钢筋混凝土框架、抗震墙与框架-抗震墙 经典讲义.ppt

前章主要内容的回顾 抗震计算原理 水平和竖向地震作用的计算方法 振型分解法反应谱法底部剪力法时程分析法 补充计算 简化法 抗震验算原则及方法 承载力楼层剪力弹性层间变形弹塑性层间变形 第5章多高层钢筋混凝土结构抗震设计 本章教学目标与要求1 熟悉多层及高层钢筋混凝土结构建筑的震害特点及原因 2 理解和掌握多层及高层钢筋混凝土结构抗震概念设计的要求 3 掌握钢筋混凝土框架结构的抗震设计内容和设计方法 4 了解抗震墙结构的抗震设计方法 熟悉多层及高层钢筋混凝土结构的抗震构造措施 导入案例1972年尼加拉瓜首都马那瓜发生的地震中 有两幢钢筋混凝土结构的高层建筑 相隔不远 一幢是15层的中央银行大厦 其结构布置上下不连续 平面不对称 另一幢是18层的美洲银行大厦 其结构布置均匀对称 地震时前者发生了严重破坏 震后拆除 而后者只受轻微损坏 经维修恢复使用 为什么两幢混凝土结构房屋会发生如此不同的破坏呢 我们可以通过本章的学习得到说明 框架结构的抗震设计内容 钢筋混凝土建筑的震害特点及原因 钢筋混凝土建筑的抗震概念设计 抗震墙结构的抗震设计方法 抗震构造措施 本章小节 学习的主要内容 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 概述 5 1震害特征及原因 钢筋混凝土结构 reinforcedconcretestructure 具有较好的抗震性能 地震时所遭受的破坏比砌体结构的震害轻得多 但如果设计不合理 施工质量不良 多层和高层钢筋混凝土结构建筑也会产生严重的震害 从震害中汲取教训和经验失败是成功之母 马那瓜美洲银行大厦 马那瓜中央银行大厦 1 结构布置不合理产生的震害 1 平面布置不当产生的震害 震前 震后 马那瓜中央银行结构平面布置 框架 抗震墙 填充墙 马那瓜美洲银行结构平面布置 在强烈地震作用下 结构的薄弱楼层率先屈服 发展弹塑性变形 并形成弹塑性变形集中的现象 不能发挥整体的抗震能力 1976年唐山大地震中 位于天津塘沽区的天津碱厂十三层蒸吸塔框架 该结构楼层屈服强度分布不均匀 造成6层和11层的弹塑性变形集中 导致6层以上全部倒塌 天津碱厂输入天津波的弹塑性分析结果 2 竖向不规则产生的震害 薄弱层 彰化县员林镇富贵名门大楼座落在中山路惠明街口 为16层钢筋混凝土集合住宅大楼 底层柱子间距7至10米 地震时倾倒的原因是底层柱子数量少 间距大 2 防震缝处碰撞 防震缝处碰撞破坏 防震缝宽度过小 地震时结构相互碰撞造成震害 3 框架整体的震害 框架的整体破坏形式按破坏性质可分为延性破坏和脆性破坏 按破坏机制可分为梁铰机制 强柱弱梁型 和柱铰机制 强梁弱柱型 4 框架梁的震害 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 5 框架柱的震害 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 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 当柱净高小于4倍柱截面高度 h b 4 或剪跨比不大于2时 形成短柱 短柱刚度大 易产生剪切破坏 短柱 4 角柱 由于双向受弯 受剪 加上扭转作用 震害比内柱重 角柱 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 节点内箍筋很少或无箍筋时 柱纵向钢筋压曲外鼓 节点破坏的主要原因是节点的受剪承载力不足 约束箍筋太少 梁筋锚固长度不够以及施工质量差所引起 节点破坏将导致梁柱失去相互之间的联系 梁柱节点破坏 7 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 填充墙破坏 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 8 抗震墙的震害 在强震作用下 抗震墙在反复荷载作用下形成x型剪切裂缝 抗震墙破坏 交叉裂缝 9 抗震墙中的连梁震害 在强震作用下还表现在连梁上 其跨度小 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 抗震墙破坏 交叉裂缝 震害中的重要启示 抗震概念设计是非常重要的重视局部的加强措施 问题 何谓抗震概念设计 5 2结构抗震设计一般规定 一 结构体系的选择及相关要求 框架结构体系的特点是自重轻 地震作用小 但侧向刚度较小 地震时水平位移较大 会造成非结构构件的破坏 框架结构适用于高度不很大的建筑 抗震墙结构体系的特点是自重大 侧向刚度大 地震作用大 框架 抗震墙结构体系的特点是克服了纯框架结构刚度小和纯抗震墙结构自重大的缺点 发挥了各自的优点长处 具有抗侧刚度较大 自重较轻 结构的水平位移较小的优点 抗震性能较好 此外 还有筒体结构 巨型框架结构等 我国 高层建筑混凝土结构技术规程 jgj3 2002 以下简称高层规程 将钢筋混凝土高层建筑结构按房屋高度划分为a级和b级两个级别 规定了各自的最大适用高度和高宽比的限制 提出了不同的抗震设计要求 a级高度的建筑是目前应用最广泛的建筑 b级高度的建筑的最大适用高度和高宽比可较a级适当放宽 但其结构抗震等级 抗震计算及构造措施等要求更加严格 参见相关表格 表5 1多层及a级高度钢筋混凝土高层建筑结构的最大适用高度 注 1 房屋高度指室外地面至主要屋面高度 不包括局部突出屋面的电梯机房 水箱 构架等高度 2 表中框架不含异形柱框架结构 3 部分框支抗震墙结构指首层或底部两层有部分框支抗震墙的抗震墙结构 4 房屋高度超过本表数值时 结构设计应有可靠依据 并采取有效措施 平面和竖向均不规则的结构或建造于iv类场地的结构 其最大适用高度应适当降低 降低的高度一般为20 左右 当钢筋混凝土结构的房屋高度超过最大适用高度时 应通过专门研究 采取有效加强措施 必要时需采用型钢筋混凝土结构等 并按建设部部长令的有关规定上报审批 楼盖在其平面内的刚度应足够大 以使水平地震力能通过楼盖进行分配和传递 抗规 规定 框架 抗震墙和板柱抗震墙结构中 抗震墙之间无大洞口的楼 屋盖的长宽比不宜超过表5 2的规定限值 在确定结构体系时还要考虑建筑物刚度与场地条件的关系 应注意使房屋的自振周期与场地的特征周期tg错开 以减小地震作用 表5 2抗震墙之间楼屋盖的最大长宽比宽比 抗震等级是多层和高层钢筋混凝土结构 构件进行抗震设计的标准 同一结构体系 不同的抗震等级 具有不同的抗震设计计算 抗弯 抗剪等 和构造措施要求 2 抗震等级的划分 为此 我国抗震设计规范和高层规程综合考虑建筑重要性类别 设防烈度 结构类型及房屋高度等因素 对钢筋混凝土结构划分了不同的抗震等级 表5 3 表5 4 表5 3多层及a级高度的高层建筑结构抗震等级 表5 4b级高度的高层建筑结构抗震等级 裙房与主楼的等级 裙房顶部上下各一层应提高抗震措施 图中c为抗震等级 当裙房与主楼相连时 除应按裙房本身确定外 其抗震等级不应低于主楼的抗震等级 当裙房与主楼分离时 设有防震缝 应按裙房本身确定抗震等级 3 结构布置 1 结构平面布置 1 结构平面布置宜简单 规则 对称 减小偏心 尽量避免平面不规则情况 使刚度和承载力分布均匀 平面不规则的类型 2 对于10层和10层以上或高度大于28m属于a级高度的高层钢筋混凝土建筑 平面布置如图 限制见表5 5 表5 5 l的限值 2 结构竖向布置 1 高层建筑的竖向体型宜规则 均匀 结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通 2 结构避免过大的外挑和内收 h1 h 0 2时 b1 b 0 75 b1 b 0 9 a 4m 3 结构的侧移刚度宜下大上小逐渐均匀变化 楼层侧移刚度不宜小于相邻上部楼层侧移刚度的70 或其上相邻三个楼层侧移刚度平均值的80 应避免 侧移刚度沿竖向变化不均匀 表5 6a级高度钢筋混凝土高层建筑结构的适用的最大高宽比 4 为使结构有较好的整体刚度和稳定性 结构高度h和宽度b的比值不宜超过下表的限值 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 高层建筑宜选用合理的建筑结构方案 不设防震缝 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 抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用框架规定数值的50 且均不宜小于70mm 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 3 防震缝的设置 防震缝两侧结构类型不同时 宜按需要较宽防震缝的结构类型采用 并按较低房屋高度确定缝宽 防震缝最小宽度要求 当设防烈度为8度 9度时的框架结构房屋防震缝两侧结构高度 刚度或层高相差较大时 可在缝两侧房屋的尽端沿全高设置垂直于防震缝的抗撞墙 每侧抗撞墙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 抗撞墙 4 结构材料 1 混凝土的强度等级 框支梁 框支柱及抗震等级为一级的框架梁 柱 节点核心区 不应低于c30 构造柱 芯柱 圈梁及其他各类构件不应低于c20 8度 9度时分别不宜超过c70和c60 2 普通钢筋宜优先采用延性 韧性和可焊性较好的钢筋 普通钢筋的强度等级 纵向受力钢筋宜选用hrb400级和hrb335级热轧钢筋 箍筋宜选用hrb335 hrb400和hpb235级热轧钢筋 3 抗震等级为一 二级的框架结构 其纵向受力钢筋采用普通钢筋时 钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1 25 且钢筋的屈服强度实测值与强度标准值的比值不应大于1 3 砌体墙应采取措施减少其对主体结构的不利影响 并应设置拉结筋 水平系梁 圈梁 构造柱等与主体结构可靠拉结 5 其他要求 刚性非承重墙体的布置 应避免使结构形成刚度和强度分布上的突变 墙体与主体结构应有可靠的拉结 应能适应主体结构不同方向的层间位移 8 9度时应具有满足层间变位的变形能力 与悬挑构件相连时 尚应具有满足节点转动引起的竖向变形的能力 外墙板的连接件应具有足够的延性和适当的转动能力 并宜满足在设防烈度下主体结构层间变形的要