结构抗震概念设计PPT课件

.,1,第4章结构抗震概念设计,.,2,结构概念设计与结构抗震概念设计的区别与联系,结构概念设计：是根据人们在学习和实践中所建立的正确概念，运用人的思维和判断力，正确和全面地把握结构的整体性能。即根据对结构品性的正确把握，合理地确定结构总体与局部设计，使结构自身具有好的品性。,结构抗震概念设计：是根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。,.,3,本章主要内容（4课时）,4.1选择抗震有利的建筑场地、地段和地基,4.2地基土的抗震验算与液化,4.3设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置,4.4合理的结构材料,4.5提高结构抗震性能的措施,4.7减轻房屋的自重和妥善处理非结构构件,4.6控制结构变形,.,4,学习目标,从场地、建筑体型、材料等方面熟练掌握结构抗震的概念设计。重难点：场地土的液化判别与建筑体型的选择,.,5,4.1选择抗震有利的建筑场地、地段和地基,4.1.1选择抗震有利的地段选择建筑场地时，宜选择对建筑抗震有利的地段，避开对建筑抗震设计不利的地段。严禁在危险地段建造甲、乙类建筑、不应建造丙类建筑。,.,6,4.1.2选择抗震有利的建筑场地和地基,1.选择抗震有利的建筑场地和地基时应注意以下几点：（1）选择薄的场地覆盖层。对于柔性建筑，厚土层上的震害重，薄土层上的震害轻，直接坐落在基岩上的震害更轻。（2）选择坚实的场地土。震害表明，场地土刚度大，则房屋震害指数小，破坏轻；刚度小，则震害指数大，破坏重。故应选择具有较大平均剪切波速的坚硬场地土。,4.1选择抗震有利的建筑场地、地段和地基,.,7,（3）将建筑物的自振周期与地震动的卓越周期错开，避免共振。震害表明，如果建筑物的自振周期与地震动的卓越周期相等或相近，建筑物的破坏程度就会因共振而加重。(4)采取基础隔震或消能减震措施.利用基础隔震或消能减震技术改变结构的动力特性，减少输入给上部结构的地震能量，从而达到减小主体结构地震反应的目的.此外，为确保天然地基和基础的抗震承载力，应按抗震规范的要求对基础进行抗震验算，同时也要防止地基土的液化。,4.1选择抗震有利的建筑场地、地段和地基,.,8,地基：建筑物基础下面受力层范围内的土层。,松软土地基和不均匀地基：,4.2.1地基抗震设计原则与抗震验算,处理方法：,饱和的淤泥和淤泥质土冲填土和杂填土不均匀地基土,不能不加处理地直接用作建筑物的天然地基,在地震区,地基处理措施：置换、加密、强夯等,消除土的动力不稳定性,桩基等深基础,避开可能失效的地基对上部建筑的不利影响,上部结构的处理措施,4.2地基土的抗震验算与液化,一、地基抗震设计原则,.,9,一般土地基：,建造于一般土质天然地基上的房屋遭遇地震时极少有因地基强度不足或较大沉陷导致的上部结构破坏,可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算的地基：,（1）地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的下列建筑：1）一般的单层厂房和单层空旷房屋；2）砌体房屋；3）不超过8层且高度在24m以下的一般民用框架房屋；4）基础荷载与3）项相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房屋。,（2）规范中规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。,4.2.1地基抗震设计原则与抗震验算,.,10,二、地基土抗震承载力,天然地基抗震验算时，地基土的抗震承载力按下式计算：,调整后的地基土抗震承载力；地基土抗震调整系数，按下表采用；深宽修正后的地基土静承载力特征值，按现行建筑地基基础设计规范采用,.,11,步骤：,1.根据静力设计的要求确定基础尺寸对地基进行强度和沉降量的核算,2.地基抗震强度验算：,（荷载组合；基础底面的压力取为直线分布）,基础底面地震作用效应标准组合的平均压力值,基础边缘地震作用效应标准组合的最大压力值,.,12,4.2.2地基土液化及其防治,饱和松散的砂土或粉土（不含黄土），地震时易发生液化现象，地基承载力丧失或减弱，甚至喷水冒砂，这种现象一般称为砂土液化或地基土液化。1964年美国Alaska和日本新澙地震中大量出现。,一、地基土液化及其危害,定义：砂土液化（地基土液化）,液化的宏观标志是在地表出现喷砂冒水,唐山地震时，严重液化地区喷水高度可达8米，厂房沉降可达1米。天津地震时，海河故道及新近沉积土地区有近3000个喷水冒砂口成群出现，一般冒砂量0.1-1立方米，最多可达5立方米。有时地面运动停止后，喷水现象可持续30分钟。,.,13,.,14,砂土液化机理,地震,饱和砂土、粉土颗粒在强烈振动下发生相对位移,颗粒结构趋于压密,颗粒间孔隙水来不及排泄而受到挤压孔隙水压力急剧增加,孔隙水压力=土颗粒所受到的总的正压应力土粒之间因摩擦产生的抗剪能力消失,砂土液化的危害,使土体的抗震强度丧失，引起地基不均匀沉陷,引发建筑物的破坏甚至倒塌,土颗粒处于悬浮状态形成液化现象,.,15,彰化县社头乡三幢三层楼透天住宅，中间一幢有地下室，前后二幢皆无，液化使前后两幢相对下沉4070cm,南投埔里镇民富一街路面因土壤液化而导致开裂及下陷,砂土液化的危害(图),图发生时间为1999年9月21日凌晨1时47分，位于台湾南投县集集镇发生里氏规模达7.3级的大地震。,.,16,南投市公所社会科办公大楼前之大草坪产生土壤液化情形,砂土液化的危害(图),液化喷砂现象,图发生时间为1999年9月21日凌晨1时47分，位于台湾南投县集集镇发生里氏规模达7.3级的大地震。,.,17,二、液化的判别,.,18,二、液化的判别,两大步骤：1.初步判别；2.细判（标准贯入试验判别）,初步判别,以地质年代、粘粒含量、地下水位及上覆非液化土层厚度等作为判断条件，凡经初判为不液化或不考虑液化影响，可不进行细判，以减少勘察工作量。,（1）地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及以前时，7、8度可判为不液化；,（2）当粉土的粘粒（粒径小于0.005mm的颗粒)含量百分率在烈度为7、8和9度时分别大于10、13和16可判为不液化；,.,19,（3）采用天然地基的建筑，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时，可不考虑液化影响。,地下水位深度（m），按建筑使用期内年平均最高水位采用，也可按近期内年最高水位采用,液化土特征深度，按右表采用,上覆非液化土层厚度（m），计算时应注意将淤泥和淤泥质土层扣除,基础埋置深度（m），小于2m时应采用2m,上面判别式（db=2)亦可用右图表示：,db2时，在du、dw中减去（db-2)后再查图确定。,.,20,.,21,例题1,.,22,.,23,.,24,例题2,.,25,.,26,标准贯入试验判别,初判条件均不能满足时，地基土存在液化可能,采用标准贯入试验进一步判别其是否液化,标准贯入试验设备：由穿心锤、触探杆、贯入器等组成,试验时，先钻至测试土层标高以上15cm，再将贯入器放至该土层处，在锤落距为76cm的条件下，连续打入土层30cm，所得锤击数为,N63.5Ncr时，应判为液化土，否则为不液化土,.,27,.,28,.,29,例题3,.,30,.,31,.,32,三、液化地基的评价,.,33,.,34,液化等级与相应的震害,.,35,例题4,.,36,.,37,.,38,四、液化地基的抗震措施,.,39,4.3设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置1、选择对抗震有利的建筑平面和竖向规则建筑：不规则建筑-主要根据体型(平面和立面)、刚度和质量沿平面、高度的不同等因素进行判别。,平面不规则性：平面偏心、平面凹角、刚性楼层、楼板突变、平面外水平断错、非平行结构体系立面不规则性：刚度突变的柔性层、质量分布突变、立面形状突变、竖向抗侧力构件在其平面内的间断、承载力突变(薄弱层),.,40,(1)建筑抗震设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案；（2）建筑及其抗侧力结构平面布置宜规则、对称，并具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度变化宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自上而下逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。（3）体型复杂、平立面特别不规则的建筑结构，可按实际需要在适当部位设置防震缝，形成多余较规则的抗侧力结构单元。,4.3设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置,.,41,.,42,2、合适的房屋高度房屋愈高，所受到的地震力和倾覆力矩就愈大，破坏的可能性也就愈大。不同结构体系的最大建筑高度的规定，综合考虑了结构的抗震性能，地基基础条件、震害经验、抗震设计经验和经济性等因素。,4.3设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置,.,43,.,44,现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度（m),钢结构房屋的最大高度（m),4.3设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置,.,45,3、不大的房屋高宽比房屋的高宽比愈大，地震作用下的侧移和基底倾覆力矩就愈大。钢筋混凝土房屋的最大高宽比,钢结构房屋的最大高宽比,4.3设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置,.,46,4、防震缝的合理设置高层建筑宜通过调整平面形状和尺寸，在构造上和施工上采取措施，尽可能不设缝（伸缩缝、沉降缝和防震缝）。但体型复杂、平立面特别不规则的建筑结构，可按实际需要设置防震缝，形成多个较规则的抗侧力结构单元。防震缝应留有足够的宽度，其两侧上部结构应完全脱开。当设置伸缩缝和沉降缝时，其宽度应符合防震缝的要求。,4.3设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置,.,47,5、合理的抗震结构布置在进行结构方案平面布置时，应使结构抗侧力体系对称布置，以避免扭转。为了把扭转效应降低到最低程度，应尽可能减小结构质量中心与刚度中心的距离。除结构平面布置要合理外，结构沿竖向的布置应等强。结构抗震性能的好坏，取决于总的承载能力、变形和耗能能力外，避免局部的抗震薄弱部位是十分重要的。,4.3设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置,.,48,.,49,4.4合理的结构材料抗震结构的材料应满足下列要求：1、延性系数（表示极限变形与相应屈服变形之比）高；2、“强度/重力”比值大；3、匀质性好；4、正交各向同性；5、构件的连接具有整体性、连续性和较好的延性，并能充分发挥材料的强度。,.,50,4.5提高结构抗震性能的措施1、设置多道抗震防线单一结构体系只有一道防线，一旦破坏就会造成建筑物倒塌。如果建筑物采用的是多重抗侧力体系，可保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌。（1）第一道防线的构件选择第一道防线一般应优先选择不负担或少负担重力荷载的竖向支撑或填充墙，或选择轴压比较小的抗震墙，实墙筒体之类的构件作为第一道防线的抗侧力构件。,.,51,（2）结构体系的多道设防框架抗震墙结构体系中，剪力墙是第一道防线，框架部分起到第二道防线的作用，单层厂房纵向体系中，柱间支撑是第一道防线，柱是第二道防线。,（3）结构构件的多道防线联肢抗震墙中，连系梁是第一道防线。“强柱弱梁”型的延性框架，梁处于第一道防线。在超静定结构构件中，赘余构件为第一道防线,4.5提高结构抗震性能的措施,.,52,2、提高结构延性结构延性有4层含义：（1）结构总体延性（2）结构楼层延性（3）构件延性（4）杆件延性,一般而言，在结构抗震设计中，对结构中重要构件的延性要求，高于对结构总体的延性要求，对构件中关键杆件或部位的延性要求，又高于对整个构件的延性要求。,4.5提高结构抗震性能的措施,.,53,3、采用减震方法（1）提高结构阻尼结构的地震反应随结构阻尼比的增大而减小。提高结构阻尼能有效地削减地震反应的峰值。（2）采用高延性构件增加结构的延性，不仅能削减地震反应，而且提高了结构抗御强烈地震的能力（3）采用隔震和消能减震技术,4.5提高结构抗震性能的措施,.,54,4、优选耗能杆件根据结构中选择主要耗能构件或杆件的原则，应选择构件中轴力较小的水平杆件为主要耗能构件，从而使整个结构具有较大的延性和耗能能力。（1）弯曲耗能优于剪切耗能（2）弯曲耗能优于轴变耗能,4.5提高结构抗震性能的措施,.,55,4.6控制结构变形1、控制结构变形地震时建筑物的破坏程度，主要取决于主体结构变形的大小。结构变形可用层间位移和顶点位移两种方式表达。各层间位移之和即为结构顶点位移