第4章 多层及高层混凝土结构抗震设计 (1).ppt

*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,青岛理工大学土木工程学院,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,4,章 多层和高层钢筋混凝土结构建筑抗震设计,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,多层及高层钢筋混凝土建筑的震害特点及原因,多层及高层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,4.1,震害特征及原因,钢筋混凝土结构,（,reinforced concrete structure,）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,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,(mm),层,1,3,5,6,7,9,11,13,40,80,120,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,),彰化县员林镇邦,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,),。,(b),强柱弱梁型,(a),强梁弱柱型,框架的整体破坏形式,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/b15,5m,4m,3m,2m,宜加宽,20mm,。,框架,-,抗震墙结构,70%,框架结构,不能小于,100mm,抗震墙结构,50%,框架结构,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。,层高不同,高度、刚度相差较大,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,4.2.4,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,。,（,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,。,（,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,HPB300,级热轧钢筋,。,回顾上节主要内容,1.,震害特征,1),结构布置不合理产生的震害,2),防震缝处碰撞,3),框架整体的震害,4),框架梁的震害,5),框架柱的震害,6),框架梁柱节点的震害,7),填充墙的震害,8),抗震墙的震害,2.,抗震概念设计,框架,抗震墙,框架,-,抗震墙,）特点,）最大适用高宽比,结构体系的选择*,（一）,（二）抗震等级的划分*,（三）结构布置*,（四）结构材料的选择*,2,）最大适用高度,重要性类别、设防烈度、结构类型及房屋高度,结构平面布置,结构竖向布置,防震缝的设置,4.3,框架结构的抗震设计,4.3.1,框架结构抗震概念设计,主要内容,1.,柱网布置,2.,选择框架结构的结构类型及承重方案,3.,确定框架结构抗震设防的类别及设防烈度,4.,确定框架结构的抗震等级,5.,防震缝及材料选择,1.,柱网布置,（,c,）对称不等跨式,（,b,）等跨式,（,a,）内廊式,框架结构的柱网布置既要满足生产工艺和建筑平面的要求，又要使结构受力合理，施工方便。,（,a,）横向框架承重方案,（,b,）,纵向框架承重方案,（,c,）纵,横向框架承重方案,（,d,）,纵横向框架承重方案,2.,选择框架结构的结构类型及承重方案,现浇,楼板,预制楼板,3.,确定框架结构抗震设防的类别及设防烈度,我国建筑抗震设计规范根据建筑物重要性及受地震破坏后果的严重性，将建筑物的抗震设防分为,四类,：,甲类建筑、乙类建筑、丙类建筑、丁类建筑,丙类建筑,抗震等级宜按表,5,划分；其他设防类别的建筑，则应按前述抗震设防分类和设防标准的规定调整后再按表,-5,划分抗震等级。,抗震设防的烈度,：是一个地区进行抗震设防的依据。,4.,确定框架结构的抗震等级,多层及,A,级高度的框架结构抗震等级,5.,防震缝及材料选择,4.3.2,框架结构抗震计算及验算,计算手段,电算,:,采用振型分解反应谱法或时程分析法,计算地震作用时,常采用电算方法,（如,PKPM,、,ETABS,等）,。,对计算结果应作出正确的判断，方可应用于工程设计,；,手算,:,采用,底部剪力法,计算地震作用时，通常采用,手算方法,。,（,2,）,实际结构是,空间体系,，但对于规则的框架结构一般可以简化为,平面结构,进行抗震计算，即一榀框架只抵抗自身平面内的侧向地震作用，各平面结构通过楼盖（屋盖）连接而协同工作，各层楼盖平面内刚度无限大，平面外刚度很小，可忽略。,（,1,）,虽然地震作用的方向是任意的，但在抗震设计时，必须对结构的纵、横两个方向进行抗震计算。,计算假定,(a),(b),(c),(d),框架结构计算简图,1,水平地震作用计算及变形验算,（,1,）结构计算简图选择及重力荷载代表值计算,（,3,）楼层地震剪力的计算,最小楼层地震剪力,楼层地震剪力,（,4,）弹性变形验算,（,2,）水平地震作用计算,(,方法选择,),G,4,G,5,G,2,G,1,G,3,水平荷载作用下框架的变形,2,水平地震作用下的框架内力计算,反弯点法,(,假定梁刚度无限大,),D,值法,考虑柱上下两端节点转动影响后的柱侧移刚度的修正；,考虑了柱反弯点位置变化的修正。,反弯点法的计算步骤如下：,多层多跨框架在水平荷载作用下，当梁柱线刚度之比值大于,3,（,i,b,/i,c,3,）,时，可采用反弯点法计算杆件内力；,求框架各层各柱的抗侧刚度：；,求框架各层各柱的剪力 ；,求柱上下端弯矩；,求梁端弯矩；,绘制弯矩图；,2.,确定反弯点位置,3.,根据,D,值,对楼层剪力进行分配,到各柱上,4.,计算柱端弯矩,5.,根据节点弯矩平衡及梁线刚度比,计算梁端弯矩,6.,根据各杆件局部隔离体平衡,计算各杆件的剪力及轴力,D,值法步骤,:,1.,计算,D,值,节点转动影响系数,节点转动影响系数,a,3,竖向荷载作用下的框架内力计算,竖向荷载作用下的框架内力计算可以采用,分层法,和,弯矩二次分配法,进行近似计算，一般选取起控制作用的一榀或几榀框架为计算对象，可用,手算或电算,。,分层法,计算步骤为：首先将,m,层框架拆成,m,个计算单元，每个计算单元内仅由一层梁和与之相邻的上下柱组成，且只承受该层梁的竖向荷载，上下柱的远端均近似看成固定端；然后采用弯矩分配法计算各单元的弯矩图。最后将各单元弯矩图叠加成框架弯矩图，对不平衡的节点弯矩图可再进行一次分配，但不再传递。,弯矩二次分配法：,就是将求得的各节点固端不平衡弯矩同时进行分配，并向远端传递，再在各节点分配一次而结束,在竖向非地震荷载作用下，梁端截面往往有较大负弯矩，负钢筋配置过于拥挤。考虑框架梁的塑性内力重分布，设计时允许进行弯矩调幅，降低负弯矩，以减少配筋面积。,对于现浇框架，支座弯矩调幅系数为,0.8,0.9,对于装配整体式框架，由于钢筋焊接或接缝不密实等原因，节点可能产生变形。据实测结果可知，节点变形会使梁端弯矩较弹性计算值减小约,10%,，再考虑梁端允许出现塑性铰，因此支座弯矩调幅系数可采用,0.7,0.8,。,无论对水平地震作用还是竖向地震作用引起的内力均不应进行调幅。,4,荷载及内力组合,框架结构设计时，先要进行所考虑的几种荷载单独作用下的框架内力分析，然后，按照需要进行荷载和内力组合。从而得出构件控制截面上的最不利内力，以此作为截面设计的依据。一般考虑的,几种荷载：永久荷载（恒荷载）、可变荷载（楼面和屋面活荷载、屋面雪荷载、风荷载）、地震作用,等。,常用的,两种基本荷载作用效应组合,：,（,1,）,有地震作用组合,。其内力组合设计值为,（,2,）,无地震作用组合,。,其内力组合设计值为,式中,S,Gk,由永久荷载标准值计算的内力；,S,GE,由可变荷载标准值计算的内力；,G,永久荷载分项系数，当永久荷载对构件不利时，对由可变荷载控制的组合，取,1.2,，对由永久荷载控制的组合，取,1.35,；当永久荷载对构件有利时，不应大于,1.0,。,Q,可变荷载分项系数，一般取,1.4,。,式中,S,GE,由重力荷载代表值计算的内力；,S,GE,由水平地震作用标准值计算的内力；,GE,重力荷载分项系数，一般取,1.2,，当重力荷载效应对构件有利时，不应大于,1.0,。,5,构件截面设计,框架结构在水平地震作用下的,整体破坏机制,可分为两种类型：强柱弱梁型和强梁弱柱型。,强梁弱柱,强柱弱梁,塑性铰,M,c,M,c,M,b,M,b,1,）根据“,强柱弱梁”,原则的调整。,一、二、三、四级框架的梁柱节点处，除框支层最上层的柱上端、框架顶层和柱轴压比小于,0.15,者外，柱端弯矩设计值应符合下式要求,框架柱端弯矩增大系数；对框架结构，一、二、三、四级分别取,1.7,、,1.5,、,1.3,、,1.2,；其他结构类型中的框架，一级取,1.4,，二级取,1.2,，三、四级取,1.1,。当反弯点不在柱的层高范围内时，柱端截面组合的弯矩设计值可乘以上述柱端弯矩增大系数；,9,度一级，一级框架,（节点处）,其中，,M,c,为节点上、下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之和，,上、下柱端的弯矩设计值，一般情况可按弹性分析分配；,M,b,为节点左右梁端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和，节点左右梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩应取零；,M,bua,为节点左、右梁端截面反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震受弯承载力所对应的弯矩值之和；,一、二、三、四级框架结构的底层，柱下端截面组合的弯矩设计值，应分别乘以增大系数,1.7,、,1.5,、,1.3,和,1.2,。底层柱纵向钢筋应按上下端的不利情况配置。这里底层指无地下室的基础或地下室以上的首层。,抗震设计时，框架角柱应按双向偏心受力构件进行正截面承载力设计。一、二、三级框架结构的角柱，调整后的弯矩应乘以,不小于,1.1,的增大系数,，并应满足规范的其他相应要求。,c,强柱弱梁型结构柱失效度随,c,变化,柱失效度,2,）根据“,强剪弱弯,”原则的调整。,一二三级框架,9,度一级，一级框架,框 架 梁,q,1,P,2,M,b,l,M,b,r,q,2,q,2,框 架 柱,一二三级框柱,9,度一级，一级框柱还要满足,3,）,强节点弱构件,（,2,）框架梁柱截面抗震承载力验算。,1),框架梁、柱,正截面,抗震承载力验算,2),框架梁、柱,斜截面,抗震受剪承载力验算,3,）,截面尺寸,验算,均布荷栽,集中荷栽,柱轴力为拉力,柱轴力为压力,梁,柱,（,3,）框架梁柱节点核心区截面的抗震计算。（略）,（一、二级、,9,度）,节点核心区,剪压比限制,水平抗剪,强度,4,3,4,框架结构薄弱层弹塑性变形验算,“,设防三水准,”要求进行第二阶段设计的框架结构或其他结构房屋，除满足,多遇地震作用下的承载力和弹性变形,要求之外，,还必须进行罕遇地震作用下的薄弱层弹塑性变形验算,，以满足“,大震不倒,”的要求。（略）,4,3,5,框架结构的抗震构造措施,1,框架梁的构造措施,（,1,）梁的截面尺寸。,（,2,）梁的纵向钢筋。,（,3,）梁的箍筋。,2,框架柱的构造措施,（,1,）柱的截面尺寸。,（,2,）柱轴压比限制。,（,3,）柱的纵向钢筋。,（,4,）柱的纵向箍筋。,表,4-11,柱轴压比限值,结,构,类,型,抗震等级,一,二,三,四,框架结构,0.65,0.75,0.85,0.9,框架,-,抗震墙，板柱,-,抗震墙、框架,-,核心筒及筒中筒,0.75,0.85,0.90,0.95,部分框支抗震墙,0.6,0.7,3,框架梁柱节点的构造措施,箍筋最大间距与最小直径，宜与柱箍筋加密区的要求相同,框架梁柱纵筋在框架顶层的边柱、中柱节点以级中间层的边柱、中柱节点，其纵筋的,锚固长度,应满足相应的要求。,4,砌体填充墙的构造措施,（,1,）填充墙的,砌筑砂浆强度等级,不应低于,M5,，墙顶应于框架梁紧密结合。,（,2,）填充墙应沿柱全高每隔,500,设,26,附加拉结筋,，其伸入,墙内的长度,，,6,度、,7,度时不应小于墙长的,1/5,，且不小于,700,，,8,度、,9,度时宜沿墙全长设置。当墙长大于,5,时，墙顶与框架梁宜有拉结措施，墙高大于,4,时，宜在墙体半高处设置与柱拉结且沿墙全长贯通的钢筋混凝土水平墙梁。,（,3,）,出屋面的女儿墙、屋顶间墙应与主体结构有可靠的拉结,。,此外，钢筋在框架梁、柱及节点的锚固长度与搭接长度应满足抗震构造要求。,4,3,6,多层钢筋混凝土框架结构设计实例,某,5,层（局部,6,层）现浇钢筋混凝土框架结构办公房屋，结构平面及剖面分别见图,4-10,和图,4-11,，屋顶有局部突出的部分。现浇钢筋混凝土楼,(,屋,),盖。框架梁截面尺寸：走道梁,(,各层,),为,250mm400mm,；其他梁：顶层为,250mm600mm,；其他楼层为,250mm650mm,。柱截面尺寸：,13,层柱为,500mm500mm,；,45,层柱为,450mm450mm,。混凝土强度等级：梁、板、柱混凝土强度等级皆,C25,。钢筋强度等级：受力纵筋采用,HRB400,，箍筋,HPB235,。各层重力荷载代表值见图,4-20,。已知：抗震设防烈度为,8,度，设计基本地震加速度为,0.20g,，设计地震分组为第二组，建造在,类场地上，结构阻尼比为,0.05,。试对该框架结构进行横向水平地震作用下的抗震设计计算。,本章小结,1.,震害特征,2.,框架结构的概念设计内容,3.,框架结构的设计计算方法,4.,框架结构的抗震构造措施,