建筑结构抗震设计,多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计5.ppt

1 多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计 本章要点 掌握 水平地震作用的计算 框架内力和位移计算 框架梁 柱 节点的抗震设计 理解 多高层钢筋混凝土结构房屋抗震设计的一般要求 了解 多层及高层钢筋混凝土结构房屋的主要结构体系及震害特点 2 1概述 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 框架结构体系由梁和柱组成 平面布置灵活 易于满足建筑物设置大房间的要求 在工业与民用建筑中应用广泛 抗震墙也称剪力墙 这种结构体系由钢筋混凝土纵横墙组成 抗侧力性能较强 但平面布置不灵活 纯剪力墙体系一般用于住宅 旅馆和办公楼建筑 筒体结构或由四周封闭的剪力墙构成单筒式的筒状结构 或以楼电梯为内筒 密排柱深梁框架为外框筒组成筒中筒结构 这种结构的空间刚度大 抗侧和抗扭刚度都很强 建筑布局亦灵活 常用于超高层公寓 办公楼和商业大厦建筑等 框架 抗震墙结构 在框架房屋中增加抗震墙构成 框架 筒体体系 在框架房屋中增加筒体构成 3 1概述 框架房屋 抗震墙 框架 抗震墙 4 1概述 不过 设计不良或施工质量欠佳的钢筋混凝土结构房屋在地震中遭遇震害的情况 亦不鲜见 主要震害可概述如下 共振效应引起的震害 结构平面或竖向布置不当引起的震害 框架柱 梁和节点的震害 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 5 1概述 2 柱底与柱顶相似 由于箍筋较柱顶密 震害相对柱顶较轻 6 1概述 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 7 1概述 4 角柱 由于双向受弯 受剪 加上扭转作用 震害比内柱重 5 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 节点内箍筋很少或无箍筋时 柱纵向钢筋压曲外鼓 节点破坏将导致梁柱失去相互之间的联系 节点破坏的主要原因是节点的受剪承载力不足 约束箍筋少 梁筋锚固长度不够以及施工质量差所引起 6 框架梁 震害多发生于梁端 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裂缝 破坏的主要原因是梁端屈服后产生的剪力较大 超过了梁的受剪承载力 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 8 1概述 框架填充墙的震害 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 9 1概述 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 10 1概述 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 11 1概述 防震缝的震害 防震缝宽度过小 地震时结构相互碰撞造成震害 总结以上震害调查结果 除注意场地和地基因素外 从结构上主要应注意 1 结构的刚度在平面上和沿竖向的分布要规则 均匀 2 结构构件要有足够的承载力和延性 3 重视构造 加强对混凝土的约束 防止剪切 锚固等脆性破坏 4 保证施工质量 12 抗震设计的一般要求 5 2 1结构体系选择不同的结构体系 其抗震性能 使用效果和经济指标亦不同 抗震规范 在考虑地震烈度 场地土 抗震性能 使用要求及经济效果等因素和总结地震经验的基础上 对地震区多高层房屋适用的最大高度给出了规定 房屋的高宽比值愈大 即建筑愈瘦高 地震作用下的侧移愈大 地震引起的倾覆作用愈严重 故 规范 对房屋的高宽比按结构体系和地震烈度给出了不同的要求 注 当有大底盘时 计算高宽比的高度从大底盘顶部算起 选择结构体系时 要考虑建筑物刚度与场地条件的关系 要注意选择合理的基础形式及埋置深度 还必须注意经济指标 注 房屋高度指室外地面到檐口的高度 不考虑局部突出屋顶部分 13 抗震设计的一般要求 5 2 2结构布置多高层钢筋混凝土结构房屋结构布置的基本原则 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分布 避免结构刚度突变 并应尽可能降低建筑物的重心 以利结构的整体稳定性 合理地设置变形缝 加强楼屋盖的整体性 尽可能做到技术先进 经济合理 框架结构布置框架结构主要用于10层以下的住宅 办公及各类公共建筑与工业建筑 常见的框架柱网形式有方格式与内廊式两类 14 抗震设计的一般要求 常见框架柱网 a 方格式柱网 b 内廊式柱网 地震区的框架结构 应设计成延性框架 遵守 强柱弱梁 强剪弱弯 强节点 强锚固等设计原则 在确定框架结构结构方案的同时 应初步确定框架梁柱的截面尺寸和材料强度等级 框架结构中 非承重墙体的材料 选型和布置 应根据烈度 房屋高度 建筑体型 结构层间变形 墙体抗侧力性能的利用等因素 经综合分析后确定 应优先采用轻质墙体材料 刚性非承重墙体的布置 在平面和竖向的布置宜均匀对称 避免形成薄弱层或短柱 15 抗震设计的一般要求 框架 抗震墙结构布置框架 抗震墙结构是由框架和抗震墙结合而共同工作的结构体系 兼有框架和抗震墙两种结构体系的优点 既具有较大的空间 又具有较大的抗侧刚度 多用于10 20层的房屋 框架 抗震墙结构布置的关键问题是抗震墙的布置 其基本原则是 抗震墙在结构平面的布置应对称均匀 避免结构刚心与质心有较大的偏移 框架一抗震墙结构平面布置示意 抗震墙应沿结构的纵横向设置 且纵横向抗震墙宜相互联合组成T形 形 十字形等刚度较大的截面 以提高抗震墙的利用效率 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偏心距不宜大于柱宽的1 4 16 抗震设计的一般要求 抗震墙应尽可能靠近房屋平面的端部 但不宜布置在外墙 抗震墙应设置在墙面不需要开大洞口的位置 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 抗震墙结构布置抗震墙结构是右钢筋混凝土墙体承受竖向荷载和水平荷载的结构体系 具有整体性能好 抗侧刚度大和抗震性能好等优点 该类结构无突出墙面的梁 柱 可降低建筑层高 充分利用空间 特别适合于20 30层的高层居住建筑 但该类建筑大面积的墙体限制了建筑物内部平面布置的灵活性 抗震墙宜贯通全高 沿竖向截面不宜有较大突变 以保证结构竖向的刚度基本均匀 抗震墙的数量以能满足结构的侧移变形为原则 不宜过多 以免结构刚度过大 增加结构的地震反应 抗震墙的间距应能保证楼 屋盖有效地传递地震剪力给抗震墙 17 抗震设计的一般要求 抗震墙结构平面布置示意 抗震墙结构的布置除了应注意平面与竖向的均匀外 尚应注意 较长的抗震墙宜开洞口设置弱连系梁 将一道抗震墙分成较匀匀的若干墙段 包括小开洞墙及联肢墙 各墙段的高宽比不应小于2 并应保证墙肢由受弯承载力控制 靠近中和轴的竖向分布钢筋在破坏时能充分发挥其强度 以提高结构的变形能力 抗震墙的墙段与墙肢 抗震墙有大洞口时 洞口位置宜上下对齐 以形成明确的墙肢与连系梁 保证结构受力合理 有良好的抗震性能 一 二级抗震墙底部加强部位不宜有错洞墙 18 抗震设计的一般要求 部分框支抗震墙结构的框支层 其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 框支层落地抗震墙间距不宜大于24m 底部两层框支抗震墙结构的布置宜对称 且宜设置抗震墙筒体 落地抗震墙之间楼盖长宽比不应超过规定的数值 抗震缝布置高层建筑宜选用合理的建筑结构方案 不设防震缝 当建筑平面过长 结构单元的结构体系不同 高度和刚度相差过大以及各结构单元的地基条件有较大差异时 应考虑设防震缝 其最小宽度应符合下面要求 1 钢筋混凝土框架房屋的防震缝宽度 当高度不超过15m时可采用70mm 超过15m时 6 7 8 9度相应每增加高度5m 4m 3m 2m 宜加宽20mm 2 框架 抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用框架规定数值的70 且不宜小于70mm 19 抗震设计的一般要求 3 防震缝两侧结构类型不同时 按不利体系考虑 并按低的房屋高度计算缝宽 5 防撞墙8 9度设防的钢筋混凝土框架房屋防震缝两侧的结构 当结构高度 刚度或层高相差较大时 可在防震缝两侧房屋的尽端设垂直于防震缝的抗撞墙 20 抗震设计的一般要求 每一侧的数量不应少于两道 宜分别对称布置 墙肢的长度可不大于一个柱距 内力应按考虑和不考虑抗撞墙两种情况进行分析 按不利情况取值 抗撞墙的端柱和框架边柱箍筋应沿房屋全高加密 5 2 3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 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 21 抗震设计的一般要求 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 其中一级抗震要求最高 在同等设防烈度和房屋高度的情况下 对于不同的结构类型 其次要抗侧力构件抗震要求可低于主要抗侧力构件 即抗震等级低些 设防烈度为 度 建于 类场地上的结构 不需做抗震验算但需按抗震等级设计截面 满足抗震构造要求 22 框架内力与位移计算 结构计算考虑地震作用时 一般可不考虑风荷载的影响 整个设计步骤如图 结构抗震计算的内容一般包括 结构动力特性分析 主要是结构自振周期的确定 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 结构内力分析 截面抗震设计等 23 框架内力与位移计算 5 3 1水平地震作用计算结构的地震作用 一般情况下 可在建筑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 计算多层框架结构的水平地震作用时 一般应以防震缝所划分的结构单元作为计算单元 在计算单元中各楼层重力荷载代表值的集中质点Gi设在楼屋盖标高处 对于高度不超过40m 质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结构 可采用底部剪力法分别求单元的总水平地震作用标准值FEk各层水平地震作用标准值Fi和顶部附加水平地震作用标准值 Fn 24 框架内力与位移计算 按上式计算 必须先确定结构的基本自振周期数值 一般多采用顶点位移法计算结构基本周期 式中 T 考虑非结构墙体刚度影响的周期折减系数 当采用实砌填充砖墙时取0 6 0 7 当采用轻质墙 外挂墙板时取0 8 uT 假想集中在各层楼面处的重力荷载代表值Gi为水平荷载 按弹性方法所求得的结构顶点假想位移 m 注意 对于有突出于屋面的屋顶间 电梯间 水箱间 等的框架结构房屋 结构假想位移uT指主体结构顶点的位移 第i层的地震剪力Vi 求得第i层的地震剪力Vi后 再按该层各柱的侧移刚度求其分担的水平地震剪力标准值 一般将砖填充墙仅作为非结构构件 不考虑其抗侧力作用 25 框架内力与位移计算 5 3 2水平地震作用下框架内力的计算1 反弯点法适用于层数较少 梁柱线刚度比大于 的情况 计算比较简单 值法 改进反弯点 近似地考虑了框架节点转动对侧移刚度和反弯点高度的影响 比较精确 应用比较广泛 用D值法计算框架内力的步骤如下 1 计算各层柱的侧移刚度D 式中Kc 柱的线刚度 h 楼层高度 节点转动影响系数 由梁柱线刚度 按表取用 26 框架内力与位移计算 2 计算各柱所分配的剪力Vij 3 确定反弯点高度y 4 计算柱端弯矩Mc 上端下端 5 计算梁端弯矩Mb 梁端弯矩可按节点弯矩平衡条件 将节点上 下柱端弯矩之和按左 右梁的线刚度比例分配 柱剪力Vij与反弯点高度y 如图 27 框架内力与位移计算 梁端弯矩 计算梁端剪力 b 7 计算柱轴力N 边柱轴力为各层梁端剪力按层叠加 中柱轴力为柱两侧梁端剪力之差 亦按层叠加 梁两端弯矩计算图 柱底层柱轴力为 边柱轴力 28 框架内力与位移计算 5 3 3竖向荷载作用下框架内力计算 分层法 将该层梁与上下柱组成计算单元 每单元按双层框架计算其内力 每层只承受该层竖向荷载 不考虑其他各层荷载的影响 注意 除底层外其他各层的线刚度均乘以折减系数0 9 柱的弯矩传递系数由1 2改为1 3 用弯矩分配法逐层计算各单元框架的弯矩 叠加起来即为整个框架的弯矩 每一层柱的最终弯矩由上 下层单元框架所得弯矩叠加 对节点处不平衡弯矩较大的可再分配一次 但不在传递 弯矩二次分配法将各节点的不平衡弯矩 同时作分配和传递 第一次按梁柱线刚度分配固端弯矩 将分配弯矩传递一次 传递系数均为1 2 再作一次弯矩分配即可 竖向荷载框架内力近似计算可采用分层法和弯矩二次分配法 29 框架内力与位移计算 弯矩调幅 由于钢筋混凝土结构具有塑性内力重分布性质 在竖向荷载下可以考虑适当降低梁端弯矩 进行调幅 以减少负弯矩钢筋的拥挤现象 现浇框架 0 8 0 9 装配整体式框架 0 7 0 8M0 简支情况下跨中弯矩 将调幅后的梁端弯矩叠加简支梁的弯矩 则可得到梁的跨中弯矩 跨中弯矩为 竖向荷载下梁端弯矩调幅 注意 只有竖向荷载作用下的梁端弯矩可以调幅 当活荷载不很大时 可按全部满载布置 当活荷载较大时 可将跨中弯矩乘以1 1 1 2系数加以修正 以考虑活荷载不利布置对跨中弯矩的影响 30 框架内力与位移计算 5 3 4内力组合进行结构设计时 应根据可能出现的最不利情况确定构件内力设计值 进行截面设计 在框架抗震设计时 一般应考虑两种基本组合 地震作用效应与重力荷载代表值效应的组合 式中SGE 相应于水平地震作用下重力荷载代表值效应的标准值 SEh 水平地震作用效应的标准值 竖向荷载效应 包括全部恒荷载与活荷载的组合 式中SG 由恒荷载产生的内力标准值 SQ 由活荷载产生的内力标准值 取上述两种组合中的最不利情况作为截面设计用的内力设计值 注意 考虑地震组合时 构件截面设计值应除以承载力抗震调整系数 31 框架内力与位移计算 5 3 5框架结构位移验算框架结构构件尺寸往往决定于结构的侧移变形要求 多遇地震作用下层间弹性位移的计算对所有框架都应进行此项计算 罕遇地震作用下层间弹塑性位移验算规定 7 9度时楼层屈服强度系数小于0 5的钢筋混凝土框架结构应进行此项计算 抗震规范 规定 对于不超过12层 且刚度无突变的钢筋混凝土框架结构 可按简化方法验算框架薄弱层的弹塑性变形 32 钢筋混凝土框架结构构件设计 5 4 1框架梁截面设计1 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 妥善地解决梁筋锚固问题 1 框架梁抗剪承载力验算 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 一 二 三级框架 9度和一级框架结构尚应符合 33 钢筋混凝土框架结构构件设计 一 二 三级框架 9度和一级框架结构尚应符合 34 钢筋混凝土框架结构构件设计 剪压比限值剪压比 截面上平均剪应力与混凝土抗压强度设计值之比 即 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 跨高比大于2 5时 跨高比等于或小于2 5时 35 钢筋混凝土框架结构构件设计 梁斜截面受剪承载力在反复荷载作用下 混凝土的抗剪作用将有明显的削弱 规定 对于矩形 形和 字形截面的一般框架梁 斜截面受剪承载力应按下式验算 提高梁延性的措施影响梁截面延性的主要因素有梁的截面尺寸 纵向钢筋配筋率 剪压比 配箍率 钢筋和混凝土的强度等级等 在梁端预期塑性铰区段加密箍筋 可以起到约束混凝土 提高混凝土变形能力的作用 从而可获得提高梁截面转动能力 增加其延性的效果 在梁端箍筋加密区 一般不宜设置纵筋接头 36 钢筋混凝土框架结构构件设计 框架柱截面设计柱的设计原则 强柱弱梁 使柱尽量不出现塑性铰 在弯曲破坏之前不发生剪切破坏 使柱有足够的抗剪能力 控制柱的轴压比不要太大 加强约束 配置必要的约束箍筋 强柱弱梁 强柱弱梁 的概念要求在强烈地震作用下 结构发生较大侧移进入非弹性阶段时 为使框架保持足够的竖向承载能力而免于倒塌 要求实现梁铰侧移机构 即塑性铰应首先在梁上形成 尽可能避免在破坏后在危害更大的柱上出现塑性铰 两种破坏形式 弱柱型 弱梁型 37 钢筋混凝土框架结构构件设计 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 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 38 钢筋混凝土框架结构构件设计 注意 框架底层柱根部对整体框架延性起控制作用 柱脚过早出现塑性铰将影响整个结构的变形和耗能能力 强剪弱弯 在弯曲破坏之前不发生剪切破坏 柱剪力设计值 抗震规范 规定 对于抗震等级为一 二 三级的框架柱端剪力设计值 应按下式进行调整 9度和一级框架结构尚应符合 剪压比限值剪压比 截面上平均剪应力与混凝土抗压强度设计值之比 39 钢筋混凝土框架结构构件设计 如果剪压比过大 混凝土就会过早地产生脆性破坏 使箍筋不能充分发挥作用 因此必须限制剪压比 实质上也就是构件最小截面尺寸的限制条件 规范 规定 对于剪跨比大于2的矩形截面框架柱 其截面尺寸与剪力设计值应下式的要求 对于剪跨比不大于2的框架短柱其截面尺寸与剪力设计值应符合下式的要求 柱斜截面受剪承载力影响斜截面受剪承载力的主要因素有混凝土强度 剪跨比 轴压比和配箍特征值等 40 钢筋混凝土框架结构构件设计 混凝土结构设计规范 规定 框架柱斜截面受剪承载力按下式计算 当框架柱出现拉力时 其斜截面承载力应按下式计算 控制柱轴压比 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 轴压比是影响柱子破坏形态和延性的主要因素之一 柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低 41 钢筋混凝土框架结构构件设计 柱内纵向钢筋配置柱的纵向配筋应符合下列要