建筑结构抗震设计[详细]

1、2,3,建筑结构抗震设计,3.1 结构抗震概念设计 3.2 混凝土结构房屋抗震设计 3.3 砌体结构房屋抗震设计 3.4 钢结构房屋抗震设计,2,3,建筑结构抗震设计,3.1 结构抗震概念设计 3.2 混凝土结构房屋抗震设计 3.3 砌体结构房屋抗震设计 3.4 钢结构房屋抗震设计,结构抗震概念设计是指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。,结构抗震概念设计,3.1,为什么要进行结构抗震概念设计？,结构抗震概念设计,3.1,1、地震动的不确定性 2、地震破坏作用和结构地震破坏机理的复杂性 3、结构计算模型的各种假定与实际情况不符,一

2、、选择抗震有利的地段,地震地质灾害单靠工程措施是很难达到预防目的的，或者所花代价昂贵。 选择建筑场地时，宜选择对建筑抗震有利的地段；对不利地段，应提出避开要求；当无法避开时应采取有效的措施。对危险地段，严禁建造甲、乙类的建筑，不应建造丙类的建筑。 住宅设计规范 GB50096规定，严禁在危险地段建造住宅。,结构抗震概念设计,3.1,抗震有利地段,稳定的基岩，坚硬土，开阔、平坦、密实、均匀的中硬土,结构抗震概念设计,3.1,抗震危险地段,地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等以及发震断裂带上可能发生地表错位的部位,结构抗震概念设计,3.1,结构抗震概念设计,3.1,图 断层和断裂带,“有

3、地震必有断层，有断层必有地震”,断裂及其工程影响,结构抗震概念设计,3.1,地质调查结果： 沿龙门山中央主断裂带的地表破裂从映秀镇至北川长200km； 沿龙门山山前断裂带的地表破裂从都江堰至汉旺镇长40km 。 (图源：张培震, 2008),汶川地震的 启示和教训,震后映秀镇航拍照片 (图源：新华社, 2008),位于地震断层的建筑，由于地震断错和地面强大振动，带来房屋毁灭性坍塌。,结构抗震概念设计,3.1,彭州市白鹿镇中心学校地面隆起2m,隆起带穿过的建筑物倒塌,图源：汶川震害研讨会 汶川大地震引发建筑结构设计者的思考 冯远 中国建筑西南设计研究院有限公司 2008.9.5,结构抗震概念设计

4、,3.1,12,27m倒塌,小渔洞镇房屋破坏与断层距,100m严重,220m中等,1500m轻微,山体滑坡是斜坡体上岩土体沿一定的滑动面作整体下滑的地质现象,对山地植被、居民生活、交通运输、工农业生产等具有严重的破坏作用,而且治理难度大、费用高。,山体滑坡,结构抗震概念设计,3.1,震后的北川县城，右边山体产生的巨大滑坡冲毁了大片建筑。,王家岩滑坡,新北川中学滑坡,老县城,新县城,黄润秋提供,在山区选址时，应踏勘，发现有山体崩塌、巨石滚滚等潜在危险的地段，不能建房。,图源：地震工程与工程振动汶川地震图片2.2. GEOLOGICAL HAZARD,结构抗震概念设计,3.1,泥石流,结构抗震概念

5、设计,3.1,甘肃舟曲,抗震不利地段,就地形而言：条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，山梁的顶部，高差较大的台地边缘,结构抗震概念设计,3.1,地理位置的放大作用,孤山效应： 国内多次大地震的调查资料表明，局部地形条件是影响建筑物破坏程度的一个重要因素。,房屋震害指数与局部地形的关系曲线,结构抗震概念设计,3.1,就场地土质而言：软弱土，古河道、疏松的断层破碎带、暗埋的塘浜沟谷和半填半挖地基等平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层（如故河道、疏松的断层破碎带、暗埋的塘浜沟谷和半填半挖地基）。,结构抗震概念设计,3.1,图 汶川地震某住宅楼因边坡避让距离不足导致的开裂破坏,集集地震断层造成边坡滑

6、动使 民宅横向移动10m垂直落差约6m,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，直接座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。,二、选择抗震有利的建筑场地和地基,结构抗震概念设计,3.1,（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。,结构抗震概念设计,3.1,1985

7、年墨西哥地震中高层建筑倒塌图片,结构抗震概念设计,3.1,（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。,结构抗震概念设计,3.1,震源,隔震建筑,结构抗震概念设计,3.1,ELcentro加速度反应谱,ELcentro 位移谱,隔震动力学原理,结构抗震概念设计,3.1,隔震结构 隔震机理 地震中表现,传统房屋 地震时 激烈晃动 房屋加速度放大 100% 250% 梁柱裂,内部装饰,设备破坏,隔震房屋 地震时 缓慢平动(长周期) 房屋加速度减少 100% 40% 结构弹性(变形集中在柔软支座)

8、 保护结构 和 内部装饰,设备 隔震/不隔震=1/6,结构抗震概念设计,3.1,（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。,结构抗震概念设计,3.1,为克服传统抗震方法的缺陷，结构振动控制技术逐渐发展起来，它是通过在结构的适当位置安装消能减振装置，利用这些装置的耗能来减小结构在强震和大风作用下的振动反应，以此保护民众人身财产安全。 结构控制就是通过调整结构的自振频率或自振周期T（通过改变K，M）或增大阻尼C，或施加控制力F(t)，以大大减少结构在地震（或风）作用下的反应。,结构抗震概念设计

9、,3.1,三、有利的房屋抗震体型,1、选择对抗震有利的建筑平面和竖向 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。,结构抗震概念设计,3.1,从有利于建筑抗震的角度出发，地震区的房屋建筑平面形状应以方形、矩形、圆形为好，正六边形、正八边形、椭圆形、扇形次之，L形、T形、十字形、U形、H形、Y形平面较差。,简单的建筑平面,不利的建筑立面,良好的建筑立面,结构抗震概念设计,3.1,地震区建筑的竖向体型及刚度变化要均匀，宜优先采用矩形、梯形、三角形等均匀变化的几何形状，尽量避免过大的外挑和内收。,结构竖向收进和外挑示意,建筑结构平面的扭转不规则示例,结构抗震概念

10、设计,3.1,建筑结构平面的凹角或凸角不规则示例,结构抗震概念设计,3.1,建筑结构平面的局部不连续性示例,结构抗震概念设计,3.1,沿竖向的侧向刚度不规则（有柔弱层）,结构抗震概念设计,3.1,竖向抗侧力构件不连续示例,楼层承载力突变（有薄弱层）,结构抗震概念设计,3.1,结构抗震概念设计,3.1,都江堰市某商住楼,图源：吕西林 世界地震工程会议,结构抗震概念设计,3.1,结构抗震概念设计,3.1,图 平面凹凸部位(楼梯间)震害严重,结构抗震概念设计,3.1,图 北川大酒店破坏情况,图 Nagata Ward 医院四层倒塌,图源：地震工程与工程振动汶川地震图片,结构抗震概念设计,3.1,历次

11、地震的震害经验表明，在同一次地震中，体型复杂的房屋总是比体型规则的房屋更容易破坏。因此，建筑方案的规则性对建筑结构的安全来说十分重要。 这里的“规则”包含了对建筑平面、立面外形尺寸，抗侧力构件的布置、质量分布，直至承载力分布等诸多因素的综合要求。 “规则”的具体界限随结构类型的不同而异，需要建筑师和结构师相互配合，才能设计出抗震性能良好的建筑。,结构抗震概念设计,3.1,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； 建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；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。 体型复杂、平立面特别不规则的建筑

12、结构，可按实际需要在适当部位设置防震缝，形成多个较规则的抗侧力结构单元。,结构抗震概念设计,3.1,对不规则结构应进行地震作用计算和内力调整，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。 （1）平面不规则而竖向规则的建筑，应采用空间结构计算模型，并应符合下列要求：扭转不规则时，应计入扭转影响，且在具有偶然偏心的规定水平力作用下，楼层两端抗侧力构件弹性水平位移或层间位移的最大值与平均值的比值不宜大于1.5，当最大层间位移远小于规范限值时，可适当放宽； 凹凸不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型；高烈度或不规则程度较大时，宜计入楼板局部变形的影响；平面不对称且凹凸不规则或局

13、部不连续，可根据实际情况分块计算扭转位移比，对扭转较大的部位应采用局部的内力增大系数。,结构抗震概念设计,3.1,（2）平面规则而竖向不规则的建筑，应采用空间结构计算模型，刚度小的楼层的地震剪力应乘以不小于1.15的增大系数，其薄弱层应按本规范有关规定进行弹塑性变形分析，并应符合下列要求：竖向抗侧力构件不连续时，该构件传递给水平转换构件的地震内力应根据烈度高低和水平转换构件的类型、受力情况、几何尺寸等，乘以1.252.0的增大系数；侧向刚度不规则时，相邻层的侧向刚度比应依据其结构类型符合相关章节的规定；楼层承载力突变时，薄弱层抗侧力结构的受剪承载力不应小于相邻上一楼层的65。,结构抗震概念设计

14、,3.1,2、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。就技术经济方面而言，各种结构体系都有它自己的最佳使用高度。 3、不大的房屋高宽比 房屋的高宽比愈大，地震作用下结构的侧移和基底倾覆力矩就愈大。因此，房屋的高宽比应控制在合理的取值范围内。,结构抗震概念设计,3.1,4、防震缝的合理设置,结构抗震概念设计,3.1,图源：汶川震害研讨会 徐有邻的震害调查照片,结构抗震概念设计,3.1,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）。但在有些特殊情况，可按实际需要在适当部位设置防震缝，形成多个较规则的抗侧力

15、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。,四、合理的抗震结构布置,平面布置：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。 芯筒位置要居中和对称 抗震墙沿房屋周边布置 立面布置：结构沿竖向的布置应等强，避免局部的抗震薄弱部位是十分重要的。,结构抗震概念设计,3.1,结构抗震概念设计,3.1,马那瓜有相距不远的两幢高层建筑，一幢为15层高的中央银行大厦，另一幢为18层高的美洲银行大厦。当地地震烈度估计为8度。前者破坏严重，震后拆除；后者轻微损坏，稍加修理便恢

16、复使用。,马那瓜中央银行大厦,柱子严重开裂，柱钢筋压屈；塔楼西立面、其他立面窗下和电梯井处的空心砖填充墙及其它非结构构件均严重破坏或倒塌。,结构抗震概念设计,3.1,1）平面不规则：2个楼梯间和2个电梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙。 2）竖向不规则：塔楼上部（4层楼面以上），北、东、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在过渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根柱子上。上下两部分严重不均匀，不连续。 3）主要破坏：第4层与第5层之间(竖向刚度和承载力突变),周围,对称的结构布置及相对刚强的联肢墙，有效地限制了侧向位移，并防止了明显的扭转效应； 避免了长跨度楼板和砌体填充墙的非结构构件的损坏；

17、当连梁剪切破坏后，结构体系的位移虽有明显增加，但由于抗震墙提供了较大的侧向刚度，位移得到控制。,结构抗震概念设计,3.1,分析表明：,马那瓜美洲银行大厦,平面图,剖面图,五、合理的结构材料,延性系数（表示极限变形与相应屈服变形之比）高； “强度/重力”比值大（轻质高强）； 匀质性好； 正交各向同性； 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。,结构抗震概念设计,3.1,六、提高结构抗震性能的措施,1、设置多道抗震防线,结构抗震概念设计,3.1,多道抗震防线指的是： 一个抗震结构体系，应有若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作。 抗震结构体系应

18、有最大可能数量的内部、外部赘余度。,为什么要设置结构抗震多道防线,结构抗震概念设计,3.1,（1）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。 （2）如果建筑物采用的是多重抗侧力体系，第一道防线的抗侧移构件在强烈地震作用下遭到破坏后，后备的第二道乃至第三道防线的抗侧力构件立即接替，抵挡住后续的地震动的冲击，可保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌。,结构抗震概念设计,3.1,小地震时，连梁不破坏，4个L形小筒形成一个较强整体性的大筒，抗震性能较好 大震时，连梁破坏，4个L形小筒单独工作： （1）每个L形小筒本身具有一定的刚度 （2）周期T1加长了1.5倍 （3）底部剪力减小50% （4）

19、倾覆力矩减少60%,结构抗震概念设计,3.1,台湾集集地震中(7.3级),位于云林县斗六市的中山国宝二期大楼（两栋12层钢筋混凝土框架结构住宅）由于柱子数量少，赘余度不够造成东侧大楼六层以下倒塌，西侧大楼五层以下倒塌。,台湾集集地震中，嘉义县某两层具有单边悬挑走廊 的单跨框架结构教学楼倒塌破坏,图源:台湾集集地震经验教学楼建筑 人民网,结构抗震概念设计,3.1,图源:台湾集集地震经验教学楼建筑 人民网,结构抗震概念设计,3.1,台湾集集地震中,南投县某有外廊柱框架结构教学楼破坏较轻。,第一道防线的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，或选择轴压比值较小的抗震墙、

20、实墙筒体之类的构件作为第一道防线的抗侧力构件。,结构抗震概念设计,3.1,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。联肢抗震墙中，连系梁是第一道防线。 结构构件的多道设防“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。 应有意识地建立一系列分布的屈服区有意识地在一些构件中采取特殊的构造措施，使塑性变形集中在一些潜在的屈服区，使结构具有更有利的塑性重分布的能力。,结构抗震概念设计,3.1,2、提高结构延性 结构总体延性一般指结构的顶点侧移延性系数。 结

21、构楼层延性一般指某个楼层的层间侧移延性系数。 构件延性某一构件（一榀框架或一片墙体）的延性。 杆件延性一个构件中某一杆件（框架中的梁、柱，墙中的连梁、墙肢）的延性。,结构抗震概念设计,3.1,一般而言，在结构抗震设计中，对结构中重要构件的延性要求，高于对结构总体的廷性要求；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。 重点提高重要构件及某些杆件中关键杆件或关键部位的延性。,结构抗震概念设计,3.1,结构抗震概念设计,3.1,提高延性的原则：,（）在结构的竖向，应该重点提高楼房中可能出现塑性变形集中的相对柔弱楼层的构件延性。,提高延性的重点楼层 （a）大底盘建筑；（b）框托墙结

22、构体系,结构抗震概念设计,3.1,（ 2 ）在平面位置上，应该着重提高房屋周边转角处、平面 突变处以及复杂平面各翼相接处的构件延性。对于偏 心结构，应加大房屋周边特别是刚度较弱一端构件的 延性。 （ 3 ）对于具有多道抗震防线的抗侧力体系，应着重提高第 一道防线中构件的延性。 （ 4 ）在同一构件中，应着重提高关键杆件的延性。 （ 5 ）在同一杆件中，重点提高延性的部位应该是预期该构 件地震时首先屈服的部位。,3、采用减震方法 提高结构的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。 采用高延性构件增加结构的延性，不仅能削弱地震反应，而且提高了结构抗御强烈

23、地震的能力。 采用隔震和消能减震技术,结构抗震概念设计,3.1,4、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。 弯曲耗能优于剪切耗能 弯曲耗能优于轴变耗能,结构抗震概念设计,3.1,5、提高构件的延性 控制构件的破坏形态 构件的破坏机理和破坏形态很大程度上决定了其变形能力和耗能能力。发生延性破坏的构件的延性远远高于发生脆性破坏的构件，因此控制构件的破坏形态，可以从根本上控制构件的延性。 加强构件可能破坏部位的约束提高延性,结构抗震概念设计,3.1,七、控制结构变形,地震时建筑物的破坏程度，主要取决

24、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。 层间位移：非结构构件的破坏、梁柱节点钢筋的滑移、抗震墙的开裂、塑性铰的发展以及结构屈服机制。 顶点位移：防震缝宽度、结构总体稳定等。,结构抗震概念设计,3.1,八、确保结构整体性,结构应具有连续性 结构类型的选择 结构施工 构件间的可靠连接承载力要求和延性要求 提高结构的竖向整体刚度，抵抗地震时可能出现的不均匀沉陷,结构抗震概念设计,3.1,九、减轻房屋的自重,震害表明，自重大的建筑比自重小的建筑更容易遭到破坏（地震作用和整体稳定性）。减小房屋自重的途径： 减小楼板厚度 尽量减薄墙体 高强混凝土的应用 轻质材料的应用,结构抗震概念设计,3.1,十、妥善处理非结构部件,非结构部件在抗震设计时若处理不当，在地震中易发生严重破坏或闪落，甚至造成主体结构破坏。 考虑砌体填充墙的影响 玻璃幕墙的构造 外墙板的连接,结构抗震概念设计,3.1,大量非结构构件（填充墙、围护墙）破坏。填充墙或围护墙与框架柱、梁无拉结或拉接不 够、多孔空心砖大量劈裂导致拉接筋失效等原因造成墙体大量开裂，甚至倒塌伤人，严重影响居民 生活，经济损失较大。,非结构构件破坏情况,