建筑结构抗震设计第4章建筑抗震概念设计.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,*,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,*,第四章,建筑抗震概念设计,第,4,章,建筑抗震概念设计,一般说来，建筑抗震设计包括三个层次内容与要求：,概念设计、抗震计算、构造措施,。概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则；抗震计算为建筑抗震设计提供定量手段；构造措施可以在保证结构整体性，加强局部环节等意义上保证抗震计算结果的有效性。,概念设计是,根据地震灾害和工程经验等所形成的总体设计原则和设计思想，,即根据对结构抗震性能（承载能力、变形能力、耗能能力等）的正确把握，合理地确定结构总体与局部设计。强调抗震概念设计是由于地震作用的不确定性（随机性、复杂性、间接性和耦连性）和结构计算假定与实际情况的差异，这使得其计算结果不能全面真实地反映结构的实际受力、变形情况，并确保结构安全可靠。,结构抗震设计存在的,不确定因素,主要有,：,（,1,）,地面运动,的不确定性。地震时的地面运动是多,维的，地震动的各个分量对建筑物都起破坏作用。历次,地震中强震仪已经多次记录到地面运动的三个正交平动,分量，即一个竖向分量和两个水平分量，此外还有地面,运动的转动分量。,（,2,）,结构分析的影响,。影响结构动力特性和动力反应的因素：质量分布的不确定性；基础与上部结构的协同作用；节点的非刚性转动；偏心、扭转及,P,效应；柱轴向变形。考虑或不考虑节点非刚性转动的影响程度可达,5%10%,；考虑柱轴向变形，自振周期可能加长,15%,，加速度反应可能降低,8%,；考虑,P,效应可能增加位移,10%,。,（,3,）,材料的影响,。混凝土的弹性模量随着时间及应变程度而改变。随着时间的增长，混凝土的弹性模量比施工完成后可能降低,50%,，在应变增大的情况下还可能继续降低，这意味着自振周期可能增长,25%,，减小加速度反应,10%,。,因此目前抗震设计水平远未达到科学的严密程度。要使,建筑物具有尽可能好的抗震性能，首先应从大的方面入,手，做好抗震概念设计。如果整体设计没有做好，计算,工作再细致，也难免在地震时建筑物不发生严重的破坏，乃至倒塌。近几十年以来，世界上一些大城市先后发生了若干次大地震，通过震害分析对建筑物的破坏规律有了更多的认识，从而取得了抗震设计经验，确定了结构抗震概念设计的要点。,建筑抗震概念设计可以概括为：选择建筑场地，把握建筑形体和结构的规则性，选择合理的抗震结构体系，充分利用结构延性，重视非结构因素等，其目的是为了在总体上消除建筑中的薄弱环节，正确和全面地把握结构的整体性能，使所设计出的建筑具有良好的抗震性能。,地段类别,地质、地形、地貌,有利地段,稳定基岩，坚硬土，开阔、平坦、密实、均匀的中硬土等,一般地段,不属于有利、不利和危险的地段,不利地段,软弱土，液化土，条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，陡坡，陡坎，河岸和边坡的边缘，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层（含故河道、疏松的断层破碎带、暗埋的塘浜沟谷和半填半挖地基），高含水量的可塑黄土，地表存在结构性裂缝等,危险地段,地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发震断裂带上可能发生地表位错的部位,表,1,有利、一般、不利和危险地段的划分,在海城地震时，从位于大石桥盘龙山高差,58m,的两个测点,上所测得的强余震加速度峰值记录表明，位于孤突地形上,的比坡脚平地上的平均达,1.84,倍，这说明在孤立山顶地震波将被放大。图,1,表示了这种地理位置的放大作用。,图,1,不同地形的震害,天津塘沽港地区，地表下,35m,为冲填土，其下为深厚的,淤泥和淤泥质土，地下水位为,1.6m,。,1974,年兴建的,16,幢,3,层住宅和,7,幢,4,层住宅，均采用片筏基础。,1976,年唐山地,震前，累计沉降分别为,200mm,和,300mm,，地震期间沉降量突然增大，分别增加了,150mm,和,200mm,。震后，房屋向一边倾斜，房屋四周的外地坪地面隆起，如图,2,所示。,图,2,房屋沉降,建筑平面,建筑平面布置宜简单、规则，尽量减少突出、凹进等复杂,平面，尽可能使刚度中心与质量中心靠近，减少扭转。结构的简单性可以保证地震力具有明确而直接的传递途径，使计算分析模型更易接近实际的受力状态，所分析的结果具有更好的可靠性，据此设计的结构的抗震性能更有安全可靠保证。地震区的建筑平面以方形、矩形、圆形为好；正六边形、正八边形、椭圆形、扇形次之（图,3,）。三角形虽也属简单形状，但是，由于它沿主轴方向不对称，在地震作用下容易发生较强的扭转振动，对抗震不利。此外，带有较长翼缘的,L,形、,T,形、十字形、,Y,形、,U,形和,H,形等平面也对抗震结构性能不利，主要是此类具有较长翼缘平面的结构在地震动作用下容易发生图,4,所示的较大的差异侧移而导致震害加重。,图,3,较合理的平面形状,图,4,不合理的平面形状,结构力求对称，以避免扭转。对称结构在单向水平,地震动下，仅发生平移振动，各层构件的侧移量相等，,水平地震力则按刚度分配，受力比较均匀。非对称结构,由于质量中心与刚度中心不重合，即使在单向水平地震动下也会激起扭转振动，产生平移,扭转耦连振动。由于扭转振动的影响，远离刚度中心的构件侧移量明显增大，从而所产生的水平地震剪力则随之增大，较易引起破坏，甚至严重破坏。,在结构布置中，应特别注意具有很大侧向刚度的钢筋混凝土墙体和钢筋混凝土芯筒的位置，力求在平面上对称，不宜偏置在建筑的一边，如图,6,所示。,图,6,结构刚度在平面上的分布不均匀,图,7,马那瓜中央银行结构平面,（,a,）低层平面；（,b,）剖面,表,2,平面不规则类型,不规则类型,定义和参考指标,扭转不规则,在规定的水平力作用下，楼层的最大弹性水平位移（或层间位移），大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的,1.2,倍,凹凸不规则,平面凹进的尺寸，大于相应投影方向总尺寸的,30%,楼板局部不连续,楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的,50%,，或开洞面积大于该层楼面面积的,30%,，或较大的楼层错层,图,9,建筑结构平面的凹凸不规则,图,10,建筑结构平面的楼板局部不连续,图,11,平面长宽比过大的建筑,平面长宽比不宜过大，一般宜小于,6,。否则，不同部位地,基震动的差异带来建筑内水平振动和竖向振动各自的差,异不同步，并伴随扭转振动的发生，导致结构受损，如图,11,所示。,建筑立面,立面变化要均匀，即建筑的质量和刚度变化要均匀。结构布置不均匀产生刚度和强度沿竖向突变，引起竖向抗侧力构件的应力集中或变形集中，将降低结构抵抗地震的能力，地震时易发生损坏，甚至倒塌。例如，由于建筑的竖向收进，地震时收进处上下部分振动特性不同，易于在收进处的楼板产生应力突变，使竖向收进的凹角处产生应力集中。,图,12,大底盘建筑,图,13,楼层的收进,图,14,大悬挑建筑,图,15,良好的建筑立面,表,3,竖向不规则类型,不规则类型,定义和参考指标,侧向刚度不规则,该层的侧向刚度小于相邻上一层的,70%,，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的,80%,；除顶层或出屋面小建筑外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的,25%,竖向抗侧力构件不连续,竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架等）向下传递,楼层承载力突变,抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的,80%,侧向刚度不规则是指侧向刚度沿竖向产生突变，形成薄弱,层，在地震作用下，塑性变形集中发生在薄弱层，加速结,构破坏、倒塌。这里，侧向刚度计算取楼层剪力除以层间,位移。,图,17,薄弱层破坏,图,18,侧向刚度不规则,竖向抗侧力构件不连续是指结构轴柱或抗震墙不落地，如,图所示，竖向构件承担的地震作用不能直接向下传给基,础，而是由水平转换构件向下传递，水平转换构件一旦,破坏，则后果严重。,楼层的受剪承载力沿高度突变，形成薄弱层，薄弱层在地震作用下率先屈服，刚度降低，产生明显的弹塑性变形集中，而其它楼层不屈服，耗能作用不能充分发挥，不利于结构抗震。,图,20,楼层承载力突变,图,19,竖向构件不连续,图,22,合理设置防震缝,工程实际情况千变万化，出现不规则的建筑设计方案,是不可避免的。建筑结构按不规则的程度，分为不规则、,特别不规则和严重不规则等三种程度。不规则，指超过,表,2,和表,3,一项的不规则指标；特别不规则，指多项超过表,2,、表,3,的不规则指标或某项超过不规则指标较多，具有明显的抗震薄弱部位，将会引起不良后果；严重不规则，指体形复杂，多项不规则指标超过表,2,、表,3,的上限值或某一项大大超过规定值，具有严重的抗震薄弱环节，将会导致地震破坏的严重后果。,在地震区，建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不规则的建筑方案应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑方案应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施；不应采用严重不规则的建筑方案。,2.,设置多道防线,多道抗震防线可以从图,24,的解释中得到基本认识。图,24a,中，强梁弱柱型的框架结构底层柱的上下端出现塑性铰，或单肢剪力墙结构底部出现屈服变形，将迅速导致结构的倒塌。而图,24b,中，强柱弱梁型的框架结构或双肢剪力墙加连系梁结构，则需要全部梁端出现塑性铰并迫使结构底部也出现屈服变形时，结构才破坏。后者至少存在两道抗震防线，一是从弹性到部分梁（或连系梁）出现塑性铰，二是从梁塑性铰发生较大转动到柱根（或剪力墙底部）破坏。,图,24,结构屈服机制,（,a,）局部机制,（,b,）整体机制,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。特别是当建筑物的自振周期与地震动卓越周期相,近时，建筑物由此而发生的共振，更加速其倒塌进程。如果建筑物采用的是多重抗侧力体系，第一道防线的抗侧力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。在遇到建筑物基本周期与地震动卓越周期相同或接近的情况时，多道防线就更显示出其优越性。当第一道抗侧力防线因共振而破坏，第二道防线接替工作，建筑物自振周期将出现较大幅度的变动，与地震动卓越周期错开，使建筑物的共振现象得以缓解，避免再度严重破坏。,工程实例：尼加拉瓜的马拉瓜市美洲银行大厦,尼加拉瓜的马拉瓜市美洲银行大厦，地面以上,18,层，,高,61,米，就是一个应用多道抗震防线概念的成功实例,（图,25,所示）。因为这幢大楼位于地震区，设计指导思想是：在风荷载和规范规定的等效静力地震荷载的作用下，结构具有较大的抗推刚度，以满足变形方面的要,求；但在大震作用下，建筑物受到的地震力很大时，通过某些构件的屈服，过渡到另一个具有较高变形能力的结构体系，继续有效地工作。根据这一指导思想，该大楼采用,11.6m11.6m,的钢筋混凝土芯筒作为主要的抗震和抗风构件。但是，该芯筒又由四个小芯筒组成，,每个,L,形小筒的外边尺寸为,4.6 m,4.6m,。在每层楼板处，采用较大截面的钢筋混凝土连系梁，将四个小筒连成一个具有较强整体性的大筒。,该大厦在进行抗震设计时，既考虑四个小筒作为大筒的组成部分发挥整体作用时的受力情况，又考虑连系梁损坏后四个小筒各自作为独立构件的受力状态，且小筒间的连系梁完全破坏时整体结构仍具有良好的抗震性能。,1972,年,12,月马拉瓜发生地震时，该大厦经受了考验。,图,25,马拉瓜市美洲银行大厦,在大震作用下，小筒之间的连梁破坏后，动力特性,和地震反应显著改变：基本周期,T,1,加长,1.5,倍，结构底部,水平地震剪力减小一半，地震倾覆力矩减少,3/5,，但是结,构顶点侧移加大一倍，分析结果列于表,7,。,结 构 动 力 反 应,结 构 工 作 状 态,4,个小筒整体工作时,4,个小筒单独工作时,基本周期（,s,）,1.3,3.3,结构底部地震剪力（,KN,）,27000,13000,结构底部地震倾覆力矩（,KNm,）,370000,30000,结构顶点位移（,mm,）,120,240,表,4,美洲银行大楼对马那瓜地震的反应,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，或选择轴压比值较小的抗震墙、实墙筒体之类的构件作为第一道防线的抗侧力构件。不宜选择轴压比很大的框架柱作为第一道防线。在纯框架结构中，宜采用,“,强柱弱梁,”,的延性框架。,我国采用的最为广泛的是框架,剪力墙双重结构体系，主要抗侧力构件是剪力墙，它是第一道防线。在弹性地震反应阶段，大部分侧向地震力由剪力墙承担，但是一旦剪力墙开裂或屈服，剪力墙刚度相应降低。此时框架承担地震力的份额将增加，框架部分起到第二道防线的作用，并且在地震动过程中框架起着支撑竖向荷载的重要作用，它承受主要的竖向荷载。,框架,填充墙结构体系实际上也是等效双重体系。如果设计得当，填充墙可以增加结构体系的承载力和刚度。在地震作用下，填充墙产生裂缝，可以大量吸收和消耗地震能量，填充墙实际上起到了耗能元件的作用。填充墙在地震后是较易修复的，但须采取有效措施防止平面外倒塌和框架柱剪切破坏。,单层厂房纵向体系中，可以认为也存在等效双重体系。柱间支撑是第一道防线，柱是第二道防线。通过柱间支撑的屈服来吸收和消耗地震能量，从而保证整个结构的安全,。,利用赘余构件增加抗震防线,在未用梁连接之前，主体结构已是静定或超静定结构，这些连梁在整个结构中是附加的赘余杆件，其先期破坏并不影响整个结构的稳定。通过合理设计，使结构遭遇地震时，连梁先于主体结构进人屈服状态，用连梁的弹塑性变形来消耗部分地震能量，以达到保护主体结构的目的。从效果上来看，它相当于增多了一道防线，将原来处于第一道防线的主体结构中的构件，推至第二道防线。,图,26,设置,赘余构件增加抗震防线,3.,结构构件及其连接,结构构件应符合下列要求,砌体结构应按规定设置钢筋混凝土圈梁和构造柱、芯柱，或采用约束砌体、配筋砌体等。,混凝土结构构件应控制截面尺寸和纵向受力钢筋、箍筋的设置，防止剪切破坏先于弯曲破坏、混凝土的压溃先于钢筋的屈服、钢筋的锚固粘结破坏先于钢筋破坏。,预应力混凝土的构件，应配有足够的非预应力钢筋。,钢结构构件的尺寸应合理控制，避免局部失稳或整个构件失稳。,多、高层的混凝土楼、屋盖宜优先采用现浇混凝土板。当采用预制装配式混凝土楼、屋盖时，应从楼盖体系和构造上采取措施确保各预制板之间连接的整体性。,构件之间的连接应符合下列要求：,构件节点的破坏，不应先于其连接的构件。,预埋件的锚固破坏，不应先于连接件。,装配式结构构件的连接，应能保证结构的整体性。,预应力混凝土构件的预应力钢筋，宜在节点核心区外锚固。,4.4,利用结构延性,仅利用结构的弹性性能抗御,强烈地震是不明智的。正确的做,法是同时利用结构弹塑形阶段的性能，通过结构一定限度内的塑性变形来消耗地震时输入结构的能量。脆性结构尽管抗力很大，但吸收地震能量的能力并不强，而延性结构却可以吸收更多的地震输入的能量而有利于抗御结构倒塌的发生，实现,“,大震不倒,”,的设防目标。在设计中，可以通过各种各样的构造措施和耗能手段来增强结构与构件的延性。,结构体系的抗震能力是由强度、刚度和变形能力共同决定的，即抗震结构体系应具备必要的强度和良好的延性或变形能力。,图,27,延性结构与脆性结构,结构延性可定义为：结构承载能力无明显降低的前提,下，结构发生非弹性变形的能力。这里“无明显降低”的衡,量标准一般指不低于其极限承载力的（,8085,）,%,。结构延,性的大小一般用延性系数,表示，其表达式为,分别为最大允许变形和屈服变形。变形可以是线位移或角位移,图,28,结构延性,就结构抗震设计而言，,“,结构延性,”,这个术语实际上,有以下四层含义：,结构总体延性，一般用结构的,“,顶点侧移比,”,或结构的,“,平均层间侧移比,”,表示。,结构楼层延性，以某一个楼层的层间侧移比表示。,构件延性，是指整个结构中某一构件,(,一榀框架或一片墙体,),的延性。,杆件延性，是指一个构件中某一杆件,(,框架中的梁或柱，墙片中的连梁或墙肢,),的延性。,提高结构延性，对于增强结构的抗倒塌能力具有重要,意义，并可使抗震设计做到经济合理。弹性结构的地震作,用随结构变形的增长而加大，直至结构破坏，其着眼点是,强度（承载力），用加大抗力来提高结构的抗震能力，这,既不经济又不能有效防止结构倒塌。延性结构的地震作用一旦达到结构屈服抗力就不再增长，仅结构变形继续发展，其着眼点是变形能力。塑性变形可吸收大量地震能量，并使结构周期延长，降低地震作用，同时结构还保持着相当的承载能力以承受竖向重力荷载，保证结构不倒塌，如图,29,所示。,图,29,弹性,结构与延性结构,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。因,此，要求提高重要构件及某些构件中关键杆件或关键部位的延性，其原则是：,在结构平面上，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构件的延性。对于扭转偏心结构，应加大房屋周边特别是刚度较弱一端构件的延性。,图,30,平面重点提高,延性部位,沿结构竖向，应该重点提高建筑中可能出现塑性变形集,中的薄弱层构件的延性。,图,31,竖向重点提高,延性部位,对于具有多道抗震防线的结构体系，应着重提高第一道,防线中构件的延性。例如在框架,-,抗震墙体系中，重点提高,抗震墙的延性；在筒中筒体系中，重点提高实墙内筒的延性。,在同一构件中，应着重提高关键杆件的延性。例如，对于框架应优先提高柱的延性；对于多肢墙，应特别注意提高连梁延性。,在同一杆件中，重点提高延性的部位是该构件地震时预期首先屈服的部位，例如梁的两端、柱的上下端、抗震墙墙肢的根部。,4.5,重视非结构构件的,抗震,非结构构件的存在，会影响主体结构的动力特性,（如阻 尼，周期等）。同时，一些非结构构件（如玻璃幕墙，吊顶，室内设备等）在地震中往往会先期破坏。因此，在结构抗震概念设计中，应特别注意非结构构件与主体结构之间要有可靠的连接或锚固。同时，对可能对主体结构震动造成影响的非结构构件，如围护墙、隔墙等，应注意分析或估计其对主体结构可能带来的影响，并采取相应的抗震措施。,非结构构件包括建筑非结构构件和支承于建筑结构的附属,机电设备。,建筑非结构构件一般指建筑中除承重骨架体系以外的固定,构件和部件：,非承重墙体（如围护墙、内隔墙、框架填充墙等）,附着于楼面和屋面结构的构件（如女儿墙、高低跨封墙、雨篷）,装饰构件和部件（如贴面、顶棚、悬吊重物等）,固定于楼面的大型储物架。,建筑附属机电设备指为现代建筑使用功能服务的附属机械、电气构件、部件和系统：,电梯、照明和应急电源、通信设备，,管道系统,采暖和空调系统,烟火监测和消防系统,公用天线,非结构构件在地震中的破坏允许大于结构构件，其抗,震设防目标要低于,抗震规范,规定的建筑主体结构,“,三,个水准,”,抗震设防标准。但非结构构件的地震破坏会影响,安全和使用功能，需引起重视，应进行抗震设计。,非结构构件的抗震设计涉及的专业领域较多，应由相关专业人员分别负责进行。,框架填充墙、内隔墙、建筑外围墙板等这些非结构构件在抗震设计时往往未给予充分注意，处理不当时，容易造成地震时倒塌伤人，造成未曾估计到的震害，甚至主体结构倒塌。,围护墙、内隔和框架墙等非承重墙体的存在会对结构的抗,震性能产生很大的影响。,使结构抗侧刚度增大，自振周期减小，从而增加整个建筑上的水平地震作用（增加的幅度可达,30%,50%,）。,(2),改变结构的地震剪力分布状况。由于砌体填充墙参与抗震，分担了很大一部分水平地震剪力，反使框架所承担的楼层地震剪力减小。,(3),由于砌体填充墙具有较大的抗侧刚度，限制了框架的变形，从而减小了整个结构的侧移。,北京某,20,层住宅建筑，采用钢筋混凝土框架结构体系，并,用砌块作隔墙和围护墙，由于建筑功能上的需要，第,6,层,未设置砌块填充墙。对此建筑采用两种方法进行结构地震,内力分析：不考虑填充墙的抗震作用和考虑填充墙的抗震作用，计算出的框架楼层剪力,V,如图,32,所示。,图,32,砌块填充墙对框架楼层剪力的影响,(4),当填充墙处理不当使框架柱形成短柱时，将会造成短,柱的剪切破坏。,1976,年唐山地震，天津人民印刷厂装订,车间的现浇钢筋混凝土框架结构，位于西北角的框架柱的上端，由于被嵌砌于框架之间的空心砖填充墙约束，形成短柱，造成短柱的剪切破坏。,图,33,填充墙处理不当使框架柱成为短柱,对于附着于楼、屋面结构上的非结构构件,(,如女儿墙、檐,口、雨篷等,),，以及楼梯间的非承重墙体，因其往往在人,流出入口、通道及重要设备附近，其破坏往往伤人或砸坏,设备，故要求与主体结构有可靠的连接或锚固。,现代高层建筑中常设置大面积玻璃幕墙，在一般情况下，尽管幕墙的设计已经考虑了风荷载引起的结构侧移以及温度变形等因素的影响，在玻璃与钢框格之间留有,定的间隙。然而，这样的间隙对于预防地震来说是偏小的。因此玻璃与钢框格间的间隙，应考虑地震作用下结构可能产生的最大侧移、温度变形、风荷载产生的侧移等影响。,安装在建筑上的附属机械、电气设备系统的支座和连接，应符合地震时使用功能的要求，且不应导致相关部件的损坏。,第四章结束！,