多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计.ppt

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 结构概念的理解很重要 记一下 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 76 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 可取柱子的高宽比的1 2剪跨比小于2时 需要全长箍筋加密 见混凝土规范11 4 12 11 4 17 7 剪压比剪压比 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 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 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 5 1概述 抗震墙 框架房屋 框架 抗震墙 一 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 2 柱底 与柱顶相似 由于箍筋较柱顶密 震害相对柱顶较轻 3 短柱 当柱高小于4倍柱截面高度 H b 4 时形成短柱 短柱刚度大 易产生剪切破坏 4 角柱 由于双向受弯 受剪 加上扭转作用 震害比内柱重 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 二 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 三 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 四 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 5 2抗震设计的一般要求 5 2 1 结构体系选择在震区应综合考虑如下条件 1 现浇混凝土房屋适用的最大高度 表5 1 2 房屋高宽比限值 表5 2 3 建筑物刚度与场地条件有关 4 基础形式及埋置深度如 天然地基时埋深不小于1 12建筑物高度天然桩基时埋深不小于1 15建筑物高度5 应注意技术经济指标 5 2 2结构布置1 基本原则2 框架结构3 框架 抗震墙4 抗震墙5 抗震缝1 基本原则 结构平面应力求简单规则 结构的主要抗侧力构件应对称均匀布置 尽量使结构的刚心与质心重合 避免地震时引起结构扭转及局部应力集中 结构的竖向布置 应使其质量沿高度方向均匀布置 避免结构刚度突变 并应尽可能降低建筑物的重心 易利结构的整体稳定性 合理设置变形缝 加强楼屋盖的整体性 尽可能做到技术先进 经济合理 2 框架结构布置适用范围 10层以下住宅 办公及各类公共建筑与工业建筑 有方格式及内廊式两类 宜双向设置承重框架 楼梯间 电梯间不宜设置在结构单元的两端及拐角处 框架结构沿高度不宜突变 遵守 强柱弱梁 强剪弱弯 强节点 强锚固 等原则进行延性框架的设计 3 框架 抗震墙结构布置适用范围 10 20层的房屋 抗震墙在结构平面的布置应对称均匀 抗震墙应沿结构纵横设置 且纵横向抗震墙宜相互俩联合成T形 L形 十字形等刚度较大的截面 以提高抗震墙的利用效率 图5 4框架 抗震墙结构平面布置示意 抗震墙与柱中线宜重合 当不能重合时 柱中线与抗震墙中线之间的偏心距不宜大于柱宽的1 4 抗震墙应尽可能靠近房屋的端部 但不宜布置在外墙 抗震墙应设置在墙面不需要开大洞的位置 开洞口时应上下对齐 抗震等级为一 二级的联肢墙的洞口不应采用弱连系梁 见表5 4 抗震墙宜贯通全高 沿竖向截面不宜由较大突变 以保证结构竖向的刚度基本均匀 4 抗震墙的结构布置适用范围 20 30层高层居住建筑 较长的抗震墙可通过开洞口的弱连系梁而形成若干墙段 各段高宽比不应小于2 抗震墙洞口上下对齐 墙肢与连梁明确 一 二级抗震墙底部加强部位不宜有错洞墙 框支抗震墙宜少设 若设 抗震墙的截面面积不应小于相邻上层抗震墙截面面积的50 框支层落地抗震间距不宜大于24m 底部两层框支抗震墙结构的布置宜对称 且宜设置抗震筒体 落地抗震墙之间楼盖长宽比不应超过表5 3 抗震墙布置的具体要求 1 楼 电 梯间 竖井等使楼面开洞的竖向通道 不宜设在结构单元端部角区及凹角处 这种竖向通道不宜独立设在柱网之外的中间位置 2 纵横向抗震墙成组布置 纵横向抗震墙宜合并布置为L形 T形和口字形 3 合理调整抗震墙的长度 为了保证抗震墙具有足够的的延性 不发生脆性的剪切破坏 每一道抗震墙 包括单片墙 小开口墙和联肢墙 不应过长 总高度与总长度之比宜大于2 较长的单片墙可以留出结构洞口 划分成联肢墙的两个墙肢 4 抗震墙的最大间距 抗震墙间距不应过大 抗震墙之间无大洞口的楼 屋盖的长宽比宜满足下表要求 抗震墙之间的楼 屋盖有较大开洞时 长宽比还应减小 当超过上述要求时 应计入楼盖平面内的变形影响 5 抗震缝的布置同第四章规定 5 2 3 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 抗震等级与结构类型 烈度有关 见表5 4查用 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 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 框架承受的地震倾覆力矩可按下式计算 5 3框架内力与位移计算 框架结构抗震设计的步骤见框图5 7 其抗震计算的内容一般包括 1 结构动力特性分析 主要是结构自振周期的确定 2 结构地震反应计算 包括多遇烈度下的地震荷载与结构侧移 3 结构内力分析与位移计算 4 截面抗震设计等 5 3 1水平地震作用计算一般在结构的两个主轴方向分别考虑水平地震作用 各方向的水平地震作用全部由该方向抗侧力框架结构承担 框架结构自振周期的计算 5 3 2水平地震作用下框架内力的计算 D值法 D值法计算框架内力的方法同钢筋混凝土结构教材所讲方法 1 计算各层柱的侧移刚度D 5 6 5 7 2 计算各柱所分配的剪力 5 8 3 确定反弯点高度y 6 计算梁端剪力 5 3 3竖向荷载作用下框架内力计算竖向荷载作用下的梁端弯矩一般要进行调幅 方法同混凝土教材内容 支座弯矩经过调幅降低后 跨中弯矩相应增加 调幅后跨中弯矩不应小于简支情况下跨中弯矩的50 如图5 14 跨中弯矩为 5 3 4内力组合在框架抗震设计时 一般应考虑以下两种基本组合 1 地震作用效应与重力荷载代表值效应的组合 以框架梁 柱为例 说明内力组合方法 当地震作用自左向右时 离左端为x位置的截面弯矩方程为 5 3 5框架结构位移验算 5 4钢筋混凝土框架结构构件设计 5 4 1框架梁截面设计梁端抗震设计的基本要求 梁形成塑性铰后仍有足够的受剪承载力 梁筋屈服后 塑性铰区段应有较好的延性和耗能能力 妥善解决梁筋锚固问题 1 框架梁抗剪承载力验算 1 梁剪力设计值为了避免梁在弯曲破坏前发生剪切破坏 应按 强剪弱弯 的原则调整框架梁端部截面组合的剪力设计值 9度和一级框架结构尚应符合 一 二 三级框架梁 跨高比大于2 5时 剪压比 截面内平均剪应力与混凝土抗压强度设计值之比 即 2 剪压比限值 剪压比过大 混凝土会过早发生斜压破坏 箍筋不能充分发挥作用 它对构件的变形能力也有显著影响 因此应控制 跨高比等于或小于2 5时 3 梁斜截面受剪承载力 2 提高粱延性的措施 1 梁截面尺寸的要求梁宽 200mm梁宽 柱宽 1 2粱的高宽比 4粱净跨 截面高 4 2 梁端箍筋加密符合表5 9规定 3 梁纵筋的配筋率及纵筋配置为了提高梁的正截面塑性铰转动延性 梁的纵向配筋率不宜过高 为此 框架梁的纵向配筋应符合下列要求 a 梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2 5 梁端截面最大配筋率应使梁端截面的受压区相对高度 即截面受压区高度与有效高度比 应满足 一级不应大于0 25 二 三级不应大于0 35 b 梁端或任何可能屈服截面处 下部与上部配筋量的比值 一级不应小于0 5 二三级不应小于0 3 c 沿梁全长顶面和底面的配筋 一二级不应少于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 5 4 2框架柱截面设计框架柱抗震设计的基本要求 强柱弱梁 使柱尽量不出现塑性铰 在弯曲破坏前不发生剪切破坏 使柱由足够的抗剪能力 加强约束 配置必要的约束箍筋 两种破坏形式 弱柱型 弱梁型 为了使塑性铰首先在梁中出现 同一节点柱的抗弯能力要大于梁的抗弯能力 1 强柱弱梁 抗震规范规定 一 二 三级框架的梁柱节点处 除顶层和柱轴压比小于0 15者外 柱端组合弯矩设计值应符合下列公式要求 9度和一级框架结构尚应符合 为了不使框架底层柱过早出现塑性铰 规范规定 一 二 三级框架底层柱底截面组合的弯矩设计值应分别乘以增大系数1 5 1 25 1 15 2 强剪弱弯 1 柱剪力设计值柱的抗剪强度要高于它的抗弯强度 强剪弱弯 9度和一级框架结构尚应符合 一 二 三级框架梁 分别为柱上 下端逆时针或顺时针方向正截面组合的弯矩设计值 柱的剪力增大系数 一级为1 4 二级为1 2 三级1 1 柱的净高 分别为柱上 下端逆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弯承载力所对应的弯值 2 剪压比限值参考梁剪压比的限值 3 柱斜截面受剪承载力 3 控制柱的轴压比轴压比 柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积之比 即 它是控制偏心受拉边钢筋先到抗拉强度 还是受压区混凝土先达到其极限压应变的主要指标 柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低 规范规定 柱轴压比不应超过下表 但 类场地上的较高高层建筑柱轴压比限值应适当减小 柱的纵向配筋应符合下列要求 a 宜对称布置 b 截面尺寸大于400mm的柱 纵向钢筋间距不宜大于200mm c 纵向钢筋的最小配筋率应按下表采用 d 柱的总配筋率不应大于5 e 一级且剪跨比大于2的柱 每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1 2 4 柱内纵向钢筋的配置 5 加强柱端约束加密箍筋可以 承担柱子剪力 约束混凝