建筑结构抗震设计基本知识.docx
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建筑结构抗震设计基本知识
单元21 建筑结构抗震设计基本知识
学习目标】
1、能够对抗震的基本概念、抗震设防目标和抗震设计的基本要求知识点掌握。
2、能够具备砌体结构房屋和钢筋混凝土框架房屋、框架剪力墙结构、剪力墙结构房屋的抗震设计要点，从而为识读平法03G101-1混凝土结构施工图中抗震部分打下基础。
【知识点】
构造地震；地震波；震级；烈度；抗震设防；抗震设计的基本要求；钢筋混凝土框架房屋的抗震规定。
【工作任务】
任务1 建筑结构抗震设计基本知识
【教学设计】通过带领学生观看地震灾害照片，让学生对抗震设计的必要性有一个清楚的认识，从而为识读平法03G101-1混凝土结构施工图中抗震部分打下基础，为今后识读结构施工图、胜任施工员岗位打下基础。
21.1地震基本知识
21.1.1地震
21.1.1.1构造地震
地震是由于某种原因引起的地面强烈运动（见图21-1）。
是一种自然现象，依其成因，可分为三种类型：
火山地震、塌陷地震、构造地震。
由于火山爆发，地下岩浆迅猛冲出地面时引起的地面运动，称为火山地震。
此类地震释放能量小，相对而言，影响范围和造成的破坏程度均比较小；由于石灰岩层地下溶洞或古旧矿坑的大规模崩塌引起的地面震动，称为塌陷地震。
此类地震不仅能量小，数量也小，震源极浅，影响范围和造成的破坏程度均较小；由于地壳构造运动推挤岩层，使某处地下岩层的薄弱部位突然发生断裂、错动而引起地面运动，称为构造地震；构造地震的破坏性强影响面广，而且频繁发生，约占破坏性地震总量度的95％以上。
因此，在建筑抗震设计中，仅限于讨论在构造地震作用下建筑的设防问题（见图21-2）。
地壳深处发生岩层断裂、错动的部位称为震源（见图21-3）。
这个部位不是一个点，而是有一定深度和范围的体。
震源正上方的地面位置叫震中。
震中附近地面震动最厉害，也是破坏最严重的地区，称为震中区。
地面某处至震中的水平距离称为震中距。
把地面上破坏程度相似的点连成的曲线叫做等震线。
震中至震源的垂直距离称为震源深度。
根据震源深度不同，可将构造地震分为浅源地震（震源深度不大于60km），中源地震（震源深度60～300km），深源地震（震源深度大于300km）三种。
我国发生的绝大部分（地震都属于浅源地震，一般深度为5～40km）。
浅源地震造成的危害最大。
如唐山大地震的断裂岩层深约1lkm，属于浅源地震，发震构造裂缝带总长8km多，展布范围30m，穿过唐山市区东南部，这里就是震中，市内铁路两侧47km的区域属于极震区。
21.1.1.2地震波
当地球的岩层突然断裂时，岩层积累的变形能突然释放，这种地震能量一部分转化为热能，一部分以波的形式向四周传播。
这种传播地震能量的波就是地震波。
总之，地震波的传播以纵波最快，横波次之，面波最慢。
在离震中较远的地方，一般先出现纵波造成房屋的上下颠簸，然后才出现横波和面波造成房屋的左右摇晃和扭动。
在震中区，由于震源机制的原因栅地面扰动的复杂性，上述三种波的波列：
几乎是难以区分的。
图21-3地震波示意图
21.1.1.3震级
震级是按照地震本身强度而定的等级标度，用以衡量某次地震的大小，用符号M表示。
震级的大小是地震释放能量多少的尺度，也是表示地震规模的指标，其数值是根据地震仪记录到的地震波图来确定的。
一次地震只有一个震级。
目前国际上比较通用的是里氏震级。
它是以标准地震仪在距震中100km处记录下来的最大水子地动位移（即振幅A，以“μm”计）的常用对数值来表示该次地震的震级，其表达式如下：
M=lgA一般说来，M<2的地震人是感觉不到的，称为无感地震威微震；M=2～5的地震称为有感地震；M>5的地震，对建筑物要引起不同程度的破坏，统称为破坏性地震；M>7的地震称为强烈地震或夫地震；M>8的地震称为特大地震。
21.1.1.4 烈度
21.1.1.4.1地震烈度
地震烈度是指某地区的地面及建筑物遭受到一次地震影响的强弱程度，用符号I表示。
对于一次地震，表示地震大小的震级只有一个，但它对不同地点的影响是不一样的。
一般说，距震中愈远，地震影响愈小，烈度就愈低；反之，距震中愈近，烈度就愈高。
此外，地震烈度还与地震大小、震源深度、、地震传播介愿、丧土性质、建筑物动力特性、施工质量等许多、因素有关。
为评定地震烈度，需要建立一个标准，这个标准就称为地震烈度表。
它是以描述震誊宏观现象为主并参考地面运动参数，即根据建筑物的损坏程度,地貌变化特征，地震时人的感觉，家具动作反应和地面运动加速度峰值、速度峰值等方面进行区分。
目前国际上普遍采用的是划分为12度的地震烈度表。
21.1.1.4.2多遇烈度、基本烈度、罕遇烈度
近年来，根据我国，华北、西北和西南地区地震发生概率的统计分析，同时，为了工程设计需要作了如下定义：
50年内超越概率为63．2％地震烈度为多遇烈度，重现期为50年，并称这种地震影响为多遇地震或小震；50年超越概率为10％的烈度即1990中国地震烈度区划图规定的地震基本烈度或新修订的中国地震动参数区划图规定的峰值加速度所对应的烈度为基本烈度，重现期为475年，并称这种地震影响为设防烈度地震或基本地震；对50年超越概率为2％～3％的烈度为罕遇烈度，重现期平均约2000年，其地震影响为罕遇地震或大震。
21.1.1.4.3抗震设防烈度、设计地震分组
为了进行建筑结构的抗震设防，按国家规定的权限批准审定作为一个地区抗震设防依据的地震烈度，称为抗震设舫烈度。
一般情况下，抗震设防烈度可采用中国地震动参数区划图的地震基本烈度。
抗震设计时，对同样场地条件、同样烈度的地震，按震源机制、震级大小和远近区别对待是必要的，《建筑抗震设计规范》（GB50011—2001）（以下简称《抗震规范》）将设计地震分为三组。
我国主要城镇（县级及县级以上城镇）中心地区的抗震设防烈度、设计基本地震加速度值和所属的设计地震分组见《抗震规范》附录A。
21.1.1.4.4抗震设防
抗震设防的一般目标
抗震设防是指对房屋进行抗震设计和采取抗震措施，来达到抗震的效果。
抗震设防的依据是抗震设防烈度。
结合我国的具体的情况，《抗震规范》提出了"三水准”的抗震设防目标。
第一水准——小震不坏 当遭受低于：
本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，建筑物二般不受损坏或不需修理仍可继续使用。
第二水准——中震可修 当遭受到相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，建筑物可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。
第三水准——大震不倒 当遭受到高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。
21.1.2抗震设计的基本要求
21.1.2.1选择对抗震有利的场地、地基和基础
21.1.2.2选择有利于抗震的平面和立面布置
21.1.2.3选择技术上、经济上合理的抗震结构体系
21.1.2.4抗震结构的构件应有利于抗震
21.1.2.5保证结构整体性，并使结构和连接部位具有较好的延性
21.1.2.6非结构构件应有可靠的连接和锚固
21.1.2.7注意材料的选择和施工质量
【工学结合】通过多媒体教学，参观我国唐山、汶川大地震照片，增强学生的爱国主义精神，用自己的实际行动，好好学习，能够对地震的基本知识进行了解。
21.2抗震设计的基本要求
21.2.1地基和基础抗震措施
21.2.1.1地基抗震措施
可液化地基、容易产生震陷的软弱黏性土地基和严重不均匀地基，属于对建筑抗震不利的地基，应分别采取不同的抗震措施，来提高它们的抗震能力。
在地下水位以下的松散的饱和砂土和饱和粉土，在受到地震作用时，土颗粒间有压密的趋势，使土中孔隙水压力增高，当孔隙水来不及排出时。
，将致使土颗粒处于悬浮状态，形成有如“液体”一样的现象，称为液化。
饱和砂土和饱和粉土在静载作用下，具有一定的承载能力，但在强烈地震作用下容易产生液化现象，土体的抗剪强度几乎为零，地基承载力完全丧失。
建筑物如同处于液体之上，造成下陷、浮起、倾倒、开裂等难以修复的破坏。
地震宏观调查表明，影影响液化的因素主要是地质年代、土中黏粒含量、上覆非液化土层厚度和地下水位、土的密实度及地震烈度。
建筑抗震以预防为主。
当建筑物地面似下5m范围内有饱和砂土或饱和粉土（不含黄土）时，应经过勘察试验进行液化判别。
存在液化土层的地基，应根据建筑的抗震设防类别，地基的液化等级，结合具体情况采取相应的措施。
抗液化措施分为以下三种情况：
21.2.1.1.1全部消除地基液化沉陷的措施
（1）采用桩基时，桩端伸人液化深度以下稳定土层中的长度<不包括桩尖部分），应按计算确定，且对碎石土，砾、粗、中砂，坚硬粘性土和密实粉土尚不应小于O.5m，对其他非岩石土尚不宜小于1．5m；
（2）采用深基础时，基础底面应埋入液化深度以下稳定土层中的深度，不应小于0.5m；
（3）采用加密法（如振冲，振动加密，挤密碎石桩，强夯等），加固时，应处理至液化深度下界，振冲或挤密碎石桩加固后，桩尖土的标准贯入锤击数的实测值，应大于相应的临界值；
（4）用非液化土替换全部液化土层。
对一般建筑此措施不经济。
21.2.1.1.2部分消除地基液化沉陷的措施
即处理深度不一定达到液化下界而残留部分未经处理的液化土层。
从我国目前的技术、经济发展水平来看，此措施较合适。
具体要求是：
（1）处理深度应使处理后的地基液化指数减少，当判别深度为15m时，其值不宜大于4，当判别深度为20m时，其值不宜大于5；对独立基础与条形基础，尚不应小于基础底面下液化土特征深度和基础宽度的较大值；
（2）处理深度范围内，采用振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯人锤击数的实测值，应大于相应的临界值。
（3）对基础结构和上部结构采取构造措施。
21.2.1.2钢筋混凝土房屋抗震构造措施
21.2.1.2.1抗震设计一般规定
1.钢筋混凝土房屋适用的最大高度及高宽比限值
现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度，甲类建筑应进行专门研究；乙类、丙类建筑可按附表采用，但平面和竖向均不规则的结构或建造于Ⅳ类场地的结构，适用的最大高度一般应降低20%左右。
超过表内高度的房屋，应进行专门研究和论证，采取有效的加强措施。
结构高宽比系指房屋高度与结构平面最小投影宽度的比值。
高层建筑的高宽比不宜超过下表的限值，当超过时，结构设计应有可靠依据，并采取有效措施。
表21-1 现浇钢筋混凝土房屋高宽比限值
结构类型
设防烈度
6度
7度
8度
9度
框架结构
4
4
3
2
框架-抗震墙结构
5
5
4
3
注：
“抗震墙”即剪力墙。
2.现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级
同样烈度下不同结构体系、不同高度的建筑有不同的抗震要求，因此，钢筋混凝土结构的抗震措施，不仅要按建筑抗震设防类别区别对待，而且要根据抗震等级不同而异。
钢筋混凝土房屋的抗震等级根据烈度、结构类型和房屋高度确定。
按建筑类别和场地调整后用于确定抗震等级的烈度见表。
3.防震缝与抗撞墙
框架-抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用框架结构规定数值的70％，且不宜小于70mm。
防震缝宽度不够，相邻结构仍可能局部碰撞而损坏，而防震缝过宽会给建筑处理造成困难，故高层建筑宜选用合理的建筑结构方案，不设防震缝。
对8、9度框架结构房屋，当防震缝两侧结构高度、刚度或层高相差较大时，可在缝两侧房屋的尽端沿全高设置垂直于防震缝的抗撞墙，每一侧抗撞墙的数量不应少于2道，宜分别对称布置，墙肢长度可不大于一个柱距，防震缝两侧抗撞墙的端柱和框架的边柱，箍筋应沿房屋全高加密。
表21-2 现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级
结构类型
烈 度
6
7
8
9
框架结构
高度（m）
≤30
＞30
≤30
＞30
≤30
＞30
≤25
框 架
四
三
三
二
二
一
一
剧场、体育馆等大跨度公共建筑
三
二
一
一
框架-抗震墙结构
高度（m）
≤60
＞60
≤60
＞60
≤60
＞60
≤50
框 架
四
三
三
二
二
一
一
抗震墙
三
二
一
一
注：
1.接近或等于高度分界时，应允许结合房屋不规则程度及场地、地基条件确定抗震等级；
2.表中“框架结构”和“框架”具有不同的含义。
前者指纯框架结构，后者泛指框架结构和框架-抗震墙等结构体系中的框架部分。
表21-3 用于确定抗震等级的烈度
建筑类别
场地
设防烈度
6
7
8
9
甲、乙类
Ⅰ
6
7
8
9
Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ
7
8
9
9+
丙类
Ⅰ
6
6
7
8
Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ
6
7
8
9
丁类
Ⅰ
6
6
7
8
Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ
6
7-
8-
9-
注：
7-、8-、9-表示该抗震等级的抗震构造措施可以适当降低，9+表示比9度一级更有效的抗震措施。
4.楼盖及屋盖
房屋高度超过50m时，框架-抗震墙结构应采用现浇楼盖结构，框架结构宜采用现浇楼盖结构。
房屋高度不超过50m时，楼盖结构应符合下列要求：
（1）8、9度框架-抗震墙结构宜采用现浇楼盖结构；
（2）6、7度框架-抗震墙结构可采用装配整体式楼盖结构，但应每层设置钢筋混凝土现浇层。
现浇层厚度不应小于50mm，混凝土强度等级不应低于C20，但也不宜高于C40，并应双向配置直径6~8mm，间距150~200mm的钢筋网，钢筋应锚固在剪力墙内。
楼盖的预制板缝宽度不宜小于40mm。
板缝大于40mm时应在板缝内配置钢筋。
（3）框架结构可采用装配式楼盖，但应采取措施保证楼盖的整体性及其与框架梁的可靠连接。
框架-抗震墙结构中，抗震墙之间无大洞口的楼、屋盖的长宽比，不宜超过下表的规定，否则，应考虑楼盖平面内变形的影响。
表21-4 抗震墙之间楼、屋盖长宽比
楼、屋盖类别
烈 度
6、7度
8度
9度
现浇或叠合梁板
4.0
3.0
2.0
装配式楼盖
3.0
2.5
不宜采用
5.结构布置
（1）框架结构和框架-抗震墙结构中，框架和抗震墙均应双向设置，柱中线与抗震墙中线、梁中线与柱中线之间偏心距不宜大于柱宽的1/4。
（2）框架-抗震墙结构中的抗震墙设置，宜符合下列要求：
1）抗震墙宜贯通房屋全高，且横向与纵向的抗震墙宜相连；
2）抗震墙宜设置在墙面不需要开大洞口的位置；
3）房屋较长时，刚度较大的纵向抗震墙不宜设置在房屋的端开间；
4）抗震墙洞口宜上下对齐，洞边距端柱不宜小于300mm；
5）一、二级抗震墙的洞口连梁，跨高比不宜大于5，且梁截面高度不宜小于400mm。
（3）框架单独柱基有下列情况之一时，宜沿两个主轴方向设置基础系梁：
1）一级框架和Ⅳ类场地的二级框架；
2）各柱基承受的重力荷载代表值差别较大；
3）基础埋置较深，或各基础埋置深度差别较大；
4）地基主要受力层范围内存在软弱粘性土层、液化土层和严重不均匀土层；
5）桩基承台之间。
（4）地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，应避免在地下室顶板开设大洞口，并应采用现浇梁板结构，其楼板厚度不宜小于180mm，混凝土强度等级不宜小于C30，应采用双层双向配筋，且每层每个方向的配筋率不宜小于0.25％；地下室结构的楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的2倍，地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积，不应少于地上一层对应柱每侧纵筋面积的1.1倍。
（5）框架的砌体填充墙应具有自身稳定性，并应符合下列要求：
1）填充墙在平面和竖向的布置宜均匀对称，宜避免形成薄弱层和短柱；
2）砌体的砂浆强度等级不应低于M5，墙顶应与框架梁密切结合；
3）填充墙应沿框架柱全高每隔500mm设2Φ6拉筋，其伸入墙内的长度，6、7度时不应小于墙长的1/5，且不小于700mm，8、9度时宜沿墙全长贯通。
4）墙长大于5m时，墙顶与梁（板）宜有钢筋拉结；墙长超过层高的2倍时，宜设置钢筋混凝土构造柱；墙高超过4m时，墙体半高处（或门洞上皮）宜设置与柱连接且沿墙全长贯通的钢筋混凝土水平系梁。
（6）.结构材料
抗震结构宜采用较高强度的混凝土，以减小梁柱剪压比和柱、剪力墙肢轴压比。
规范规定，一级框架梁、柱、节点，混凝土强度等级不应低C30，其他各类结构构件的混凝土强度等级不应低于C20。
但混凝土强度等级也不宜过高，规范规定，设防烈度为9度时不宜超过C60，8度时不宜超过C70。
为保证结构的延性，结构构件中的钢筋应选用有屈服点的钢筋。
普通纵向受力钢筋宜选用HRB400、HRB335级钢筋，箍筋宜选用HRB335、HRB400、HPB235级钢筋。
7.钢筋的锚固和接头
纵向受拉钢筋的抗震锚固长度laE应按下式计算：
laE=ηla
式中η——系数，一、二级抗震等级取1.15，三级取1.05，四级取1.0；
la——纵向受拉钢筋的锚固长度。
现浇钢筋混凝土框架梁、柱的纵向受力钢筋的连接方法，一、二级框架柱的各部位及三级框架柱的底层宜采用机械连接接头，也可采用绑扎搭接或焊接接头；三级框架柱的其他部位和四级框架柱可采用绑扎搭接或焊接接头。
一级框架梁宜采用机械连接接头，二、三、四级框架梁可采用绑扎搭接或焊接接头。
焊接或绑扎接头均不宜位于构件最大弯矩处，且宜避开梁端、柱端的箍筋加密区。
当无法避免时，应采用机械连接接头，且钢筋接头面积百分率不应超过50%。
当采用绑扎搭接接头时，其搭接长度不应小于下式的计
llE=ζlaE
llE——抗震设计时受拉钢筋的搭接长度；
ζ——受拉钢筋搭接长度修正值。
箍筋末端应作135゜的弯钩，弯钩的平直部份的长度不应小于10d（d为箍筋直径），高层建筑中尚不应小于75mm，。
在纵向受力钢筋搭接长度范围内的箍筋直径不应小于搭接钢筋较大直径的0.25倍，间距不应大于搭接钢筋较小直径的5倍，且不应大于100mm。
21.2.1.2.2框架结构抗震构造措施
1.现浇框架梁
（1）框架梁的截面
普通框架梁的截面尺寸要求见钢筋混凝土。
采用扁梁时，楼板应现浇，梁中线宜与柱中线重合，扁梁应双向布置。
一级框架结构不宜采用扁梁。
（2）梁纵向钢筋配置构造
1）梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5％。
2）梁端截面的底面和顶面纵向钢筋配筋量的比值，一级不应小于0.5，二、三级不应小于0.3。
3）沿梁全长顶面和底面的配筋，一、二级不应少于2Φ14，且分别不应少于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面面积的1/4，三、四级不应少于2Φ12。
4）一、二级框架梁内贯通中柱的每根纵向钢筋直径，对矩形截面柱，不宜大于柱在该方向截面尺寸的1/20；对圆形截面柱，不宜大于纵向钢筋所在位置柱截面弦长的1/20。
（3）梁端箍筋构造
1）梁端箍筋加密区的长度、箍筋最大间距和最小直径应按下表采用，当梁端纵向受拉钢筋配筋率大于2％时，表中箍筋最小直径数值应增大2mm。
表21-5 梁端箍筋加密区的长度、箍筋的最大间距和最小直径
抗震等级
加密区长度（取较大值）（mm）
箍筋最大间距（取最小值）（mm）
箍筋最小直径（mm）
一
2hb，500
hb/4，6d，100
10
二
1.5hb，500
hb/4，8d，100
8
三
1.5hb，500
hb/4，8d，150
8
四
1.5hb，500
hb/4，8d，150
6
注：
d为纵向钢筋直径，hb为梁截面高度。
2）加密区的箍筋肢距，一级不宜大于200mm，也不宜大于20d；二、三级不宜大于250mm，也不宜大于20d；四级不宜大于300mm。
其中d为箍筋直径。
2.现浇框架柱
（1）框架柱的截面
框架柱的截面宽度和高度均不宜小于300mm，圆形直径不宜小于350mm；剪跨比λ宜大于2；截面长边与短边的边长之比不宜大于3。
其中λ=Hn/（2h0），Hn为柱净高，h0为柱截面有效高度。
（2）柱轴压比
轴压比μN是指柱的组合轴压力设计值N与柱的全截面面积A和混凝土轴心抗压强度设计值fc乘积之比值，μN=N/（fcA）。
它是影响柱的破坏形态（大偏心受压破坏或小偏心受压破坏）和变形能力的重要因素。
为了保证框架柱有一定延性，其轴压比不宜超过下表的规定，并不应大于1.05。
建造于Ⅳ类场地且较高的高层建筑，柱轴压比限值应适当减少。
（3）柱纵向钢筋配置构造
柱纵向钢筋宜对称配置。
截面尺寸大于400mm的柱，纵向钢筋间距不宜大于200mm。
柱总配筋率不应大于5％。
一级且剪跨比不大于2的柱，每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1.2％。
边柱、角柱及抗震墙端柱在地震作用组合产生小偏心受拉时，柱内纵筋总截面面积应比计算值增加25％。
柱纵向钢筋的最小总配筋率应按下表采用，同时每一侧配筋率不应小于0.2％。
表21-6 柱轴压比限值
结 构 类 型
抗 震 等 级
一
二
三
框 架 结 构
0.7
0.8
0.9
框架-抗震墙
0.75
0.85
0.95
注：
1.表内限值适用于剪跨比大于2，混凝土强度等级不高于C60的柱；剪跨比不大于2的柱轴压比限值应降低0.05；剪跨比小于1.5的柱，轴压比限值应专门研究并采取特殊构造要求。
2.沿柱全高采用井字复合箍且箍筋肢距不大于200mm、间距不大于100mm、直径不小于12mm，或沿柱全高采用复合螺旋箍，螺旋间
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