第四章-多层和高层钢筋混凝土房屋抗震设计

第四章多层和高层钢筋混凝土房屋抗震设计4.1概述4.2抗震设计基本要求4.3框架结构抗震计算4.4框架结构抗震构造措施教学目的和要求1.掌握多高层钢筋混凝土结构震害。2.掌握多高层钢筋混凝土结构的选型、结构布置和设计原则。3.掌握钢筋混凝土框架结构的抗震设计及抗震构造措施。多层和高层钢筋混凝土结构体系包括：框架结构、框架-抗震墙结构、抗震墙结构、筒体结构和框架-筒体结构等。钢筋混凝土框架房屋：钢筋混凝土梁和柱等构件组成承重体系的房屋。钢筋混凝土框架房屋层数一般在十层以下。特点：平面布置灵活，易满足建筑物内大空间的要求侧向刚度小，水平位移较大4.1概述抗震墙框架房屋框架-抗震墙结构方案不当引起的震害（1）平面布置不当产生的震害建筑平面布置不规则------质量中心和刚度中心不重合-------扭转效应-------破坏严重（尤其是角柱）（2）竖向不规则产生的震害竖向的质量或刚度有突变------突变处应力集中，形成薄弱层------较大的塑性变形-------结构破坏、甚至倒塌震害及其分析：（3）防震缝处碰撞防震缝两侧结构单元的振动特性不同------发生不同形式的振动----防震缝缝宽不够或构造不当------发生碰撞建造在软弱地基上或液化土层上的框架结构，在地震时常因地基不均匀沉陷使上部结构倾斜甚至倒塌。（4）场地影响引起的震害建造在软弱地基上的高柔建筑物，因Tg=T1发生共振，烈度不高但其破坏的例子屡见不鲜。如：1976年委内瑞拉发生6.5级地震，距震中56km的加拉加斯冲积场地上有4幢10至12层钢筋混凝土框架结构公寓倒塌。1976年唐山发生7.8级地震，距震中70km的天津塘沽地区，地质条件为淤泥粘土层的天津碱厂蒸发塔工程，高55m的框架结构，7层以上部分倒塌。（5）框架柱的震害A.柱顶柱顶周围有水平裂缝、斜裂缝或交叉裂缝。重者混凝土压碎崩落，柱内箍筋拉断，纵筋压曲成灯笼状。柱底破坏与柱顶相似，由于箍筋较柱顶密，震害相对柱顶较轻。B、柱底与柱顶相似，由于箍筋较柱顶密，震害相对柱顶较轻。C、短柱当柱高小于4倍柱截面高度（H/b4)时形成短柱。短柱刚度大，易产生剪切破坏。D、角柱由于双向受弯、受剪,加上扭转作用，震害比内柱重。(6)框架梁的破坏------弯剪破坏震害多发生于梁端。地震作用下梁端纵向钢筋屈服，出现上下贯通的垂直裂缝和交叉裂缝。(7)框架梁柱节点的震害节点核心区产生对角方向的斜裂缝或交叉斜裂缝，混凝土剪碎剥落。节点内箍筋很少或无箍筋时，柱纵向钢筋压曲外鼓。(8)、抗震墙的震害在强震作用下，抗震墙的震害主要表现在墙肢之间连梁的剪切破坏。主要是由于连梁跨度小，高度大形成深梁，在反复荷载作用下形成X型剪切裂缝，为剪切型脆性破坏，尤其是在房屋1/3高度处的连梁破坏更为明显。(9)填充墙的震害砌体填充墙刚度大而承载力低，首先承受地震作用而遭破坏。一般7度即出现裂缝，8度和8度以上地震作用下，裂缝明显增加，甚至部分倒塌，一般是上轻下重。4.2.1结构最大适用最大高度及最大高宽比要求《抗震规范》规定：乙、丙和丁类建筑的框架结构和框架-抗震墙结构适用的最大高度应不超过下表的规定。甲类建筑适用的最大高度应专门研究。50100120130框架-抗震墙结构25455560框架结构9876结构类型烈度现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度（m)不同类型的结构体系，具有不同的抗侧移刚度，适用于不同的房屋高度1.房屋的适用最大高度注意事项：1.房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度（不包括局部突出屋顶部分）；2.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；3.平面和竖向均不规则的结构或建造在Ⅳ场地的构，使用的最大高度应适当降低（一般降低20%左右）。50100120130框架-抗震墙结构25455560框架结构9876结构类型烈度现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度（m)2.钢筋混凝土房屋适用的高宽比房屋高宽比大-----地震作用产生很大的倾覆力矩------造成基础转动------上部结构产生较大侧移（影响结构整体稳定）倾覆力矩大-----在两侧柱中引起较大轴力------构件屈服破坏4.2.2抗震等级的划分地震作用下，钢筋混凝土结构的地震反应有下列特点：1、地震作用越大，房屋的抗震要求越高；地震作用与烈度、场地等有关，从经济角度考虑，对不同烈度、场地的结构的抗震要求可以有明显的差别。2、结构的抗震能力主要取决于主要抗侧力构件的性能；主、次抗侧力构件的抗震要求应有差别。3、房屋越高，地震反应越大，抗震要求越高。抗震等级是确定结构构件抗震计算和抗震措施的标准。根据设防烈度、房屋高度、建筑类别、结构类型及构件在结构中的重要程度确定，共分四个等级。一一一抗震墙一一二二三三四框架≤5060≤6060≤6060≤60高度（m)一剧场,体育馆等大跨度公共建筑一一二二三三四框架≤2530≤3030≤3030≤30高度（m)框架-抗震墙结构框架结构结构类型烈度6879三二一三二现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级注意事项：1.此表适用于丙类建筑抗震等级的划分；甲、乙、丁类建筑应按抗震设防标准中的抗震措施所要求的设防烈度按上表确定抗震等级。2.建筑场地为Ⅰ类时，除6度外可按表内降低一度所对应的抗震等级采取抗震构造措施，但相应的计算要求不应降低；3.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。4、当框架-抗震墙结构有足够的抗震墙时,其框架部分是次要抗侧力构件,可按框架-抗震墙结构中的框架确定抗震等级。否则按框架结构确定等级。区分标准是看框架部分承受的地震倾覆力矩是否大于结构总地震倾覆力矩的50%。5、与主楼相连的群房其抗震等级不应低于主楼的抗震等级，且主楼结构在群房屋面部位的上下各一层要适当加强抗震等级1.结构平面布置结构的平面布置是指在结构平面图上布置柱和墙的位置以及楼盖的传力方式。从抗震的角度看，最主要的是使结构平面的质量中心和刚度中心相重合或尽可能靠近，以减小结构的扭转反应。结构的平面布置宜简单、对称和规则设防烈度L/Bl/bl/Bmax6度和7度6.02.00.358度和9度5.01.50.30表4-4L、l的限值4.2.3结构平面和竖向布置高层建筑（8层及8层以上）的平面中L不宜过长（图4-8），突出部分长度l宜减小，凹角处宜采取加强措施。图4-8中，L、l和l‘的值宜满足前表4-4的要求。图4-8建筑平面2.结构竖向布置结构沿竖向（竖直方向）应尽可能均匀而少变化，使结构的刚度沿竖向均匀。为使结构有较好的整体刚度和稳定性，结构高度H和宽度B的比值不宜超过表5-4所列的限值结构类型6度7度8度9度框架，板柱—抗震墙4432框架—抗震墙5543筒体，抗震墙6654表4-2适用的房屋最大高宽比3.防震缝的设置平面形状复杂时，宜用防震缝划分成较规则简单的单元。但对高层结构，宜尽可能不设缝。当需要设置防震缝时，其最小宽度应符合下列要求：（1）框架结构房屋的防震缝宽度，当高度不超过15m时可采用70mm；超过15m时，6度、7度、8度和9度相应每增加高度5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm。（2）框架---抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用上述对框架规定数值的70%，抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用上述对框架规定数值的50%；且均不宜小于70mm。（3）防震缝两侧结构体系不同时，防震缝宽度应按需要较宽的规定采用，并可按较低房屋高度计算缝宽。（4）8、9度框架结构房屋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两道，宜分别对称布置，墙肢长度可不大于一个柱距。4.2.4一般性抗震措施（1）楼盖------刚度要求楼盖的刚度大-----能满足水平地震作用传递和分配的要求--------假定楼盖水平刚度无穷大抗震墙的最大间距要求：抗震墙之间无大洞口的楼、屋盖的长宽比宜满足下表要求：不宜采用装配式楼盖现浇、叠合梁扳9度8度6、7度结构4335.22抗震墙之间楼、屋盖的长宽比抗震墙之间的楼、屋盖有较大开洞时，长宽比还应减小。当超过上述要求时，应计入楼盖平面内的变形影响。(2)对框架结构的布置要求①宜双向设置承重框架；不宜采用单跨框架②框架梁和柱的中线应尽可能重合在同一平面内，两者间的偏心距不宜超过柱宽的1/4③楼梯间、电梯间不宜设置在结构单元的两端及拐角处。④框架结构沿高度不宜突变;局部突出屋顶的部分应采用框架承重⑤遵守“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点、强锚固”等原则进行延性框架的设计。⑥合理考虑砌体填充墙的设置3.抗撞墙的布置8、9度设防的钢筋混凝土框架房屋防震缝两侧的结构，当结构高度、刚度或层高相差较大时，可在防震缝两侧房屋的尽端设垂直于防震缝的抗撞墙。高度、刚度相差较大层高不同每一侧的数量不应少于两道。宜分别对称布置，墙肢的长度可不大于一个柱距。•内力应按考虑和不考虑抗撞墙两种情况进行分析，按不利情况取值。•抗撞墙的端柱和框架边柱箍筋应沿房屋全高加密（4）框架－抗震墙的布置要求1、抗震墙布置的基本原则框架-抗震墙结构中的抗震墙宜沿主轴方向双向布置，贯通房屋全高，且横向与纵向抗震墙宜相连，互为翼墙，以提高其刚度和承载能力。抗震墙的一般布置原则是“均匀、分散、对称、周边”。2、抗震墙布置位置的选择一般情况下，宜布置在竖向荷载较大处，平面形状变化处和楼梯间、电梯间等。房屋较长时，纵向抗震墙不易设置在端开间。3、抗震墙与柱中线宜重合，当不能重合时，柱中线与抗震墙中线之间的偏心距不宜大于柱宽的1/4。4、抗震墙应设置在墙面不需要开大洞的位置，开洞口时应上下对齐，抗震等级为一、二级的联肢墙的洞口不应采用弱连系梁。5、抗震墙的布置宜适当多增加片数，避免每片墙的刚度太大6、抗震墙宜贯通全高，沿竖向截面不宜由较大突变，以保证结构竖向的刚度基本均匀。4.2.5结构材料按抗震要求设计的混凝土结构的材料应符合下列要求：（1）混凝土的强度等级，抗震等级为一级的框架梁、柱、节点核心区、框支梁、框支柱不应低于C30；构造柱、芯柱、圈梁及其他各类构件不应低于C20。并且，混凝土结构的强度等级，在9度时不宜超过C60，在8度时不宜超过C70。（2）普通钢筋的强度等级，纵向受力钢筋宜采用HRB335级和HRB400级热轧钢筋；箍筋宜采用HPB235、HRB335和HRB400级热轧钢筋。普通钢筋宜优先采用延性、韧性和可焊性较好的钢筋。对一、二级抗震等级的框架结构，其普通纵向受力钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25；屈服强度实测值与强度标准值的比值不应大于1.3。（3）在施工中，当需要以强度等级较高的钢筋代替原设计中的纵向受力钢筋时，应按照钢筋受拉承载力相等的原则换算，并应满足正常使用极限状态和抗震构造的要求。4.3框架结构抗震计算4.3.1框架结构水平地震作用计算其抗震计算的内容一般包括：（1）结构动力特性分析，主要是结构自振周期的确定；（2）结构地震反应计算，包括多遇烈度下的地震荷载与结构侧移；（3）结构内力分析与位移计算；（4）截面抗震设计等。地震作用的计算方法：振型分解反应谱法底部剪力法4.3.1.1结构自振周期对质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结构----------顶点位移法uT017.1u——将重力荷载代表值Gi水平作用在各质点上，按弹性方法求得的结构顶点位移0——考虑填充墙对结构刚度和质量影响的自振周期的修正系数，一般取0.6~0.84.3.1.2水平地震作用计算一般采用底部剪力法计算第i层层间剪力:nijjiFVnijjiGV同时，结构各楼层的最小层间剪力应满足：λ——剪力系数，见表3.7主要是考虑长周期结构地震影响系数下降较快，由此计算所得的水平地震作用下的结构效应可能太小1.反弯点法ABABhΔuABMABMBA反弯点假定：a)框架梁的线刚度相对框架柱的线刚度为无限大。则在忽略柱子轴向变形的情况下，节点的转角为零。根据转角位移方程：