结构概念设计分析课件

1、建筑结构抗震概念设计主讲：钱晓旭7/28/20221第2讲 地震特征与结构概念设计 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7/28/20222第2讲 地震特征与结构概念设计第二章 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

2、过程。7/28/20223第2讲 地震特征与结构概念设计一、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7/28/20224第2讲 地震特征与结构概念设计1、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

3、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7/28/20225第2讲 地震特征与结构概念设计二、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。7/28/20226第2讲 地震特征与结构概念设计三、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

4、、选择对抗震有利的建筑平面和竖向7/28/20227第2讲 地震特征与结构概念设计三、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）7/28/20228第2讲 地震特征与结构概念设计三、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

5、小变形集中、鞭梢效应对称、规则、质量与刚度变化均匀7/28/20229第2讲 地震特征与结构概念设计建筑抗震概念设计 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%，或较大的楼层错层扭转不规则凹凸角不规则7/28/202210第2讲 地震特征与结构概念设计算例：平面规则性7/28/202211第2讲 地震特征与

6、结构概念设计7/28/202212第2讲 地震特征与结构概念设计算例：平面规则性7/28/202213第2讲 地震特征与结构概念设计7/28/202214第2讲 地震特征与结构概念设计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%，或较大的楼层错层局部不连续大开洞错层7/28/202215第2讲 地震特征与结构概念设计建

7、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%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7/28/202216第2讲 地震特征与结构概念设计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%

8、；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） 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。7/28/202217第2讲 地震特征与结构概念设计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）7/28/202218第2讲

9、地震特征与结构概念设计三、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7/28/202219第2讲 地震特征与结构概念设计三、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

10、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。7/28/202220第2讲 地震特征与结构概念设计现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度(m)7/28/202221第2讲 地震特征与结构概念设计三、有利的房屋抗震体型7/28/202222第2讲 地震特征与结构概念设计三、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。7/28/202223第2讲 地震特征与结构概念设计三、有利的房屋抗震体型7/28/202224第2讲 地震特征与结构概念设计算例：高宽比7/28/202225第

11、2讲 地震特征与结构概念设计7/28/202226第2讲 地震特征与结构概念设计三、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。7/28/202227第2讲 地震特征与结构概念设计三、有利的房屋抗震体型4、防震缝的合理设置7/28/202228第2讲 地震特征与结构概念设计三、有利的房屋抗震体型4、

12、防震缝的合理设置7/28/202229第2讲 地震特征与结构概念设计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7/28/202230第2讲 地震特征与结构概念设计四、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,

13、只轻微损坏,震后稍加修理便恢复使用。7/28/202231第2讲 地震特征与结构概念设计建筑抗震概念设计 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

14、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

15、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7/28/202232第2讲 地震特征与结构概念设计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7/28/202233第2讲 地震特征与结构概念设计7/28/202234第2讲 地震特征与结构概念设计六、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

16、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。7/28/202235第2讲 地震特征与结构概念设计六、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。7/28/202236第2讲 地震特征与结构概念设计六、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

17、构构件中，赘余构件为第一道防线7/28/202237第2讲 地震特征与结构概念设计图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7/28/202238第2讲 地震特征与结构概念设计六、提高结构抗震性能的措施2、提高结构延性结构延性这个术语有4层含义：（1）结构总体延性 用结构的“顶点侧移比”或结构的“平均层间侧移比”来表达7/28/202239第2讲 地震特征与结构概念设计六、提高结构抗震性能的措施2、提高结构延性结构延性这个术语有4层含义：（2）结构楼层延性 一般以一个楼层的层间侧移比来表达7/28/202240第2讲 地震特征与结构概念设计六、提高结构抗震

18、性能的措施2、提高结构延性结构延性这个术语有4层含义：（3）构件延性 是指整个结构中某一构件（一榀框架或一片墙体）的延性。7/28/202241第2讲 地震特征与结构概念设计六、提高结构抗震性能的措施2、提高结构延性结构延性这个术语有4层含义：（4）杆件延性是指一个构件中某一杆件（框架中的梁、柱，墙片中的连梁、墙肢）的延性。7/28/202242第2讲 地震特征与结构概念设计六、提高结构抗震性能的措施一般而言，在结构抗震设计中，对结构中重要构件的延性要求，高于对结构总体的廷性要求；对构件中关键杆件或部位的延性要求，又高于对整个构件的延性要求。7/28/202243第2讲 地震特征与结构概念设计

19、六、提高结构抗震性能的措施3、采用减震方法（1）提高结构阻尼结构的地震反应随结构阻尼比的增大而减小。提高结构阻尼能有效地削减地震反应的峰值。（2）采用高延性构件增加结构的延性，不仅能削弱地震反应，而且提高了结构抗御强烈地震的能力。（3）采用隔震和消能减震技术综上所述：增大结构延性可以显著减小结构所需承担的地震作用。7/28/202244第2讲 地震特征与结构概念设计六、提高结构抗震性能的措施4、优选耗能杆件根据结构中选择主要耗能构件或杆件的原则，应选择构件中轴力较小的水平杆件为主要耗能构件，从而使整个结构具有较大的延性和耗能能力。（1）弯曲耗能优于剪切耗能（2）弯曲耗能优于轴变耗能图2-4 竖

20、向斜撑的变形耗能机制（a）轴交支撑；（b）偏交支撑7/28/202245第2讲 地震特征与结构概念设计七、控制结构变形地震时建筑物的破坏程度，主要取决于主体结构变形的大小。结构变形可用层间位移和顶点位移两种方式表达。各层间位移之和即为结构顶点位移。7/28/202246第2讲 地震特征与结构概念设计八、确保结构整体性（1）结构应具有连续性（2）构件间的可靠连接（3）提高结构的竖向整体刚度7/28/202247第2讲 地震特征与结构概念设计九、减轻房屋的自重震害表明，自重大的建筑比自重小的建筑更容易遭到破坏。减小房屋自重的途径：1、减小楼板厚度（最佳途径）2、尽量减薄墙体3、高强混凝土的应用4、

21、轻质材料的应用7/28/202248第2讲 地震特征与结构概念设计十、妥善处理非结构部件非结构部件在抗震设计时若处理不当，在地震中易发生严重破坏或闪落，甚至造成主体结构破坏。1、考虑填充墙的影响2、玻璃幕墙的构造3、外墙板的连接7/28/202249第2讲 地震特征与结构概念设计习 题1、现有下述几类非结构构件：雨篷、女儿墙贴面、悬吊重物电梯、公用天线管道系统、通信设备试问那些属于建筑非结构构件。依据规范，3、4属于建筑附属机电设备，不属于非结构构件。7/28/202250第2讲 地震特征与结构概念设计习 题2、按规范基本抗震设防目标设计的建筑，当遭受本地区地震影响时，建筑物应处于何种状态：（

22、A）不受损坏（B）一般不损坏或不需修理仍可继续使用（C）可能损坏，经一般性修理仍可继续使用（D）严重损坏，需大修后方可继续使用7/28/202251第2讲 地震特征与结构概念设计习 题3、按抗震规范设计的建筑，当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，建筑物应处于何种状态：（A）主体结构不受损坏或不需修理仍可继续使用（B）可能损坏，经一般性修理或不需修理仍可继续使用（C）不致发生危及生命的严重破坏（D）不致倒塌7/28/202252第2讲 地震特征与结构概念设计习 题4、某建筑物抗震设防烈度为7度，按规范“小震不坏”的设防目标是指：（A）当遭遇低于7度的多遇地震影响时，经修理仍可继续使用（B）

23、当遭遇低于7度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理仍可继续使用（C）当遭遇7度的多遇地震影响时，不受损坏或不需修理仍可继续使用（D）当遭遇低于7度的多遇地震影响时，可能损坏，经一般性修理仍可继续使用7/28/202253第2讲 地震特征与结构概念设计习 题5、某建筑物抗震设防烈度为8度，按规范“大震不倒”的设防目标是指：（A）当遭遇8度的地震影响时，不致发生危及生命的严重破坏（B）当遭遇8度的地震影响时，一般不致倒塌伤人，经修理后仍可继续使用。（C）当遭遇高于8度的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌，经一般修理后仍可继续使用。（D）当遭遇高于8度的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生

24、命的严重破坏7/28/202254第2讲 地震特征与结构概念设计作业何谓结构的延性?说明结构延性的基本原则结构概念设计包括哪些基本内容?7/28/202255第2讲 地震特征与结构概念设计习题7/28/202256第2讲 地震特征与结构概念设计7/28/202257第2讲 地震特征与结构概念设计7/28/202258第2讲 地震特征与结构概念设计抗震性能设计结构抗震性能设计应分析结构方案的特殊性、选用适宜的抗震性能目标，并分析论证结构方案可满足预期的抗震性能目标的要求。7/28/202259第2讲 地震特征与结构概念设计抗震性能水准1、定义 结构震后损害状况及继续使用可能性等抗震性能的界定。7

25、/28/202260第2讲 地震特征与结构概念设计建筑的地震破坏宏观状态7/28/202261第2讲 地震特征与结构概念设计结构抗震性能目标应综合考虑抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构的特殊性、建造费用、震后损失和修复难易程度等各项因素选定。结构抗震性能目标分为A、B、C、D 四个等级；结构抗震性能分为1、2、3、4、5 五个水准；每个性能目标均与一组在指定地震地面运动下的结构抗震性能水准相对应。7/28/202262第2讲 地震特征与结构概念设计抗震性能设计总结第1性能水准的结构：全部结构构件的抗震承载力满足中震或大震弹性设计。第2性能水准的结构：竖向构件及关键构件的抗震承载力满足中震或

26、大震弹性设计。耗能构件的受剪承载力满足中震或大震弹性设计，其正截面承载力满足中震或大震不屈服设计。第3性能水准的结构：竖向构件及关键构件的受剪承载力满足中震或大震弹性设计，其正截面承载力满足中震或大震不屈服设计。部分耗能构件进入屈服阶段，但其抗剪承载力满足中震或大震不屈服设计。第4性能水准的结构：关键构件的抗震承载力满足中震或大震不屈服设计。部分竖向构件及大部分耗能构件进入屈服阶段。第5性能水准的结构：关键构件的抗震承载力满足中震或大震不屈服设计。较多的竖向构件进入屈服阶段，但不充许同一楼层的竖向构件全部屈服。允许部分耗能构件发生比较严重的破坏。7/28/202263第2讲 地震特征与结构概念

27、设计抗震性能设计总结抗震性能目标A：1（小震）+1（中震）+2（大震）抗震性能目标B：1（小震）+2 (中震）+3（大震)抗震性能目标C：1（小震）+3（中震）+4（大震）抗震性能目标D：1（小震）+4（中震）+5（大震）7/28/202264第2讲 地震特征与结构概念设计四种性能目标所要求的结构抗震性能水准有较大的区别：A级性能目标：是最高等级，中震作用下要求结构达到第1 抗震性能水准，大震作用下要求结构达到第2 抗震性能水准，即结构仍处于基本弹性状态；B级性能目标：要求结构在中震作用下满足第2 抗震性能水准，大震作用下满足3 抗震性能水准，结构仅有轻度损坏；7/28/202265第2讲 地

28、震特征与结构概念设计C级性能目标：要求结构在中震作用下满足第3 抗震性能水准，大震作用下满足第4 抗震性能水准，结构中度损坏；D级性能目标：是最低等级，要求结构在中震作用下满足第4抗震性能水准，大震作用下满足第5 性能水准，结构有比较严重的损坏，但不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。 四种性能目标所要求的结构抗震性能水准有较大的区别：7/28/202266第2讲 地震特征与结构概念设计建筑结构性能目标的选择特别不规则的超限高层建筑或不利地段的特别不规则结构，可选用A。房屋高度或不规则超过规范很多时，可选B或C。房屋高度或不规则超过规范较多时，可选C。房屋高度或不规则超过规范较少时，可选C或D7/

29、28/202267第2讲 地震特征与结构概念设计7/28/202268第2讲 地震特征与结构概念设计现有的抗震性能优化方法目前抗震性能化设计大都采用弹塑性计算方法，即静力弹塑性分析（pushover）和动力弹塑性时程分析，两种方法均在一定程度上反映了结构的弹塑性。pushover法更多的是通过单一加载方式得到的基底剪力、顶点位移来反映结构的抗震性能；动力时程分析反映了结构在某一单一时程数据的动力效应，难以覆盖整个建筑物生命历程中可能发生的地震效应。两种计算方法还停留在对结构进行校核阶段，其分析结果的可信度取决于多种因素，前者主要取决于加载方式，后者主要取决于地震波的合理性，难以真正用于结构的承

30、载力设计。7/28/202269第2讲 地震特征与结构概念设计三、有利的房屋抗震体型 结构规则性总是震不倒的建筑是由中国人创造出来的.7/28/202270第2讲 地震特征与结构概念设计体型复杂的结构物：可以设置抗震缝，将结构物分成规则的结构单元，不宜设置抗震缝的体型复杂的建筑，则应进行较精细的结构抗震分析高层建筑：要注意使设缝后形成的结构单元的自振周期避开 场地土的卓越周期7/28/202271第2讲 地震特征与结构概念设计建筑抗震概念设计 基本内容 建筑设计应重视建筑结构的规则性； 抗侧力结构和构件的延性设计。 合理的建筑结构体系选择；7/28/202272第2讲 地震特征与结构概念设计建筑抗震概念设计 结构体系3.5.2 结构体系应符合下列各项要求： 1. 应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。 2. 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。 3. 应具备必要的抗震承载力、良好的变形能力和消耗地震能量的能力。 4. 对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。7/28/2022