建筑結(jié)構抗震設計建筑抗震概念設計ppt課件

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第4章 建筑抗震概念設計,4.1 場地選擇 4.2 建筑的平立面布置 4.3 結(jié)構選型與結(jié)構布置 4.4 多道抗震防線 4.5 剛度、承載力和延性的匹配 4.6 確保結(jié)構的整體性 4.7 非結(jié)構部件處理,1,基本概念,1、計算設計（Numerical design）：按荷載計算、內(nèi)力分析及組合、強度計算 、構造措施等稱為計算設計。 “計算設計”——不能完全依賴！ 地震方面——地震是一種隨機振動，具有復雜 性、不確定性，因此很難準確預測建筑物所遭遇地震的特性和參數(shù)。地震在時間和空間上都具有很大的隨機性。 結(jié)構分析——未能充分考慮結(jié)構的空間作用、非彈性性質(zhì)、材料時效、阻尼變化等多種因素，也存在不準確性。,2,基本概念——續(xù),2、概念設計（Conceptual design） ：立足于工程抗震基本理論及長期工程抗震經(jīng)驗總結(jié)的工程抗震基本概念的抗震設計。 即根據(jù)地震災害和工程經(jīng)驗等所形成的基本設計原則和設計思想正確地解決建筑和結(jié)構的總體方案、結(jié)構布置、材料使用和細部構造等，以便達到合理抗震設計的目的。 有助于掌握明確的設計思想，靈活、恰當?shù)剡\用抗震設計原則，是設計人員不知陷入盲目的計算工作，從而做到比較合理的抗震設計。 抗震概念設計是目前工程設計高度自動化的背景下唯一具有能動性和創(chuàng)造性的設計過程。,3,基本概念——續(xù),抗震概念設計的思路： 在工程設計一開始，把握好能量輸入、房屋體型、結(jié)構 體系、剛度分布、構件延性等幾個主要方面，從根本上消除建筑中的抗震薄弱環(huán)節(jié)。 輔以必要的計算和構造措施，有可能使房屋建筑具有良好的抗震性能和足夠的抗震可靠度。 由于對地震作用及結(jié)構性能的了解還遠遠不夠，在某種 意義上，概念設計比計算設計更重要。,4,4.1 場地選擇,不同的場地上的建筑震害不同在建筑選址時，要盡量選 擇對建筑抗震有利的地段，避開不利和危險地段。 1、避開地震危險地段 1）概念 建筑抗震危險的地段：指地震時可能發(fā)生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流等地段以及震中烈度為8度以上的發(fā)震斷裂帶在地震時可能發(fā)生地表錯位的地段。 非發(fā)震斷層：與當?shù)氐牡卣鸹顒有詻]有成因上聯(lián)系的一般斷層，在地震作用下一般不會發(fā)生新的錯動。 發(fā)震斷層：具有潛在地震活動的斷層，在過去三萬五千年以內(nèi)曾活動過一次，或者在五萬年內(nèi)活動過兩次的斷層。,5,4.1 場地選擇——續(xù),2、選擇有利于抗震的場地 1）概念 對建筑抗震有利的地段：指位于開闊平坦地的堅硬場地上或密實均勻中硬場地土。 對建筑抗震不利的地段：就地形而言，一般是指條狀突出的山嘴，孤立的山包和山梁的頂部，高差較大的臺地邊緣，非巖質(zhì)的陡坡， 河岸和邊坡的邊緣；就場地土質(zhì)而言，一般是指軟弱土、易液化土，故河道、斷層破碎帶、暗埋塘濱溝谷或半挖半填地基等，以及在平面分布上成因、巖性、狀態(tài)明顯不均勻的地段。,6,4.1 場地選擇——續(xù),2）關于地基基礎設計，抗震規(guī)范有如下規(guī)定： 1、避開危險地帶（如斷裂帶等）； 2、同一結(jié)構單元的基礎不宜設置在性質(zhì)截然 不同的地基上；無法避開時，除考慮不同土 層差異運動的影響外，還應采用局部深基礎， 使整個建筑物的基礎落在同一上層上（圖） 3、同一結(jié)構單元不宜部分采用天然地基部分采用樁基；（可設沉降縫，成為兩個單元） 4、地基為軟弱粘性土、液化土、新近填土或嚴重不均勻時，應估計地震時地基不均勻沉降或其他不利影響，并采取相應措施，基礎應加強其整體性和剛性。,7,4.2 建筑的平立面布置,一幢房屋的動力性能基本上取決于它的建筑布局和結(jié) 構布置。建筑布局簡單合理，結(jié)構布置符合抗震原則， 就能從根本上保證房屋具有良好的耐震性能。 《抗震規(guī)范》3.4.1條規(guī)定：建筑設計應符合抗震概念設計的要求，不應采用嚴重不規(guī)則的設計方案。 3.4.2條規(guī)定：建筑及其抗側(cè)力結(jié)構的平面布置宜規(guī)則、對稱，并應具有良好的整體性；建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則，結(jié)構的側(cè)向剛度宜均勻變化，豎向抗側(cè)力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減少，避免抗側(cè)力結(jié)構的側(cè)向剛度和承載力突變。,8,4.2.1 建筑平面布置,1、建筑平面形狀 1）建筑物的平、立面布置宜規(guī)則、對稱，質(zhì)量和剛度變化均勻，避免樓層錯層； 2）地震區(qū)的高層建筑，平面以方形、矩形、圓形為好；正六邊形、正八邊形、橢圓形、扇形也可以。 3）有較長翼緣的L形、T形、十字形、U形、H形、Y形平面也不宜采用。這些平面的較長翼緣，地震時容易因發(fā)生差異側(cè)移而加重震害。,,9,4.2.1 建筑平面布置——續(xù),2、平面不規(guī)則的類型： 《規(guī)范》3.4.2規(guī)定： 1）扭轉(zhuǎn)不規(guī)則：樓層的最大彈性水平位移（或?qū)娱g位移）大于該樓層兩端彈性水平位移（或?qū)娱g位移）平均值的1.2倍。 2）凹凸不規(guī)則：結(jié)構平面凹進的一側(cè)尺寸，大于相應投影方向總尺寸的30%。 3）樓板局部不連續(xù)：樓板的尺寸和平面剛度急劇變化。例如：開洞面積大于該樓層面積的30%，或較大的樓層錯層，或有效樓板寬度小于該層樓板典型寬度的50%。,10,4.2.1 建筑平面布置——續(xù),3、高層建筑平面尺寸限值 《高層規(guī)程》對地震區(qū)高層建筑的平面形狀作了明確規(guī)定，如下圖和表，并提出對這些平面的凹角處，應采取加強措施。,11,4.2.2 建筑立面布置,1、建筑立面形狀 地震區(qū)高層建筑的立面應采用矩形、梯形、三角形等均 勻變化的幾何形狀，盡量避免帶有突然變化的階梯形立面。 因為立面形狀的突然變化，會引起質(zhì)量和抗側(cè)移剛度突變， 地震時容易因劇烈振動或塑性變形集中（薄弱層）而加重 破壞。,12,4.2.2 建筑立面布置——續(xù),2、豎向不規(guī)則的類型 1）側(cè)向剛度不規(guī)則：該層的側(cè)向剛度小于相鄰上一層的70%，或小于其上相鄰三個樓層側(cè)向剛度平均值的80%；除頂層外，局部收進的水平向尺寸大于相鄰下一層的25%。 2）豎向抗側(cè)力構件不連續(xù)：豎向抗側(cè)力構件（柱、抗震墻、抗震支撐）的內(nèi)力由水平轉(zhuǎn)換構件（梁、桁架）向下傳遞。 3）樓層承載力突變：抗側(cè)力結(jié)構的層間受剪承載力小于相鄰上一樓層的80%。,13,4.2.2 建筑立面布置——續(xù),3、高層建筑立面尺寸限值 《高層規(guī)程》規(guī)定：建筑的豎向體形宜規(guī)則、均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)收。結(jié)構的側(cè)向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化，不應采用豎向布置嚴重不規(guī)則的結(jié)構。并要求抗震設計的高層建筑結(jié)構，其樓層側(cè)向剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)向剛度的70％或其上相鄰三層側(cè)向剛度平均值的80％。 按《高層規(guī)程》，高層建筑的高度限值分A、B兩級，A級規(guī)定較嚴，是目前應用最廣泛的高層建筑高度，B級規(guī)定較寬，但應采取更嚴格的計算和構造措施。 樓層層間抗側(cè)力結(jié)構的受剪承載能力： A級高度：宜≥上一層的80%，應≥上一層的65% ；B級高度：應≥上一層的75%。,14,4.2.2 建筑立面布置——續(xù),收進和外挑尺寸要求（宜）： 當結(jié)構上部樓層收進部位到室外地面的高度H1與房屋高度H之比大于0.2時，上部樓層收進后的水平尺寸B1不宜小于下部樓層水平尺寸B的0.75倍； 當上部結(jié)構樓層相對于下部樓層外挑時，下部樓層的水平尺寸B不宜小于上部樓層水平尺寸B1的0.9倍，且水平外挑尺寸a不宜大于4m。,15,4.2.3 房屋的高度,一般而言，房屋愈高，所受到的地震力和傾覆力矩愈大，破壞的可能性也愈大。 但“房屋愈高愈危險”的概念不是絕對的，是有條件的。于1956年建造的高181m的42層拉丁美洲大廈，經(jīng)受住了3次大地震的考驗，幾乎無損壞。 《抗震規(guī)范》和《高層規(guī)程》，根據(jù)我國當前科研成果和工程實際情況，對各種結(jié)構體系適用范圍內(nèi)建筑物的最大高度均作出了規(guī)定。超出該規(guī)定的，要進行專門研究。《抗震規(guī)范》尚規(guī)定：對不規(guī)則結(jié)構、有框支層抗震墻結(jié)構或Ⅳ類場地上的結(jié)構，適用的最大高度應適當降低。,,16,4.2.4 房屋的高寬比,建筑物的高寬比例，比起其絕對高度來說更為重要。因為建筑物的高寬比值愈大，即建筑愈瘦高，地震作用下的側(cè)移愈大，地震引起的傾覆作用愈嚴重。巨大的傾覆力矩在柱(墻)和基礎中所引起的壓力和拉力比較難于處理。 我國對房屋高寬比的要求是按結(jié)構體系和地震烈度區(qū)分的。,17,4.2.5 防震縫的合理設置,遇到下列情況，應設置防震縫： ① 平面形狀、局部尺寸或者立面形狀不符合規(guī)范的有關規(guī)定，而又未在計算和構造上采取相應措施時； ② 房屋長度超過規(guī)范規(guī)定的伸縮縫最大間距，又無條件采取特殊措施而必需設置伸縮縫時； ③ 地基土質(zhì)不均勻，房屋各部分的預計沉降（包括地震時的沉陷）相差過大，必須設置沉降縫時； ④ 房屋各部分的質(zhì)量或結(jié)構抗側(cè)移剛度大小懸殊時。,,,,,,18,4.2.5 防震縫的合理設置,1、防震縫設置原因 由于建筑平面和體型的多樣化、結(jié)構的不規(guī)則性有時難以避免，為將不規(guī)則結(jié)構變?yōu)槿舾梢?guī)則結(jié)構，合理地設置防震縫進行結(jié)構分段，從而降低抗震設計的難度及提高抗震設計的可靠度。 在國內(nèi)外歷次地震中，曾一再發(fā)生相鄰建筑物或同幢建筑物相鄰單元之間相撞的震例，究其原因，主要是防震縫寬度偏小或構造不當所致。 2、防震縫設置原則 徹底分離或者牢固連接：忌連又連不牢、分又分不清。 “三縫合一”的設置原則：伸縮縫、沉降縫、防震縫三縫合一，對于抗震設防烈度為6度以上的房屋，所有伸縮縫、 沉降縫均應符合防震縫的寬度要求。,19,4.2.5 防震縫的合理設置——續(xù),3、 必須設置抗震縫的情況 ① 平面形狀、局部尺寸或者立面形狀不符合規(guī)范的有關規(guī)定，而又未在計算和構造上采取相應措施時； ② 房屋長度超過規(guī)范規(guī)定的伸縮縫最大間距，又無條件采取特殊措施而必需設置伸縮縫時； ③ 地基土質(zhì)不均勻，房屋各部分的預計沉降（包括地震時的沉陷）相差過大，必須設置沉降縫時； ④ 房屋各部分的質(zhì)量或結(jié)構抗側(cè)移剛度大小懸殊時。 4、防震縫寬度 縫寬不足——會發(fā)生碰撞破壞； 由于設縫后造成部分結(jié)構段過柔，碰撞造成失穩(wěn)破壞。 必須根據(jù)具體情況認真處理設縫位置及設縫寬度。 確定防震縫寬度，除考慮結(jié)構變形外，還應考慮由于地基變形引起基礎轉(zhuǎn)動的影響。,20,4.2.5 防震縫的合理設置——續(xù),5、防震縫最小寬度——良好地基條件下一般結(jié)構的最小縫寬。 為防止相鄰建筑物在地震中發(fā)生碰撞，防震縫的寬度不宜小于兩側(cè)建筑物在較低建筑物屋頂高度處的垂直防震縫方向的側(cè)移之和。 對于鋼筋混凝土結(jié)構房屋的防震縫最小寬度，一般情況下應符合《抗震規(guī)范》所作的規(guī)定： ①框架房屋，當高度不超過l5m時，可采用70mm；當高度超過l5m時，6度、7度、8度和9度相應每增高5m、4m、3m和2m，宜加寬20mm； ②框架抗震墻房屋的防震縫寬度，可采用第①條數(shù)值的70％，抗震墻房屋可采用第①條數(shù)值的50％，且均不宜小于70mm。,21,4.2.5 防震縫的合理設置——續(xù),③防震縫兩側(cè)結(jié)構類型不同時，宜按需要較寬防震縫的結(jié) 構類型和較低房屋高度確定縫寬。 例1：某高層建筑為框架—剪力墻結(jié)構，抗震設防烈度為7度，高45米，其群房為框架結(jié)構，高20米，主樓和群房間設防震縫，其最小縫寬應為多少？ 解：防震縫最小寬度應根據(jù)群房框架結(jié)構極其高度確定：,22,例2：6度地區(qū)、框架結(jié)構、建筑高度35m，若需設防震縫，其縫寬應為多少？若高為35m剪力墻結(jié)構，其縫寬？,4.2.5 防震縫的合理設置——續(xù),23,4.2.5 防震縫的合理設置——續(xù),6、一般盡可能不設置抗震縫 滿足規(guī)定的防震縫寬度在強烈地震作用下由于地面運動變化，結(jié)構扭轉(zhuǎn)、 地基變形等復雜因素，相鄰結(jié)構仍可能局部碰撞而損壞； 防震縫寬度過大，建筑立面效果、防水處理較難； 設置不當反倒會引起相鄰建筑物碰撞、失穩(wěn)、加大破壞。,24,4.2.5 防震縫的合理設置——續(xù),7、不設置抗震縫處理辦法——高層建筑宜選用合理的建筑結(jié)構方案，不設抗震縫，但要做到： 采取措施避免設置防震縫——調(diào)整平面形狀和尺 寸、并在構造以及設計、施工時采取措施。 不規(guī)則房屋不設防震縫時必須沿高度和從平面上 考慮相對薄弱及應力集中部位的加強及提高延性 措施，在這些部位應盡量避免設置樓梯間及在樓 板上開較大洞口。 對體型復雜的建筑物不設抗震縫時，應對建筑物進行比 較精確的結(jié)構抗震分析，解決不設縫帶來的不利影響， 如差異沉降、偏心扭轉(zhuǎn)、溫度變形等，估計其局部應力 和變形集中及扭轉(zhuǎn)效應影響，判明其易損部位，采取加 強措施或提高變形能力的措施。,25,4.3 結(jié)構選型與結(jié)構布置 4.3.1 結(jié)構選型,結(jié)構選型涉及的內(nèi)容較多，應根據(jù)建筑的重要性、設防 烈度、房屋高度、場地、地基、基礎、材料和施工等因素， 通過技術、經(jīng)濟條件比較綜合確定。 1、結(jié)構材料的選擇 單從抗震角度考慮，作為一種好的結(jié)構形式，應具備下列性能： ①延性系數(shù)高； ②“強度／重力”比值大； ③勻質(zhì)性好； ④正交各向同性； ⑤構件的連接具有整體性、連續(xù)性和較好的延性，并能發(fā)揮材料的全部強度。,26,4.3.1 結(jié)構選型——續(xù),建筑結(jié)構類型，依其抗震性能優(yōu)劣而排列的順序是： ①鋼結(jié)構； ②型鋼混凝土結(jié)構； ③混凝土—鋼混合結(jié)構； ④現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構； ⑤預應力混凝土結(jié)構； ⑥裝配式鋼筋混凝土結(jié)構； ⑦配筋砌體結(jié)構； ⑧砌體結(jié)構等。,27,4.3.1 結(jié)構選型——續(xù),2、抗震結(jié)構體系的確定 抗震結(jié)構體系是抗震設計應考慮的關鍵問題，結(jié)構方案 的選取是否合理，對安全性和經(jīng)濟性起決定性作用。 《抗震規(guī)范》關于抗震結(jié)構體系，有下列要求： ① 應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑； ② 宜有多道抗震防線，應避免因部分結(jié)構或構件破壞而導致整個體系喪失抗震能力或?qū)χ亓Φ某休d能力； ③ 應具備必要的強度，良好的變形能力和耗能能力； ④ 宜具有合理的剛度和強度分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產(chǎn)生過大的應力集中或塑性變形集中；對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應采取措施提高抗震能力。,28,4.3.1 結(jié)構選型——續(xù),3. 在設計房屋之前，一般應首先了解場地和地基上及其卓越周期，調(diào)整結(jié)構剛度，避開共振周期。 4. 選擇結(jié)構體系時，要注意選擇合理的基礎形式。 對于軟弱地基宜選用樁基、筏片基礎或箱形基礎。 巖層高低起伏不均勻或有液化土層時最好采用樁基等。,29,4.3.2 結(jié)構布置的一般原則,1、平面布置力求對稱（質(zhì)量、剛度、強度） 對稱結(jié)構在地面平動作用下，水平地震力按構件剛度分配，因而各構件受力比較均勻。而非對稱結(jié)構，由于剛心偏在一邊，質(zhì)心與剛心不重合，遠離剛心的剛度較小構件 ，由于側(cè)移量很大，所分擔的水平地震剪力也顯著增大，甚至導致整個結(jié)構因一側(cè)構件失效而倒塌。,30,4.3.2 結(jié)構布置的一般原則——續(xù),最為典型的例子是1972年2月23日南美洲的馬那瓜地震。 馬那瓜有相距不遠的兩幢高層建筑，一幢為十五層高的中央銀行大廈，平面不規(guī)則，4個樓梯間偏置塔樓西端，西端有填充墻，破壞嚴重，震后拆除；另一幢為18層高的美洲銀行大廈，結(jié)構是均勻?qū)ΨQ的，基本的抗側(cè)力體系包括4個L形的筒體，對稱地由連梁連接起來，輕微損壞，稍加修理便恢復使用。當?shù)氐卣鹆叶裙烙嫗?度。,31,4.3.2 結(jié)構布置的一般原則——續(xù),當建筑層數(shù)很多時，上面各層偏心引起的扭轉(zhuǎn)效應對下層的積累，對下面幾層更不利。所以，進行結(jié)構布置時，除了要求各向?qū)ΨQ外，還希望能具有較大的抗扭剛度。因此，下圖 （a）、（b）所示的抗震墻沿房屋周邊布置的方案，就優(yōu)于（c）、（d）所示在房屋內(nèi)部布置的方案。,32,4.3.2 結(jié)構布置的一般原則——續(xù),2、豎向布置力求均勻 結(jié)構豎向布置的關鍵在于：盡可能使其豎向剛度、強度變化均勻，避免出現(xiàn)薄弱層，并應盡可能降低房屋的重心。 注意上剛下柔的結(jié)構的處理 由于商業(yè)的需要，結(jié)構底部幾層往往需要設置大空間，上部各層為全墻體系或框架一抗震墻體系，而底層或底部兩三層則為框架體系，整個結(jié)構屬“框托墻”體系。這便是工程上稱之為“框支剪力墻”或“底部框架”的結(jié)構。這種體系很不利于抗震，應保證下部結(jié)構的抗側(cè)剛度不能小于上部抗側(cè)剛度的一定比例。,33,4.3.2 結(jié)構布置的一般原則——續(xù),同一樓層的框架柱，應該具有大致相同的剛度、強度和延性，否則，地震時很容易因受力大小懸殊而被各個擊破。 在采用純框架結(jié)構的高層建筑中，如果將樓梯踏步斜梁和平臺梁直接與框架柱相連，就會使該柱變成短柱，地震時容易發(fā)生剪切破壞，應予避免或采取相關措施。,34,4.4 多道抗震防線 4.4.1 多道抗震防線的必要性,1、多道抗震防線的定義 ①一個抗震結(jié)構體系，應由若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結(jié)構構件連接起來協(xié)同工作，即分體系間的連接部件應有適當強度、較好延性和穩(wěn)定的滯回性能。 框架－抗震墻體系：由延性框架 和抗震墻兩個系統(tǒng)組成； 雙肢或多肢抗震墻體系：由若干 個單肢墻分系統(tǒng)組成； 框架體系：框架梁和框架柱；,,35,4.4.1 多道抗震防線的必要性——續(xù),抗震結(jié)構體系應有最大可能數(shù)量的內(nèi)部、外部贅余度（相當于超靜定次數(shù)，利用塑性變形的前提），有意識地建立起一系列分布的屈服區(qū)（塑性鉸區(qū)），以使結(jié)構能夠吸收和耗散大量的地震能量，一旦破壞也易于修復。,帶贅余桿件的耗能結(jié)構 (a)雙肢墻；(b)墻和框架；(c)并列斜撐；(d)芯筒和框架柱,36,4.4.1 多道抗震防線的必要性——續(xù),2、多道抗震防線的必要性： 多道抗震防線對抗震結(jié)構是必要的。強烈地震往往有一定的持續(xù)時間（幾秒～幾十秒），并且往往伴隨多次余震，結(jié)構在首次破壞后再遭余震，將會引起損傷累積，當?shù)谝坏婪谰€的抗側(cè)力構件在強烈地震襲擊下遭到破壞后，后備的第二道至第三道防線的抗側(cè)力構件立即接替，抵擋住后續(xù)的地震動的沖擊，可保證建筑物最低限度的安全，免于倒塌。 適當處理構件的強弱關系，將使其在強震作用下形成多道防線、是提高結(jié)構抗震性能、避免倒塌的有效措施。,37,4.4.2 第一道防線的構件選擇原則,地震的往復水平作用使結(jié)構遭到嚴重破壞、但結(jié)構的 最后倒塌是因為結(jié)構喪失了承受豎向荷載的能力，即倒塌 主要取決于豎向荷載。因此， 1、應優(yōu)先選擇不負擔或少負擔重力荷載的豎向支撐或填充墻，或選用軸壓比值較小的抗震墻、實體筒體之類構件，作為第一道抗震防線的抗側(cè)力構件；一般情況，不宜采用軸壓比很大的框架柱兼作第一道防線的抗側(cè)力構件。——不會發(fā)生結(jié)構倒塌。 2、如因條件有限，只能采用單一的框架體系，框架就成為整個體系中唯一的抗側(cè)力構件，此時應采用“強柱弱梁”型延性框架（即梁為第一道，柱為第二道）。,38,4.4.2 第一道防線的構件選擇原則——續(xù),框架破壞機制 強柱型框架如下圖左，在水平地震作用下，梁端首先出現(xiàn)塑性鉸，梁的屈服先于柱的屈服，行成梁鉸破壞機制。弱柱型框架如下圖右，在水平地震作用下，柱端首先出現(xiàn)塑性鉸，柱的屈服先于柱的屈服，行成柱鉸破壞機制。,39,4.4.2 第一道防線的構件選擇原則——續(xù),“強柱弱梁”延性框架 由于梁只承受一層或局部重力荷載，柱承受其上多層的總重力荷載；鋼筋端部錨固使梁具有懸索作用，只要鋼筋端部錨固未失效，懸索作用能維持樓面不立即坍塌。 故在強烈地震作用下，結(jié)構發(fā)生較大側(cè)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)梁鉸破壞機制，即塑性鉸應首先在梁上形成，盡可能避免在破壞后危害更大的柱上出現(xiàn)塑性鉸，實現(xiàn)“強柱弱梁”延性框架的抗震設計，利用梁的變形、破壞來消耗地震能量。,40,4.4.3 利用贅余構件增多抗震防線,贅余構件的作用 利用結(jié)構中增設的贅余桿件的屈服和變形，來耗散輸入的地震能量； 利用贅余桿件的破壞和退出工作，使整個結(jié)構從一種穩(wěn)定體系過渡到另一種穩(wěn)定體系，實現(xiàn)結(jié)構周期的變化，避開地震動卓越周期長時間持續(xù)作用所引起的共振效應；——對結(jié)構動力特性的適當控制，來減輕建筑物的破壞程度，經(jīng)濟。但要注意：太被動、而且不一定有效。,41,4.5 剛度、承載力和延性的匹配,基本概念 1、剛度—— 結(jié)構剛度是影響結(jié)構在設計地震作用下非結(jié)構構件性能、結(jié)構強度需求、以及彈塑性變形需求的一個關鍵設計參數(shù)。設計過程中的早期工作將是確定一個合理的剛度值，檢查典型樓層的層間位移和合理的結(jié)構周期。 結(jié)構剛度的分布關系到結(jié)構的內(nèi)力分配，某些部位剛度過大會導致該處的內(nèi)力（或應力）集中。 參數(shù)——K值、D值與EI、GA 、EA、L有關。 剛度大——自振周期T小，結(jié)構地震剪力大。（反應譜） 剛度小——結(jié)構彈性變形大、超過彈性變形限值。,42,4.5 剛度、承載力和延性的匹配——續(xù),2、強度—— 結(jié)構的強度應該以設防目標相符。合適的強度應該能夠避免結(jié)構在小震下產(chǎn)生破壞和在大震下出現(xiàn)超出結(jié)構變形能力的過大非線性變形。 在大地震下結(jié)構不存在強度的儲備，設計者要作的是保證結(jié)構的強度分布均勻，即結(jié)構實際強度的分布與地震作用的分布相一致，否則就會出現(xiàn)薄弱層。 參數(shù)——R：Mu、Vu、Nu。承載能力驗算。 3、延性——所謂延性，即結(jié)構、構件或材料承載能力無明顯降低前提下（不低于其極限承載力的85%）結(jié)構發(fā)生非彈性變形的能力，即屈服后能夠基本維持其屈服強度的非線性變形能力。延性是抗震設計中的一個無比重要的參數(shù)。 參數(shù)——Δu/ Δy。彈塑性變形驗算。,,43,4.5 剛度、承載力和延性的匹配——續(xù),抗震設計中沒有哪一個單一的設計參數(shù)可以控制不同部件抗震性能目標的要求。為了滿足不同部件的性能目標，甚至會產(chǎn)生不同設計參數(shù)之間的沖突。如結(jié)構的強度需求（地震產(chǎn)生的慣性力）和器物的加速度反應主要受結(jié)構構件的剛度所影響，為了滿足對應的性能要求往往希望結(jié)構具備較小的剛度，而為了控制非結(jié)構的破壞又往往希望有較大的剛度。 為滿足某一性能水平下建筑中的不同部件（結(jié)構、非結(jié)構和器物）對不同設計控制 參數(shù)的需求，抗震設計往往是一個不斷迭代、 相互妥協(xié)的過程，以尋找為滿足不同性能水平下不同建筑部件的性能目標對強度、剛度、延性需求的合理統(tǒng)一。必要的承載能力和良好的變形能力 的結(jié)合便使結(jié)構在地震作用下具有的耗能能力。,44,4.5.1 剛度與承載力,提高結(jié)構剛度： 優(yōu)點——可以減小結(jié)構側(cè)移、減輕地震災害損失； 缺點——結(jié)構剛度大、自振周期小、地震反應大、要求較高水平抵抗力、提高工程造價、降低結(jié)構延性。 例如：短柱——抗側(cè)移剛度大，但是受剪承載能力較小、剛 度和強度不匹配經(jīng)常造成嚴重的剪切破壞（斜裂縫）。 框架結(jié)構 抗側(cè)移剛度小、結(jié)構側(cè)移大，如果抗側(cè)移剛度不足（小震 作用下層間 側(cè)移角達到1/600以上、基本烈度下的層間側(cè) 移角超過1/200時），P- Δ效應將使梁柱等桿件截面產(chǎn)生較 大的次彎矩，進一步加大桿件截面 的內(nèi)力偏心距和局部壓 應力，應在承載能力驗算和構造措施上充分考 慮。此外， 框架側(cè)移很大時還可能發(fā)生附加側(cè)移與P-Δ效應相互促進 的惡性循環(huán)。,45,4.5.1 剛度與承載力——續(xù),框架-剪力墻結(jié)構 剪力墻的數(shù)量及厚度——剪力墻數(shù)量多、厚度大，剛度 （GA）大、自振周期短、地震作用大；剪力墻數(shù)量小、 厚度小，剛度小、自振周期長、地震作用小。 設計——根據(jù)建筑物重要性、建筑裝修等級和設防烈度高 低所確定的結(jié)構側(cè)移限值，來確定抗震墻的數(shù)量和厚度， 使建筑物具有盡可能長的自振周期紀最小的水平地震作用。通過試算確定。 剪力墻厚度厚度要適度，不能過厚，因為： 厚墻使建筑自振周期變短，水平地震作用增大； 很難使600mm后的RC剪力墻的延性達到一般結(jié)構所需要 的延性指標；而延性較低的RC墻體，在地震作用下發(fā)生 剪切破壞的可能性以及斜裂縫的開展寬度均增大； 厚墻開裂后的剛度退化幅度增大，由此引起的框架剪力增 加值加大。,46,4.5.1 剛度與承載力——續(xù),剪力墻結(jié)構 在保證結(jié)構變形小于限值、墻體壓曲穩(wěn)定的前提下、應 盡量減薄縱、橫墻體的厚度，或采用“主次結(jié)構”，加大 墻體的間距，減小墻體的數(shù)量，以降低結(jié)構抗側(cè)移剛 度，減小墻體的水平地震剪力和彎矩。 應通過恰當?shù)呐浣?，提高墻體抗主拉應力的強度。 對于層數(shù)較多的房屋，為防止墻體的水平施工縫在巨大 地震剪力作用下發(fā)生水平錯動，可在房屋下部幾層的水 平施工縫處配置一些斜向鋼筋； 鋼筋混凝土剪力墻的根部截面，當軸向壓應力較小，而 剪應力較大時，也應配置交叉斜筋，以提高其抗剪承載 能力，避免地震時出現(xiàn)剪切滑移。,47,4.5.2 剛度與延性,框架——由線形桿件組成并以其桿件抗彎能力來抵抗側(cè)力的構件，抗側(cè)移剛度小，通過合理配筋，可以具有較好的延性； 墻體——一種片狀構件，靠平面內(nèi)的抗剪、抗彎能力來抵 抗側(cè)力，由于高寬比較小，抗側(cè)移剛度較大，除彎曲變形外，剪切變形占有相當大的比重，因而延性較差。 豎向支撐——雖然也是由線形桿件所組成，但由于屬于軸力桿系，因而具有較大的抗側(cè)移剛度，但由于其中的受壓桿件容易發(fā)生側(cè)向撓曲，延性較差。,48,4.5.2 剛度與延性——續(xù),由框架和墻體或由框架和支撐所組成的雙重體系中，框架的剛度小，承擔的地震力小，而彈性極限變形值和延性系數(shù)卻較大；墻體或豎向支撐剛度大，承擔的地震力大， 而彈性變形值和延性系數(shù)卻較小。 整個結(jié)構在往復地震動的持續(xù)作用下，墻體或豎向支撐很快就超過自身的較小彈性極限變形值，墻體出現(xiàn)裂縫， 支撐發(fā)生桿件屈曲，水平抗力逐步降低；而此刻的結(jié)構層 間側(cè)移角還遠小于框架的彈性極限變形值，框架尚未充分 發(fā)揮其自身的水平抗力，這種由于體系中各抗側(cè)力構件的 剛度與延性不匹配，造成各構件不能同步協(xié)調(diào)的發(fā)揮水平抗力，出現(xiàn)先后破壞的各個擊破情況。所以，協(xié)調(diào)抗側(cè)力 體系中各構件的剛度與延性，使其相互匹配，是工程設計 中的一條重要設計原則。,49,4.5.3 結(jié)構不同部位的延性要求,1、結(jié)構的延性 結(jié)構延性含義 ① 結(jié)構總體延性：一般用結(jié)構的“頂點側(cè)移比”或結(jié)構的 “平均層間側(cè)移比”來表達； ② 結(jié)構樓層延性：以一個樓層的層間側(cè)移比來表達； ③ 構件延性：指整個結(jié)構中某一構件（一榀框架或一片墻體）的延性； ④ 桿件延性：指一個構件中某一桿件（框架中的梁或柱，墻片中的連梁或墻肢）的延性。,50,4.5.3 結(jié)構不同部位的延性要求——續(xù),2、延性設計的原則 在結(jié)構抗震設計中，對結(jié)構中重要構件的延性要求， 高于對結(jié)構總體的延性要求；對構件中關鍵桿件或部的延性要求，又高于對整個構件的延性要求。 實際工程中比較經(jīng)濟有效的辦法是，有選擇地重點提高結(jié)構中的重要構件以及某些構件中關鍵桿件或關鍵部位的延性。其原則是： ① 在結(jié)構的豎向，應該重點提高樓房中可能出現(xiàn)塑性變形集中的相對柔弱樓層的構件延性。 對于剛度沿高度均勻分布的簡單體型建筑，應著重提高底層構件延性；,51,4.5.3 結(jié)構不同部位的延性要求——續(xù),對于大底盤的高層建筑，應該著重提高主樓與裙房頂面向銜接的樓層中構件的延性； 對于其他不規(guī)則立面高層建筑，應著重加強體型突變處樓層構件延性； 對于框托墻體系、框支墻體系，應著重提高底層或底部幾層框架延性。 ② 在平面位置上，應該著重提高房屋周邊轉(zhuǎn)角處、平面突變處以及復雜平面各翼相接處的構件延性。對于偏心結(jié)構，應加大房屋周邊特別是 剛度較弱一端構件的延性。 ③ 對于具有多道抗震防線的抗側(cè)力體系，應著重提高第一道防線中構件的延性。在框架-剪力墻體系中，應重點提高抗震墻的延性；,52,4.5.3 結(jié)構不同部位的延性要求——續(xù),在筒中筒體系中，應重點提高實墻內(nèi)筒的延性。 在框架-剪力墻體系中，應重點提高抗震墻的延性； 在筒中筒體系中，應重點提高實墻內(nèi)筒的延性。 ④ 在同一構件中，應著重提高關鍵桿件的延性。 對于框架和框架筒體，應優(yōu)先提高柱的延性； 對于聯(lián)肢墻，應特別注意加大各層連梁的延性； 對于全墻體系中滿布窗洞的外墻（壁式框架）、應著重加 強提高窗間墻的延性； ⑤ 在同一桿件中，重點提高延性的部位應該是預期該構件地震時首先屈服的部位：例如梁的兩端、柱的上、下端、抗震墻墻肢的根部等。,53,4.5.4 改善構件延性的途徑,（1）控制構件的破壞形態(tài)：彎曲構件的延性遠大于剪切構件的延性，所以爭取更多的構件實現(xiàn)彎曲破壞——強剪弱彎設計原則；控制框架結(jié)構的破壞機制，使梁的彎曲破壞先于柱的彎曲破壞，稱為：“強柱弱梁”設計原則。 （2）減小構件的軸壓比（N/bchcfc） ：確定截面尺寸時應該控制軸壓比，柱的側(cè)移延性比隨著軸壓比的增大而急劇下降；在高軸壓比情況下，增加箍筋用量對提高柱延性比不再發(fā)揮作用。 （3）高強混凝土的應用：當高層建筑超過40層時，為了保證框架柱具有良好的延性，降低軸壓比，宜采用高強混凝土。不過設計中應該注意，采用高強混凝土時，還應適當降低剪壓比。,54,4.5.4 改善構件延性的途徑——續(xù),（4）鋼纖維混凝土的應用：鋼纖維混凝土是在普通混凝土中摻入少量（體摻率為1％～2％）亂向短鋼纖維形成的一種復合材料。鋼纖維混凝土具有較高的抗拉、抗裂和抗剪強度，良好的抗沖擊韌性和抗地震延性。 （5）型鋼混凝土的應用：型鋼鋼筋混凝土（SRC）結(jié)構是把型鋼（S）置入鋼筋混凝土（RC）中，使型鋼、鋼筋（縱筋和箍筋）、混凝土三種材料元件協(xié)同工作以抵抗各種外部作用效應的一種結(jié)構。SRC結(jié)構具有較大的強度、剛度、延性和抗震性能。,55,4.6 確保結(jié)構的整體性,地震作用下結(jié)構具有整體性作用是保證結(jié)構各部件在地震作用下協(xié)調(diào)工作的必要條件。 喪失整體性——整個結(jié)構變成機動構架倒塌；由于外圍構件平面外失穩(wěn)而倒塌。 結(jié)構構件之間的連接，應符合下列要求： 構件節(jié)點的破壞不應先于其連接的構件，保證節(jié)點的強度和延性，使節(jié)點的強度、連接、及錨固等強于構件； 預埋件的錨固破壞不應先于連接件； 裝配式結(jié)構構件的連接，應能保證結(jié)構的整體性； 預應力砼構件的預應力鋼筋，宜在節(jié)點核心區(qū)外錨固。,56,4.6 確保結(jié)構的整體性——續(xù),4.結(jié)構構件抗震要求 砌體結(jié)構應按規(guī)定設置RC圈梁和構造柱、芯柱，或采用配筋砌體； 混凝土結(jié)構構件應合理選擇尺寸、配置縱向受力鋼筋和箍 筋，避免剪切破壞先于彎曲破壞（強剪弱彎）、混凝土的 壓潰先于鋼筋的屈服、鋼筋的錨固破壞先于構件破壞（強錨固）； 預應力混凝土的抗側(cè)力構件，應配有足夠非預應力鋼筋； 鋼結(jié)構構件應合理控制尺寸，避免局部失穩(wěn)或整體失穩(wěn)。,57,4.7 非結(jié)構部件處理,非結(jié)構部件：是指在結(jié)構分析中不考慮承受重力荷載以及風、地震等側(cè)力荷載的部件（如內(nèi)隔墻、樓梯踏步板、框架填充墻、建筑外圍墻板等）和建筑附屬機電設備。在地震作用下，這些部件參與工作，可能改變整個結(jié)構或某些構件的剛度、承載力和傳力路線，產(chǎn)生出乎預料的抗震效果，或者造成未曾估計到的局部震害，因此自身及其與結(jié)構主體的連接，應進行抗震設計。,58,4.7.1 填充墻的影響,,1、對鋼筋混凝土框架體系的房屋，砌體填充墻對結(jié)構抗震性能的影響： （l）使結(jié)構抗惻移剛度增大，自振周期減短，增大作用于整個建筑上的水平地震力，增加幅度可達30％～50％。 （2）改變了結(jié)構的地震剪力分布狀況。由于砌體填充墻參與抗震，分擔了很大一部分水平地震剪力，反而使框架所承擔的樓層地震剪力減小。 （3）由于砌體填充墻具有較大的抗側(cè)移剛度，限制了框架的變形，從而減小了整個結(jié)構的地震側(cè)移幅值。 （4）相對于框架而言，砌體填充墻具有很大的初期剛度，建筑物遭受地震前幾個較大加速度脈沖時，填充墻承擔了大部分地震力，并用它自身的變形及墻面裂縫的出現(xiàn)和開展，消耗輸入建筑物的地震能量。,59,4.7.1 填充墻的影響——續(xù),2、框架柱的剪切破壞 采用鋼筋混凝土框架的建筑， 圍護墻采用磚砌填充墻時，由于 每開間墻面上均開有較寬的窗洞， 剩余的窗間墻很窄，由于窗裙墻 對框架柱的剛性約束，減短了柱 的有效長度，使它變成了短柱， 承擔的地震剪力大增，因而往往 發(fā)生剪切破壞。如圖所示。 預防措施：采用貼砌圍護墻方案或墻、柱柔性連接方案都是可行的途徑之一。,60,4.7.2 外墻板的連接,在高層建筑中，預制鋼筋混凝土墻板或加氣混凝土墻 板與主體結(jié)構的連接，有剛性方案和柔性方案兩種，應根 據(jù)以下3方面情況來確定： ① 結(jié)構抗震分析中是否要求外墻板參與受力； ② 結(jié)構抗側(cè)移剛度的大?。? ③ 抗震設防烈度的高低。 在全墻體系的“內(nèi)澆外掛”或裝配式大板的鋼筋混凝土高 層建筑中，外墻板與內(nèi)墻之間一般采用剛性連接——抗側(cè) 移剛度大、層間側(cè)移小、 外墻板的剛性方案在構造上能夠 滿足變形要求，連接可靠參與抗震是可行的。,61,本章結(jié)束！,62,