第四章_建筑安全设计1

2020 4 6 建筑安全技术与管理 1 建筑安全技术与管理第四章建筑工程安全设计 讲授 翟越单位 长安大学安全工程系 Chang anUniversity 建筑安全技术与管理 2 2020 4 6 4 1建筑物防火与安全疏散设计 内容提要 4 2建筑结构安全设计 4 3建筑结构抗震设计 4 4建筑工程防雷设计 建筑安全技术与管理 3 2020 4 6 现实生活中由于在设计中轻视了建筑防火安全性问题而导致的建筑火灾事故频频发生 造成的人员伤亡和财产损失触目惊心 难以弥补 因此 对建筑物防火知识的了解 建筑物疏散场所的安全设计的深入是十分必要的 4 1建筑物防火与安全疏散设计 建筑安全技术与管理 4 2020 4 6 衡阳特大火灾18消防队员3记者被埋 2003年11月3日凌晨5时半左右 湖南省衡阳市珠晖区一栋8层楼四合院式的商住楼发生重大火灾 火灾是在一楼一仓库燃烧后迅速蔓延的 衡阳市消防支队160名官兵在第一时间赶赴现场救火 上午8时37分 消防官兵在扑救余火时 突然轰隆一声 楼房的西 北 南三面部分房屋瞬间倒塌 正在一 二楼灭火的30余名消防官兵和4名记者被倒塌的楼房击伤或压住 其中20余人丧生 建筑安全技术与管理 5 2020 4 6 2008年1月2日德汇国际广场火灾已造成5人死亡 其中3名消防官兵 经公安部 乌鲁木齐市建委和建筑设计院专家对火灾现场进行初步鉴定 认为德汇国际广场大楼不会倒塌 待火灾事故处理完毕后 乌鲁木齐相关部门将依法对发生火灾事故的德汇国际广场大楼予以拆除 建筑安全技术与管理 6 2020 4 6 一 燃烧的基本概念1 燃烧的条件燃烧是一种同时伴有放热和发光效应的剧烈的氧化反应 放热 发光 生成新物质是燃烧现象的三个特征 可燃物 氧化剂和点火源是构成燃烧的三个要素 缺一不可 1 可燃物能在空气 氧气或其他氧化剂中发生燃烧反应的物质称为可燃物 如钠 钾 铝等金属单质 碳 磷 硫等非金属单质 木材 煤 棉花 纸 汽油 塑料等有机可燃物 4 1 1建筑防火的基本概念 建筑安全技术与管理 7 2020 4 6 2 氧化剂能和可燃物发生反应并引起燃烧的物质称为氧化剂 氧气是最常见的氧化剂 其他常见的氧化剂有氟 氯 溴 碘卤素元素 硝酸盐 氯酸盐 重铬酸盐 过氧化物等化合物 3 点火源具有一定能量 能够引起可燃物质燃烧的能源称为点火源 有时也称火源 如明火 电火花 冲击与摩擦火花 高温表面等 要使可燃物发生燃烧 必须有氧化剂和点火源的参与 而且三者都要具备一定的 量 才能发生燃烧现象 溴原子 建筑安全技术与管理 8 2020 4 6 2 燃烧的技术指标 1 闪燃和闪点可燃气体或蒸汽与空气混合而形成混合可燃气体 当遇明火时会发生一闪即灭的火苗或闪光 这种燃烧现象称为闪燃 能引起可燃物质发生闪燃的最低温度称为该物质的闪点 2 着火与燃点可燃物质在与空气共存的条件下 当达到某一温度时遇明火可引起燃烧 并在火源移开后仍能继续燃烧 这种持续燃烧的现象称为着火 可燃物质开始持续燃烧所需的最低温度称为该物质的燃点 所有可燃液体的燃点都高于闪点 克利夫兰闪点测量仪 建筑安全技术与管理 9 2020 4 6 3 自燃与自然点自燃是可燃物质不用明火点燃就能够自发燃烧的现象 可燃物质能引起自动燃烧和继续燃烧时的最低温度称为自然点 4 爆炸与爆炸极限可燃气体 可燃蒸汽和可燃粉尘与空气组成的混合物 当达到一定浓度时 遇火源即能发生爆炸 发生爆炸时的浓度界限的范围称为爆炸极限 能引起爆炸的最低浓度界限称为爆炸下限 浓度最高的界限称为爆炸上限 建筑安全技术与管理 10 2020 4 6 二 火灾的基本要点1 火灾荷载建筑物内的可燃物质种类很多 其燃烧发热量也因材而异 为了便于火灾研究和采取防火措施 在实际中常根据燃烧热值把某种材料换算成等效发热量的木材 用等效木材的重量表示可燃物的数量 称为等效可燃物量 把火灾范围内单位地板面积的等效可燃物木材的数量称为火灾荷载 建筑安全技术与管理 11 2020 4 6 2 耐火极限和耐火等级 1 耐火极限指对任何建筑构件按时间温度标准曲线进行耐火试验 从受到火的作用时起 到失去支持能力或完整性被破坏或失去隔火作用时为止的这段时间 用小时表示 2 耐火等级是衡量建筑耐火程度的分级标准 是由组成建筑物的墙 柱 梁 楼板 屋顶等承重构件和吊顶等主要建筑构件的燃烧性能和耐火极限决定的 按照我国建筑设计 施工及建筑结构的实际情况 并参考国外划分耐火等级的经验 将普通建筑的耐火等级划为四级 高层建筑划分为两级 参见下表 建筑安全技术与管理 12 2020 4 6 表4 1建筑耐火等级 建筑安全技术与管理 13 2020 4 6 建筑安全技术与管理 14 2020 4 6 3 火灾的发展过程 1 初起阶段1 初期火灾燃烧范围不大 火灾仅限于初始起火点附近 2 室内温度差别大 在燃烧区域及其附近存在高温 室内平均温度低 3 火灾发展速度缓慢 在发展过程中火势不稳定 4 火灾发展时间因点火源 可燃物质性质和分布 通风条件影响 长短差别很大 从灭火角度看 火灾初期燃烧面积小 只用少量水或灭火设备就可以把火扑灭 所以 该阶段是灭火的最有利时机 也是人员安全疏散的最有利时机 建筑安全技术与管理 15 2020 4 6 2 全面发展阶段火灾范围迅速扩大 整个房间都充满火焰 燃烧猛烈 温度升高很快 房间内局部燃烧向全室性燃烧过渡的现象通常称为轰燃 轰燃标志着火灾全面发展的开始 此时室内所有可燃物都在燃烧 放热很大 最高可达1100 左右 人员很难逃生 针对火灾全面发展阶段的特点 在建筑防火设计中应采取的主要措施是 1 在建筑物内设置具有一定耐火性能的防火分隔物 控制火灾蔓延 2 选用耐火程度较高的建筑结构作为建筑物的承重体系 确保建筑物不倒塌 为人员疏散 消防队扑救 火灾后建筑物修复 继续使用创造条件 建筑安全技术与管理 16 2020 4 6 3 熄灭阶段在火灾发展阶段后期 随着室内可燃物数量减少 燃烧速度递减 温度逐渐下降 当室内平均温度降到温度最高值的80 时 则认为火灾进入熄灭阶段 随火势减弱 可燃物减少 室内外温度趋于一致 宣告火灾结束 建筑安全技术与管理 17 2020 4 6 4 火灾的蔓延方式 1 火焰蔓延 随表面火焰使可燃物燃烧的同时 将火灾蔓延 2 热传导 火焰热量经过建筑构件或设备将火灾蔓延至相邻或上下层房间 3 热对流 建筑物内火灾蔓延的一种主要方式 火灾燃烧产生的烟气热而轻 容易上窜升腾 而燃烧又需要空气 这时 冷空气就会补充 形成对流 它可以把高温燃烧产生的产物带到远处 造成火灾扩大 建筑安全技术与管理 18 2020 4 6 4 热辐射 相邻建筑之间火灾 蔓延的主要方式 应考虑建筑的防火间距 5 其他方式 如果建筑内未设防火分区或洞口分隔不完善 可造成火灾水平方向蔓延 火灾还可通过楼梯间或电梯井等进行竖向蔓延 空调管道系统也可使火灾蔓延 建筑安全技术与管理 19 2020 4 6 5 灭火的基本方法 1 隔离法 把火焰与氧气隔离起来 使可燃物停止燃烧 2 窒息法 用二氧化碳 氮气等灭火剂冲淡空气 使燃烧物获氧不足而熄灭 3 冷却法 将灭火剂直接喷到燃烧物上 使其温度降到燃点以下 燃烧停止 4 抑制法 用化学措施抑制游离基的产生 破坏游离基的连锁反应 使燃烧停止 建筑安全技术与管理 20 2020 4 6 4 1 2建筑防火设计 一 建筑总平面防火设计措施1 防火间距 1 多层民用建筑防火间距建筑物着火后 火焰不仅会在建筑物内蔓延扩大 而且在建筑物外部还会因强烈的热辐射作用 对相邻建筑物造成威胁 所以 建筑物之间应有一定的防火间距 多层民用建筑之间的防火间距不应小于表4 2中的要求 表4 2民用建筑之间的防火间距 m 建筑安全技术与管理 21 2020 4 6 2 高层民用建筑防火间距高层民用建筑的底层或周围 大多设置一些附属建筑 为了节约用地 使高层主体建筑与附属建筑有所区别 高层建筑的防火间距如表4 3所示 注 防火间距应按相邻建筑外墙的最近距离计算 表4 3高层建筑与民用建筑之间的防火间距 m 建筑安全技术与管理 22 2020 4 6 2 消防车道 1 街区内的道路应考虑消防车的通行 当建筑物的沿街部分长度超过150m或总长度超过220m时 均应设置穿过建筑物的消防车道 消防车道穿过建筑物的门洞时 其净高和净宽不应小于4m 门垛之间的净宽不应小于3 5m 2 沿街建筑应设连通街道和内院的人行通道 3 超过3000个座位的体育馆 超过2000个座位和占地面积超过3000平方米的展览馆等公共建筑 宜设环形消防车道 建筑安全技术与管理 23 2020 4 6 4 建筑物的封闭内院 如其短边长度超过24m时 宜设有进入内院的消防车道 5 供消防车取水的天然水源和消防水池 应设置消防车道 6 环形消防车道至少应有两处与其他车道连通 消防车道应设回车道或面积不小于12mx12m的回车场 供大型消防车使用的回车场面积不应小于15mx15m 7 如高层建筑内有内院或天井 应设连通街道和内院的人行通道 建筑安全技术与管理 24 2020 4 6 4 建筑防火分区控制火势蔓延最有效的办法就是划分防火分区 即采用具有一定耐火性能的分隔物对空间进行划分 在一定时间内防止火灾向建筑物的其他部分蔓延 为消防扑救 人员疏散提供有利条件 1 水平防火分区是指在同一水平面内 采用具有一定耐火能力的墙体 门 窗等水平防火分隔物 将该层分隔为若干个防火区域 防止火灾在水平方向蔓延 建筑安全技术与管理 25 2020 4 6 2 竖向防火分区主要是防止多层或高层建筑层与层之间的竖向火灾蔓延 沿着建筑高度划分的防火分区 其主要是用具有一定耐火性能的钢筋混凝土楼板 上下楼层之间的窗间墙等构件进行防火分区 3 防火分区的要求从防火的角度看 防火分区划分的越小 越有利于保证建筑物的防火安全 但划分得过小 势必会影响建筑物的使用功能 防火分区面积大小的确定应考虑建筑物的使用性能 耐火等级 高度 火灾危险性以及消防扑救能力等因素 建筑安全技术与管理 26 2020 4 6 表4 4民用建筑的耐火等级 最多允许层数和防火分区最大允许建筑面积 1 民用建筑防火分区面积是以建筑面积计算的 每个防火分区最大允许建筑面积应符合表4 4的要求 建筑安全技术与管理 27 2020 4 6 注意 1 当建筑内设置自动灭火系统时 每层最大允许建筑面积可按上表增大一倍 2 建筑物的地下室 半地下室 应采用防火墙划分防火分区 其面积不应超过500 3 防火分区之间应采用防火墙分隔 如有困难时 可采用防火卷帘 耐火极限 3 0h 等防火分隔设施分隔 建筑安全技术与管理 28 2020 4 6 2 高层民用建筑内应采用防火墙等划分防火分区 防火分区允许最大建筑面积按表4 5中的要求 表4 5高层民用建筑防火分区的允许最大建筑面积 建筑安全技术与管理 29 2020 4 6 3 厂房每个防火分区最大允许建筑面积应符合表4 6中的要求 表4 6厂房的耐火等级 层数和防火分区的最大允许建筑面积 建筑安全技术与管理 30 2020 4 6 二 建筑防火构件设计1 防火墙防火墙是阻止火势蔓延 由不燃烧材料构成的分隔体 如砖体 钢筋混进混凝土墙等 其耐火极限不低于3 0h 输送燃气 氢气 汽油 柴油等可燃气体或甲 乙 丙类液体的管道严禁穿过防火墙 其他管道不宜穿过防火墙 当必须穿过时 应采用防火封堵材料将墙与管道之间的空隙紧密填实 当管道为难燃及可燃材质时 应在防火墙两侧的管道上采用防火措施 如膨胀型阻火圈等 建筑安全技术与管理 31 2020 4 6 2 防火门窗防火门窗按耐火等级可分为甲 乙 丙三个等级 1 甲级防火门窗的耐火极限不低于1 2h 主要用于防火墙和重要设备用房 2 乙级防火门窗的耐火极限不低于0 9h 主要用于疏散楼梯间及消防电梯前室的门洞口 以及单元式高层住宅开向楼梯间的户门等 3 丙级防火门窗的耐火极限不低于0 6h 主要用于电缆井 管道井 排烟竖井等的检查门 建筑安全技术与管理 32 2020 4 6 3 防火卷帘普通防火卷帘由单片金属板制成 用于防火墙的开口部位 其两侧应设自动喷水系统 两侧喷头间距不小于2m 复合型防火卷帘由两片金属板中间夹隔热材料构成 当耐火极限满足防火墙的耐火极限 不低于3h 要求时 可不设喷水保护系统 防火卷帘 建筑安全技术与管理 33 2020 4 6 4 楼面板和屋面板一 二级耐火等级的建筑应分别采用耐火等级为1 5h和1 0h以上的不燃烧体 如钢筋混凝土楼屋面板 以阻止火焰向上蔓延 5 窗间墙和防火挑檐火灾时 火焰可通过外墙窗口向上层延烧 当采用具有耐火等级为1 5h或1 0h的楼板和窗间墙将上下层隔开 上 下窗之间的距离大于1 2m时 竖向的隔火效果较好 建筑安全技术与管理 34 2020 4 6 6 管道竖井的隔火竖向管道井应采用耐火极限不低于1 0h的不燃烧体作为井壁 井壁上的检查门应采用丙级防火门 各竖向管道井应分别独立设置 电缆井 管道井与房间 走道等相连通的孔洞 其空隙应采用不燃烧材料填实 7 防烟楼梯和封闭楼梯用于人员疏散 同时也是竖向隔火构件 建筑安全技术与管理 35 2020 4 6 三 地下建筑防火1 地下建筑火灾特点 1 发烟量大 温度高 热烟很难排出 散热缓慢 房间内一氧化碳等有毒气体浓度高 2 出入口少 疏散距离长 在未设排烟设备的情况下 出入口会成为喷烟口 高温浓烟与人的疏散方向一致 不利于人员疏散安全 3 室内无法自然采光 火灾时一旦停电 人员将很难逃离火场 4 扑救困难 出入口易成为 烟筒 消防人员很难接近着火点 建筑安全技术与管理 36 2020 4 6 2 防火设计 1 人员密集的公共场所应设置在地下一层 且地下一层地面与室外出入口地坪的高度差不应大于10m 2 火灾危险性为甲 乙类的储存物品极易燃烧 不应设在地下室内 3 地下建筑防火分区的划分应比地面建筑更严些 视建筑的功能 每个防火分区的面积不应大于500 当设有火灾自动灭火系统时 可以放宽 但不宜大于1000 对于商业营业厅 展览厅等地下建筑 当设有火灾自动报警系统和自动灭火系统 防火分区的最大允许建筑面积不应大于2000 建筑安全技术与管理 37 2020 4 6 四 汽车库防火1 汽车库的防火分类根据汽车库的不同种类和停放的车辆数 汽车库的防火分类可分为4类 表4 7汽车库的防火分类 建筑安全技术与管理 38 2020 4 6 2 汽车库的耐火等级要求汽车库的耐火等级可分为三级 1 地下汽车库的耐火等级应为一级 2 甲 乙物品运输车的汽车库 修车库和 类汽车库 修车库的耐火等级不应低于二级 3 类汽车库 修车库的耐火等级不应低于三级 建筑安全技术与管理 39 2020 4 6 3 一般规定 1 汽车库不应与甲 乙类生产厂房 库房以及托儿所 幼儿园 养老院组合建造 当病房楼与汽车库有完全的防火分隔时 病房楼的地下可设置汽车库 2 类修车库应单独建造 类修车库可设置在一 二级耐火等级的建筑物的首层或与其贴临建造 但不能与甲 乙类生产厂房或人员密集的公共活动场所贴临建造 建筑安全技术与管理 40 2020 4 6 表4 7车库之间以及车库与除甲类物品的库房外的其他建筑物之间的防火间距 3 防火间距 见下表 建筑安全技术与管理 41 2020 4 6 4 防火分隔 表4 8汽车库防火分区最大允许建筑面积 注 汽车库内设有自动灭火系统时 其防火分区的最大允许建筑面积可按上表增加一倍 甲 乙类物品运输车的汽车库 修车库 其防火分区最大允许建筑面积不应超过500 修车库防火分区最大允许建筑面积不应超过2000 设有自动灭火系统的修车库 其防火分区最大建筑面积可增加1倍 建筑安全技术与管理 42 2020 4 6 4 1 3安全疏散设计 安全疏散设施的建立 可使人们当发生火灾时能从建筑内迅速撤离到安全部位 室外或避难层 避难间等 及时转移室内重要的物资和财产 减少火灾造成的人员伤亡和财产损失 为消防人员提供有力的灭火条件 所以 完善的安全疏散设施是十分必要的 建筑安全技术与管理 43 2020 4 6 一 安全疏散设施布置的原则1 火灾时人的心理与行为在布置安全疏散路线时 必须充分考虑火灾时人们在异常心理状态下的行为特点 在此基础上合理设计 达到安全疏散的目的 1 在发生火灾时 人们习惯于从原出入口或走过的楼梯疏散 而很少使用不熟悉的出入口或楼梯 2 习惯于向明亮的地方疏散 3 更容易奔向开阔的空间 建筑安全技术与管理 44 2020 4 6 4 对烟和火具有恐惧心理 人一旦被火包围 便不知所措了 5 因危险而陷入极度恐慌 逃向狭小角落 6 人在极度恐慌中 往往会失去正常判断能力 容易跟随他人 7 当遇见紧急情况时 会做出意想不到的举动 甚至敢从高楼上跳下去 建筑安全技术与管理 45 2020 4 6 2 疏散路线的布置 1 为了确保疏散路线的安全性 可将安全疏散路线分为完全独立的三个部分 1 上部住宅人群的疏散 2 一 二层商业用房人群的疏散 3 地下室人群的疏散 这样 既确保了疏散路线的明晰 又有效地防止了各层面不同功能区的火灾的 串联 2 疏散楼梯靠近电梯间布置比较有利 可以使经常使用的路线和火灾时的疏散路线有机地结合起来 有利于疏散的快速和安全 建筑安全技术与管理 46 2020 4 6 3 为了保证人们在火灾时向不同方向疏散 一般应在靠近主体建筑标准间或其防火分区的两端设置安全出口 且应分散布置 使人员能够双向疏散 以避免人员拥堵现象 有条件时 疏散楼梯间及其前室应尽量靠近外墙设置 这样布置 可利用外墙开启的窗户进行自然排烟 有利于人员的安全疏散和消防扑救 建筑安全技术与管理 47 2020 4 6 二 安全出口设置1 公共建筑和通廊式居住建筑安全出口设置公共建筑和通廊式居住建筑安全出口的数目不应少于两个 但符合下列要求的可设一个 1 一个房间的面积不超过60平方米 且人数不超过50人时 可设一个门 2 位于走道尽端的房间 托儿所 幼儿园除外 内由最远一点到房门口的直线距离不超过14m 且人数不超过80人时 也可设一个向外开启的门 但门的净宽不应小于1 40m 建筑安全技术与管理 48 2020 4 6 3 单层公共建筑 托儿所 幼儿园除外 如面积不超过200平方米且人数不超过50人时 可设一个直通室外的安全出口 4 设有不少于2个疏散楼梯的一 二级耐火等级的公共建筑 如顶层局部升高时 其高出部分的层数不超过两层 每层面积不超过200平方米 人数之和不超过50人时 可设一个楼梯 但应另设一个直通平屋面的安全出口 建筑安全技术与管理 49 2020 4 6 2 多层住宅安全出口设置 1 九层及九层以下 每层建筑面积不超过500平方米的塔式住宅 可设一个楼梯 2 九层及九层以下的每层建筑面积不超过300平方米 且每层人数不超过30人的单元式宿舍 可设一个楼梯 建筑安全技术与管理 50 2020 4 6 3 剧院 电影院 礼堂的观众厅安全出口设置观众厅安全出口的数目均不应少于两个 且每个安全出口的平均疏散人数不应超过250人 容纳人数超过2000人时 其超过2000人的部分 每个安全出口的平均疏散人数不应超过400人 建筑安全技术与管理 51 2020 4 6 4 地下 半地下建筑安全出口设置 1 地下 半地下建筑内每个防火分区的安全出口数目不应少于两个 但面积不超过50平方米 且人数不超过10人时可设一个 2 当地下 半地下建筑内有2个或2个以上防火分区相邻布置时 每个防火分区可利用防火墙上一个通向相邻分区的防火门作为第二安全出口 但每个防火分区必须有一个直通室外的安全出口 建筑安全技术与管理 52 2020 4 6 3 人数不超过30人且建筑面积不大于500平方米的地下 半地下建筑 其垂直金属梯可作为第二安全出口 4 地下室 半地下室的楼梯间 在首层应采用耐火极限不低于2 00h的隔墙与其它部位隔开并应直通室外 当必须在隔墙上开门时 应采用不低于乙级的防火门 5 地下室或半地下室与地上层不应共用楼梯间 当必须共用楼梯间时 应在首层与地下或半地下层的出入口处 设置耐火极限不低于2 00h的隔墙和乙级防火门隔开 并应有明显标志 建筑安全技术与管理 53 2020 4 6 三 避难间设置对于建筑高度超过100m的超高层公共建筑 尽管已设有防烟楼梯间等安全疏散设施 但很难保证楼内全部人员都疏散到地面上 因此 在超高层建筑内适当楼层设置供人员暂时躲避火灾的一块安全地区 避难层或避难间 是非常必要的 建筑安全技术与管理 54 2020 4 6 避难间的设置要求如下 1 自建筑首层至第一个避难层或两个避难层之间不宜超过15层 2 避难层的净面积应满足避难要求 并宜按5 0人 计算 3 避难间可兼做设备层 但设备管道宜集中布置 4 避难层应设消防电梯出口 还应有消防专用电话 消防栓和消防卷盘等消防设备 建筑安全技术与管理 55 2020 4 6 建筑结构是建筑物的空间骨架系统 是抵御自然界的各种作用 诸如结构自重 使用荷载 风荷载 地震作用等 因此 必须合理选择结构的材料和受力体系 精心设计 精心施工 保证结构的安全性 适用性和耐久性 上述三项功能要求概括起来称为结构的可靠性 即结构在规定的时间内 在规定的条件下完成预定功能的能力 7 2建筑结构安全设计 建筑安全技术与管理 56 2020 4 6 7 2 1建筑结构设计的基本原则 一 结构的功能要求1 安全性 1 结构在正常施工和正常使用条件下 能承受可能出现的各种荷载作用 防止建筑物的破坏 2 在设计限定的偶然事件发生时和发生后仍能保持必需的整体稳定性 结构仅发生局部的损坏而不致发生连续倒塌 2 适用性即在正常使用条件下具有良好的工作性能 3 耐久性指结构在正常维护条件下具有足够的耐久性能 即要求结构在规定的工作环境中 在预定时期内 在正常维护的条件下结构能够被使用到规定的设计使用年限 建筑安全技术与管理 57 2020 4 6 二 结构设计的一般过程1 结构选型在收集基本资料和数据的基础上 选择结构方案 原则是满足建筑特点 使用功能的要求 受力合理 技术可行 并尽可能达到经济技术指标先进 从初步设计阶段起 结构设计人员就应与建筑设计人员互相配合 协调 以确定合理的结构方案 主要内容有 1 承重结构方案与布置 2 楼 屋 盖结构方案与布置 3 基础结构方案与布置 4 结构主要构造措施及特殊部位的处理方案 建筑安全技术与管理 58 2020 4 6 2 结构布置在选定结构方案的基础上 确定各结构构件之间的相互关系 确定了结构布置也就是确定了结构的计算简图 确定了各种荷载的传递路径 计算简图虽是对实际结构的简化 但应反映结构的主要特点及实际受力情况 用于内力 位移的计算 结构布置是否合理 将影响结构的性能 3 确定材料和构件尺寸按规范要求选定合适等级的材料 并按各项使用要求和构造要求初步确定构件尺寸 建筑安全技术与管理 59 2020 4 6 4 荷载计算根据使用功能要求和工程所在地区抗震设防要求确定永久荷载 可变荷载 楼 屋面活荷载 风荷载等 以及地震作用 5 内力分析及组合计算各种荷载下结构的内力 在此基础上进行内力组合 各种荷载同时出现的可能性是多样的 而且活荷载位置是可能变化的 因此结构承受的荷载以及相应的内力情况也是多样的 这些应用内力组合来表达 建筑安全技术与管理 60 2020 4 6 6 结构构件设计采用不同结构材料的建筑结构 应按相应的设计规范计算结构构件控制截面的承载力 必要时应验算位移 变形 裂缝以及振动等的限值要求 7 构造设计目前 各类建筑结构设计的相当一部分内容尚无法通过计算确定 可采用构造措施进行设计 构造设计主要是根据结构布置和抗震设防要求确定结构整体及各部分的链接构件 建筑安全技术与管理 61 2020 4 6 7 2 2建筑结构设计要求 一 多层砌体结构设计常见问题1 局部尺寸未满足抗震要求 该部位未设构造筋 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 第7 1 6条规定 抗震设防烈度为6度 7度时 承重窗间墙最小宽度 承重外墙尽端至门窗洞边的最小距离 非承重外墙尽端至门窗洞边的最小距离 内墙阳角至门窗洞边的最小距离不宜小于lm 这些局部部位是结构破坏较为敏感的地方 当这些部位不能满足要求时 结构应采取相应的弥补措施 如采用加强的构造柱或增加横向配筋措施等 建筑安全技术与管理 62 2020 4 6 2 房屋四角与其余部位构造柱采用一样的配筋 建筑抗震设计规范 GB500l1 2001 第7 3 2条第一款规定 房屋四角构造柱可适当加大截面及配筋 3 构造柱截面设计时未考虑相连的小墙垛虽然小墙垛通过拉接筋与构造柱相连接 但实际上这部分小墙体很难发挥有效作用 并且施工也不方便 所以设计时应该把两者合二为一 建筑安全技术与管理 63 2020 4 6 2 屋面梁与配筋 1 由于屋面梁荷载较小 计算结果配筋不多 这样屋面梁在温度变化 混凝土收缩和受力等作用下因配筋率过低而裂缝宽度较大 2 为了保持钢筋骨架的刚度 同时为了承受温度和收缩应力及防止梁腹出现过大的裂缝 一般构造措施为梁腹板高度大于450mm时加设腰筋 构造筋G 其间距不大于200mm 然后拉筋勾连 建筑安全技术与管理 64 2020 4 6 3 梁的抗扭它在设计上属构造配筋 即力学上不用设计计算具体力的大小 按国家设计规范的构造要求查得此数据 据 混凝土结构设计规范 GB50010 2002 第10 2 5条第二款规定 其纵向受力钢筋的间距不应大于200mm和梁截面短边长度 加抗扭钢筋N 直径不小于10mm 如设置悬挑檐口的屋面梁 建筑安全技术与管理 65 2020 4 6 二 高层建筑结构1 高层建筑结构平面及立面形式的选择风载等水平荷载会对结构产生危害 为避免其危害应在结构设计时选择合理的结构形式和平面布局 尽可能地使建筑物做到三心 几何形心 刚度中心 结构重心 合一 否则会在水平荷载作用下发生的扭转振动效应 1 高层建筑的平面高层建筑的平面宜采用简单 规则 对称的形状 避免过于复杂的平面形式 大量震害的资料表明 高层建筑物平面布置不对称 过多的外凸 内凹等复杂形式都容易造成震害 建筑安全技术与管理 66 2020 4 6 2 结构的竖向布置结构的竖向布置要尽力做到刚度均匀且连续 避免结构的刚度突变和出现软弱层 刚度突变及软弱层的出现往往是由于切断剪力墙所致 如果在结构设计中必须要切断少数剪力墙时 其他剪力墙在该切断层处应给以加强 标新立异的平面及立面设计是以结构的抗震和安全性能为代价的 3 结构体系的选择在高层结构的抗震设计中 结构体系的选择 布置 构造措施比软件的计算结果是否精确更能影响结构的安全 除了考虑结构安全因素外 还要综合考虑建筑美观 结构合理及便于施工和工程造价等多方面因素 建筑安全技术与管理 67 2020 4 6 2 高层建筑振动周期问题结构基本自振周期 结构按基本振型 第一振型 完成一次自由振动所需的时间 通常需要考虑两个主轴方向和扭转方向的基本周期 建筑结构的振动周期问题包含两方面 合理控制结构的自振周期 控制结构的自振周期使其尽可能错开场地的特征周期 高层建筑的自振周期宜在下列范围内 1 框架结构 T1 0 1 0 15 N 2 框 剪 框 筒结构 T1 0 08 0 12 N 3 剪力墙 筒中筒结构 T1 0 04 0 10 N N为结构层数 4 结构的第二周期和第三周期宜在下列范围内 第二周期 T2 1 3 1 5 T1 第三周期 T3 1 5 1 7 T1 建筑安全技术与管理 68 2020 4 6 3 共振问题当建筑场地发生地震时 如果建筑物的自振周期和场地的特征周期接近 建筑物和场地就会发生共振 因此在建筑方案设计时就应针对预估的建筑场地特征周期 通过调整结构的层数 选择合适的结构类别和结构体系 扩大建筑物的自振周期与建筑场地特征周期的差别 避免共振的发生 建筑安全技术与管理 69 2020 4 6 4 高度要求各种结构体系的钢筋混凝土高层建筑 钢结构以及钢与混凝土的组合结构所适用的最大高度分别如表4 9和4 10所示 表4 9钢筋混凝土高层建筑结构体系适用的最大高度 m 建筑安全技术与管理 70 2020 4 6 注 1 房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度 不包括局部突出屋顶部分 2 框架核心筒结构是指周边稀柱框架与核心筒组成的结构 3 部分框支剪力墙是指首次或底部两层框支剪力墙结构 4 当房屋高度超过表中规定时 应进行专门研究和论证 采用有效加强措施 建筑安全技术与管理 71 2020 4 6 表4 10高层钢及组合结构体系适用的最大高度 建筑安全技术与管理 72 2020 4 6 7 3建筑结构抗震设计 由于地震本身的随机性很强 在某一地区 在某一基准期内 可能出现的最大地震动是一个随机变量 事先无法预知 相对于上述荷载 地震动的影响次数少 作用时间短 各次地震的强度差异很大 若要求在各种强度地震动下 结构仍然保持弹性状态是很不经济的 甚至是不可能的 因此 结构的抗震设计与结构抗御其他荷载作用的设计是不同的 结构工程师应准确理解与把握结构抗震设计的基本原理 建筑安全技术与管理 73 2020 4 6 一 结构抗震设计的基本思想1 建筑抗震的三水准规范结合我国的经济能力对抗震设防标准作了如下一些规定 1 在遭受本地区规定的较低烈度地震影响时 建筑可能有损坏 但不致危及人民生命财产安全 不需修理或稍加修理即可恢复使用 2 在遭受低于本地区规定的基本烈度的地震影响时 建筑不损坏 基本烈度被定义为未来50年 一般场地条件下 超越概率10 的地震烈度 3 在遭受预估的 高于基本烈度的地震影响时 建筑不致倒塌或发生危及人民生命财产的严重破坏 上述三点规定可概述为 小震不坏 中震可修 大震不倒 7 3 1结构抗震的基本知识 建筑安全技术与管理 74 2020 4 6 1度 无感 仅仪器能记录到 2度 微有感 特别敏感的人在完全静止中有感 3度 少有感 室内少数人在静止中有感 悬挂物轻微摆动 4度 多有感 室内大多数人 室外少数人有感 悬挂物摆动 不稳器皿作响 5度 惊醒 室外大多数人有感 家畜不宁 门窗作响 墙壁表面出现裂纹 6度 惊慌 人站立不稳 家畜外逃 器皿翻落 简陋棚舍损坏 陡坎滑坡 7度 房屋损坏 房屋轻微损坏 牌坊 烟囱损坏 地表出现裂缝及喷沙冒水 中国地震烈度表 建筑安全技术与管理 75 2020 4 6 8度 建筑物破坏 房屋多有损坏 少数破坏路基塌方 地下管道破裂 9度 建筑物普遍破坏 房屋大多数破坏 少数倾倒 牌坊 烟囱等崩塌 铁轨弯曲 10度 建筑物普遍摧毁 房屋倾倒 道路毁坏 山石大量崩塌 水面大浪扑岸 11度 毁灭 房屋大量倒塌 路基堤岸大段崩毁 地表产生很大变化 12度 山川易景 一切建筑物普遍毁坏 地形剧烈变化动植物遭毁灭 1976年唐山地震 震级为7 8级 震中烈度为十一度 受唐山地震的影响 天津市地震烈度为八度 北京市烈度为六度 再远到石家庄 太原等就只有四至五度了 建筑安全技术与管理 76 2020 4 6 1 房屋体型方面 1 平面复杂的房屋 如L型 Y型等 破坏率显著增高 2 有大底盘的高层建筑 裙房顶面与主楼相接处楼板面积突然减小的楼层 容易破坏 3 房屋高宽比值较大且上面各层刚度很大的高层建筑 底层框架柱因地震倾覆力矩引起的巨大压力而发生剪压破坏 4 相邻结构或毗邻建筑 因相互间的缝隙宽度不够而发生碰撞破坏 二 建筑结构抗震影响因素建筑物的体型 结构体系 刚度分布等方面对其在地震荷载作用下的破坏程度和形式有很大的影响 建筑安全技术与管理 77 2020 4 6 在实际工程中 对于各种不规则程度的判断和把握 可参照建质 2006 220号文件 超限高层建筑工程抗震设防专项审查技术要点 的相关规定执行 1 一般不规则 按建筑结构布置上出现表7 10中的一项不规则进行界定 2 特别不规则 按以下三种类型进行判断 1 同时具有表7 10中所列基本不规则的三个或三个以上 2 具有表7 11中所列的一项不规则 3 具有表7 10所列两项基本不规则且其中有一项接近7 11的不规则指标 3 严重不规则 指体型复杂 多项实质性的突变指标或界限大大超过规定值 建筑安全技术与管理 78 2020 4 6 表4 10不规则建筑方案的基本类型 建筑安全技术与管理 79 2020 4 6 表4 11特别不规则的项目举例 建筑安全技术与管理 80 2020 4 6 2 结构体系方面 1 相对于框架体系而言 采用框 墙体系的房屋 破坏程度较轻 特别有利于保护填充墙和建筑装修免遭破坏 2 采用 框架结构加填充墙 体系的房屋 在钢筋混凝土框架平面内嵌砌砖填充墙时 柱上端易发生剪切破坏 外墙框架柱在窗洞处因受窗下墙的约束而发生短柱型剪切破坏 3 采用钢筋混凝土板柱体系的房屋 或因楼板冲切破坏 或因楼层侧移过大 柱顶 柱脚破坏 各层楼板坠落 重叠在地面 建筑安全技术与管理 81 2020 4 6 4 采用 底部纯框架加上部砌体结构 体系的房屋 相对柔弱的底层 破坏程度十分严重 采用 框架结构 填充墙 体系的房屋 当底层为开敞式的纯框架 底层同样遭到严重破坏 5 采用单跨框架结构体系的房屋 因结构整体缺乏缓冲度 强震下容易整体倒塌 6 在框架结构中 绝大多数情况下 柱的破坏程度重于梁和板 7 钢筋混凝土框架 如在同一楼层中出现长 短并用的情况 短柱破坏严重 建筑安全技术与管理 82 2020 4 6 3 刚度分布方面 1 采用L型 三角形等不对称平面的建筑 地震时因发生扭转振动而使震害加重 2 矩形平面建筑 电梯间竖筒等抗侧力构件的布置存在偏心时 同样因发生扭转振动而使震害加重 建筑安全技术与管理 83 2020 4 6 4 良好的结构屈服机制良好结构屈服机制的特征是结构在其杆件出现塑性铰后 竖向承载能力基本保持稳定 同时 可以持续变形而不倒塌 进而最大限度地吸收和耗散地震能量 因此 应满足下列条件 1 结构的塑性发展从次要构件开始 或从主要构件的次要杆件 部件 开始 最后才在主要构件上出现塑性铰 从而形成多道防线 2 结构中所形成的塑性铰的数量多 塑性变形发展的过程长 3 构件中塑性铰的塑性转动量大 结构的塑性变形量大 建筑安全技术与管理 84 2020 4 6 三 抗震设计措施1 科学布局建筑平面和立面抗震设计中 建筑平面 立面宜尽可能简洁 规则 结构质量中心与刚度中心相一致 而不应采用严重不规则的设计方案 若必须采用时 也应尽量在适当部位设置防震缝 将体型复杂 平面特别不规则的建筑布局分割成几个相对规则的独立单元 对体型不规则的房屋应注意偏离结构刚心远端墙段的抗震验算 建筑立面应避免头重脚轻 房屋重心尽可能降低 避免采用错落的立面 突出屋面建筑部分的高度不应过高 以免地震时发生鞭梢效应 同时应控制好结构竖向强度和刚度的均匀性 建筑安全技术与管理 85 2020 4 6 2 保证结构延性能力的抗震措施延性对抗震来说是极其重要的一个性质 对于梁柱等构件 延性的影响因素最终可归纳为最根本的两点 混凝土极限压应变 破坏时的受压区高度 影响延性的其他因素实质都是这两个根本因素的延伸 如 1 受拉钢筋配筋率越大 混凝土受压区高度就越大 延性越差 受压钢筋越多 混凝土受压区高度越小 延性越好 建筑安全技术与管理 86 2020 4 6 2 混凝土强度越高 受压区高度越低 延性越好 但如果混凝土强度过高可能会减小混凝土极限压应变从而降低延性 3 箍筋可以提高混凝土极限压应变 从而提高延性 此外 箍筋还有约束纵向钢筋 避免其发生局部压屈失稳 提高构件抗剪能力的作用 因此箍筋对提高结构抗震性能具有相当重要的作用 建筑安全技术与管理 87 2020 4 6 4 3 2多层砌体房屋的抗震设计 一 多层砌体房屋结构体系要求多层砌体房屋的结构体系应符合下列要求 1 承重体系应优先采用横墙承重或纵横墙共同承重的结构体系 2 纵横墙的布置纵横墙的布置宜均匀对称 沿平面内宜对齐 沿竖向应上下连续 同一轴线上的窗间墙宽度宜均匀 建筑安全技术与管理 88 2020 4 6 3 防震缝的设置房屋有下列情况之一时宜设置防震缝 缝两侧均应设置墙体 缝宽应根据烈度和房屋高度确定 可采用50mm或100mm 1 房屋立面高差在6m以上 2 房屋有错层 且楼板高差较大 3 各部分结构刚度 质量截然不同 建筑安全技术与管理 89 2020 4 6 4 其它要求 1 楼梯间不宜设置在房屋的尽端和转角处 2 烟道 风道 垃圾道等不应削弱墙体 当墙体被削弱时 应对墙体采取加强措施 不宜采用无竖向配筋的附墙烟囱及出屋面的烟囱 3 不应采用无锚固的钢筋混凝土预制挑檐 建筑安全技术与管理 90 2020 4 6 二 砌体房屋的总层数及总高度不应该超限值历次震害证明 砌体房屋的层数越多 高度越高 它的地震破坏程度越大 所以控制砖砌体房屋的总高度及总层数对减少地震时带来的震害有很大的作用 现行建筑抗震设计规范 GB50011 2001 对多层砌体房屋的总高度和总层数有了强制性规定 多层砌体房屋的总高度及层数应满足表4 12中的限值 建筑安全技术与管理 91 2020 4 6 表4 12砌体房屋的层数和高度限值 m 注 室内外高差大于0 6m时 房屋总高度应允许比表中数据适当增加 但不应多于1 0m 建筑安全技术与管理 92 2020 4 6 在设计中房屋总高度及总层数应同时满足上标的限值 因为楼盖重量占房屋总重的一半左右 房屋总高度相同 多一层楼盖就意味着增加半层楼的側向地震作用 同时加大对底部的倾覆力矩 在中 强地震作用下 因倾覆力矩过大 使得底部墙体产生过大的压力或剪刀而被破坏 故此减轻自重 减少层数 降低层高是削弱地震影响的有效途径之一 建筑安全技术与管理 93 2020 4 6 三 砌体结构抗震构造要求1 增强砌体房屋的刚度及整体性房屋是纵 横向承重构件和楼盖组成的一个具有空间刚度的结构体系 其抗震能力的强弱取决于结构的空间整体刚度和整体稳定性 刚性楼盖是各抗侧力构件按各自侧移刚度分配地震作用的保证 现浇钢筋混凝土楼板及屋盖具有整体性好 水平刚度大的优点 是较理想的抗震构件 不但可消除滑移 散落问题 增加房屋的整体性 增大楼板的刚度 而且对平面上墙体对齐的要求也可予以适当放宽 因作为以剪切变形为主的砌体结构 层间变形是可控制的 建筑安全技术与管理 94 2020 4 6 较强的楼板及屋盖水平刚度使荷载传递具有良好的条件 平面上 当上下墙体不对齐时 现浇楼板及屋盖能起到一定的传递水平力的作用 同时楼 屋盖现浇增加了楼板对墙体的约束 因此 采现浇楼 屋盖是一种较好的增强楼房结构空间刚度和整体稳定性的方法 在适当的部位增设构造柱 并配置些构造钢筋 也能达到增强结构整体性的作用 另外 设置配筋圈梁可限制散落问题 增强空间刚度 提高结构整体稳定性 从而提高房屋的抗震性能 建筑安全技术与管理 95 2020 4 6 2 构造柱的设置砌体结构的构造柱设置应满足下列表要求表7 13砌体房屋构造柱设置要求 建筑安全技术与管理 96 2020 4 6 3 钢筋混凝土构造柱应符合的要求 1 构造柱最小截面可采用240mm 180mm纵向钢筋宜采用4 12箍筋间距不宜大于250mm 且在柱上下端宜适当加密 7度时超过六层 8度时超过五层和9度时 构造柱纵向钢筋宜采用4 14箍筋间距不应大于200mm 房屋四角的构造柱可适当加大截面及配筋 2 构造柱与墙连接处应砌成马牙槎 并应沿墙高每隔500mm设2 6拉结钢筋 每边伸入墙内不宜小于1m 构造柱间距不大于4m左右时 宜将构造柱间拉结筋拉通 为保证钢筋混凝土构造柱的施工质量 构造柱需有外露面 3 钢筋混凝土构造柱与圈梁连接处 构造柱的纵筋应穿过圈梁 保证构造柱纵筋上下贯通 4 构造柱可不单独设置基础但应伸入室外地面下500mm或与埋深小于500mm的基础圈梁相连 建筑安全技术与管理 97 2020 4 6 4 砌体结构房屋圈梁设计砌体结构房屋圈梁的配筋应满足下标要求表5砖房圈梁配筋要求 建筑安全技术与管理 98 2020 4 6 7 3 3多层和高层钢筋混凝土房屋的抗震设计 多高层钢筋混凝土结构以其优越的综合性能在现代化城市建设中得到了广泛的应用 在我国城市大部分的多高层建筑都采用钢筋混凝土的结构形式 建筑安全技术与管理 99 2020 4 6 一 抗震设计要求无论采用何种结构体系 抗震的多 高层钢筋混凝土房屋的建筑体型和结构总体布置应符合下列原则 1 选择有利的场地 避开不利场地 采取措施保证地基的稳定 2 选择合理的结构体系 对于钢筋混凝土结构 一般框架抗震能力较差 框架 剪力墙结构较好 剪力墙结构和筒体结构抗震能力高 3 采用对抗震有利的建筑平面 立面布置 即采用规则结构 不应采用严重不规则结构 平面布置力求简单 规则 对称 避免应力集中的凹角和收进 避免楼 电梯间偏置 尽量减少扭转的影响 建筑安全技术与管理 100 2020 4 6 4 宜具有合理的刚度和承载力分布 尽量避免建筑物竖向体型复杂 外挑内收变化过多 力求刚度均匀 不要刚度突变 避免产生变形集中 当顶层设置大房间 底层部分剪力墙变为框架时 应按专门规定进行设计 5 应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径 6 加强结构空间整体性 增加超静定次数 组织多道抗震防线 7 应具备必要的抗震承载力 良好的变形能力和消耗地震能量的能力 保证构件的延性 避免脆性破坏 如锚固破坏 剪切破坏等 也要采取措施防止因部分结构或构件的破坏而导致整个结构在地震中失稳倒塌 8 尽量减轻结构自重 减少地基土的压力 降低地震作用 建筑安全技术与管理 101 2020 4 6 9 结构在两个主轴方向的动力特性宜相近 10 对可能出现的薄弱部位 应采取措施提高抗震能力 11 节点的承载力应大于构件的承载力 要从构造上采取措施防止地震作用下节点的承载力和刚度过早退化 12 突出屋面的塔楼必须具有足够的承载力和延性 以承受鞭梢效应影响 13 调整平面形状与尺寸 采取构造措施和留临时性施工后浇灌的方法 尽量不设防震缝 或少设防震缝 14 在抗震设计时 建筑物各部分之间的关系应明确 如分开 则彻底分开 如相连 则连接牢固 建筑安全技术与管理 102 2020 4 6 二 延性框架设计的一般原则通过抗震措施来保证结构确实具有所需的延性能力 从而保证结构在中震 大震下实现抗震设防目标 系统的抗震措施包括以下几个方面内容 1 强柱弱梁 人为增大柱相对于梁的抗弯能力 使钢筋混凝土框架在大震下 梁端塑性铰出现较早 在达到最大非线性位移时塑性转动较大 而柱端塑性铰出现较晚 在达到最大非线性位移时塑性转动较小 甚至根本不出现塑性铰 从而保证框架具有一个较为稳定的塑性耗能机构和较大的塑性耗能能力 建筑安全技术与管理 103 2020 4 6 2 强剪弱弯 剪切破坏基本上没有延性 一旦某部位发生剪切破坏 该部位就将彻底退出结构抗震能力 对于柱端的剪切破坏还可能导致结构的局部或整体倒塌 因此可以人为增大柱端 梁端 节点的组合剪力值 使结构能在大震下的交替非弹性变形中其任何构件都不会先发生剪切破坏 强剪弱弯 是保证塑性铰转动能力和耗能能力的前提 强柱弱梁 的严格程度 影响