建筑結構抗震設計多層及高層鋼筋混凝土房屋抗震設計

1、1,.多層及高層鋼筋混凝土房屋抗震設計, 本章要點 掌握：水平地震作用的計算；框架內力和位 移計算；框架梁、柱、節(jié)點的抗震設計。 理解：多高層鋼筋混凝土結構房屋抗震設計的一般 要求。 了解：多層及高層鋼筋混凝土結構房屋 的主要 結構體系及震害特點。,2,.1 概述,多層和高層鋼筋混凝土結構體系包括： 框架結構、框架-抗震墻結構、抗震墻結構、筒體結構和框架-筒體結構等。 框架結構體系由梁和柱組成，平面布置靈活，易于滿足建筑物設置大房間的要求，在工業(yè)與民用建筑中應用廣泛。 抗震墻也稱剪力墻，這種結構體系由鋼筋混凝土縱橫墻組成，抗側力性能較強，但平面布置不靈活，純剪力墻體系一般用于住宅、旅館和辦公樓

2、建筑。 筒體結構或由四周封閉的剪力墻構成單筒式的筒狀結構；或以樓電梯為內筒，密排柱深梁框架為外框筒組成筒中筒結構。這種結構的空間剛度大，抗側和抗扭剛度都很強，建筑布局亦靈活。常用于超高層公寓、辦公樓和商業(yè)大廈建筑等。 框架-抗震墻結構：在框架房屋中增加抗震墻構成。 框架筒體體系：在框架房屋中增加筒體構成。,3,.1 概述,框架房屋,抗震墻,框架-抗震墻,4,.1 概述,不過，設計不良或施工質量欠佳的鋼筋混凝土結構房屋在地震中遭遇震害的情況，亦不鮮見。主要震害可概述如下： .共振效應引起的震害 .結構平面或豎向布置不當引起的震害 .框架柱、梁和節(jié)點的震害,梁柱變形能力不足，構件過早發(fā)生破壞。一般

3、是梁輕柱重，柱頂重于柱底，尤其是角柱和邊柱更易發(fā)生破壞。,（1）柱頂,柱頂周圍有水平裂縫、斜裂縫或交叉裂縫。重者混凝土壓碎崩落，柱內箍筋拉斷，縱筋壓曲成燈籠狀。,主要原因：節(jié)點處彎矩、剪力、軸力都較大，受力復雜，箍筋配置不足，錨固不好等。,破壞不易修復。,5,.1 概述,（2）柱底 與柱頂相似，由于箍筋較柱頂密，震害相對柱頂較輕。,6,.1 概述,（3）短柱 當柱高小于4倍柱截面高度（H/b4)時形成短柱。 短柱剛度大，易產生剪切破壞。,7,.1 概述,（4）角柱,由于雙向受彎、受剪,加上扭轉作用，震害比內柱重。,（5）梁柱節(jié)點,節(jié)點核心區(qū)產生對角方向的斜裂縫或交叉斜裂縫，混凝土剪碎剝落。節(jié)點

4、內箍筋很少或無箍筋時，柱縱向鋼筋壓曲外鼓。,節(jié)點破壞將導致梁柱失去相互之間的聯(lián)系。,節(jié)點破壞的主要原因是節(jié)點的受剪承載力不足，約束箍筋少，梁筋錨固長度不夠以及施工質量差所引起。,（6）框架梁,震害多發(fā)生于梁端。在地震作用下梁端縱向鋼筋屈服，出現(xiàn)上下貫通的垂直裂縫和交叉裂縫。破壞的主要原因是梁端屈服后產生的剪力較大，超過了梁的受剪承載力，梁內箍筋配置較稀，以及反復荷載作用下混凝土抗剪強度降低等。,8,.1 概述,.框架填充墻的震害,砌體填充墻剛度大而承載力低，首先承受地震作用而遭破壞。一般7度即出現(xiàn)裂縫，8度和8度以上地震作用下，裂縫明顯增加，甚至部分倒塌，一般是上輕下重，空心砌體墻重于實心砌體

5、墻，砌快墻重于磚墻。,框架-剪力墻結構上部較嚴重，框架結構下部震害嚴重。,9,.1 概述,填充墻破壞的主要原因是：墻體受剪承載力低，變形能力小，墻體與框架缺乏有效的拉結，在往復變形時墻體易發(fā)生剪切破壞和散落。,10,.1 概述,.抗震墻的震害,在強震作用下，抗震墻的震害主要表現(xiàn)在墻肢之間連梁的剪切破壞。主要是由于連梁跨度小，高度大形成深梁，在反復荷載作用下形成X型剪切裂縫，為剪切型脆性破壞，尤其是在房屋1/3高度處的連梁破壞更為明顯。,11,.1 概述,.防震縫的震害,防震縫寬度過小，地震時結構相互碰撞造成震害。,總結以上震害調查結果，除注意場地和地基因素外，從結構上主要應注意：,（1）結構的

6、剛度在平面上和沿豎向的分布要規(guī)則、均勻；,（2）結構構件要有足夠的承載力和延性；,（3）重視構造，加強對混凝土的約束，防止剪切、錨固 等脆性破壞；,（4）保證施工質量。,12,. 抗震設計的一般要求,5.2.1 結構體系選擇 不同的結構體系，其抗震性能、使用效果和經濟指標亦不同。 抗震規(guī)范在考慮地震烈度、場地土、抗震性能、使用要求及經濟效果等因素和總結地震經驗的基礎上，對地震區(qū)多高層房屋適用的最大高度給出了規(guī)定。 房屋的高寬比值愈大，即建筑愈瘦高，地震作用下的側移愈大，地震引起的傾覆作用愈嚴重。故規(guī)范對房屋的高寬比按結構體系和地震烈度給出了不同的要求。 注：當有大底盤時，計算高寬比的高度從大底

7、盤頂部算起。 選擇結構體系時，要考慮建筑物剛度與場地條件的關系，要注意選擇合理的基礎形式及埋置深度；還必須注意經濟指標。,注：房屋高度指室外地面到檐口的高度（不考慮局部突出屋頂部分）。,13,. 抗震設計的一般要求,5.2.2 結構布置 多高層鋼筋混凝土結構房屋結構布置的基本原則： 結構平面應力求簡單規(guī)則，結構的主要抗側力構件應對稱均勻布置，盡量使結構的剛心與質心重合，避免地震時引起結構扭轉及局部應力集中。 結構的豎向布置，應使其質量沿高度方向均勻分布，避免結構剛度突變，并應盡可能降低建筑物的重心，以利結構的整體穩(wěn)定性。 合理地設置變形縫。 加強樓屋蓋的整體性。 盡可能做到技術先進，經濟合理。

8、 .框架結構布置 框架結構主要用于 10 層以下的住宅、辦公及各類公共建筑與工業(yè)建筑。常見的框架柱網形式有方格式與內廊式兩類。,14,. 抗震設計的一般要求,常見框架柱網 (a)方格式柱網； ( b)內廊式柱網,地震區(qū)的框架結構，應設計成延性框架，遵守“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、強節(jié)點、強錨固等設計原則。,在確定框架結構結構方案的同時，應初步確定框架梁柱的截面尺寸和材料強度等級。,框架結構中，非承重墻體的材料、選型和布置，應根據烈度、房屋高度、建筑體型、結構層間變形、墻體抗側力性能的利用等因素，經綜合分析后確定。應優(yōu)先采用輕質墻體材料，剛性非承重墻體的布置，在平面和豎向的布置宜均勻對稱，避免形

9、成薄弱層或短柱。,15,. 抗震設計的一般要求,. 框架抗震墻結構布置 框架抗震墻結構是由框架和抗震墻結合而共同工作的結構體系，兼有框架和抗震墻兩種結構體系的優(yōu)點。既具有較大的空間，又具有較大的抗側剛度。多用于1020層的房屋。,框架抗震墻結構布置的關鍵問題是抗震墻的布置，其基本原則是： 抗震墻在結構平面的布置應對稱均勻，避免結構剛心與質心有較大的偏移。,框架一抗震墻結構平面布置示意,抗震墻應沿結構的縱橫向設置，且縱橫向抗震墻宜相互聯(lián)合組成 T 形、 形、十字形等剛度較大的截面，以提高抗震墻的利用效率。, 抗震墻與柱中線宜重合，當不能重合時，柱中線與抗震墻中線之間偏心距不宜大于柱寬的1/4 。

10、,16,. 抗震設計的一般要求, 抗震墻應盡可能靠近房屋平面的端部，但不宜布置在外墻。 抗震墻應設置在墻面不需要開大洞口的位置，開洞口時應上下對齊，抗震等級為一、二級的聯(lián)肢墻的洞口不應采用弱連系梁。 .抗震墻結構布置 抗震墻結構是右鋼筋混凝土墻體承受豎向荷載和水平荷載的結構體系。具有整體性能好、抗側剛度大和抗震性能好等優(yōu)點，該類結構無突出墻面的梁、柱，可降低建筑層高，充分利用空間，特別適合于2030層的高層居住建筑，但該類建筑大面積的墻體限制了建筑物內部平面布置的靈活性。, 抗震墻宜貫通全高，沿豎向截面不宜有較大突變，以保證結構豎向的剛度基本均勻。,抗震墻的數(shù)量以能滿足結構的側移變形為原則，不

11、宜過多，以免結構剛度過大，增加結構的地震反應。抗震墻的間距應能保證樓、屋蓋有效地傳遞地震剪力給抗震墻。,17,. 抗震設計的一般要求,抗震墻結構平面布置示意,抗震墻結構的布置除了應注意平面與豎向的均勻外，尚應注意：,較長的抗震墻宜開洞口設置弱連系梁，將一道抗震墻分成較勻勻的若干墻段（包括小開洞墻及聯(lián)肢墻），各墻段的高寬比不應小于 2 ，并應保證墻肢由受彎 承載力控制，靠近中和軸的豎向分 布鋼筋在破壞時能充分發(fā)揮其強度， 以提高結構的變形能力。,抗震墻的墻段與墻肢,抗震墻有大洞口時，洞口位置宜上下對齊，以形成明確的墻肢與連系梁，保證結構受力合理、有良好的抗震性能。一、二級抗震墻底部加強部位不宜有

12、錯洞墻。,18,. 抗震設計的一般要求,部分框支抗震墻結構的框支層，其抗震墻的截面面積不應小于相鄰上層抗震墻截面面積的 50 % ，框支層落地抗震墻間距不宜大于 24m ; 底部兩層框支抗震墻結構的布置宜對稱，且宜設置抗震墻筒體； 落地抗震墻之間樓蓋長寬比不應超過 規(guī)定的數(shù)值。 .抗震縫布置 高層建筑宜選用合理的建筑結構方案，不設防震縫。 當建筑平面過長、結構單元的結構體系不同、高度和剛度相差過大以及各結構單元的地基條件有較大差異時，應考慮設防震縫。其最小寬度應符合下面要求： （1）鋼筋混凝土框架房屋的防震縫寬度，當高度不超過15m時可采用70mm，超過15m時，6、7、8、9度相應每增加高度

13、5m、4m、3m、2m，宜加寬20mm。 （2）框架-抗震墻結構房屋的防震縫寬度可采用框架規(guī)定數(shù)值的70%，且不宜小于70mm。,19,. 抗震設計的一般要求,（3）防震縫兩側結構類型不 同時，按不利體系考慮，并按 低的房屋高度計算縫寬。 5.防撞墻 8、9度設防的鋼筋混凝土框架房屋 防震縫兩側的結構，當結構高度、剛度或 層高相差較大時，可在防震縫兩側房屋的盡端設垂直于防震縫的抗撞墻。,20,. 抗震設計的一般要求,每一側的數(shù)量不應少于兩道。宜分別對稱布置，墻肢的長度可不大于一個柱距。 內力應按考慮和不考慮抗撞墻兩種情況進行分析，按不利情況取值。 抗撞墻的端柱和框架邊柱箍筋應沿房屋全高加密。

14、5.2.3 抗震等級 地震作用下，鋼筋混凝土結構的地震反應有下列特點： 1、地震作用越大，房屋的抗震要求越高； 地震作用與烈度、場地等有關，從經濟角度考慮，對不同烈度、場地的結構的抗震要求可以有明顯的差別。 2、結構的抗震能力主要取決于主要抗側力構件的性能； 主、次抗側力構件的抗震要求應有差別。 3、房屋越高，地震反應越大，抗震要求越高。,21,. 抗震設計的一般要求,抗震等級是確定結構構件抗震計算和抗震措施的標準。根據設防烈度、房屋高度、建筑類別、結構類型及構件在結構中的重要程度確定，共分四個等級，其中一級抗震要求最高。 在同等設防烈度和房屋高度的情況下，對于不同的結構類型，其次要抗側力構件

15、抗震要求可低于主要抗側力構件，即抗震等級低些。 設防烈度為度、建于類場地上的結構，不需做抗震驗算但需按抗震等級設計截面，滿足抗震構造要求。,22,. 框架內力與位移計算,結構計算考慮地震作用時，一般 可不考慮風荷載的影響。 整個設計步驟如圖： 結構抗震計算的內容一般 包括： 結構動力特性分析，主要是結構 自振周期的確定； 結構地震反應計算，包括多遇烈度 下的地震荷載與結構側移； 結構內力分析； 截面抗震設計等。,23,. 框架內力與位移計算,5.3.1 水平地震作用計算 結構的地震作用，一般情況下，可在建筑結構的兩個主軸方向分別考慮水平地震作用，各方向的水平地震作用全部由該方向抗側力框架結構承

16、擔。 計算多層框架結構的水平地震作用時，一般應以防震縫所劃分的結構單元作為計算單元，在計算單元中各樓層重力荷載代表值的集中質點 Gi 設在樓屋蓋標高處。 對于高度不超過40m、質量和剛度沿高度分布比較均勻的框架結構，可采用底部剪力法分別求單元的總水平地震作用標準值FEk 各層水平地震作用標準值 Fi 和頂部附加水平地震作用標準值 Fn,24,. 框架內力與位移計算,按上式計算，必須先確定結構的基本自振周期數(shù)值。一般多采用頂點位移法計算結構基本周期。,式中 T 考慮非結構墻體剛度影響的周期折減系數(shù)，當采用實 砌填充磚墻時取0.6-0.7 ；當采用輕質墻、外掛墻板時取0.8 ; uT 假想集中在各

17、層樓面處的重力荷載代表值 Gi為水平荷載，按彈性方法所求得的結構頂點假想位移（m）。,注意：對于有突出于屋面的屋頂間（電梯間、水箱間）等的框架結構房屋，結構假想位移uT指主體結構頂點的位移。,第i層的地震剪力Vi,求得第i層的地震剪力Vi后，再按該層各柱的側移剛度求其分擔的水平地震剪力標準值。一般將磚填充墻僅作為非結構構件，不考慮其抗側力作用。,25,. 框架內力與位移計算,5.3.2 水平地震作用下框架內力的計算 1.反彎點法 適用于層數(shù)較少、梁柱線剛度比大于的情況，計算比較簡單。 .值法（改進反彎點） 近似地考慮了框架節(jié)點轉動對側移剛度和反彎點高度的影響，比較精確，應用比較廣泛。 用 D

18、值法計算框架內力的步驟如下： ( 1 ）計算各層柱的側移剛度 D,式中 Kc 柱的線剛度； h 樓層高度； 節(jié)點轉動影響系數(shù)，由梁柱線剛度，按表取用。,26,. 框架內力與位移計算,( 2 ）計算各柱所分配的剪力Vij,( 3 ）確定反彎點高度 y,( 4 ）計算柱端彎矩 Mc,上端 下端,( 5 ）計算梁端彎矩 Mb,梁端彎矩可按節(jié)點彎矩平衡條件，將節(jié)點上、下柱端彎矩之和按左、右梁的線剛度比例分配。,柱剪力 Vij 與反彎點高度 y,（如圖）,27,. 框架內力與位移計算,梁端彎矩,（）計算梁端剪力b,( 7 ）計算柱軸力 N,邊柱軸力為各層梁端剪力按層疊加，中柱軸力為柱兩側梁端剪力之差，亦

19、按層疊加。,梁兩端彎矩計算圖,柱底層柱軸力為：,邊柱軸力,28,. 框架內力與位移計算,5.3.3 豎向荷載作用下框架內力計算 .分層法 （）將該層梁與上下柱組成計算單元，每單元按雙層框架計算其內力，每層只承受該層豎向荷載，不考慮其他各層荷載的影響。 注意：除底層外其他各層的線剛度均乘以折減系數(shù)0.9； 柱的彎矩傳遞系數(shù)由1/2改為1/3。 （）用彎矩分配法逐層計算各單元框架的彎矩，疊加起來即為整個框架的彎矩。每一層柱的最終彎矩由上、下層單元框架所得彎矩疊加。對節(jié)點處不平衡彎矩較大的可再分配一次，但不在傳遞。 彎矩二次分配法 將各節(jié)點的不平衡彎矩，同時作分配和傳遞。第一次按梁柱線剛度分配固端彎

20、矩，將分配彎矩傳遞一次（傳遞系數(shù)均為1/2），再作一次彎矩分配即可。,豎向荷載框架內力近似計算可采用分層法和彎矩二次分配法,29,. 框架內力與位移計算,.彎矩調幅,由于鋼筋混凝土結構具有塑性內力重分布性質，在豎向荷載下可以考慮適當降低梁端彎矩，進行調幅，以減少負彎矩鋼筋的擁擠現(xiàn)象。,現(xiàn)澆框架 ：=0.80.9； 裝配整體式框架 =0.70.8 M0簡支情況下跨中彎矩,將調幅后的梁端彎矩疊加簡支梁的彎矩，則可得到梁的跨中彎矩。,跨中彎矩為：,豎向荷載下梁端彎矩調幅,注意：只有豎向荷載作用下的梁端彎矩可以調幅,當活荷載不很大時，可按全部滿載布置。當活荷載較大時，可將跨中彎矩乘以 1.11.2 系

21、數(shù)加以修正，以考慮活荷載不利布置對跨中彎矩的影響。,30,. 框架內力與位移計算,5.3.4 內力組合 進行結構設計時，應根據可能出現(xiàn)的最不利情況確定構件內力設計值，進行截面設計。 在框架抗震設計時，一般應考慮兩種基本組合： . 地震作用效應與重力荷載代表值效應的組合,式中 SGE 相應于水平地震作用下重力荷載代表值效應的標準值； SEh 水平地震作用效應的標準值。,.豎向荷載效應，包括全部恒荷載與活荷載的組合,式中 SG 由恒荷載產生的內力標準值； SQ 由活荷載產生的內力標準值。,取上述兩種組合中的最不利情況作為截面設計用的內力設計值。,注意：考慮地震組合時，構件截面設計值應除以承載力抗震

22、調整系數(shù),31,. 框架內力與位移計算,5.3.5 框架結構位移驗算 框架結構構件尺寸往往決定于結構的側移變形要求。 .多遇地震作用下層間彈性位移的計算 對所有框架都應進行此項計算 .罕遇地震作用下層間彈塑性位移驗算 規(guī)定：79度時樓層屈服強度系數(shù)小于0.5的鋼筋混凝土框架結構應進行此項計算。 抗震規(guī)范規(guī)定，對于不超過12層，且剛度無突變的鋼筋混凝土框架結構，可按簡化方法驗算框架薄弱層的彈塑性變形。,32,. 鋼筋混凝土框架結構構件設計,5.4.1 框架梁截面設計 1.梁端抗震設計的基本要求： 梁形成塑性鉸后仍有足夠的受剪承載力； 梁筋屈服后，塑性鉸區(qū)段應有較好的延性和耗能能力； 妥善地解決梁

23、筋錨固問題。 （1）框架梁抗剪承載力驗算 梁剪力設計值 為了避免梁在彎曲破壞前發(fā)生剪切破壞，應按強剪弱彎的原則調整框架梁端部截面組合的剪力設計值： 一、二、三級框架,9度和一級框架結構尚應符合：,33,. 鋼筋混凝土框架結構構件設計,一、二、三級框架,9度和一級框架結構尚應符合：,34,. 鋼筋混凝土框架結構構件設計, 剪壓比限值 剪壓比：截面上平均剪應力與混凝土抗壓強度設計值之比，即,剪壓比過大,混凝土會過早發(fā)生斜壓破壞,箍筋不能充分發(fā)揮作用,它對構件的變形能力也有顯著影響。因此應控制。,跨高比大于2.5時：,跨高比等于或小于2.5時：,35,. 鋼筋混凝土框架結構構件設計, 梁斜截面受剪承

24、載力 在反復荷載作用下，混凝土的抗剪作用將有明顯的削弱。 規(guī)定：對于矩形、形和字形截面的一般框架梁，斜截面受剪承載力應按下式驗算： （）提高梁延性的措施 影響梁截面延性的主要因素有梁的截面尺寸、縱向鋼筋配筋率、剪壓比、配箍率、鋼筋和混凝土的強度等級等。 在梁端預期塑性鉸區(qū)段加密箍筋，可以起到約束混凝土，提高混凝土變形能力的作用，從而可獲得提高梁截面轉動能力，增加其延性的效果。在梁端箍筋加密區(qū)，一般不宜設置縱筋接頭。,36,. 鋼筋混凝土框架結構構件設計,.框架柱截面設計 柱的設計原則： 強柱弱梁，使柱盡量不出現(xiàn)塑性鉸； 在彎曲破壞之前不發(fā)生剪切破壞，使柱有足夠的抗剪能力； 控制柱的軸壓比不要太

25、大； 加強約束，配置必要的約束箍筋。 .強柱弱梁 “強柱弱梁”的概念要求在強烈地震作用下，結構發(fā)生較大側移進入非彈性階段時，為使框架保持足夠的豎向承載能力而免于倒塌，要求實現(xiàn)梁鉸側移機構，即塑性鉸應首先在梁上形成，盡可能避免在破壞后在危害更大的柱上出現(xiàn)塑性鉸。,兩種破壞形式：,弱柱型,弱梁型,37,. 鋼筋混凝土框架結構構件設計,為了使塑性鉸首先在梁中出現(xiàn)，同一節(jié)點柱的抗彎能力要大于梁的抗彎能力。 抗震規(guī)范規(guī)定：一、二、三級框架的梁柱節(jié)點處，除頂層和柱軸壓比小于0.15者外，柱端組合彎矩設計值應符合下列公式要求,9度和一級框架結構尚應符合,為了不使框架底層柱過早出現(xiàn)塑性鉸，規(guī)范規(guī)定：一、二、三

26、級框架底層柱底截面組合的彎矩設計值應分別乘以增大系數(shù)1.5、1.25、1.15。,38,. 鋼筋混凝土框架結構構件設計,注意：框架底層柱根部對整體框架延性起控制作用，柱腳過早出現(xiàn)塑性鉸將影響整個結構的變形和耗能能力。 .強剪弱彎在彎曲破壞之前不發(fā)生剪切破壞 （）柱剪力設計值 抗震規(guī)范 規(guī)定：對于抗震等級為一、二、三級的框架柱端剪力設計值，應按下式進行調整： 9度和一級框架結構尚應符合： （） 剪壓比限值 剪壓比：截面上平均剪應力與混凝土抗壓強度設計值之比。,39,. 鋼筋混凝土框架結構構件設計,如果剪壓比過大，混凝土就會過早地產生脆性破壞，使箍筋不能充分發(fā)揮作用。因此必須限制剪壓比，實質上也就

27、是構件最小截面尺寸的限制條件。 規(guī)范 規(guī)定：對于剪跨比大于 2 的矩形截面框架柱，其截面尺寸與剪力設計值應下式的要求： 對于剪跨比不大于 2 的框架短柱其截面尺寸與剪力設計值應符合下式的要求： （） 柱斜截面受剪承載力 影響斜截面受剪承載力的主要因素有混凝土強度、剪跨比、軸壓比和配箍特征值 等。,40,. 鋼筋混凝土框架結構構件設計,混凝土結構設計規(guī)范規(guī)定，框架柱斜截面受剪承載力按下式計算： 當框架柱出現(xiàn)拉力時，其斜截面承載力應按下式計算：,.控制柱軸壓比,軸壓比：柱組合的軸壓力設計值與柱的全截面面積和混凝土抗壓強度設計值乘積之比,即：,軸壓比是影響柱子破壞形態(tài)和延性的主要因素之一。,柱的變形能力隨軸壓比增大而急劇降低。,41,. 鋼筋混凝土框架結構構件設計,.柱內縱向鋼筋配置 柱的縱向配筋應符合下列要求： （）宜對稱布置； （）截面尺寸大于400