抗震概念设计.ppt

结构抗震分析 李爱群 第二部分结构抗震概念设计 结构概念设计是根据人们在学习和实践中所建立的正确概念 运用人的思维和判断力 正确和全面地把握结构的整体性能 即根据对结构品性 承载能力 变形能力 耗能能力等 的正确把握 合理地确定结构总体与局部设计 使结构自身具有好的品性 抗震概念设计包括正确的场地选择 合理的结构选型和布置 正确的构造措施等 强调抗震概念设计是由于地震作用的不确定性 随机性 复杂性 间接性和耦连性 和结构计算假定与实际情况的差异 这使得其计算结果不能全面真实地反映结构的受力 变形情况 并确保结构安全可靠 结构抗震设计存在的不确定因素主要有 1 地面运动的不确定性 地震时的地面运动是多维的 地震动的各个分量对建筑物都起破坏作用 历次地震中强震仪已经多次记录到地面运动的三个正交平动分量 即一个竖向分量和两个水平分量 此外还有地面运动的转动分量 2 结构分析的影响 影响结构动力特性和动力反应的因素 质量分布的不确定性 基础与上部结构的协同作用 节点的非刚性转动 偏心 扭转及P 效应 柱轴向变形 考虑或不考虑节点非刚性转动的影响程度可达5 10 考虑柱轴向变形 自振周期可能加长15 加速度反应可能降低8 考虑P 效应可能增加位移10 3 材料的影响 混凝土的弹性模量随着时间及应变程度而改变 随着时间的增长 混凝土的弹性模量比施工完成后可能降低50 在应变增大的情况下还可能继续降低 这意味着自振周期可能增长25 减小加速度反应10 4 阻尼的变化 钢筋混凝土结构阻尼比一般为5 但当受震松动以后阻尼比可达20 30 自振周期差异达50 左右 5 基础差异沉降的影响 按一般荷载设计的框架结构 当地震系数采用0 10 基础差异沉降1cm可能造成设计弯矩72 的误差 而这种误差在设计中一般未予考虑 6 地基承载力 考虑地震的偶然性以及短期突然加载的影响 在计算地震对地基的影响时 地耐力取值往往提高33 50 这些数值都是人为估计 从而也带来设计上的差异 因此目前抗震设计水平远未达到科学的严密程度 要使建筑物具有尽可能好的抗震性能 首先应从大的方面入手 做好抗震概念设计 如果整体设计没有做好 计算工作再细致 也难免在地震时建筑物不发生严重的破坏 乃至倒塌 20余年以来 世界上一些大城市先后发生了若干次大地震 通过震害分析对建筑物的破坏规律有了更多的认识 从而取得了抗震设计经验 确定了结构抗震概念设计的要点 一 避开抗震危险地段 选择抗震有利地段 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 抗震危险地段指地震时可能发生崩塌 如溶洞 陡峭的山区 地陷 如地下煤矿的大面积采空区 地裂 泥石流等地段 以及震中烈度为8度以上的发震断裂带在地震时可能发生错位的断层 就地形而言 一般指突出的山嘴 孤立的山包和山梁的顶部 非岩质的陡坡 高差较大的台地边缘 河岸和边坡边缘 就场地土质而言 一般指软弱土 易液化土 断层破碎带以及成岩 岩性 状态明显不均匀的地段等 图1表示通海地震烈度为10度区内房屋震害指数与局部地形的关系 图中实线A表示地基土为第三系风化基岩 虚线B表示地基土为较坚硬的粘土 同时 在海城地震时 从位于大石桥盘龙山高差58m的两个测点上所测得的强余震加速度峰值记录表明 位于孤突地形上的比坡脚平地上的平均达1 84倍 这说明在孤立山顶地震波将被放大 图2表示了这种地理位置的放大作用 图1房屋震害指数与局部地形的关系曲线 图2地理位置的放大作用 天津塘沽港地区 地表下3 5m为冲填土 其下为深厚的淤泥和淤泥质土 地下水位为 1 6m 1974年兴建的16幢3层住宅和7幢4层住宅 均采用片筏基础 1976年唐山地震前 累计沉降分别为200mm和300mm 地震期间沉降量突然增大 分别增加了150mm和200mm 震后 房屋向一边倾斜 房屋四周的外地坪地面隆起 如图3所示 图3软土地基上房屋的震害 二 减少能量输入 1 薄的场地覆盖层 我国建筑抗震设计规范将场地覆盖层厚度定义为地面至坚硬场地顶面的距离 坚硬场地包括岩石或剪切波速大于500m s的坚硬土层 但硬夹层或孤石堆等不得作为基岩对待 国内外多次大地震表明 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 1923年日本关东大地震 东京都木结构房屋的破坏率 明显地随冲击层厚度的增加而上升 1967年委内瑞拉加拉加斯6 4级地震时 同一地区不同覆盖层厚度土层上的震害有明显差异 特别是9至12层房屋在厚的冲积土层上房屋破坏率要高得多 图4表示了1967年委内瑞拉加拉加斯地震时房屋破坏率与覆盖层厚度的关系 从图中的震害调查的统计数据表明 当土层厚度超过160m时 10层以上房屋的破坏率显著提高 10 14层房屋的破坏率 约为薄土层上的3倍 而14层以上的破坏率则上升到8倍 图4房屋破坏率与覆盖土层厚度的关系 2 坚实的场地土 场地土是指场地范围内的地基土 平面上大致相当于一个厂区或自然村的大小 深度一般为地面下15米 震害表明 场地土刚度大的 房屋震害指数小 破坏轻 刚度小的 震害指数大 破坏重 此外 对于具有较长周期的高层建筑 位于软土上时 地震输入能量要比位于硬土上的大得多 因此 就减少地震能量输入这一点而言 有条件时 应选择具有较大平均剪切波速的坚硬场地土 表1给出了1985年墨西哥8 1级地震时所记录到的不同场地土的地震动参数 从表中实测的地震记录结果表明 不同类别场地土的地震动强度有较大的差别 古湖床软土上的地震动参数 与硬土上的相比较 加速度峰值约增加4倍 速度峰值增加5倍 位移峰值增加1 3倍 而反应谱最大反应加速度则增加了9倍多 图5中将1985年墨西哥地震中岩层上和湖泊沉积层的相邻点处记录得到的加速度作了对比 可以看出 由于老湖泊基床沉积层使得这些峰值加速度增大了5倍 表1墨西哥市区不同场地土的地震动参数 注 震害最重地区 土的剪切波速Vs 20 50m s Texcoco湖附近 图5湖泊基床 1 3 和基岩 4 6 加速度对比 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 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 1977年罗马尼亚弗兰恰地震 地震动卓越周期 东西向为1 0s 南北向为1 4s 布加勒斯市自振周期为0 8至1 2s的高层建筑破坏严重 其中有不少建筑倒塌 然而该市自振周期为2 0s的25层洲际大旅馆几乎无震害 且墙面装修也未损坏 因此 在进行建筑设计时 首先估计建筑所在场地的地震动卓越周期 然后 通过改变房屋类型和结构层数 使建筑物的自振周期与地震动的卓越周期相分离 研究表明 利用场地周期可估计地震动的卓越周期 场地卓越周期由覆盖土层厚度和场地平均剪切波速确定 其基本周期为0 2 4 0s 场地卓越周期T0按下式计算 对于单一土层 对于多层场地土 式中 H hi 单一土层或多层土第i土层的厚度 Vs Vsi 单一土层或多层土第i土层的剪切波速 根据 抗震规范 的规定 场地土的计算深度一般为15米 且不大于场地覆盖层厚度 因此H 15m hi 15m 建筑物自振周期的经验公式 1 基于脉动实测的统计公式自振周期的经验公式是根据实测统计 在脉动或激励下 忽略填充墙布置 质量分布差异等 在初步设计时 可按下列公式计算 1 高度低于25m具有较多的填充墙框架办公楼 旅馆的基本周期 2 高度低于50m的框架 抗震墙结构的基本周期 3 高度低于50m的规则钢筋混凝土抗震墙结构的基本周期 4 高度低于35m的化工煤炭工业系统框架厂房的基本周期式中 H为房屋的总高度 当房屋不等高时 取平均高度 B为所考虑方向房屋总宽度 这些公式均比脉动实测平均值大1 2 1 5倍 以反映地震时与脉动测量的差异 因为脉动法仅反应了微小变形下的结构动力特性 一些非结构部件也参与工作 使刚度增加 周期减小 2 近似的估算公式在基于脉动实测的基础上 再忽略房屋高度和层高的影响 可给出下列更粗略的估算公式 1 钢筋混凝土框架结构 T1 0 08 0 10 N 2 钢筋混凝土框架 剪力墙或框架 筒体结构 T1 0 06 0 08 N 3 钢筋混凝土剪力墙结构或筒中筒结构 T1 0 04 0 05 N 4 钢 钢筋混凝土混合结构 T1 0 06 0 08 N 5 高层钢结构 T1 0 08 0 12 N 式中 N为地面以上房屋总层数 4 采取基础隔震措施 利用隔震技术改变结构的动力特性 减少地震能量的输入 减小结构地震反应 以达到防震的目的 实际中采用的隔震方案有橡胶垫式隔震 滑移式 摆动式隔震 悬吊式隔震等 三 有利的房屋抗震体型 1 平面宜简单 结构的简单性可以保证地震力具有明确而直接的传递途径 使计算分析模型更易接近实际的受力状态 所分析的结果具有更好的可靠性 据此设计的结构的抗震性能更有安全可靠保证 地震区的建筑平面以方形 矩形 圆形为好 正六边形 正八边形 椭圆形 扇形次之 图6 三角形虽也属简单形状 但是 由于它沿主轴方向不对称 在地震作用下容易发生较强的扭转振动 对抗震不利 此外 带有较长翼缘的L形 T形 十字形 Y形 U形和H形等平面也对抗震结构性能不利 主要是此类具有较长翼缘平面的结构在地震动作用下容易发生图7所示的较大的差异侧移而导致震害加重 图6简单的建筑平面 图7L形建筑的差异位移 根据1985年墨西哥地震震害资料 墨西哥国家重建委员会首都地区规范与施工规程分会分析了房屋破坏原因 按房屋体型分类统计得出的地震破坏率列于表2 从表中可以看出 拐角形建筑的破坏率很高 高达42 表2墨西哥地震房屋破坏原因 2 立面变化要均匀 即建筑的质量和刚度变化要均匀 结构布置不均匀产生刚度和强度的突变 引起竖向抗侧力构件的应力集中或变形集中 将降低结构抵抗地震的能力 地震时易发生损坏 甚至倒塌 例如 由于建筑的竖向收进 地震时收进处上下部分振动特性不同 易于在收进处的楼板产生应力突变 使竖向收进的凹角处产生应力集中 图8和图9表示了一组不利的竖向布置形式和受到推荐的竖向布置形式 图10表示了楼层刚度的变化给结构带来的不利影响 图8竖向布置形式 图9刚度沿高度的变化 图10楼层刚度变化带来的不利影响 1971年美国圣菲南多地震 Olive View医院位于9度区 主楼遭到严重破坏 它是一幢刚度和强度在底层突变的建筑的典型震例 其教训值得借鉴 该主楼是六层钢筋混凝土房屋 其剖面如图11所示 该幢建筑三层以上为框架 剪力墙体系 底层和二层为框架体系 而二层有较多的砖隔墙 该结构上 下层的侧向层间刚度相差约为10倍 地震后 上面几层震害很轻 而底层严重偏斜 纵向侧移达600mm 横向侧移约600mm 角柱出现严重的受压酥碎现象 图11Olive View医院主楼剖面 根据均匀性原则 建筑的立面也应采用矩形 梯形和三角形等非突变的几何形状 图12 突变性的阶梯形立面 图13 尽量不采用 因为立面形状突变 必然带来质量和侧向刚度的突变 在突变部位产生过高的地震反应或大的弹塑性变形 可能导致严重破坏 应在突变部位采取相应的加强措施 图12良好的建筑立面 图13不利的建筑立面 a 大底盘建筑 b 阶梯形建筑 3 合适的房屋高度 一般而言 房屋愈高 所受到的地震力和倾覆力矩愈大 破坏的可能性也就愈大 各种结构体系都有它最佳的适用高度 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 经济和使用合理 地基条件 震害经验以及抗震设计经验等因素 表3给出了我国抗震设计规范中对钢筋混凝土结构最大建筑高度的范围 对于建造在 类场地的房屋 装配整体式房屋 具有框支层的剪力墙结构以及非常不规则的结构应适当降低高度 表4给出了钢结构的最大建筑高度 表3钢筋混凝土房屋适用的最大高度 m 注 1房屋高度指室外地面到檐口或屋面板顶的高度 不考虑局部突出屋顶部分 2框架 核心筒结构指周边稀疏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超过表内高度的房屋 应进行专门研究 采取必要的措施 表4钢结构房屋适用的最大高度 m 注 1房屋高度指室外地面至檐口的高度 2超过表内高度时 应根据专门研究 采取必要的措施 4 不大的房屋高宽比建筑物的高宽比是一个需要慎重考虑的问题 建筑物的高宽比愈大 地震作用的侧移愈大 水平地震力引起的倾覆作用愈严重 由于巨大的倾覆力矩在底层柱和基础中所产生的拉力和压力比较难于处理 为有效地防止在地震作用下建筑的倾覆 保证有足够的地震稳定性 应对建筑的高宽比有所限制 1967年委内瑞拉加拉加斯地震曾发生明显由于过大倾覆力矩引起破坏的震害实例 该市一幢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 在地震中 由于倾覆力矩在地下室柱中引起很大的轴力 造成地下室很多柱子被压碎 钢筋压弯呈灯笼状 另一震害实例是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45o 并连同基础底面的摩擦桩拔出 我国对房屋高宽比的要求是根据结构体系和地震烈度区分的 表5和表6分别给出了我国抗震设计规范中对钢筋混凝土结构的建筑高宽比限值和钢结构的建筑高宽比限值 表5钢筋混凝土房屋的最大高宽比 注 1当有大底盘时 计算高宽比的高度从大底盘顶部算起 2超过表内高宽比和体型复杂的房屋 应进行专门研究 表6钢结构房屋的最大高宽比 注 1当有大底盘时 计算高宽比的高度应从大底盘顶部算起 2高宽比超过表内数值时 应根据专门研究 采取必要的措施 5 足够的基础埋深基础应有足够的埋深 有利于上部结构在地震动下的整体稳定性 防止倾覆和滑移 并能减小建筑物的整体倾斜 但是 地震区高层建筑物的基础埋深是否须要有最小限制的规定 一直存在争议 国际上大多数抗震设计规范都未对此作出明确规定 只有日本建设省1982年批准的 高层建筑抗震设计指南 中 规定建筑埋置深度约取地上高度1 10 并不应小于4m 我国 钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程 中规定 对于采用天然基础的建筑物 基础埋置深度可不小于建筑高度的1 15 并不应小于3m 对于采用桩基的建筑物 则可不小于建筑高度的1 20 桩的长度不计入基础埋置深度内 当基础落在基岩上时 埋置深度可根据工程具体情况确定 可不设地下室 但应采用地锚等措施 6 防震缝的合理设置防震缝的设置 应根据建筑类型 结构体系和建筑体型等具体情况区别对待 高层建筑设置防震缝后 给建筑 结构和设备设计带来一定困难 基础防水也不容易处理 因此 高层建筑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 但下列情况应设置防震缝 将整个建筑划分为若干个简单的独立单元 1 平面或立面不规则 又未在计算和构造上采取相应措施 2 房屋长度超过规定的伸缩缝最大间距 又无条件采取特殊措施而必需设伸缩缝时 3 地基土质不均匀 房屋各部分的预计沉降量 包括地震时的沉陷 相差过大 必需设置沉降缝时 4 房屋各部分的质量或结构的抗推刚度悬殊过大 防震缝的宽度不宜小于两侧建筑物在较低建筑物屋顶高度处的垂直防震缝方向的侧移之和 在计算地震作用产生的侧移时 应取基本烈度下的侧移 即近似地将我国抗震设计规范规定的在小震作用下弹性反应的侧移乘以3的放大系数 并应附加上地震前和地震中地基不均匀沉降和基础转动所产生的侧移 一般情况下 钢筋混凝土结构的防震缝最小宽度 应符合我国抗震设计规范的要求 1 框架结构房屋的防震缝宽度 当高度不超过15m时 可采用70mm 房屋高度超过15m时 6度 7度 8度和9度相应每增加高度5米 4米 3米和2米 宜加宽20mm 2 框架 抗震墙结构房屋的防震缝宽度 可采用上述规定值的70 抗震墙结构房屋的防震缝宽度 可采用上述规定值的50 且不宜小于70mm 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 四 合理的抗震结构布置 1 结构力求对称 以避免扭转 对称结构在单向水平地震动下 仅发生平移振动 各层构件的侧移量相等 水平地震力则按刚度分配 受力比较均匀 非对称结构由于质量中心与刚度中心不重合 即使在单向水平地震动下也会激起扭转振动 产生平移 扭转耦连振动 由于扭转振动的影响 远离刚度中心的构件侧移量明显增大 从而所产生的水平地震剪力则随之增大 较易引起破坏 甚至严重破坏 为了把扭转效应降低到最低程度 可以减小结构质量中心与刚度中心的距离 图14给出了由抗震墙和框架组成的主抗侧力构件的不利布置的实例和受推荐的实例 图14楼层平面内质量和侧向刚度的关系 平面上承受重力的框架未画出 在国内外地震调查资料中 不难发现角柱的震害一般较重 这主要由于角柱受扭转反应最为显著 1972年尼加拉瓜的马那瓜地震 位于市中心15层的中央银行 有一层地下室 采用框架体系 设置两个钢筋混凝土电梯井和两个楼梯间 都集中布置在主楼两端一侧 两端山墙还砌有填充墙 如图15所示 这种结构布置造成质量中心与刚度中心明显不重合 偏心很大 显然对抗震不利 1972年发生地震时 该幢大厦遭到严重破坏 五层周围柱子严重开裂 钢筋压屈 电梯井墙开裂 混凝土剥落 围护墙等非结构构件破坏严重 有的倒塌 因此 需要合理布置抗侧力构件 例如 在结构布置时 应特别注意具有很大抗推刚度的钢筋混凝土墙体和钢筋混凝土的芯筒位置 力求在平面上要居中和对称 此外 抗震墙沿房屋周边布置 可以使结构具有较大的抗扭刚度和较大的抗倾覆能力 图15马那瓜中央银行结构平面 a 低层平面 b 剖面 2 结构沿竖向要等强 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 1976年罗马尼亚地震 普鲁耶什有一幢四层框架体系房屋 底层为咖啡馆 无隔墙 上面几层为住宅 砖隔墙较多 受震后 底层因柱子折断而倒塌 上面几层整体坐落 布加勒斯特市的一幢9层框架体系大楼 上部为住宅 底层为商店 同一次地震后 底层严重破坏 濒临倒塌 图16所示 薄弱层 机构的存在是地震中建筑物破坏的常见原因之一 图16薄弱层导致的破坏 结构薄弱部位的形成 往往是由于刚度突变和屈服承载力系数突变所造成的 刚度突变一般是由于建筑体型复杂或抗震结构体系在竖向布置上不连续和不均匀性所造成的 由于建筑功能上的需要 往往在某些楼层处竖向抗侧力构件被截断 造成竖向抗侧力构件的不连续 导致传力路线不明确 从而产生局部应力集中 并过早屈服 形成结构薄弱部位 最终可能导致严重破坏甚至倒塌 竖向抗侧力构件截面的突变也会造成刚度和承载力的剧烈变化 带来局部区域的应力剧增和塑性变形集中的不利影响 屈服承载力系数的定义是按构件实际截面 配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力与罕遇地震下楼层弹性地震剪力的比值 这个比值是影响弹塑性地震反应的重要参数 如果各楼层的屈服承载力系数大致相等 地震作用下各楼层的侧移将是均匀变化的 整个建筑将因各楼层抗震可靠度大致相等而具有较好的抗震性能 如果某楼层的屈服承载力系数远低于其他各层 出现抗震薄弱部位 则在地震作用下 将会过早屈服而产生较大的弹塑性变形 需要有较高的延性要求 因此 尽可能从建筑体型和结构布置上使刚度和屈服强度变化均匀 尽量减少形成抗震薄弱部位的可能性 力求降低弹塑性变形集中的程度 并采取相应的措施来提高结构的延性和变形能力 五 恰当的结构材料 为了使所设计的结构具有良好的抗震性能 设计者在研究建筑形式 结构体系的同时 也需要对所选择的结构材料的抗震性能有一定的了解 以便能够根据实际情况 选用既符合抗震要求又经济实用的结构类型 1 选择结构材料的原则从抗震角度来考虑 一种好的结构材料应具备下列性能 1 延性系数高 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 连接性和较好的延性 并能充分发挥材料的强度 按照上述标准来衡量 高层建筑使用不同材料的结构类型 依其抗震性能优劣而排序为 钢结构 型钢混凝土结构 混凝土 钢混合结构 现浇钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构 装配式钢筋混凝土结构 配筋砌体结构 2 对材料的质量要求 1 钢筋钢筋混凝土构件的延性以及低周反复荷载下的后期强度 在很大程度上取决于钢筋的材性 所使用的钢筋应符合下列要求 i 不希望在抗震结构中使用高强钢筋 一般用中强钢筋 即 级钢筋 不希望超过 级 延伸率 4 6 ii 钢筋的实际屈服强度不能太高 对于 级钢筋 实际值与标准值比值 1 25 对于 级钢筋 实际值与标准值比值 1 4 iii 钢筋的实际极限强度与实际屈服强度之比值不能太小 以保证有足够的强度储备 一般为1 25 iv 不能使用冷加工钢筋 v 应检测钢筋的应变老化脆裂 重复弯曲试验 可焊性 检查化学成分 低温抗脆裂 采用V形槽口的韧性试验 2 混凝土 强度不能太低 否则锚固不好 3 型钢为了建造具有良好延件的钢结构 结构的杆件和连接都应该具有良好的延性 这就要求型钢的材质符合下列要求 i 足够的延性 一般的结构钢均能满足这项要求 ii 力学性能的一致性 为了保证 强柱弱梁 设计原则的实现 钢材强度的标准差应尽可能小 即用于各构件的最大和最小强度应接近相等 iii 好的切口延性 此项指标是钢材对脆性破坏的抵抗能力的量度 iv 无分层现象 此项要求可以在构件加工之前利用超声波探查 v 对片状撕裂的抵抗能力 通常的检查方法是在对板的横截面进行拉伸试验中量测其延性进行衡量 vi 良好的可焊性 一般而言 钢材的抗拉强度越高 其可焊性越低 六 提高结构抗震性能的措施 一 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 特别是当建筑物的自振周期与地震动卓越周期相近时 建筑物由此而发生的共振 更加速其倒塌进程 如果建筑物采用的是多重抗侧力体系 第一道防线的抗侧力构件在强烈地震作用下遭到破坏后 后备的第二道乃至第三道防线的抗侧力构件立即接替 抵挡住后续的地震动的冲击 可保证建筑物最低限度的安全 免于倒塌 在遇到建筑物基本周期与地震动卓越周期相同或接近的情况时 多道防线就更显示出其优越性 当第一道抗侧力防线因共振而破坏 第二道防线接替工作 建筑物自振周期将出现较大幅度的变动 与地震动卓越周期错开 使建筑物的共振现象得以缓解 避免再度严重破坏 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 不宜选择轴压比很大的框架柱作为第一道防线 在纯框架结构中 宜采用 强柱弱梁 的延性框架 2 结构体系的多道设防我国采用的最为广泛的是框架 剪力墙双重结构体系 主要抗侧力构件是剪力墙 它是第一道防线 在弹性地震反应阶段 大部分侧向地震力由剪力墙承担 但是一旦剪力墙开裂或屈服 剪力墙刚度相应降低 此时框架承担地震力的份额将增加 框架部分起到第二道防线的作用 并且在地震动过程中框架起着支撑竖向荷载的重要作用 它承受主要的竖向荷载 框架 填充墙结构体系实际上也是等效双重体系 如果设计得当 填充墙可以增加结构体系的承载力和刚度 在地震作用下 填充墙产生裂缝 可以大量吸收和消耗地震能量 填充墙实际上起到了耗能元件的作用 填充墙在地震后是较易修复的 但须采取有效措施防止平面外倒塌和框架柱剪切破坏 单层厂房纵向体系中 可以认为也存在等效双重体系 柱间支撑是第一道防线 柱是第二道防线 通过柱间支撑的屈服来吸收和消耗地震能量 从而保证整个结构的安全 3 结构构件的多道防线联肢抗震墙中 连系梁先屈服 然后墙肢弯曲破坏丧失承载力 当连系梁钢筋屈服并具有延性时 它既可以吸收大量地震能量 又能继续传递弯矩和剪力 对墙肢有一定的约束作用 使抗震墙保持足够的刚度和承载力 延性较好 如果连系梁出现剪切破坏 按照抗震结构多道设防的原则 只要保证墙肢安全 整个结构就不至于发生严重破坏或倒塌 强柱弱梁 型的延性框架 在地震作用下 梁处于第一道防线 其屈服先于柱的屈服 首先用梁的变形去消耗输入的地震能量 使柱处于第二道防线 在超静定结构构件中 赘余构件为第一道防线 由于主体结构已是静定或超静定结构 这些赘余构件的先期破坏并不影响整个结构的稳定 4 工程实例 尼加拉瓜的马拉瓜市美洲银行大厦尼加拉瓜的马拉瓜市美洲银行大厦 地面以上18层 高61米 就是一个应用多道抗震防线概念的成功实例 图17所示 因为这幢大楼位于地震区 设计指导思想是 在风荷载和规范规定的等效静力地震荷载的作用下 结构具有较大的抗推刚度 以满足变形方面的要求 但在大震作用下 建筑物受到的地震力很大时 通过某些构件的屈服 过渡到另一个具有较高变形能力的结构体系 继续有效地工作 根据这一指导思想 该大楼采用11 6m 11 6m的钢筋混凝土芯筒作为主要的抗震和抗风构件 但是 该芯筒又有四个小芯筒组成 每个L形小筒的外边尺寸为4 6m 4 6m 在每层楼板处 采用较大截面的钢筋混凝土连系梁 将四个小筒连成一个具有较强整体性的大筒 图17马拉瓜市美洲银行大厦 a 平面 b 剖面 该大厦在进行抗震设计时 既考虑四个小筒作为大筒的组成部分发挥整体作用时的受力情况 又考虑连系梁损坏后四个小筒各自作为独立构件的受力状态 且小筒间的连系梁完全破坏时整体结构仍具有良好的抗震性能 1972年12月马拉瓜发生地震时 该大厦经受了考验 在大震作用下 小筒之间的连梁破坏后 动力特性和地震反应显著改变 基本周期T1加长1 5倍 结构底部水平地震剪力减小一半 地震倾覆力矩减少3 5 但是结构顶点侧移加大一倍 分析结果列于表7 表7美洲银行大楼对马那瓜地震的反应 二 采用减震方法1 提高结构阻尼结构的弹性地震反应 是结构和周期的函数 它随结构阻尼比的增大而减小 提高结构阻尼能削减地震反应的峰值 建筑结构设计时可以根据具体情况采用具有较大阻尼的结构体系 不同结构的阻尼比标准值列于表8 增设耗尼装置或增加耗能措施能够增加结构吸收地震输入能量的能力 减小结构变形 常用的有框架设耗能交叉支撑 低剪力墙开缝 剪力墙墙肢开缝等 表8几类结构的阻尼比标准值 2 采用高延性构件 1 延性的作用弹性地震反应分析的着眼点是承载力 用加大承载力来提高结构的抗震能力 弹塑性地震反应分的着眼点是变形能力 利用结构的塑性变形的发展来抗御地震 吸收地震能量 因此提高结构的屈服抗力只能推迟结构进入塑性阶段 而增加结构的延性 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 2 延性与地震作用的关系对大量单自由度体系的分析结果表明 弹塑性结构与对应的弹性结构 刚度 阻尼相同 但无屈服点 的地震反应之间 存在着如下关系 1 长周期结构地震作用下 弹塑性结构的最大侧移近似等于对应弹性结构的最大侧移 图18 假想的弹性结构没有屈服点 所承受的最大地震力为F 实际的弹塑性结构地震作用增长到Fy时 结构发生屈服 荷载不再上升 由于A点的位移等于C点的位移 故有令 则有 为结构的延性系数 C称为结构影响系数 其实际含义是弹塑性结构的等效弹性地震作用的折减系数 图18长周期结构地震反应 2 中等周期结构地震作作用下 弹塑性结构吸收的能量近似等于对应弹性结构吸收的能量 从图19所示的荷载与变形关系曲线可以看出 弹性结构达到最大位移时所吸收的地震能量 可由三角形面积 OAE来代表 弹塑性结构达到最大位移时所吸收的地震能量 等于梯形面积 OBCD 故有 等式两边同乘以 并引入 故有 图19中等周期结构地震反应 因 代入上式 得 上式给出具有长周期和中等周期弹塑性结构地震作用的折剪系数C C值随结构延性 值增大而迅速减小的衰减曲线示于图20 从中可以看出 增大结构延性可以显著减小所需承担的地震作用 图20地震作用折减系数与延性的关系 3 延性与耗能 一个结构耐震性能 主要取决于这个结构的 能量吸收与耗散 能力的大小 而它又取决于结构延性的大小 延性好 则结构通过弹塑性变形耗散大量能量 使结构免于倒塌 3 附设耗能装置 在结构一定部位上设置专门的耗能元件 例如摩擦耗能或利用材料塑性耗能的元件 期望地震时 有相当一部分的地震输入能量消耗于这种耗能元件 以减小主体结构的地震反应 达到减轻主体结构损坏的目的 4 结构振动控制 结构振动控制即在工程结构的特定部位装设某种装置 如隔震垫 消能支撑 消能剪力墙 消能节点 消能器等 或某种子结构 如调频质量等 或施加外力 外部能量输入 使工程结构在地震作用下 其结构的动力反应 如加速度 速度 位移 得到合理的控制 从而确保结构本身及结构中的人 仪器设备 装修等的安全和处于正常的使用状态 使其在外界的干扰作用下的各项反应值控制在允许范围内 依据是否需要外界能源 结构控制分为四类 主动 被动 半主动和混合四类 三 优选耗能杆件1 在结构中选择主要耗能构件或杆件的原则 1 它不是承受竖向荷载的主要构件 其轴压比值较低 2 它屈服后的变形与稳定受到其他仍具有良好工作性能杆件的约束 3 它能提供饱满稳定的滞回环 因此 选择构件中轴力较小的水平杆件为主要耗能构件 使整个结构具有较大的延性和耗能能力 2 耗能形式的选择 1 弯曲耗能优于剪切耗能 震害调查表明 剪切斜裂缝随着持续地震动而加长加宽 震后基本不闭合 弯曲横向裂缝震后基本闭合 试验表明 杆件的弯曲耗能比剪切耗能大得多 因此尽可能将剪切变形为主的构件转变为弯曲变形为主的构件 如开通缝连梁 双功能连梁 低剪力墙开竖缝 梁端开水平缝 2 弯曲耗能优于轴变耗能 轴力杆件受拉屈服伸长后 再受压不能恢复原长度 而是发生侧向屈曲 其吸收的地震能量十分有限 用弯曲杆件的变形来替代轴力杆件的变形 将取得良好的抗震效果 普通的轴交支撑体系 图21 a 在水平地震作用下 主要靠各杆件特别是斜杆的轴向拉伸或压缩来耗能 耗能能力小 如果用偏交支撑 图21 b 取代轴交支撑是提高其耗能能力的简易措施 偏交支撑的特点 1 斜杆轴线与梁轴交点偏离节点中心一段距离 2 斜杆的轴向抗拉或抗压强度 大于水平杆件的抗弯承载力 因此斜杆不论受拉或受压始终保持平直 从而利用水平杆件的弯曲来耗能 这就大大改善竖向构件的抗震性能 偏交支撑已用于美国西部地震区的钢结构高层中 美国东部的里海大学及日本的建筑公司也在研究推广 图21竖向斜撑的变形耗能机制 a 轴交支撑 b 偏交支撑 四 刚度 承载力和延性的匹配1 刚度与承载力 1 地震力与刚度一般来说 建筑物的抗推刚度大 自振周期就短 水平地震力大 反之 建筑物的抗推刚度小 自振周期就长 水平地震力小 因此 应该使结构具有与其刚度相适应的水平屈服抗力 结构刚度不可过大 从而从根本上减小作用于构件上的水平地震作用 结构也不能过柔 因为建筑的抗推刚度过小 虽然地震力减小了 但结构的变形增大 其后果是 1 要求构件有很高的延性 导致钢筋过密 2 过大的侧移会加重非结构部件的破坏 3 P 效应使构件内力增值 美国加州 侧力规范 1988 和美国 统一建筑规范 1988 均规定 当层间侧移角超过1 400时 在抗震分析中就要考虑P 效应引起的侧移增值 构件内力增值及对结构整体稳定的不利影响 2 承载力与刚度的匹配全墙体系 1 现浇钢筋混凝土墙 现浇钢筋混凝土全墙体系抗推刚度大 自振周期小 地震力很大 为避免震害采取以下措施 i 在保证墙体压曲稳定的前提下 加大墙体间距 以降低刚度 减小墙体的水平弯矩和剪力 ii 通过适当配筋 提高墙体抗拉应力的强度 在水平施工缝 墙根部配置钢筋 提高抗剪能力 2 装配钢筋混凝土墙 装配钢筋混凝土全墙体系抗推刚度大 地震力大 强度小 其薄弱环节是墙板的水平接缝 地震时易出现水平裂缝和剪切滑移 1988年前苏联亚美尼亚地震证实了这一点 因此 一方面要加强内外墙板接缝内的竖向钢筋 减小房屋整体弯曲时水平接缝受剪承载力的不利影响 另一方面 在水平缝设暗槽 必要时可在缝内设斜筋 3 配筋砖墙 砖墙建筑刚度大 承载力低 延性差 设构造柱可提高延性 但对砖墙的抗剪能力提高十分有限 为使砖墙剪切抗力与其刚度增大引起的地震力相匹配 可在墙内设竖向网状配筋或设配筋砂浆带 且水平钢筋多于竖向钢筋 这对提高砖墙的受剪承载力有利 框 墙体系 1 按侧移限值确定抗震墙的数量 侧移值由建筑物重要性 装修等级和设防烈度来确定 抗震墙厚度应使建筑物具有尽可能长的自振周期及最小的水平地震作用 2 抗震墙厚度太厚不利于抗震 这是因为 1 厚墙使建筑周期减小 水平地震力加大 2 厚墙如过大 如600mm厚 除非沿墙厚设置三层竖向钢筋网片 否则很难使其墙体的延性达到应有的要求 3 延性较低的钢筋混凝土墙体在地震作用下发生剪切破坏的可能性以及斜裂缝的开展宽度均加大 4 厚墙开裂后的刚度退化幅度加大 由此引起的框架剪力值也加大 因此抗震墙的厚度要适当而不能过厚 框架体系 纯框架体系刚度小 周期长 地震作用小 变形大 框架的附加侧移与P 效应引起相互促进的恶性循环 以至侧向失稳而倒塌 当钢筋混凝土框架体系中 存在刚度悬殊的长柱和短柱时 短柱柱身发生很宽的斜裂缝 这表明其较小的受剪承载力与较大的刚度不匹配 因此在短柱柱身内配斜向钢筋或足够多的水平钢筋 以提供较大的剪切抗力 框筒体系 框筒体系刚度大 周期短 地震作用大 水平地震剪力大 但是在抵抗水平地震剪力方面 框筒体系和框架体系一样都是靠柱 因此需要注意柱的受剪承载力是否与框筒较大的延性相匹配 在高烈度区 高层钢筋混凝土结构宜采用 内墙筒 外框筒 体系代替单一框筒体系 2 刚度与延性框架刚度较小 配筋恰当时延性较好 墙体刚度较大 除弯曲变形外 剪切变形占有相当的比重 延性较差 竖向支撑属轴力杆系 刚度大 压杆易侧向饶曲 延性较差 对于框架 墙体 框架 支撑双重体系 在地震动持续作用下 墙体或支撑刚度大 受力大 则墙体易先出现裂缝 支撑发生杆件屈曲 水平抗力减小 而此时框架的侧移远小于其限值 框架尚未发挥其自身的水平抗力 即刚度与延性不匹配 各构件不能同步协调工作 出现先后破坏的各个击破情况 大大降低了结构的可靠度 为使双重体系的抗震墙或竖向支撑能够与框架同步工作 可采用带竖缝SW 它可使与框架共同承担水平地震作用的同步工作程度大为改善 已实际应用于日本的多幢高层 如47层京王广场饭店 55层的新宿三井大厦 60层的池袋办公大楼 竖向支撑改进为偏交支撑 3 延性要求 结构延性 这个术语有四层含义 1 结构总体延性 一般用结构的 顶点侧移比 或结构的 平均层间侧移比 来表达 2 结构楼层延性 以一个楼层的层间侧移比来表达 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 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 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 因此 要求提高重要构件及某些构件中关键杆件或关键部位的延性 其原则是 1 在结构的竖向 应重点提高楼房中可能出现塑性变形集中的相对柔性楼层的构件延性 例如 对于刚度沿高度均布的简单体型高层 应着重提高底层构件的延性 对于带大底盘的高层 应着重提高主楼与裙房顶面相衔接的楼层中构件的延性 图22 a 对于框托墙体系 应着重提高底层或底部几层的框架的延性 图22 b 图22提高延性的重点楼层 a 大底盘建筑 b 框托墙结构体系 2 在平面上 应着重提高房屋周边转角处 平面突变处以及复杂平面各翼相接处的构件延性 对于偏心结构 应加大房屋周边特别是刚度较弱一端构件的延性 图23 3 对于具有多道抗震防线的抗侧力体系 应着重提高第一道防线中构件的延性 如框 墙体系 重点提高抗震墙的延性 筒中筒体系 重点提高内筒的延性 4 在同一构件中 应着重提高关键杆件的延性 对于框架 框架筒体应优先提高柱的延性 对于多肢墙 应重点提高连梁的延性 图24a 对于壁式框架 应着重提高窗间墙的延性 图24 b 5 在同一杆件中 重点提高延性的部位应是预期该构件地震时首先屈服的部位 如梁的两端 柱上下端 抗震墙肢的根部等 图23提高延性的重点部位 图24提高延性的重点部位 立面 a 多肢墙 b 壁式框架 4 改善构件延性的途径 1 控制构件的破坏形态 进行工程抗震设计时 应在计算和构造上采取措施 力争避免构件的剪切破坏 争取更多的构件实现弯曲破坏 2 减小杆件轴压比 试验表明 随着轴压比增大 柱的侧移延性急剧减小 而且在高轴压比下 增加箍筋对柱的延性将不再发挥作用 因此 在结构设计中 确定柱 墙肢等轴压和压弯构件的截面尺寸时 应该控制其轴压比值 3 高强混凝土的应用可降低轴压比 但此时应适当降低剪压比控制值 试验表明 与C40混凝土相比较 对C70混凝土 要获得同等的延性 其剪压比控制值应降低20 4 采用钢纤维混凝土 钢纤维混凝土具有较高的抗拉 抗裂和抗剪强度 良好的抗冲击韧性和抗震延性 5 提高构件延性的措施 1 配置斜向钢筋 在多肢墙的连梁 短柱和窗间墙中设置交叉斜筋 可以提高延性 防止过早发生脆性的剪切破坏 2 分割成较细杆件 将粗短杆件分割成几根并列的细长杆件 可以改变杆件的剪切破坏为弯曲破坏 显著提高杆件的延性 如短柱分割成长柱 开通缝连梁 墙肢开竖缝等 3 单肢墙变为双肢墙 增加宽墙的延性 七 控制结构变形 1 结构体系的变形性质 抗侧力构件有如下几种类型 1 由线形杆件组成的框架 竖向支撑等杆件系统 2 由片状杆件直接构成的单肢或多肢抗震墙 3 由片状杆件围成的方形或圆形筒体 抗震墙和筒体均为简单构件 具有固定的变形特性 在侧力作用下是以整体弯曲变形为主 故属弯曲型构件 由线形杆件组成的框架和竖向支撑 因为两者的杆件组合方式不同 侧力作用下的变形属性也不相同 图25 弯曲体系如框架在侧力作用下 各杆件均能产生较大的弯曲变形 其整体变形曲线与悬臂梁剪切杆的变形曲线相似 称为剪切型 轴力杆系如支撑其抗推刚度比弯曲杆系大数倍 其整体变形与伸臂弯曲杆相似 称为弯曲型 图25线性杆件系统的变形特点 a 弯曲杆系 b 轴力杆系 2 结构变形的限值 1 抗震规范 的规定抗震规范对各类结构小震时的弹性层间位移 e和大震时的弹塑性层间位移 p规定的限值列于表9和表10 没有对中震时的结构变形限值做出规定的原因是规范对采取相应的构造措施 保证了结构具有足够的延性 变形和塑性性能 使得结构只要符合小震时的变形要求 就自然满足了中震时的变形要求 2 高层规程 的规定 高层规程 JGJ3 91 对小震时结构的弹性变形验算既对按弹性方法计算出的层间侧移角 e提出要求 又对按弹性方法计算出的顶点侧移角 e作出规定 详见表11 因为结构顶点位移角是各楼层层间位移角的平均值 所以其限值比层间位移角要小些 表9弹性层间位移角限值 表10弹塑性层间位移角限值 表11小震时高层建筑的结构弹性变形限值 3 减小结构侧移的途径地震时结构的侧移特别是层间侧移的大小 是关系到建筑物破坏程度的决定性因素 因此 在高层建筑抗震设计中 控制结构的侧移已成为关键性环节 能否将侧移控制在允许限度之内 是检验抗侧力体系有效性的重要指标 1 减小框架的柱距和梁距 框架由梁和柱刚性连接组成 其抗推刚度决定于梁和柱的截面和数量 因此 减小框架的柱距和梁距能减小框架的侧移 比较图26与图27可以看出 对于减小框架侧移增加梁比增加柱有效 图26柱的数量对框架侧移的影响 a 双柱框架 b 六柱框架 图27梁对框架侧移的影响 a 单层框架 b 4层框架 2 采用弯 剪双重体系弯 剪双重抗侧力体系 是指采用弯曲型和剪切型两种不同变形属性构件所组成的结构体系 两种构件通过各层楼板的联系进行协同工作 将显著减小结构的顶点侧移和下部各楼层的最大层间侧移 1 框 墙体系在水平力作用下 单独框架的整体变形属剪切变形 上部的层间侧移小 下部的层间位移大 图28a 单独抗震墙则为弯曲型变形 上部的层间侧移大 下部的层间位移小 图28b 采用框 墙双重体系 通过各层楼板的联系 框架和抗震墙共同工作 图29a 使框架和剪力墙的变形趋于一致 即成为弯剪型 两者之间产生的相互作用力 上部为拉力 下部为压力 图29b 从而减小结构的顶部侧移和下部最大层间侧移 图29c 图28单独构件的变形 a 框架 b 抗震墙 图29框 墙体系的侧移 a 框 墙并联体 b 框 墙相互作用 c 侧移曲线 2 框 撑体系竖向支撑是弯曲型构件 因此 采用框架 支撑体系 同样能收到框 墙体系的良好效果 即减小结构的顶点侧移及最大层间侧移 3 筒中筒体系筒中筒体系中钢筋混凝土墙体组成内筒 具有较大的抵抗剪切变形的刚度 在水平力作用下的侧移主要为弯曲变形 而由密排柱框架组成的外框筒 在水平力作用下的侧移为剪弯型 图30a 两者通过各层楼板实现并联后 外框筒与内墙筒之间的相互作用力 上部为拉力 下部为推力 图30b 其结果同样可以减小结构的顶部侧移和下部最大层间侧移 图30侧力作用下的筒中筒体系 a 单一构件的变形 b 内外筒的变形协调 3 设置加劲桁架 采用芯筒 框架体系时 水平作用力大部分由芯筒承担 由于芯筒以弯曲变形为主 图31a 高宽比较大 因此芯筒的侧移也比较大 为了减小结构侧移 可以利用高层建筑中每隔十多层布置的设备楼层 设置帽桁架和腰桁架 用加劲桁架将芯筒与外围框架柱连为一体 让外柱也参与整体弯曲 从而抑制芯筒各水平截面特别是顶部截面的转动 图31b 芯筒 框架体系的侧移曲线示于图32 图中的虚线表示未设置加劲桁架时的结构侧移 实线表示设置加劲桁架后的结构侧移 可以看出 顶点侧移约减小25 图31芯筒 框架体系的变形状态 a 无加劲桁架 b 有加劲桁架 图32风荷载下芯筒 框架体系的侧移曲线 4 设置竖向支撑 可交错布置 布置竖向支撑交错可以使支撑的总宽度增加 减小支撑整体弯曲变形在总变形中的比重 提高支撑在结构顶部的效用 从而改善了结构的变形形态 减小结构的顶点侧移 5 变平面结构为立体结构 框架结构因柱距较大 梁的线刚度较小 属于平面结构 如果减小柱距 提高梁的线刚度 框架就可以形成一个立体结构 框架筒体 在水平力作用下翼缘框架和腹板框架共同工作 大大提高整个结构的抗推刚度 有效地减小了结构的位移 6 抗剪墙板的斜向布置 高层建筑中的外框筒因剪力滞后效应不能有效地发挥立体结构的空间作用 将产生较大的顶点侧移和层间侧移 如果沿周圈框架平面布置一定数量的钢筋混凝土抗剪墙板 可以有效地克服框筒的剪力滞后效应 显著提高框筒的抗推刚度 减小结构的侧移 7 围护结构参与抗震 利用围护结构例如预制钢筋混凝土外墙板来提高整个结构的抗推刚度 从而减小结构的侧移 八 确保结构整体性 要使结构具有良好的抗震性能 必须确保结构在地震作用下不丧失整体稳定性 因为 建筑在地震作用下丧失整体性后 或者由于整个结构变成机动构架而倒塌 或者由于外围构件平面外失稳而倒塌 1 结构应具有连续性 结构的连续性是结构在地震时保持整体性的重要手段之一 首先应从结构类型的选择上保证结构具有连续性 其次 强调施工质量良好以保证结构具有连续性和抗震整体性 2 构件间的可靠连接 保证抗震结构构件之间的连接可靠和具有较好的延性 使之能满足传递地震力时的强度要求和适应地震时大变形的延性要求 是充分发挥各个构件的强度 变形能力 从而获得整个结构良好抗震能力的重要前提 为了保证连接的可靠性 构件的强度不应低于其连接构件的强度 预埋件的锚固强度不应低于