建筑结构抗震设计.ppt

第一节震害及分析 7度区 未经设防的单层砖结构厂房 多数只有轻微破坏或基本完好 少数为中等破坏 8度区 多数有破坏 部分受到中等破坏 个别倒塌 9度区 大多数严重破坏或倒塌 个别在震后保留下来 震害震害 纵墙水平裂缝 砖垛折断 山墙斜裂缝 屋架支座联结处的局部破坏 1 纵墙水平裂缝 砖垛折断 山墙斜裂缝或交叉裂缝厂房纵墙产生水平裂缝 砖垛破损 裂缝随烈度的增高而加宽加长 甚至使纵墙折断 房屋倒塌 砖柱的上阶柱内侧弯曲受压破坏较多见 90区山墙将出现较严重的斜裂缝或交叉裂缝 7 1 1单层砖厂房 第7章单层厂房抗震设计 且山墙或横墙的间距不很大时 屋盖整体性较强 厂房空间作用比较显著 山 横 墙将承受由屋盖传来较大的横向地震作用 当传至山墙或横墙上的横向地震作用力超过山 横 墙的抗剪承载能力时 墙体就会产生斜裂缝 2 山墙水平裂缝 外闪和倒塌 纵墙斜裂缝或交叉裂缝造成这种震害的主要原因是 在90区 山墙承受强烈的地震作用 山墙与屋盖缺少必要的锚固措施 山墙处于悬臂状态 在纵向地震作用下产生很大的出平面变位 致使山墙顶部砌体失去抗震能力而倒塌 由于强烈的地震作用 纵墙在薄弱截面内产生斜裂缝或交叉裂缝 产生上述震害是由于在强烈的地震作用下 纵墙薄弱截面的抗剪承载力不足而引起破坏 3 屋架支座联结处的局部破坏单层砖柱厂房中 由于屋架与砖柱 墙 没有可靠的锚固措施 地震时锚固螺栓被拔出 屋架移动而造成屋架与砖柱 墙 联结处的局部破坏 6 7度区 主体结构完好 少数围护砖墙开裂外闪 突出屋面的 形天窗局部破坏 8度区 主体结构不同程度破坏 上柱开裂 柱与屋盖的连接破坏 形天窗倾倒 个别屋盖塌落 9度区 围护大量倒塌 形天窗架大量倾倒 屋盖塌落 10 11度区 大多数厂房倒塌破坏 震害表明 通过设防的厂房 对7度地震作用有足够的抗震能力 也存在一些薄弱环节 对7度以上地震作用抵抗力不足 厂房结构的弱点 纵向抗震能力差 构件连接单薄 支撑体系弱等 7 1 2单层钢筋砼柱厂房 7度区 柱间支撑处屋面板支座酥裂 8度区 屋面板错动 震落 倒塌9度区 屋面大面积倒塌 1 屋盖体系 2 天窗架突出屋面的 形天窗架在8度以上会造成大面积的倾倒 是厂房的薄弱部分 下沉式天窗震后基本完好 3 柱柱根部 吊车梁顶面 高低跨中柱牛腿劈裂 下柱根部 4 连接厂房是装配式结构 连接很重要 屋面板与屋架 天窗架与屋架 屋架与柱 吊车梁与柱 支撑连接等 5 支撑系统厂房的重要构件 天窗架支撑 屋盖垂直支撑 柱间支撑破坏形式 压曲 节点扭折 焊缝撕开 锚件拉脱等 6 围护墙开裂 外闪 脱落 倒塌 第二节厂房结构的抗震设计 7 2 1设计原则 1 结构布置及选型 1 防震缝的设置厂房的平面 立面布置宜规则简单 平面复杂时可通过设置防震缝进行分隔 单层砖柱厂房 屋盖较轻时 轻型钢屋盖 可不设防震缝 屋盖较重时 钢筋砼屋盖 与贴建的建筑之间设50 70mm的防震缝 单层砼柱厂房 多跨宜为等高 体型复杂时 宜设缝 纵横跨交接处的缝宽为100 150mm 其它为50 90mm 2 抗侧力结构体系厂房横向抗侧力为排架体系 屋架铰接于柱 框架体系 屋架刚接于柱 横墙及门式刚架体系等 厂房纵向抗侧力体系为排架 纵向支撑铰接于柱 柱间支撑 纵墙 注意 厂房的同一结构单元内 不要采用不同的结构体系 以保证其抗侧移刚度的一致 3 屋盖体系单层砖柱厂房 6 8度区宜采用轻型屋盖 9度区应采用轻型屋盖 单层砼柱厂房 跨度L 24m时8度地区III IV类场地钢屋架 屋面板 三点焊接 9度地区跨度L 24m时钢筋砼屋架 屋面板 肋梁体系 4 天窗架天窗的布置不宜靠近结构单元的端部 同时其型式应满足 a 突出屋面的天窗架宜采用钢天窗架 b 9度地区 可采用下沉式天窗 c 突出屋面的钢筋砼天窗 侧板与柱宜采用螺栓连接 5 支撑系统通过设置支撑系统 使结构形成空间体系 支撑系统可分为屋盖支撑 上弦横向支撑 下弦横向支撑 跨中竖向支撑 端部竖向支撑 柱间支撑 水平支撑 斜向支撑 6 柱单层砖柱房屋 6 7度地区可采用十字形无筋砖柱 8度地区 类场地采用竖向配筋组合砖柱 8度地区 类场地 和9度地区的中柱采用钢筋砼柱 单层钢筋砼柱厂房 厂房中的各种柱采用钢筋砼柱 a 截面形式和尺寸 矩形 工字形 双肢形 管柱形等 柱截面尺寸按规范要求和构造要求选择 b 柱配筋 柱纵向钢筋的配置按承载能力的要求和构造规定选择 柱箍筋按承载能力的要求和构造规定选择柱箍筋加密范围 加密区最小间距和直径要求 c 柱顶与屋架连接8度地区宜用螺栓连接 9度地区宜用钢板铰连接 钢板铰宜于耗能 六 围护墙与隔墙围护墙的布置应尽量均匀 对称 优先采用墙板 砖墙宜采用外贴式 不宜采用嵌砌式 砖围护墙应设置圈梁 设拉筋于柱连接 厂房端部宜设置屋架 不宜采用山墙承重 单层钢筋混凝土柱厂房的围护墙宜采用轻质墙板或钢筋混凝土大型墙板 外侧柱距为12m时应采用轻质墙板或钢筋混凝土大型墙板 不等高厂房的高跨封墙和纵横向厂房交接处的悬墙宜采用轻质墙板 8 9度时应采用轻质墙板 单层钢筋混凝土多跨厂房的砌体围护墙宜采用外贴式 厂房内部有砌体隔墙时 也不宜嵌砌于柱间 可采用与柱脱开或与柱柔性连接的构造处理方法 钢结构厂房的围护墙 7 8度时宜采用轻质墙板或与柱柔性连接的钢筋混凝土墙板 不应采用嵌砌砌体墙 8度时尚应采取措施使墙体不妨碍厂房柱列沿纵向的水平位移 9度时宜采用轻质墙板 1 抗震设计原则 第三节厂房横向抗震计算 a 应根据屋盖高差和吊车设置的情况 可采用单质点或多质点模型体系来计算地震作用 当厂房中设置一层吊车时 每跨可按两台吊车考虑 计算多跨厂房时 吊车总数不超过4台 b 计算要点 厂房抗震计算包括横 纵向两个方向的计算 厂房横向计算模型为排架体系 柱 屋盖 和横墙 厂房纵向计算模型为柱列体系 柱 柱间支撑 纵向梁系 和刚性纵墙 c 8度 9度区内的大跨度厂房 24m 其屋盖体系应考虑竖向地震作用 d 对于8度区 场地 9度区内的高大的单层厂房结构应进行弹塑性变形计算 e 在满足有关抗震构造措施时 规范规定下列建筑可不进行抗震计算 a 7度地区 类场地内的柱高不超过4 5m且两端均有山墙的单跨及等高多跨砖柱厂房 7 3 1基本原则 b 7度地区 类场地内的柱高不超过10m且两端均有山墙的单跨及等高多跨钢筋砼柱厂房 2 设计计算内容 3 厂房质量集中系数的确定 自振周期的计算 内力计算 强度计算 厂房所有的质量均集中于厂房的屋 楼 盖处 但由于各部分质量的分布及位置的不同 因此不能简单地将其质量全部移至厂房的屋 楼 盖处 而需要按一定的原则进行折算 质量集中的原则是 a 计算结构自振周期 自振频率 时 应按 周期等效 原则进行 b 计算结构地震作用时 应按柱底 弯矩相等 原则进行 基本假设 a 设厂房的屋盖为有限刚性的物体 b 以厂房每一榀排架为一独立计算单元 按平面排架进行地震作用分析 c 将质量集中于柱顶 按单质点及多质点体系计算 d 排架在地震作用下的变形以剪切变形为主 地震作用沿高度为倒三角形分布 4 计算简图 Gr 屋盖部分重量 自重 雪荷载 积灰荷载 Gc 柱自重 Gb 吊车梁自重 Gwl 纵墙重 Gw 高低跨封墙重 系数1 0 0 5 0 25是按动能等效折算质量的折减系数 吊车桥架的影响 吊车桥梁的刚度将使结构的刚度增大即周期减小 而吊车桥架的重量又使结构的周期增大 为了简化计算 在计算周期时 不考虑桥架的影响 集中于屋盖处的质点等效重力荷载代表值 集中于屋盖处的质点等效重力荷载代表值Gi 式中 1 质点的等效重力荷载 7 3 2结构自振周期的计算 单跨和等高多跨厂房 按单质点体系计算自振周期 考虑不同结构 引入调整系数KT 上式改写为 排架的侧向柔度d11按下式计算 2 结构自振周期的计算 u1 u2 将结构简图转动900 将G1 G2视为垂直于杆件的荷载 在G1 G2处产生的水平位移 三跨不对称带升高中跨的厂房结构 两跨不等高厂房采用能量法计算并考虑KT影响 计算自振周期 式中 质量分布的位置及大小决定了内力的分布 a 无吊车 与结构周期的计算简图相同 7 3 3结构地震作用的计算 b 有吊车 将吊车考虑成一个质点 吊车 单跨时为一台 多跨时 不超过两台 软钩时 不计吊重 硬钩时取吊重的30 在吊车梁顶面将吊车重量分配于两柱上 1 计算简图 a 无吊车的等高厂房 2 屋盖重量的计算 b 无吊车的不等高厂房 c 有吊车的等高厂房 d 有吊车的不等高厂房 注意 上述c d的计算公式适用于软钩吊车 当为硬钩吊车时 吊车自重中应加入30 的最大吊重 对于柱 墙的折算系数0 5 是用柱底部弯矩等效原则得到的 将柱或墙分成五个质点 各个为0 2 按振型分解反应谱法求出柱底部的弯矩 根据底部弯矩相等的原则 求出在柱顶的折算质量 依据算例 最后建议取为0 5 1 底部剪力法 考虑空间及扭转作用修正 he的取值见规范 z1 修正系数 见规范 Geq 重力荷载代表值 单质点体系Geq G1 多质点体系Geq 0 85SGi b 各质点地震作用分配 式中 c 有斜腹杆的桁架式天窗架的地震作用由于这种天窗架的刚度大 可将其视为一个质点计算地震作用 不乘放大系数 当天窗架跨度大于9m时 或9度时 可将求得的天窗架地震作用乘以1 5放大系数 d 桥式吊车处的地震作用求出的Fi乘以动力放大系数he 3 厂房横向地震作用 a 底部剪力 2 振型分解法 由于底部剪力法的计算结果不能反映高振型的影响 将其运用于高低跨高度相差较大的厂房时 高低跨相交处水平拉力的计算误差较大 在这种情况下 可采用振型分解法 振型分解法的计算简图与底部剪力法相同 每个质点有一个水平自由度 对于二质点的高低跨排架 用柔度法计算较方便 相应的振型分解法的计算步骤如下 a 振动参数的计算 体系的自振频率 体系的自振周期 体系的主振型 体系的振型参入系数 体系的地震影响系数由T1 T2及Tg 根据地震影响曲线计算地震影响系数a1 a2 b 体系两质点上的地震作用第一振型下第二振型下 c 体系在各振型地震作用下的内力根据计算简图的构件及结构参数 按结构力学计算 d 体系最终的地震内力如果结构在第一振型地震作用下的内力为S1 在第二振型地震作用下的内力为S2 则最终的地震内力为 3 考虑空间工作和扭转影响的内力调整当厂房的布置引起明显的空间作用或扭转影响时 应对前面的计算结果进行调整 当符合下列要求时 采用钢筋混凝土屋盖及柱的单层厂房可考虑空间工作和扭转影响 a 7度和8度地区 b 厂房单元屋盖长度与总跨度之比12m c 山墙厚度 240mm 洞口水平截面积 总面积的50 d 柱顶高度 15m 为考虑这一影响 排架柱的弯矩和剪力应分别乘以相应的调整系数 高低跨交接处的上柱除外 调整系数可按下表采用 b 高跨两侧有低跨时 z2 空间影响系数 nh nl 高低跨跨数 Gh Gl 高低跨屋盖的重力荷载代表值 Glc 高跨两侧低跨屋盖总的重力荷载代表值 式中 4 不等高厂房高低跨交接处中柱的地震内力修正由于高振型的影响 将使这部分截面的内力大于用底部剪力法求出的内力 为保证安全 这些截面内力乘以修正系数 a 高跨一侧有低跨时 5 吊车桥架引起的地震作用效应增大系数吊车桥架在地震时常引起厂房的强烈局部振动 因此 应考虑吊车桥架引起的地震作用效应并乘以效应增大系数 厂房结构空间影响系数表 Fc 由吊车引起且作用于一根柱上的地震作用 a1 对应于自振周期T1的地震影响系数 hc H 吊车梁面的高度及所在柱的高度 式中 计算步骤如下 a 计算一台吊车对一根柱子产生的最大重力荷载Gc b 计算Gc对一根柱子产生的水平地震作用 a 桥架不作为一个质点时 其地震作用可按下式计算 b 桥架作为一个质点时 可按底部剪力法求出其地震作用c 按结构力学求地震作用下的内力 d 将所求的地震作用内力乘以下表的增大系数 轻型柔性屋盖采用 柱列法 即各个柱列分片进行计算 钢筋砼屋盖采用 修正刚度法 计算厂房的纵向自振周期和地震作用 两跨不等高厂房采用 拟能量法 确定厂房的基本周期及地震作用 第四节厂房纵向抗震计算 1 适用范围 适用于轻型柔性的屋盖体系 2 柱顶质量 7 4 1厂房纵向抗震计算的简化计算方法 7 4 2纵向自振周期的计算 1 柱列法 Gr 屋盖荷载 Gc 柱自重 Gwl 纵墙 Gwt 横墙或山墙 Gb 吊车梁 Gcr 吊车重量 式中 yT 周期折减系数 无围护墙为0 9 有围护墙取0 8Ks s柱列的总刚度 KN m 包括排架柱 柱间支撑 围护墙等 1 适用范围 刚度较大的钢筋混凝土屋盖 2 计算简图 将所有的屋盖质量合并为集中质量 所有排架柱刚度合并为一个刚度 3 柱顶质量 3 周期计算 第s柱列的周期 式中 2 修正刚度法 yT 修正系数 4 周期计算 5 经验公式按修正刚度法计算单跨或等高多跨的钢筋砼柱厂房纵向地震作用时 当厂房的柱顶高不大于15m 其平均跨度不大于30m时 其纵向基本周期经验公式 y1 屋盖类型系数 钢筋砼屋架取1 0 钢屋架取0 85 y2 围护墙影响系数 砖围护墙取y2 1 0 敞开 半敞开围护墙取 l 厂房平均跨度 m H 基顶至柱顶高度 m 纵向周期修正系数yT 1 适用范围 适用于两跨不等高厂房 2 计算简图 将柱列半跨范围内的重力荷载代表值按动能等效原则等效到柱与屋盖连接处 3 柱顶荷载 3 拟能量法 4 荷载调整屋盖的空间作用及扭转效应可使不等高厂房中 边柱列的地震力不同 为反应此特点 需将中 边柱列的重力荷载值进行调整 再按能量法求自振周期 中柱列 Gcs zbGsf边柱列 Gcs Gs 1 zb Gsfzb可查规范相关表格 5 周期计算 其中结构各质点位移us的求法见图 可按单柱列求解 注意 对于四周有外墙的单层单跨砖柱厂房 由于纵向刚度大 可不计算纵向周期 直接采取a amax计算地震作用 厂房纵向刚度 柱列刚度 柱间支撑刚度 纵墙刚度由于构件的刚度与柔度的乘积为1 即 k 1 1 柱 按悬臂构件计算 仅考虑构件的弯曲变形 2 柱间支撑 按桁架计算 仅考虑支撑的轴向变形 不计水平构件的轴向变形 柱间支撑依据压杆的长细比分成三类 1 柔软柱间支撑在地震作用下 压杆将丧失稳定而退出工作 仅有斜向拉杆参加工作 此时支撑在单位力作用下的变形按下式计算 仅计算受拉杆件 7 4 3厂房纵向刚度的计算 2 半刚性柱间支撑拉压杆的刚度都考虑 压杆按临界状态刚度计算 3 纵向砖墙 无洞或单洞墙a 上 下端转动受约束的情况b 下端固定 上端自由K 小洞口影响系数 2 多洞墙单一墙体层 Ki Ki多块墙体层 Ki Kij j 1 2 s 每一层墙体的侧向位移为 每一层墙体上端的侧向位移总值为 F 1 3 柱列刚度 1 仅柱顶作用水平力时式中 nc nb nw 柱总数 支撑总数和纵墙总数 这样 柱列的抗侧移刚度为 2 当柱列上同时作用两个地震力时柱列的刚度矩阵 2 柱列地震作用 1 柱列法 轻型屋盖 作用于第s柱列柱顶标高处的纵向水平地震作用 三 地震作用的计算1 计算简图 无吊车时柱列顶部的折算重量 值得注意的是 计算结构自振周期时 重量是按动能等效原则划分的 而在计算地震作用时 重量是按几何位置划分 其中0 7Gwl是考虑纵墙上部重量较大 有吊车时 吊车梁顶 柱顶 横墙 纵墙 檐墙 作用于吊车梁顶面标高处的地震作用式中hcs 吊车梁的高度 Hs 厂房柱顶高度 2 修正刚度法 砼柱大型屋面板等高厂房 某一柱列的地震作用砖柱厂房钢筋砼厂房边柱列中柱列式中 Kas 柱列修正刚度 z3 z4 围护墙修正系数 z5 柱间支撑修正系数 3 拟能量法 不等高厂房 作用于边柱列柱顶的地震作用 作用于高低跨交接处连接点处的地震作用 3 构件的地震作用 1 仅柱列顶部作用地震作用时 柱列顶部位移应相等 各构件的地震作用按刚度分配 2 当柱列作用两个地震力时柱列侧移 分配给柱的力 分配给支撑的力 分配给墙的力 四 天窗地震作用规范规定 对单跨 等高多跨 高度不超过15m的厂房 按底部剪力法计算出的突出屋面天窗的纵向地震力 应乘以增大系数h 单跨 边跨屋盖 有纵向内隔墙的中跨屋盖 对于其它中跨屋盖 式中n 厂房跨数 超过跨按4跨取用 其它情况下天窗架的纵向抗震计算 可按空间多质点体系计算 式中 hp 放大系数 1 3 2 6 见规范规范对侧移变形的控制条件 式中 h 上柱高 qp 规范对结构侧移变形转动角度的限值 三 罕遇地震作用下抗震变形验算规范要求 8度地区III IV类场地 9度地区 结构的弹塑性变形的计算式 高大单层钢筋混凝土厂房上柱应验的算罕遇地震下的弹塑性变形 Dup qp h 一 厂房的空间工作和扭转效应厂房的空间工作效应的高低取决于 1 有无山墙或横墙 山墙的间距越小 厂房的刚度越大 2 屋盖的横向刚度 屋盖增加了厂房的刚度 厂房的扭转效应的现象 1 仅一端有山墙的厂房 会产生扭转振动 2 靠近伸缩缝处的排架柱比其他位置的排架柱震害重 二 按多质点空间结构计算地震作用1 计算简图横向由排架和山墙构件组成 纵向由排架和纵墙及柱间支撑组成 将厂房的质量集中于