第四章 多层和高层钢筋混凝土房屋抗震设计

第四章多层和高层钢筋混凝土房屋抗震设计 4 1概述 4 2抗震设计基本要求 4 3框架结构抗震计算 4 4框架结构抗震构造措施 教学目的和要求 1 掌握多高层钢筋混凝土结构震害 2 掌握多高层钢筋混凝土结构的选型 结构布置和设计原则 3 掌握钢筋混凝土框架结构的抗震设计及抗震构造措施 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 钢筋混凝土梁和柱等构件组成承重体系的房屋 钢筋混凝土框架房屋层数一般在十层以下 特点 平面布置灵活 易满足建筑物内大空间的要求侧向刚度小 水平位移较大 4 1概述 抗震墙 框架房屋 框架 抗震墙 结构方案不当引起的震害 1 平面布置不当产生的震害建筑平面布置不规则 质量中心和刚度中心不重合 扭转效应 破坏严重 尤其是角柱 2 竖向不规则产生的震害竖向的质量或刚度有突变 突变处应力集中 形成薄弱层 较大的塑性变形 结构破坏 甚至倒塌 震害及其分析 3 防震缝处碰撞防震缝两侧结构单元的振动特性不同 发生不同形式的振动 防震缝缝宽不够或构造不当 发生碰撞 建造在软弱地基上或液化土层上的框架结构 在地震时常因地基不均匀沉陷使上部结构倾斜甚至倒塌 4 场地影响引起的震害 建造在软弱地基上的高柔建筑物 因Tg T1发生共振 烈度不高但其破坏的例子屡见不鲜 如 1976年委内瑞拉发生6 5级地震 距震中56km的加拉加斯冲积场地上有4幢10至12层钢筋混凝土框架结构公寓倒塌 1976年唐山发生7 8级地震 距震中70km的天津塘沽地区 地质条件为淤泥粘土层的天津碱厂蒸发塔工程 高55m的框架结构 7层以上部分倒塌 5 框架柱的震害A 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 柱底破坏与柱顶相似 由于箍筋较柱顶密 震害相对柱顶较轻 B 柱底 与柱顶相似 由于箍筋较柱顶密 震害相对柱顶较轻 C 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 D 角柱 由于双向受弯 受剪 加上扭转作用 震害比内柱重 6 框架梁的破坏 弯剪破坏 震害多发生于梁端 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 7 框架梁柱节点的震害 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 8 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 9 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 4 2 1结构最大适用最大高度及最大高宽比要求 抗震规范 规定 乙 丙和丁类建筑的框架结构和框架 抗震墙结构适用的最大高度应不超过下表的规定 甲类建筑适用的最大高度应专门研究 不同类型的结构体系 具有不同的抗侧移刚度 适用于不同的房屋高度 1 房屋的适用最大高度 注意事项 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 超过表内高度的房屋 应进行专门研究和论证 采取有效的加强措施 3 平面和竖向均不规则的结构或建造在 场地的构 使用的最大高度应适当降低 一般降低20 左右 2 钢筋混凝土房屋适用的高宽比房屋高宽比大 地震作用产生很大的倾覆力矩 造成基础转动 上部结构产生较大侧移 影响结构整体稳定 倾覆力矩大 在两侧柱中引起较大轴力 构件屈服破坏 4 2 2抗震等级的划分 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 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 注意事项 1 此表适用于丙类建筑抗震等级的划分 甲 乙 丁类建筑应按抗震设防标准中的抗震措施所要求的设防烈度按上表确定抗震等级 2 建筑场地为 类时 除6度外可按表内降低一度所对应的抗震等级采取抗震构造措施 但相应的计算要求不应降低 3 接近或等于高度分界时 应允许结合房屋不规则程度及场地 地基条件确定抗震等级 4 当框架 抗震墙结构有足够的抗震墙时 其框架部分是次要抗侧力构件 可按框架 抗震墙结构中的框架确定抗震等级 否则按框架结构确定等级 区分标准是看框架部分承受的地震倾覆力矩是否大于结构总地震倾覆力矩的50 5 与主楼相连的群房其抗震等级不应低于主楼的抗震等级 且主楼结构在群房屋面部位的上下各一层要适当加强抗震等级 结构平面布置 结构的平面布置是指在结构平面图上布置柱和墙的位置以及楼盖的传力方式 从抗震的角度看 最主要的是使结构平面的质量中心和刚度中心相重合或尽可能靠近 以减小结构的扭转反应 结构的平面布置宜简单 对称和规则 表4 4L l的限值 4 2 3结构平面和竖向布置 高层建筑 8层及8层以上 的平面中L不宜过长 图4 8 突出部分长度l宜减小 凹角处宜采取加强措施 图4 8中 L l和l 的值宜满足前表4 4的要求 图4 8建筑平面 2 结构竖向布置 结构沿竖向 竖直方向 应尽可能均匀而少变化 使结构的刚度沿竖向均匀 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的比值不宜超过表5 4所列的限值 表4 2适用的房屋最大高宽比 3 防震缝的设置 平面形状复杂时 宜用防震缝划分成较规则简单的单元 但对高层结构 宜尽可能不设缝 当需要设置防震缝时 其最小宽度应符合下列要求 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 超过15m时 6度 7度 8度和9度相应每增加高度5m 4m 3m和2m 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对框架规定数值的70 抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用上述对框架规定数值的50 且均不宜小于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 4 8 9度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 每一侧抗撞墙的数量不应少于两道 宜分别对称布置 墙肢长度可不大于一个柱距 4 2 4一般性抗震措施 1 楼盖 刚度要求楼盖的刚度大 能满足水平地震作用传递和分配的要求 假定楼盖水平刚度无穷大抗震墙的最大间距要求 抗震墙之间无大洞口的楼 屋盖的长宽比宜满足下表要求 抗震墙之间的楼 屋盖有较大开洞时 长宽比还应减小 当超过上述要求时 应计入楼盖平面内的变形影响 2 对框架结构的布置要求 宜双向设置承重框架 不宜采用单跨框架 框架梁和柱的中线应尽可能重合在同一平面内 两者间的偏心距不宜超过柱宽的1 4 楼梯间 电梯间不宜设置在结构单元的两端及拐角处 框架结构沿高度不宜突变 局部突出屋顶的部分应采用框架承重 遵守 强柱弱梁 强剪弱弯 强节点 强锚固 等原则进行延性框架的设计 合理考虑砌体填充墙的设置 3 抗撞墙的布置 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 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 4 框架 抗震墙的布置要求1 抗震墙布置的基本原则框架 抗震墙结构中的抗震墙宜沿主轴方向双向布置 贯通房屋全高 且横向与纵向抗震墙宜相连 互为翼墙 以提高其刚度和承载能力 抗震墙的一般布置原则是 均匀 分散 对称 周边 2 抗震墙布置位置的选择 一般情况下 宜布置在竖向荷载较大处 平面形状变化处和楼梯间 电梯间等 房屋较长时 纵向抗震墙不易设置在端开间 3 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的偏心距不宜大于柱宽的1 4 4 抗震墙应设置在墙面不需要开大洞的位置 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 5 抗震墙的布置宜适当多增加片数 避免每片墙的刚度太大6 抗震墙宜贯通全高 沿竖向截面不宜由较大突变 以保证结构竖向的刚度基本均匀 4 2 5结构材料 按抗震要求设计的混凝土结构的材料应符合下列要求 1 混凝土的强度等级 抗震等级为一级的框架梁 柱 节点核心区 框支梁 框支柱不应低于C30 构造柱 芯柱 圈梁及其他各类构件不应低于C20 并且 混凝土结构的强度等级 在9度时不宜超过C60 在8度时不宜超过C70 2 普通钢筋的强度等级 纵向受力钢筋宜采用HRB335级和HRB400级热轧钢筋 箍筋宜采用HPB235 HRB335和HRB400级热轧钢筋 普通钢筋宜优先采用延性 韧性和可焊性较好的钢筋 对一 二级抗震等级的框架结构 其普通纵向受力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 屈服强度实测值与强度标准值的比值不应大于1 3 3 在施工中 当需要以强度等级较高的钢筋代替原设计中的纵向受力钢筋时 应按照钢筋受拉承载力相等的原则换算 并应满足正常使用极限状态和抗震构造的要求 4 3框架结构抗震计算 4 3 1框架结构水平地震作用计算其抗震计算的内容一般包括 1 结构动力特性分析 主要是结构自振周期的确定 2 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 3 结构内力分析与位移计算 4 截面抗震设计等 地震作用的计算方法 振型分解反应谱法底部剪力法 4 3 1 1结构自振周期对质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结构 顶点位移法 将重力荷载代表值Gi水平作用在各质点上 按弹性方法求得的结构顶点位移 考虑填充墙对结构刚度和质量影响的自振周期的修正系数 一般取0 6 0 8 4 3 1 2水平地震作用计算一般采用底部剪力法计算第i层层间剪力 同时 结构各楼层的最小层间剪力应满足 剪力系数 见表3 7 主要是考虑长周期结构地震影响系数下降较快 由此计算所得的水平地震作用下的结构效应可能太小 1 反弯点法 假定 a 框架梁的线刚度相对框架柱的线刚度为无限大 则在忽略柱子轴向变形的情况下 节点的转角为零 b 底层柱的反弯点取为距基础顶面2 3柱高处 其余各层柱的反弯点取为柱高的中点 1 简化分析模型 研究内容 风和地震对框架结构的水平作用 一般都可简化为作用于为框架节点上的水平集中力 4 3 1 3水平地震作用下框架内力分析 2 计算方法 将框架在某一层的反弯点切开 根据几何条件 忽略梁轴向变形 a 求柱剪力 根据平衡条件 有 c 梁端弯矩可由节点弯矩平衡条件求出不平衡弯矩 再用节点左右梁的线刚度进行分配 注意 一般认为当梁柱线刚度比值大于3时 即符合以上基本假定 反之 如果比值小于3时 则要用D值法来进行计算 当杆件两端发生单位侧移时 杆件内的剪力称为抗侧刚度 用表示 如果杆件两端没有转角 杆件内的剪力为 抗侧刚度为 2 计算方法 a 求柱剪力 逐层取脱离体 利用上式求得各柱剪力后 根据各层反弯点位置 可以求出柱上 下端的弯矩 底层柱 其余层柱 b 求柱端弯矩 2 计算方法 c 求梁端弯矩 2 计算方法 e 求柱轴力 从上到下利用节点竖向力平衡条件 2 计算方法 2 常用方法 D值法 1 计算各柱的侧移刚度 2 计算各柱分配到的地震剪力 3 确定各柱的反弯点位置 4 计算各柱的柱端弯矩 5 计算各梁的梁端弯矩 6 计算各梁的梁端剪力 7 计算各柱的轴力 D值法计算框架内力的方法同钢筋混凝土结构教材所讲方法 1 计算各层柱的侧移刚度D 2 计算各柱所分配的剪力 3 确定反弯点高度y 6 计算梁端剪力 4 3 2竖向荷载作用下的框架内力计算 计算方法 1 分层法 2 二次弯矩分配法竖向荷载作用下 可以考虑塑性内力重分布 进行弯矩调幅 一般降低梁端负弯矩现浇框架 调幅系数可取0 8 0 9装配整体式框架 可取0 7 0 8相应的跨中弯矩应增加一般不考虑活荷载的最不利布置 活荷载满布此时 梁的跨中弯矩可根据具体情况 乘以1 1 1 2的放大系数 4 3 3内力组合 在框架抗震设计时 一般应考虑以下两种基本组合 1 地震作用效应与重力荷载代表值效应的组合 4 3 4框架结构水平位移验算 框架结构的侧移验算包括两方面 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 罕遇地震下层间弹塑性位移验算 一般仅对非规则框架需进行此项计算 1 多遇地震作用下层间弹性位移验算 2 罕遇地震作用下层间弹塑性位移验算 1 结构薄弱层 部位 的确定 2 楼层屈服承载力系数 的计算 3 楼层屈服承载力的确定 4 薄弱层的层间弹塑性位移计算 4 3 5框架结构构件截面抗震验算 1框架抗震设计一般原则 具有足够的承载能力良好的变形能力合理的破坏机制 延性框架结构 应合理地设计梁 柱构件和节点区 防止构件过早发生脆性破坏 控制构件破坏先后顺序 强柱弱梁 强剪弱弯 强节点 强锚固 2 框架梁截面抗震验算 框架梁抗震设计的设计原则 强柱弱梁 强剪弱弯 强锚固 1 梁端先于柱端产生塑性铰 并使塑性铰具有较好的延性和耗能能力2 应防止梁端截面先发生脆性的剪切破坏 即梁形成塑性铰后仍有足够的受剪承载力 3 妥善解决梁筋锚固问题 1 正截面承载力验算考虑地震作用组合 正截面验算 2 斜截面承载力验算1 计算梁端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 即应使构件的受剪承载力大于构件弯曲屈服时实际达到的剪力值 一 二 三级框架 9度和一级框架结构尚应符合 分别为梁左 右端逆时针或顺时针方向根据实配钢筋面积 考虑受压筋 和材料强度标准值计算的抗弯承载力所对应的弯值 2 梁截面尺寸限制 剪压比 截面内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 因此应限制梁端截面的剪压比 跨高比大于2 5 跨高比等于或小于2 5 3 斜截面承载力验算试验表明 在反复荷载作用下 混凝土的抗剪承载力有所下降 矩形 T形和工字形截面框架梁 对集中荷载作用下的框架梁 3 框架柱截面抗震验算 框架柱抗震设计的设计原则 强柱弱梁 强剪弱弯 1 避免或推迟柱端出现塑性铰以形成合理的破坏机制 2 在弯曲破坏前不发生剪切破坏 使柱有足够的抗剪能力 3 控制柱的轴压比 以保证柱的延性4 加强约束 配置必要的约束箍筋 1 柱弯矩设计值的调整 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 柱端弯矩增大系数 一级为1 4 二级为1 2 三级为1 1 9度和一级框架结构尚应符合 节点左右梁端截面逆时针或顺时针方向根据实配钢筋面积 考虑受压筋 和材料强度标准值计算的抗弯承载力所对应的弯矩值之和 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 4 3 4 2框架柱截面抗震验算 2 柱端剪力设计值调整 9度和一级框架结构尚应符合 一 二 三级框架柱 梁的剪力增大系数 一级为1 4 二级为1 2 三级为1 1 分别为柱上 下端逆时针或顺时针方向正截面组合的弯矩设计值 柱的净高 分别为偏心受压柱的上 下端逆时针或顺时针方向根据实配钢筋面积和材料强度标准值计算的抗弯承载力所对应的弯矩值 4 3 4 2框架柱截面抗震验算 3 柱截面尺寸限制同梁 当剪压比较大时 将降低箍筋的抗剪效果 应限制柱端截面剪压比 剪跨比大于2时 剪跨比不大于2时 剪跨比的表达式 对框架结构的中间层可按柱净高与2倍柱截面有效高度之比计算 Mc为柱端截面组合的弯矩设计值 取上 下端弯矩较大值 4 斜截面承载力验算 偏压构件 偏拉构件 计算剪跨比 当框架柱的反弯点在柱层高范围内时 可取 Hn 2h0 当 3时 取 3 当 1时 取 1 框架节点破坏的主要形式是节点核心区剪切破坏和钢筋锚固破坏 四 框架的节点设计 节点主要受剪力和压力的组合作用 节点核心区未开裂前 箍筋应力很小 基本上是混凝土承受剪力 约当剪力达到核心区极限抗剪能力60 70 时 混凝土突然发生对角贯通裂缝 节点刚度明显降低 箍筋应力也突然增大 个别甚至屈服 此后斜裂缝增多赠宽 箍筋陆续达到屈服 节点区的破坏与交于节点的梁 柱破坏顺序有关 弱柱强梁型的节点区破坏严重 直交梁对节点核心区有明显约束作用 满足一定条件的四边有梁的节点 核心区混凝土抗剪强度可提高50 100 节点区的破坏与交于节点的梁 柱破坏顺序有关 弱柱强梁型的节点区破坏严重 根据强节点的设计要求 框架节点的设计准则是 1 节点核心区受剪承载力的验算 1 节点核心区组合的剪力设计值 9度和一级框架尚应符合 2 框架节点核心区截面受剪承载力的验算 一 二级框架 9度时 三 四级框架节点核心区可不进行抗震验算 但应符合构造措施的要求 4 4框架结构抗震构造措施 4 4 1框架梁 1 梁截面尺寸的要求1 若梁宽高比过小 梁截面抗剪能力下降 侧向稳定性不易保证 不利于形成梁铰型破坏机制2 梁宽度过小 不利于梁对节点核心区的约束3 梁净跨与截面高度之比过小 易产生脆性的剪切破坏 降低梁的延性截面尺寸的要求 梁宽 200mm 梁宽 柱宽 1 2粱的高宽比 4 粱净跨 截面高 4 2 梁内纵筋配置考虑 梁端塑性铰的形成及其转动能力 延性 1 限制梁端截面的纵向受拉钢筋最大配筋率或相对受压区高度 2 配置适当的受压钢筋 具体 框架梁的纵向配筋应符合下列要求 a 梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2 5 梁端截面最大配筋率应使梁端截面的受压区相对高度应满足 一级不应大于0 25 二 三级不应大于0 35 b 梁端截面的底面和顶面配筋量的比值 一级不应小于0 5 二三级不应小于0 3 c 沿梁全长顶面和底面的配筋 一 二级不应少于2 14且分别不应少于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面面积的1 4 三 四级不应少于2 12 d 纵向受拉钢筋的最小配筋率应符合规范要求 e 梁内纵筋的直径要求 一 二级框架梁内贯通中柱的每根纵筋直径 不宜大于柱在该方向截面尺寸的1 20对圆形截面柱 不宜大于纵筋所在位置柱截面边长的1 20 3 梁内纵筋的锚固和连接试验表明 在反复地震作用下 钢筋和混凝土之间的粘结作用较单调加载时有所降低 抗震设计时的锚固和连接应更严格 a 纵筋最小锚固长度一 二级抗震等级