结构抗震概念设计讲座.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,*,*,*,结构抗震,概念,设计,10/22/2026,1,第4章,建筑抗震概念设计,4.1 场地选择,及地基与基础的设计,4.2 建筑,形体选择及平立面布置,4.3 结构选型与结构布置,4.,4,确保结构的整体性,4.,5,多道抗震防线,4.6 减轻房屋自重和妥善处理非结构部件,10/22/2026,2,基本概念,1、,计算设计（Numerical design）,：按荷载计算、内力分析及组合、强度计算、构造措施等称为计算设计。,“计算设计”不能完全依赖！,地震方面地震是一种随机振动，具有复杂 性、不确定性，因此很难准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数。地震在时间和空间上都具有很大的随机性。,结构分析未能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，也存在不准确性。,10/22/2026,3,基本概念续,2、,概念设计（Conceptual design）,：立足于工程抗震基本理论及长期工程抗震经验总结的工程抗震基本概念的抗震设计。,在着手进行结构抗震设计时，着眼于结构的总体地震反应，灵活运用抗震设计准则，既注意总体布置上的大原则，又考虑关键部分的细节，从而全面、合理地解决结构抗震设计中的基本问题。,有助于掌握明确的设计思想，灵活、恰当地运用抗震设计原则，是设计人员不知陷入盲目的计算工作，从而做到比较合理的抗震设计。,抗震概念设计是目前工程设计高度自动化的背景下唯一具有能动性和创造性的设计过程。,10/22/2026,4,4.1 场地选择,及地基与基础的设计,不同的场地上的建筑震害不同,在建筑选址时，要尽量选择对建筑抗震有利的地段，避开不利和危险地段。,1、避开地震危险地段,1）概念,建筑抗震危险的地段：,指地震时可能发生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流等地段以及震中烈度为8度以上的发震断裂带在地震时可能发生地表错位的地段。,非发震断层,：与当地的地震活动性没有成因上联系的一般断层，在地震作用下一般不会发生新的错动。,发震断层,：具有潜在地震活动的断层，在过去三万五千年以内曾活动过一次，或者在五万年内活动过两次的断层。,10/22/2026,6,4.1 场地选择续,2、选择有利于抗震的场地,1）概念,对建筑抗震有利的地段,：指位于开阔平坦地的坚硬场地上或密实均匀中硬场地土。,对建筑抗震不利的地段,：就,地形,而言，一般是指条状突出的山嘴，孤立的山包和山梁的顶部，高差较大的台地边缘，非岩质的陡坡，河岸和边坡的边缘；就,场地土质,而言，一般是指软弱土、易液化土，故河道、断层破碎带、暗埋塘滨沟谷或半挖半填地基等，以及在平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的地段。,10/22/2026,7,4.1 场地选择续,2）关于地基基础设计，抗震规范有如下规定：,1、,避开危险地带（如断裂带等）；,2、同一结构单元的基础不宜设置在性质截然,不同的地基上；,无法避开时，除考虑不同土,层差异运动的影响外，还应采用局部深基础，,使整个建筑物的基础落在同一上层上,（图）,3、同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基；（可设沉降缝，成为两个单元）,4、地基为软弱粘性土、液化土、新近填土或严重不均匀时，应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响，并采取相应措施，,基础应加强其整体性和刚性。,10/22/2026,8,地震区的高层建筑，平面以方,形、矩形、圆形为好；正六边,形、正八边形、椭圆形、扇形,也可以。,不宜采用有较长翼缘的L形、T形、U形、H形、Y形等平面形状。,高层规程的规定：,10/22/2026,10,平面不规则的类型,扭转不规则,凹凸角不规则,10/22/2026,11,4.2.2 建筑立面布置,地震区高层建筑的立面应采用矩形、梯形、三角形等均匀变化的几何形状，尽量避免带有突然变化的阶梯形立面。,高层规程规定：建筑的竖向体形宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。,上部收进时,当H,/H0.2时,B,1,/B0.75;,当上部外挑时,B/B,1,0.9且a4m。,10/22/2026,13,马那瓜美洲银行大厦,马那瓜中央银行大厦,10/22/2026,15,结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包括4个L形的桶体，对称地由连梁连接起来，这些连梁在地震时遭到剪切破坏，是整个结构能观察到的主要破坏。,分析表明：1.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；2.避免了长跨度楼板和砌体填充墙的非结构构件的损坏；3.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，位移量得到控制。,美洲,银行,1）平面不规则,4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙。,4层以上的楼板仅为5cm厚，搁置在高45cm长14m小梁上。,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4层楼板水平处的过渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根1m,1.55m的柱子上（间距9.4m）。上下两部分严重不均匀，不连续。,主要破坏：第4层与第5层之间(竖向刚度和承载力突变),周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈；,横向裂缝贯穿3层以上的所有楼板(有的宽达1cm),直至电梯井东侧；,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。,震后计算分析结果:1.结构存在十分严重扭转效应;2.塔楼3层以上北面和南面大多数柱子抗剪能力大大不足,率先破坏；3.水平地震作用下,柔而长的楼板产生可观的竖向运动等。,马那瓜,中央银行大厦,10/22/2026,16,竖向抗侧力结构屈服抗剪强度不均匀,（有薄弱层）,严重不规则,是指体型复杂，多项不规则指标超过表中指标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者。,注：以上规定主要针对钢筋混凝,土和钢结构的多层和高层建筑。,竖向不规则的类型,10/22/2026,18,4.2.3 房屋的高度,一般而言，房屋愈高，所受到的地震力和倾覆力矩愈大，破坏的可能性也愈大。,但“房屋愈高愈危险”的概念不是绝对的，是有条件的。于1956年建造的高181m的42层拉丁美洲大厦，经受住了3次大地震的考验，几乎无损坏。,抗震规范和高层规程，根据我国当前科研成果和工程实际情况，对各种结构体系适用范围内建筑物的最大高度均作出了规定。超出该规定的，要进行专门研究。抗震规范尚规定：对不规则结构、有框支层抗震墙结构或类场地上的结构，适用的最大高度应适当降低。,10/22/2026,19,4.2.4 房屋的高宽比,建筑物的高宽比例，比起其绝对高度来说更为重要。因为建筑物的高宽比值愈大，即建筑愈瘦高，地震作用下的侧移愈大，地震引起的倾覆作用愈严重。巨大的倾覆力矩在柱(墙)和基础中所引起的压力和拉力比较难于处理。,我国对房屋高宽比的要求是按结构体系和地震烈度区分的。,10/22/2026,20,4.2.5 防震缝的合理设置,变形缝包括：伸缩缝、沉降缝、防震缝，对于抗震设防烈度为6度以上的房屋，伸缩缝、沉降缝均应符合防震缝的要求，即在抗震区，三种缝统称为防震缝。,10/22/2026,21,4.2.5 防震缝的合理设置,遇到下列情况，应设置防震缝：,平面形状、局部尺寸或者立面形状不符合规范的有关规定，而又未在计算和构造上采取相应措施时；,房屋长度超过规范规定的伸缩缝最大间距，又无条件采取特殊措施而必需设置伸缩缝时；,地基土质不均匀，房屋各部分的预计沉降（包括地震时的沉陷）相差过大，必须设置沉降缝时；,房屋各部分的质量或结构抗侧移刚度大小悬殊时。,10/22/2026,22,4.2.5 防震缝的合理设置续,3,、一般尽可能不设置抗震缝,满足规定的防震缝宽度在强烈地震作用下由于地面运动变化，结构扭转、地基变形等复杂因素，相邻结构仍可能局部碰撞而损坏；,防震缝宽度过大，建筑立面效果、防水处理较难；,设置不当反倒会引起相邻建筑物碰撞、失稳、加大破坏。,10/22/2026,24,4.3 结构选型与结构布置,4.3.1 结构选型,结构选型涉及的内容较多，应根据建筑的重要性、设防烈度、房屋高度、场地、地基、基础、材料和施工等因素，通过技术、经济条件比较综合确定。,1.结构材料的选择,从抗震角度考虑，作为一种好的结构材料，其结构材料应具备：,延性系数高（如钢结构）；,强度/重力比值大（如轻质高强材料）；,匀质性好；,正交各向同性（变形相同）；,构件的连接具有整体性、连续性和较好的延性；并能发挥材料的全部强度。,10/22/2026,25,按照上述标准，常见结构类型，按其抗震性能的优劣排序为：,钢结构 型钢混凝土结构 混凝土钢组合结构 现浇钢筋混凝土结构 预应力混凝土结构 装配式钢筋混凝土结构 配筋砌体结构 砌体结构。,混凝土结构的优点,现场浇筑，整体性好；,就地取材；,造价较低；,有较好的抗侧移刚度，保护非结构构件；,良好的设计可保证结构的延性。,10/22/2026,26,4.3.1 结构选型续,2、抗震结构体系的确定,抗震结构体系是抗震设计应考虑的关键问题，结构方案的选取是否合理，对安全性和经济性起决定性作用。,抗震规范关于抗震结构体系，有下列要求：,应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；,宜有多道抗震防线，应避免因部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力或对重力的承载能力；,应具备必要的强度，良好的变形能力和耗能能力；,宜具有合理的刚度和强度分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中；对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力,。,10/22/2026,28,4.3.1 结构选型续,3.在设计房屋之前，一般应首先了解场地和地基及其卓越周期，调整结构刚度，避开共振周期。,4.选择结构体系时，要注意选择合理的基础形式。,对于软弱地基宜选用桩基、筏片基础或箱形基础。,岩层高低起伏不均匀或有液化土层时最好采用桩基等。,10/22/2026,29,4.3.2 结构布置的一般原则续,最为典型的例子是1972年2月23日南美洲的马那瓜地震。,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，平面不规则，4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙，破坏严重，震后拆除；另一幢为18层高的美洲银行大厦，结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包括4个L形的筒体，对称地由连梁连接起来，轻微损坏，稍加修理便恢复使用。当地地震烈度估计为8度。,10/22/2026,31,4.3.2 结构布置的一般原则续,当建筑层数很多时，上面各层偏心引起的扭转效应对下层的积累，对下面几层更不利。所以，进行结构布置时，除了要求各向对称外，还希望能具有较大的抗扭刚度。,因此，下图（a）、（b）所示的抗震墙沿房屋周边布置的方案，就优于（c）、（d）所示在房屋内部布置的方案。,10/22/2026,32,4.3.2 结构布置的一般原则续,2,、,竖向布置力求均匀,结构竖向布置的关键在于：尽可能使其竖向刚度、强度变化均匀，避免出现,薄弱层,，并应尽可能降低房屋的重心。,注意上刚下柔的结构的处理,由于商业的需要，结构底部几层往往需要设置大空间，上部各层为全墙体系或框架抗震墙体系，而底层或底部两三层则为框架体系，整个结构属“框托墙”体系。这便是工程上称之为“框支剪力墙”或“底部框架”的结构。这种体系很不利于抗震，,应保证下部结构的抗侧刚度不能小于上部抗侧刚度的一定比例。,10/22/2026,33,4.3.2 结构布置的一般原则续,同一楼层的框架柱，应该具有大致相同的刚度、强度和延性，,否则，地震时很容易因受力大小悬殊而被各个击破。,在采用纯框架结构的高层建筑中，如果将楼梯踏步斜梁和平台梁直接与框架柱相连，就会使该柱变成短柱，地震时容易发生剪切破坏，应予避免或采取相关措施,。,10/22/2026,34,4.,4,确保结构的整体性,地震作用下结构具有整体性作用是保证结构各部件在地震作用下协调工作的必要条件。,丧失整体性整个结构变成机动构架倒塌；由于外围构件平面外失稳而倒塌。,结构构件之间的连接，应符合下列要求：,构件节点的破坏不应先于其连接的构件，保证节点的强度和延性，使节点的强度、连接、及锚固等强于构件；,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；,预应力砼构件的预应力钢筋，宜在节点核心区外锚固。,10/22/2026,35,4.,5,多道抗震防线,4.,5,.1 多道抗震防线的必要性,1、,多道抗震防线的定义,一个抗震结构体系，应由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，即分体系间的连接部件应有适当强度、较好延性和稳定的滞回性能。,框架抗震墙体系：由延性框架,和抗震墙两个系统组成；,双肢或多肢抗震墙体系：由若干,个单肢墙分系统组成；,框架体系：框架梁和框架柱；,10/22/2026,36,4.,5,.1 多道抗震防线的必要性续,抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部赘余度（相当于超静定次数，利用塑性变形的前提），有意识地建立起一系列分布的屈服区（塑性铰区），以使结构能够吸收和耗散大量的地震能量，一旦破坏也易于修复。,带赘余杆件的耗能结构,(a)双肢墙；(b)墙和框架；(c)并列斜撑；(d)芯筒和框架柱,10/22/2026,37,4.,5,.1 多道抗震防线的必要性续,2、多道抗震防线的必要性：,多道抗震防线对抗震结构是必要的。强烈地震往往有一定的持续时间（几秒几十秒），并且往往伴随多次余震，结构在首次破坏后再遭余震，将会引起损伤累积，当第一道防线的抗侧力构件在强烈地震袭击下遭到破坏后，后备的第二道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。,适当处理构件的强弱关系，将使其在强震作用下形成多道防线、是提高结构抗震性能、避免倒塌的有效措施。,10/22/2026,38,4.,5,.2 第一道防线的构件选择原则,地震的往复水平作用使结构遭到严重破坏、但结构的最后倒塌是因为结构丧失了承受竖向荷载的能力，即倒塌主要取决于竖向荷载。因此，,1、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，或选用轴压比值较小的抗震墙、实体筒体之类构件，作为第一道抗震防线的抗侧力构件；一般情况，不宜采用轴压比很大的框架柱兼作第一道防线的抗侧力构件。不会发生结构倒塌。,2、如因条件有限，只能采用单一的框架体系，框架就成为整个体系中唯一的抗侧力构件，此时应采用“强柱弱梁”型延性框架（即梁为第一道，柱为第二道）。,10/22/2026,39,4.,5,.2 第一道防线的构件选择原则续,框架破坏机制,强柱型框架,如下图左，在水平地震作用下，梁端首先出现塑性铰，梁的屈服先于柱的屈服，行成,梁铰破坏机制,。,弱柱型框架,如下图右，在水平地震作用下，柱端首先出现塑性铰，柱的屈服先于梁的屈服，形成,柱铰破坏机制,。,10/22/2026,40,强剪弱弯,：使钢筋混凝土构件中与正截面受弯承载力对应的剪力低于该构件斜截面受剪承载力的设计要求，用以改善构件自身的抗震性能（利用塑性铰的转动来耗能）。,10/22/2026,41,4.,5,.3 利用赘余构件增多抗震防线,赘余构件的作用,利用结构中增设的赘余杆件的屈服和变形，来耗散输入的地震能量；,利用赘余杆件的破坏和退出工作，使整个结构从一种稳定体系过渡到另一种稳定体系，实现结构周期的变化，避开地震动卓越周期长时间持续作用所引起的共振效应；对结构动力特性的适当控制，来减轻建筑物的破坏程度，经济。但要注意：太被动、而且不一定有效。,10/22/2026,42,当结构遭遇地震时，可以利用这些连系梁首先承担地震前期脉冲的冲击，以达到保护主体结构的目的。,当建筑物受到强烈地震动主脉冲卓越周期的作用时，一方面利用结构中增设的赘余杆件的屈服和变形，来耗散输入的地震能量；另一方面利用赘余杆件的破坏和退出工作，使整个结构从一种稳定体系过渡到另一种稳定体系，实现结构周期的变化，以避开地震动卓越周期长时间持续作用所引起的共振效应。,10/22/2026,43,4.,6,非结构部件处理,非结构部件,：,是指在结构分析中不考虑承受重力荷载以及风、地震等侧力荷载的部件（如内隔墙、楼梯踏步板、框架填充墙、建筑外围墙板等）和建筑附属机电设备。在地震作用下，这些部件参与工作，可能改变整个结构或某些构件的刚度、承载力和传力路线，产生出乎预料的抗震效果，或者造成未曾估计到的局部震害，因此自身及其与结构主体的连接，应进行抗震设计。,10/22/2026,44,4.,6,非结构部件处理,所谓非结构部件，一般是指在结构分析中不考虑承受重力荷载以及风、地震等侧力荷载的部件，如内隔墙、楼梯踏步板、框架填充墙、建筑外围墙板等。,4.,6,.1 考虑填充墙的影响,填充墙对框架结构的影响,使结构抗侧移刚度增大，自振周期减短，从而使作用于整个建筑上的水平地震力增大。,改变了结构的地震剪力分布。,限制了框架的变形，减少了整个结构的地震侧移幅值。,10/22/2026,45,本章结束！,10/22/2026,46,