多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计[详细]

1、4 多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计,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震害及其分析,4.1.1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

2、倒塌,4.1.1结构方案不当引起的震害,（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,4.1.2结构构件的震害,（1）框架柱的震害 A.长柱的破坏-弯压破坏 破坏一般发生在柱的上下两端， 特别是柱顶,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。,4.1.2结构构件的震害,B、短柱-剪切破坏 短柱： H/b4的柱，H:柱高; b:柱截面高度,短柱刚度大，易产生剪切破坏,4.1.2结构构件的震害,C、角柱,由于双向受弯、受剪,

3、加上扭转作用，震害比内柱重。,4.1.2结构构件的震害,(2)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。,4.1.2结构构件的震害,(3)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。,4.1.2结构构件的震害,(4)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抗震设计的基本要求,4.2.1 房屋的适用最大高度,抗震规范规定：乙

4、、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,4.2抗震设计的基本要求,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）。,4.2抗震设计的基本要求,4.2.2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（

5、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抗震设计的基本要求,4.2.3结构抗震等级的划分,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。,4.2.3结构抗震等级的划分,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

6、分四个等级。,4.2.3结构抗震等级的划分,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。,4.2.3结构抗震等级的划分,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5

7、0%。 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,4.2.4结构布置一般要求,（1）对楼盖的刚度要求 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。,4.2.4结构布置一般要求,(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

8、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,4.2.4结构布置一般要求,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。,4.2.4结构布置一般要求,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

9、.2.4结构布置一般要求,（3）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。,4.2.4结构布置一般要求,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

10、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。,4.2.4结构布置一般要求,（4）、抗震墙的边框梁、柱,抗震墙的端部钢筋配置在柱截面内。,框架梁应保留，当无法设置明梁时应设置暗梁。,暗梁的高度、纵筋、箍筋与明梁相同，配置在墙身内。,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 地震作用的确定原则： 一般在结构的两个主轴方向分别考虑水平地震作用，各方向的水平地震作用全部由该方向抗侧力框架结构承担。 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框

11、架结构水平地震作用计算,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0.60.8,4.3.1框架结构水平地震作用计算,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3.12,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,4.3.1框架结构水平地震作用计算,4.3.1.3水平地震作用下框架内力分析 常

12、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,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0.80.9 装配整体式框架，可取0.70.8 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1.11.2的放大系数,4.3.3内力组合,在框架抗震设计时，一般应

13、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框架结构构件截面抗震验算,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”,4.3.4.1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

14、固问题,4.3.4.1框架梁截面抗震验算,（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,4.3.4.1框架梁截面抗震验算,一、二、三级框架,4.3.4.1框架梁截面抗震验算,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；,4.3.4.1框架梁截面抗震验算,2)梁截面尺寸限制,剪压比：截面

15、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2.5,4.3.4.1框架梁截面抗震验算,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,4.3.4.2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

16、，以保证柱的延性 4）加强约束，配置必要的约束箍筋。,4.3.4.2框架柱截面抗震验算,（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。,4.3.4.2框架柱截面抗震验算,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

17、.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

18、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,4.3.4.2框架柱截面抗震验算,（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1,4.4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

19、跨/截面高4,4.4.1框架梁,(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;,4.4.1框架梁,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

20、、四级不应少于212,d)纵向受拉钢筋的最小配筋率应符合规范要求：,4.4.1框架梁,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,4.4.1框架梁,a)纵筋最小锚固长度 一、二级抗震等级：,三级抗震等级：,四级抗震等级：,b)纵筋的连接 一级抗震等级：应采用机械连接接头 二、三级抗震等级：宜采用机械连接接头，也可用焊接接头 或搭接接头 受力钢筋连接接头位置宜避开梁端、柱端箍筋加密区 位于同一连接区段内的受力钢筋接头面积百分率不应超过50 当采用搭接连接时，受力筋搭接长度：,4.4.1框架梁,（4）梁内箍筋 1)在梁端塑性铰区范围内必须设置密封式箍筋 增加对混凝土的约束；提高梁端塑性铰的变形能力 试验表明：梁端塑性铰分布范围约为梁高的1.01.5倍 2)箍筋间距应加以限制 防止纵筋过早压屈 试验表明：箍筋间距小于6d8d时，混凝土压溃之前受压钢筋一般不致屈服 3)箍筋未端应做成135度弯钩，弯钩端头平直段长度不应小于箍筋直径的10倍，以保证箍筋在混凝土中的锚固,4.4.1框架柱,（1）柱的截面尺寸 1）柱截面宽度和