第4章 建筑抗震概念设计.docx

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第4章建筑抗震概念设计

第4章建筑抗震概念设计

抗震概念设计：

⏹“概念设计”是根据实际的经验或试验研究所得到的非常重要的定性设计原则或工程判断进行设计。

⏹是关于设计思想，设计原则，结构体系等方面内容。

⏹包括:

场地选择，建筑平立面造型，结构体系的选择，非结构构件的处理，材料的选用等。

⏹由于对地震作用及结构性能的了解还远远不够，在某种意义上，概念设计比计算设计更重要。

4.1关于场地和基础的概念问题

1、场地

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。

有利地段：

坚硬土或开阔平坦密实均匀的中硬土场地。

不利地段：

软弱土、液化土、高耸孤立的山丘、陡坡、边

坡、不均匀的土层场地等。

危险地段：

地震时可能滑坡、崩溃、地陷、泥石流等。

发

震断裂带附近、局部孤突的地形。

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。

（3）、同一结构单元的基础不宜部分采用天然地基，部分采用桩基。

（4）、软弱地基上的基础应加强其整体性和刚性。

4.2建筑的平立面布置

1.建筑平面布置

建筑物的平、立面布置宜规则、对称，质量和刚度变化均匀，避免楼层错层。

高层建筑平面尺寸限值

设防烈度

l/B

l/Bmax

l/b

l’/Bmax

6、7度

<=6

<=5

<=2

>=1

8、9度

<=5

<=4

<=1.5

>=1

2.建筑立面布置

建筑的质量、刚度的变化要均匀（竖向）防止出现：

竖向收进过大

符合B1／B＞0．75要求的建筑物，可以认为是竖向较规则的建筑物。

3.房屋的总高度

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。

《抗震规范》和《高层规程》，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。

4.房屋的高宽比

对房屋高宽比的要求是按结构体系和地震烈度区分的.

5、必要时设置防震缝

当建筑的类型、体系、体型较复杂时，宜设置防震缝。

要保证缝有足够的宽度，用缝分割的单元为独立的简单结构单元。

对于钢筋混凝土结构房屋的防震缝最小宽度，一般情况下，应符合《抗震规范》所作的如下规定：

①框架房屋和框架一抗震墙房屋，当高度不超过15m时，可采用70mm；当高度超过15m时，6度、7度、8度和9度相应每增高5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm；

②抗震墙房屋的防震缝宽度，可采用第①条数值的70％。

对于多层砌体结构房屋，在8度和9度且有下列情况之一时宜设置防震缝，缝两侧均应设置墙体，缝宽可采用50～100mm;

①房屋立面高差在6m以上；

②房屋有错层，且楼板高差较大；

③各部分结构刚度、质量截然不同。

作业：

钢筋混凝土房屋的防震缝最小宽度是多少？

4.3结构选型与结构布置

一、结构选型

1、结构性能的选择

单从抗震角度考虑，作为一种好的结构形式，应具备下列性能：

①延性系数高；

②“强度／重力”比值大；

③匀质性好；

④正交各向同性；

⑤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。

2、结构形式依其抗震性能优劣而排列的顺序是：

①钢结构；

②型钢混凝土结构；

③混凝土-钢混合结构；

④现浇钢筋混凝土结构；

⑤预应力混凝土结构；

⑥装配式钢筋混凝土结构；

⑦配筋砌体结构；

⑧砌体结构等。

3、依据对抗震结构体系的一般要求，如何提高砌体结构的抗震能力？

抗震要求结构具有的性质：

①延性系数高；

②“强度／重力”比值大；

③匀质性好；

④正交各向同性；

⑤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。

采取的措施：

加设构造柱和圈梁是提高砌体结构房屋抗震能力的有效途径。

作业：

圈梁的主要作用有哪些？

4、抗震结构体系的确定

《抗震规范》关于抗震结构体系，有下列各项要求：

①应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；

②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；

③应具备必要的强度，良好的变形能力和耗能能力；

④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。

二、结构布置的一般原则

1、平面布置力求对称。

（质量，刚度，强度）

典型案例

马那瓜中央银行

马那瓜美洲银行林同炎设计

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。

（1）注意上刚下柔的结构的处理

框支剪力墙、底部框架

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。

（2）同一楼层的框架柱，应该具有大致相同的刚度、强度和延性

（3）、框架结构防止短柱的出现

4.4多道抗震防线

抗震结构除了承担水平地震作用外，更重要的是承担竖向荷载作用。

一旦竖向承载能力不足，就会导致建筑的倒塌。

1、多道抗震防线的意义

①一个抗震结构体系，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。

如框架-抗震墙体系是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。

②抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部赘余度，有意识地建立起一系列分布的屈服区，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。

2、多道防线举例：

（1）框架抗震墙结构

（2）双肢剪力墙结构

（3）框架--筒体结构

（4）框架结构破坏机制：

梁铰机制；柱铰机制。

作业：

框架结构的哪种破坏机制有利于抗震？

为什么？

你认为怎样才能保证该破坏机制。

（5）框架--支撑结构

4.5刚度、承载力和延性的匹配

一、结构刚度的分布：

关系到结构的内力分配，某些部位刚度过大会导致该处的内力（或应力）集中。

二、承载力分布：

在大地震下结构不存在强度的储备。

设计者要作的是保证结构的强度分布均匀。

即结构实际强度的分布与地震作用的分布相一致。

否则就会出现薄弱层。

三、必要的强度、延性、耗能能力。

四、延性的概念

1、结构的延性定义为：

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”比较认同的指标是，不低于其极限承载力的85％。

2、在结构抗震设计中，“结构延性”这个术语实际上有以下5层含义：

①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”来表达；

②结构楼层延性：

以一个楼层的层间侧移比来表达；

③构件延性：

指整个结构中某一构件（一根框架或一片墙体）的延性；

④杆件延性：

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。

⑤杆件截面的延性。

3、延性设计的原则

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。

比较经济有效的办法是，有选择地重点提高结构中的重要构件以及某些构件中关键杆件或关键部位的延性。

其原则是：

（1）在结构的竖向，应该重点提高楼房中可能出现塑性变形集中的相对柔弱楼层的构件延性。

（一般是底层）

（2）在平面位置上，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的构件延性。

对于偏心结构，应加大房屋周边特别是刚度较弱一端构件的延性。

（3）对于具有多道抗震防线的抗侧力体系，应着重提高第一道防线中构件的延性。

（4）在同一构件中，应着重提高关键杆件的延性。

例如，对于框架和框架筒体，应优先提高柱的延性；对于联肢墙，应特别注意加大各层窗裙梁的延性；

（5）在同一杆件中，重点提高延性的部位应该是预期该构件地震时首先屈服的部位。

例如梁的两端、柱的上下端、抗震墙墙肢的根部等。

4、改善构件及结构延性的途径

（1）控制构件的破坏形态

弯曲破坏的延性远远大于剪切破坏的延性。

称为：

“强剪弱弯”设计原则

（2）控制框架结构的破坏机制

使梁的弯曲破坏先于柱的弯曲破坏。

称为：

“强柱弱梁”设计原则

（3）结构构件破坏与节点破坏的关系

使构件的破坏先于节点的破坏。

称为：

“强节点弱构件”设计原则

（4）避免构件的锚固破坏

称为：

“强锚固”设计原则。

（5）减小杆件轴压比（N/bchcfc）

轴压比是影响钢筋混凝土柱延性的一个关键性因素。

（6）高强混凝土的应用范围

规范规定：

9度时不宜超过C60，8度时不宜超过C70。

（7）钢纤维混凝土的应用

良好的抗冲击韧性和抗地震延性。

（8）型钢混凝土的应用

五、变形能力和耗能能力

⏹只有强度无较好的耐受变形的能力，在地震作用下很容易发生脆性破坏。

⏹只有变形能力，而抗侧强度和刚度不足，在较小的地震下就会产生较大的变形。

⏹耗能能力：

抗侧强度变形能力

⏹抗震的有效措施：

提高抗水平作用强度+提高变形能力

例如：

砖砌体结构加构造柱和圈梁

框架结构加剪力墙或支撑

4.6确保结构的整体性

⏹结构具有连续性，避免散架。

⏹加强结构构件的延性，避免脆性破坏。

⏹保证结构的节点的强度和延性，使节点的强度、连接、及锚固等强于构件。

4.7非结构部件处理

1、如隔墙、雨棚、挑檐、广告牌等应加强锚固和连接，

防止倒塌。

2、围护墙、填充墙的连接。

⏹刚度的重新分布问题：

填充墙的刚度大，布置时应注意刚度的均匀。

⏹短柱的出现问题：

4.8材料采用和施工质量问题

⏹砖的强度等级不低于MU10，砂浆的强度等级不低于M5。

⏹砼的强度等级：

一级框架不低于C30，其他不低于C20。

⏹纵向钢筋宜为HRB400、HRB335级，箍筋宜为HRB335、HRB400、HPB235级钢筋。