建筑结构抗震设计04

建筑结构抗震设计Seismicdesignofbuildings主讲：张美霞中国地质大学（武汉）工程学院土木系第4章建筑抗震概念设计4.1场地选择4.2建筑的平立面布置4.3结构选型与结构布置4.4多道抗震防线4.5刚度、承载力和延性的匹配4.6确保结构的整体性4.7非结构部件处理基本概念1、计算设计（Numericaldesign）：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。基本概念——续2、概念设计（Conceptualdesign）：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。•即根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想正确地解决建筑和结构的总体方案、结构布置、材料使用和细部构造等，以便达到合理抗震设计的目的。•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。基本概念——续抗震概念设计的思路：•在工程设计一开始，把握好能量输入、房屋体型、结构体系、刚度分布、构件延性等几个主要方面，从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节。•辅以必要的计算和构造措施，有可能使房屋建筑具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。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场地选择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。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。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。4.2建筑的平立面布置一幢房屋的动力性能基本上取决于它的建筑布局和结构布置。建筑布局简单合理，结构布置符合抗震原则，就能从根本上保证房屋具有良好的耐震性能。•《抗震规范》3.4.1条规定：建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。•3.4.2条规定：建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减少，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。4.2.1建筑平面布置1、建筑平面形状1）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；2）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。3）有较长翼缘的L形、T形、十字形、U形、H形、Y形平面也不宜采用。这些平面的较长翼缘，地震时容易因发生差异侧移而加重震害。4.2.1建筑平面布置——续2、平面不规则的类型：《规范》3.4.2规定：1）扭转不规则：楼层的最大弹性水平位移（或层间位移）大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍。2）凹凸不规则：结构平面凹进的一侧尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%。3）楼板局部不连续：楼板的尺寸和平面刚度急剧变化。例如：开洞面积大于该楼层面积的30%，或较大的楼层错层，或有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%。4.2.1建筑平面布置——续3、高层建筑平面尺寸限值《高层规程》对地震区高层建筑的平面形状作了明确规定，如下图和表，并提出对这些平面的凹角处，应采取加强措施。4.2.2建筑立面布置1、建筑立面形状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。因为立面形状的突然变化，会引起质量和抗侧移刚度突变，地震时容易因剧烈振动或塑性变形集中（薄弱层）而加重破坏。4.2.2建筑立面布置——续2、竖向不规则的类型1）侧向刚度不规则：该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%。2）竖向抗侧力构件不连续：竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架）向下传递。3）楼层承载力突变：抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%。4.2.2建筑立面布置——续3、高层建筑立面尺寸限值•《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。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。并要求抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70％或其上相邻三层侧向刚度平均值的80％。•按《高层规程》，高层建筑的高度限值分A、B两级，A级规定较严，是目前应用最广泛的高层建筑高度，B级规定较宽，但应采取更严格的计算和构造措施。•楼层层间抗侧力结构的受剪承载能力：A级高度：宜≥上一层的80%，应≥上一层的65%；B级高度：应≥上一层的75%。4.2.2建筑立面布置——续收进和外挑尺寸要求（宜）：•当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度H1与房屋高度H之比大于0.2时，上部楼层收进后的水平尺寸B1不宜小于下部楼层水平尺寸B的0.75倍；•当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，下部楼层的水平尺寸B不宜小于上部楼层水平尺寸B1的0.9倍，且水平外挑尺寸a不宜大于4m。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Ⅳ类场地上的结构，适用的最大高度应适当降低。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。4.2.5防震缝的合理设置•遇到下列情况，应设置防震缝：①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；②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；③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；④房屋各部分的质量或结构抗侧移刚度大小悬殊时。4.2.5防震缝的合理设置1、防震缝设置原因•由于建筑平面和体型的多样化、结构的不规则性有时难以避免，为将不规则结构变为若干规则结构，合理地设置防震缝进行结构分段，从而降低抗震设计的难度及提高抗震设计的可靠度。•在国内外历次地震中，曾一再发生相邻建筑物或同幢建筑物相邻单元之间相撞的震例，究其原因，主要是防震缝宽度偏小或构造不当所致。2、防震缝设置原则•彻底分离或者牢固连接：忌连又连不牢、分又分不清。•“三缝合一”的设置原则：伸缩缝、沉降缝、防震缝三缝合一，对于抗震设防烈度为6度以上的房屋，所有伸缩缝、沉降缝均应符合防震缝的宽度要求。4.2.5防震缝的合理设置——续3、必须设置抗震缝的情况①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；②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；③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；④房屋各部分的质量或结构抗侧移刚度大小悬殊时。4、防震缝宽度•缝宽不足——会发生碰撞破坏；•由于设缝后造成部分结构段过柔，碰撞造成失稳破坏。•必须根据具体情况认真处理设缝位置及设缝宽度。•确定防震缝宽度，除考虑结构变形外，还应考虑由于地基变形引起基础转动的影响。4.2.5防震缝的合理设置——续5、防震缝最小宽度——良好地基条件下一般结构的最小缝宽。•为防止相邻建筑物在地震中发生碰撞，防震缝的宽度不宜小于两侧建筑物在较低建筑物屋顶高度处的垂直防震缝方向的侧移之和。•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》所作的规定：①框架房屋，当高度不超过l5m时，可采用70mm；当高度超过l5m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框架抗震墙房屋的防震缝宽度，可采用第①条数值的70％，抗震墙房屋可采用第①条数值的50％，且均不宜小于70mm。4.2.5防震缝的合理设置——续③防震缝两侧结构类型不同时，宜按需要较宽防震缝的结构类型和较低房屋高度确定缝宽。例1：某高层建筑为框架—剪力墙结构，抗震设防烈度为7度，高45米，其群房为框架结构，高20米，主楼和群房间设防震缝，其最小缝宽应为多少？解：防震缝最小宽度应根据群房框架结构极其高度确定：(mm)95205152070b例2：6度地区、框架结构、建筑高度35m，若需设防震缝，其缝宽应为多少？若高为35m剪力墙结构，其缝宽？75mm70(mm),7550%150b2(mm)150205153570)1(取）（解：b4.2.5防震缝的合理设置——续4.2.5防震缝的合理设置——续6、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。4.2.5防震缝的合理设置——续7、不设置抗震缝处理办法——高层建筑宜选用合理的建筑结构方案，不设抗震缝，但要做到：•采取措施避免设置防震缝——调整平面形状和尺寸、并在构造以及设计、施工时采取措施。•不规则房屋不设防震缝时必须沿高度和从平面上考虑相对薄弱及应力集中部位的加强及提高延性措施，在这些部位应尽量避免设置楼梯间及在楼板上开较大洞口。•对体型复杂的建筑物不设抗震缝时，应对建筑物进行比较精确的结构抗震分析，解决不设缝带来的不利影响，如差异沉降、偏心扭转、温度变形等，估计其局部应力和变形集中及扭转效应影响，判明其易损部位，采取加强措施或提高变形能力的措施。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、