多高层建筑钢筋混凝土结构..ppt

,第五章 多高层建筑钢筋混凝土结构 抗震设计,5.1 多高层钢筋混凝土结构的震害及其分析 5.2 选型、结构布置和设计原则 5.3 钢筋混凝土框架结构的抗震设计 5.4 抗震墙结构的抗震设计（自学） 5.5 框架抗震墙结构的抗震设计（自学） 5.6 高强混凝土结构的抗震设计要求（自学）,主要内容,多高层钢筋混凝土结构的 震害及其分析,第一节,一、结构布置不合理而产生的震害,扭转破坏,平面为l形的建筑,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。,旋转轴,薄弱层破坏,底部框架结构的变形,高层建筑的第5层倒塌,第五层破坏,软弱底层房屋倒塌形式（倾倒）,软弱底层房屋倒塌形式 （底层完全倒塌）,具有薄弱底层的房屋，易在地震时倒塌,应力集中,应力集中产生的震害,结构竖向布置产生很大的突变时，在突变处由于应力集中会产生严重震害。,5.1 多层钢筋混凝土结构的震害及其分析,防震缝处碰撞,防震缝两侧结构单元的碰撞,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,二、框架结构的震害,整体破坏形式,框架的整体破坏形式按破坏性质可分为延性破坏和脆性破坏，按破坏机制可分为梁铰机制（强柱弱梁型）和柱铰机制（强梁弱柱型）。,局部破坏形式,框架梁、柱、节点震害,（1）框架梁 破坏发生在梁端，梁端纵筋屈服，出现上下贯通垂直裂缝和交叉斜裂缝。在梁端负弯矩钢筋切断处，由于抗弯能力的削弱也容易产生裂缝，造成梁剪切破坏。,框架梁剪切破坏的主要原因： 梁端钢筋屈服后，裂缝的产生和开展使混凝土抵抗剪力的能力逐渐减小，而梁内箍筋配置又少，以及地震反复作用使混凝土抗剪强度进一步降低。当剪力超过梁抗剪承载力时产生破坏。,（2）框架柱 破坏主要发生在接近节点处，在水平地震作用下，进入塑性阶段，形成塑性铰，发生破坏。,a、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。,b、柱底：与柱顶相似，由于箍筋较柱顶密，震害相对柱顶较轻。,c、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。,d、角柱：由于双向受弯、受剪,加上扭转作用，震害比内柱重。,（3） 框架节点 节点的破坏机理复杂，主要表现为：节点核芯产生斜向的x形裂缝，当节点区剪压比较大时，箍筋未屈服混凝土就被剪、压酥碎而破坏，导致整个框架破坏。,破坏主要原因：大都是混凝土强度不足、节点处的箍筋配置量小或节点处钢筋太稠密，使得混凝土浇捣不密实，梁筋锚固长度不够。,节点的破坏,填充墙的破坏,填充墙的震害较框架结构严重。由于框架侧向变形，使墙体出现斜裂缝或对角裂缝。强震时，未采取拉结处理措施的墙体，则有局部或整片倒塌的现象。一般地讲，非承重空心砖填充墙比普通粘土砖填充墙破坏严重。,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。,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。,三、具有抗震墙的结构的震害,抗震墙的破坏,抗震墙的剪切破坏,墙肢间连梁的破坏,在地震反复作用下，在连梁的梁侧形成x形裂缝，主要是由于剪力和弯矩产生的主拉应力超过连梁混凝土抗拉强度所致抗震墙的破坏，一般不会导致房屋倒塌，可消耗地震能力，小震是应保证不出现裂缝。,选型、结构布置和设计原则,第二节,一、结构选型,多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。,抗震墙,房屋高度及限值,抗震墙之间楼屋盖的最大长宽比,楼盖应优先选用现浇楼盖，其次是装配整体式楼盖，最后才是装配式楼盖。,现浇钢筋混凝土房屋结构适用的最大高度 (m),对平面和竖向均不规则的结构或建造于类场地上的结 构，其适用的最大高度尚应适当降低。当设防烈度为6、7、8度，且房屋高度分别超过120m、100m、80m时，不宜采用框支层现浇抗震墙结构。,结构的抗震等级,1、地震作用越大，房屋的抗震要求越高； 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。,2、结构的抗震能力主要取决于主要抗侧力构件的性能； 主、次抗侧力构件的抗震要求应有差别。,3、房屋越高，地震反应越大，抗震要求越高。 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。,结构的平面布置是指在结构平面图上布置柱和墙的位置以及楼盖的传力方式。从抗震的角度看，最主要的是使结构平面的质量中心和刚度中心相重合或尽可能靠近，以减小结构的扭转反应。,结构的平面布置宜简单、对称和规则,表5-3 l、l 的限值,二、结构布置,平面布置,高层建筑（8层及8层以上）的平面中l不宜过长（图5-18），突出部分长度l宜减小，凹角处宜采取加强措施。图5-18中，l、l和l的值宜满足前表5-3的要求。,图5-18 高层建筑平面,结构沿竖向（铅直方向）应尽可能均匀而少变化，使结构的刚度沿竖向均匀。,为使结构有较好的整体刚度和稳定性，结构高度h和宽度b的比值不宜超过表5-4所列的限值,表5-4 适用的房屋最大高宽比,竖向布置,平面形状复杂时，宜用防震缝划分成较规则简单的单元。但对高层结构，宜尽可能不设缝。,当需要设置防震缝时，其最小宽度应符合下列要求： （1）框架结构房屋的防震缝宽度，当高度不超过15m时可采用100mm；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上述对框架规定数值的70%，抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用上述对框架规定数值的50%；且均不宜小于100mm。 （3）防震缝两侧结构体系不同时，防震缝宽度应按需要较宽的规定采用，并可按较低房屋高度计算缝宽。 （4）8、9度框架结构房屋防震缝两侧结构高度、刚度或层高相差较大时，可在缝两侧房屋的尽端沿全高设置垂直于防震缝的抗撞墙，每一侧抗撞墙的数量不应少于两道，宜分别对称布置，墙肢长度可不大于一个柱距。,三、防震缝的设置,按抗震要求设计的混凝土结构的材料应符合下列要求： （1）混凝土的强度等级，抗震等级为一级的框架梁、柱、节点核心区、框支梁、框支柱不应低于c30；构造柱、芯柱、圈梁及其他各类构件不应低于c20。并且，混凝土结构的强度等级，在9度时不宜超过c60，在8度时不宜超过c70。,（2） 普通钢筋的强度等级，纵向受力钢筋宜采用hrb335级和hrb400级热轧钢筋；箍筋宜采用hpb235、hrb335和hrb400级热轧钢筋。普通钢筋宜优先采用延性、韧性和可焊性较好的钢筋。对一、二级抗震等级的框架结构，其普通纵向受力钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25；屈服强度实测值与强度标准值的比值不应大于1.3。,（3）在施工中，当需要以强度等级较高的钢筋代替原设计中的纵向受力钢筋时，应按照钢筋受拉承载力相等的原则换算，并应满足正常使用极限状态和抗震构造的要求。,三、材料,四、抗震等级,现浇钢筋混凝土结构的抗震等级,（1）对跨高比大于2.5的梁和连梁及剪跨比大于2的柱和抗震墙，要求：,v,（0.20 fcbh0）,（2）对跨高比不大于2.5的梁和连梁、剪跨比不大于2的柱和抗震墙、部分框支抗震墙结构的框支柱和框支架、以及落地抗震墙底部加强部位，要求：,v,（0.15 fcbh0）,钢筋混凝土结构的梁、柱、抗震墙和连梁，其截面组合的剪力设计值应符合下列要求：,五、按抗剪要求的截面限制条件,钢筋混凝土框架结构的 抗震设计,第三节,在抗震设计时，一般只需且必须对结构纵、横两个主轴方向进行抗震计算。,梁和柱的中线宜重合，框架柱的截面高度和宽度均不宜小于300mm ,还应注意避免形成短柱(柱净高与截面高度之比小于4的柱)。,在竖向非地震荷载作用下，可用调幅法来考虑框架梁的塑性内力重分布。,框架结构单独柱基有下列情况之一时，宜沿两个主轴方向设置基础系梁：,（1）一级和iv类场地的二级； （2）各柱基承受的重力荷载代表值差别较大； （3）基础埋置较深，或各基础埋置深度差别较大； （4）地基主要受力层范围内存在软弱粘土层、液化土层和严重不均匀土层； （5）桩基承台之间。,一、框架结构的设计要点,其中dij为第i层第j根柱的抗侧刚度,底部剪力法,例如，求得结构第i层的地震剪力qi后，再把qi按该层各柱的刚度进行分配，得该层第j柱所承受的地震剪力qij为,二、地震作用分配和内力计算,地震作用在结构各部分的分配,反弯点法,内力计算,d值法,重点！,d值法,后者较为常用,（1）反弯点法,假定： (1)梁的线刚度为无穷大； (2) 底层柱的反弯点在距基础2/3柱高处。,框架在水平节点力作用下的弯矩图,设框架共有n层，每层有m个柱子。第j层的总剪力vj可根据平衡条件求出。设第j层各柱的剪力分别为vj1, vj2, ., vjm，则有：,设该层的层间水平位移为j，由于各柱的两端只有水平位移而无转角，则有,其中，ijk为第j层第k柱的线刚度；hj为第j层柱的高度。,k=1, , m,把式（5-6）代入式（5-5），由于梁的刚度为无穷大，从而第j层的各柱两端的相对水平位移均相同（均为j），因此有,得到第j层各柱的剪力为,求出各柱的剪力后，根据已知各柱的反弯点位置，可求出各柱的弯矩。,修正后的柱抗侧刚度d可表示为,d值法（改进反弯点法）考虑节点转动对反弯点法进行修正，包括抗侧刚度和反弯点位置的修正。影响抗侧刚度的因素有柱本身线刚度、上下梁线刚度、上下层柱的线刚度以及其它影响柱端约束的因素。,（2）d值法,系数可如下导出,假定：,（1）柱ab及与其上下相邻的柱的高度均为hj、线刚度均为ic，且这些柱的层间位移均为j；（2）柱ab两端节点及与其上下左右相邻的各个节点的转角均为。记梁eb、bf、ga、ah的线刚度分别为i1、i2、i3、i4。,则可导得：,其中, i = i1 + i2 + i3 + i4,图 用于推导d值法的框架单元,类似地可导出底层柱的抗侧刚度修正系数。,柱侧向刚度修正系数,求得柱抗侧刚度d值后，可按与反弯点法相类似的推导，得出第j层第k柱的剪力：,为求柱的弯矩，还需要知道柱的反弯点位置。,反弯点位置,柱的反弯点位置取决于其上下端弯矩的比值。影响柱反弯点位置的因素有：侧向外荷载的形式、梁柱线刚度比、结构总层数及该柱所在的层次、柱上下横梁线刚度比、上层层高的变化、下层层高的变化等。,柱底至反弯点的高度yh 经公式 修正后，可求出各柱的弯矩。,yh = (y0 + y1 + y2 + y3)h,框架结构的各种内力算出后，要用荷载组合和内力组合的方法得出各控制截面的最不利设计内力。然后据此进行截面的配筋设计和构造设计。,通过内力组合得出的设计内力，还需进行调整以保证梁端的破坏先于柱端的破坏（强柱弱梁的原则）、弯曲破坏先于剪切破坏（强剪弱弯的原则）、构件的破坏先于节点的破坏（强节点弱构件的原则）。下面先介绍前两个原则的保证措施。后一原则将在第5.3.4节中介绍。,地震作用效应的调整,三、截面设计与构造,（1）根据“强柱弱梁”原则的调整,根据“强柱弱梁”原则进行调整的思路是：对同一节点，使其在地震作用组合下，柱端的弯矩设计值略大于梁端的弯矩设计值或抗弯能力。,一、二、三级框架的梁柱节点处，除框支层最上层的柱上端、框架顶层和柱轴压比小于0.15者外，柱端弯矩设计值应符合下式要求：,（5-13）,9度和一级框架结构尚应符合,（5-14）,mc为节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和,mb为节点左右梁端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和,mbua为节点左右梁端截面反时针或顺时针方向根据实配钢筋面积（考虑受压筋）和材料强度标准值计算的抗震受弯承载力所对应的弯矩值之和,c为强柱系数，框架结构一级为1.7，二级为1.5，三级为1.3，四级为1.2；其他结构类型的框架，一级去1.4，二级取1.2，三、四级取1.1。,(2) 根据“强剪弱弯”原则的调整,根据“强剪弱弯”原则进行调整的思路是：对同一杆件，使其在地震作用组合下，剪力设计值略大于按设计弯矩或实际抗弯承载力及梁上荷载反算出的剪力。,1）框架梁设计剪力的调整,一、二、三级的框架梁和抗震墙中的连梁，其梁瑞剪力设计值应按下式调整：,vvb（mbl mbr）/ln十 vgb,9度时和一级框架结构尚应符合,v 1l（mbual mbuar)/ln十vgb,(5-15),(5-16),式中,v为梁端组合剪力设计值,ln为梁的净跨,vgb为梁在重力荷载代表值（9度时高层建筑还应包括竖向地震作用标准值）作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力设计值,mbl和mbr分别为梁左右端反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值,mbual和mbuar分别为梁左右端反时针或顺时针方向根据实配钢筋面积（考虑受压筋）和材料强度标准值计算的抗震受弯承载力所对应的弯矩值,vb为梁端剪力增大系数，一级为13，二级为12，三级为11,2）框架柱设计剪力的调整,一、二、三级、四级的框架柱和框支柱端部组合的剪力设计值应按下式调整：,vvc( mctmcb）hn,9度时和一级框架结构尚应符合,vl2（mcuatmcuab）hn,(5-17),(5-18),v为柱端组合剪力设计值,vc为柱剪力增大系数，框架结构一级为1.5，二级为1.3，三级为1.2,四级为1.1；其他结构类型的框架，一级去1.4，二级取1.2，三、四级取1.1。,mct和mcb分别为柱的上下端顺时针或反时针方向截面组合的弯矩设计值，应符合上述对柱端弯矩设计值的要求,mcuat 和mcuab分别为偏心受压柱的上下端顺时针或反时针方向根据实配钢筋面积、材料强度标准值和轴压力等计算的抗震承载力所对应的弯矩值,hn为柱的净高,2.配筋和构造,(1)截面尺寸限制条件,为了保证结构的延性，防止发生脆性破坏，对抗震结构往往要求更为严格的截面限制条件，使截面的尺寸不致过小。,梁端截面的混凝土受压区高度x，当考虑受压钢筋的作用时，应满足下列条件：,x 0.25h0 （一级）,x 0.35h0 （二、三级）,（5-19）,（5-20）,其中h0为截面的有效高度 。,钢筋混凝土结构的梁、柱、抗震墙和连梁，其截面组合的剪力设计值应符合下列要求：,（1）跨高比大于2.5的梁和连梁及剪跨比大于2的柱和抗震墙，考虑地震组合的剪力设计值v应满足：,（2）跨高比不大于2.5的梁和连梁、剪跨比不大于2的柱和抗震墙、部分框支抗震墙结构的框支柱和框支梁、以及落地抗震墙底部加强部位，应满足：,（5-21）,（5-22）,上述剪跨比应按下式计算：,（5-23）,(2) 抗剪承载力的折减,在反复荷载作用下，梁端形成交叉剪切裂缝，混凝土所能承担的极限剪力大大降低，故在设计时须考虑这种影响。,考虑地震作用组合时，梁受剪承载力计算公式为：,其中，vc和vs分别为不考虑地震作用时的受剪承载力设计值表达式中的混凝土项和箍筋项。上式中的系数0.6考虑了反复荷载作用下混凝土受剪承载力的降低。,（5-24）,柱剪力设计值确定后，柱的受剪承载力计算的公式与式（5-24）相类似，只须把该式中的vb换成vc，并考虑轴力项即可。即，柱受剪承载力计算公式为：,（5-25）,其中，当小于1时，取=1；当大于3时，取=3。上式中n为考虑地震作用组合的框架柱的轴向压力设计值，当n大于0.3fca时，取n=0.3fca。当框架柱出现拉力时，其斜截面受剪承载力计算公式则应为：,（5-26）,并且当式中方括号内的计算值小于 时，取等于 且 的值不应小于0.36ftbh0。上式中n为考虑地震作用组合的框架柱 的轴向拉力设计值。,(3) 构造要求,梁的截面宽度不宜小于200mm，截面高宽比不宜大于4，净跨与截面 高度之比不宜小于4。,采用扁梁时，楼板应现浇，梁中线宜与柱中线重合；当梁宽大于柱 宽时，扁梁应双向布置。扁梁的截面尺寸应符合下列要求：,bb 2bc （5-27）,bb bc + hb （5-28）,hb 16d （5-29）,梁的纵向钢筋配置，应符合下列要求：,（1）梁端截面的底面和顶面配筋量的比值，除按计算确定外，一级不应小于0.5，二、三级不应小于0.3。,（2）沿梁全长顶面和底面的配筋，一、二级不应少于214，且分别不应少于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面面积的1/4；三、四级不应少于212。,（3）一、二级框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋直径，不宜大于柱在该方向截面尺寸的1/20；对圆形截面柱，不宜大于纵向钢筋所在位置柱截面弦长的1/20。,梁端加密区的箍筋配置，应符合下列要求：,（1）加密区的长度、箍筋最大间距和最小直径应按表5-6采用；当梁端纵向受拉钢筋配筋率大于2%时，表中箍筋最小直径数值应增大2mm。,（2）梁加密区箍筋肢距，一级不宜大于200mm和20倍箍筋直径的较大值，二、三级不宜大于250mm和20倍箍筋直径的较大值，四级不宜大于300mm。,表5-6 抗震框架梁端箍筋加密区的长度、箍筋最大间距和最小直径,柱的轴力越大，其延性越差。故引入轴压比的概念。轴压比n定义为：,（5-30）,当n较小时，为大偏心受压构件，呈延性破坏,当n较大时，为小偏心受压构件，呈脆性破坏,为保证地震时柱的延性，规范规定了轴压比的上限值如表5-7所示,框支层由于变形集中，对轴压比的限值要严一些。在一定的有利条件下，柱轴压比的限值可适当提高，但不应大于1.05。iv类场地上较高的高层建筑的柱轴压比限值应适当减小。,表5-7 框架柱的轴压比限值,柱的纵向钢筋配置应符合下列要求：,（1）宜对称配置。,（2）截面尺寸大于400mm的柱，纵向钢筋间距不宜大于200mm。,（3）柱纵向钢筋的最小总配筋率应按表5-8采用，同时每一侧配筋率不应小于0.2%。对iv类场地上较高的高层建筑，表中的数值宜增加0.1。,（4）柱总配筋率不应大于5%。,（5）一级且剪跨比不大于2的柱，每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%。,（6）边柱、角柱及抗震墙边柱考虑地震作用组合产生拉力时，柱内纵筋总截面面积计算值应增加30%。,表5-8 柱截面纵向钢筋最小配筋百分率（%）,注：表中括号内数值表示框架结构的柱,表5-10 柱箍筋加密区的箍筋最小配箍特征值v,框支柱宜采用复合螺旋箍或井字复合箍，其最小配箍特征值应比表5-10中 数值增加0.02，且体积配箍率不应小于1.5%。剪跨比不大于2的柱，柱全高宜 采用复合螺旋箍或井字复合箍，其体积配筋率不应小于1.2%，设防烈度为9度 时不应小于1.5%。,在柱的非加密区，箍筋的体积配筋率不宜小于加密区配筋率的一半，箍筋间 距对一、二级抗震不应大于10d，对三、四级抗震不宜大于15d，d为纵筋直径。,当柱中全部纵向受力钢筋的配筋率超过3%时，箍筋应焊成封闭环式。,框架节点的破坏形态,在竖向荷载和地震作用下，框架梁柱节点主要承受柱传来的轴向力、弯矩、剪力和梁传来的弯矩、剪力，如图5-23所示。,图5-23 节点区的受力,节点区的破坏形式为由主拉应力引起的剪切破坏。如果节点未设箍筋或箍筋不足，则由于其抗剪能力不足，节点区出现多条交叉斜裂缝，斜裂缝间混凝土被压碎，柱内纵向钢筋压屈。,四、框架节点核心区的设计,2. 影响框架节点承载力和延性的因素,(1)梁板对节点区的约束作用,(2)轴压力对节点区混凝土抗剪强度和节点延性的影响,(3)剪压比和配箍率对节点区混凝土抗剪强度的影响,(4)梁纵筋滑移对结构延性的影响,3. 框架节点核芯区的抗震验算要