规范6.1.5框架结构和框架一抗震墙结构中，框架和抗震墙均应双向设置，柱中线与抗震墙中线、梁中线与柱中线之间偏心距大于柱宽的1/4时，应计人偏心的影响。甲、乙类建筑以及高度