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建筑结构抗震设计５.多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计·本章要点■掌握：水平地震作用的计算；框架内力和位移计算；框架梁、柱、节点的抗震设计。■理解：多高层钢筋混凝土结构房屋抗震设计的一般要求。■了解：多层及高层钢筋混凝土结构房屋的主要结构体系及震害特点。建筑结构抗震设计概述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。框架结构体系由梁和柱组成，平面布置灵活，易于满足建筑物设置大房间的要求，在工业与民用建筑中应用广泛。抗震墙也称剪力墙，这种结构体系由钢筋混凝土纵横墙组成，抗侧力性能较强，但平面布置不灵活，纯剪力墙体系一般用于住宅、旅馆和办公楼建筑。筒体结构或由四周封闭的剪力墙构成单筒式的筒状结构；或以楼电梯为内筒，密排柱深梁框架为外框筒组成筒中筒结构。这种结构的空间刚度大，抗侧和抗扭刚度都很强，建筑布局亦灵活。常用于超高层公寓、办公楼和商业大厦建筑等。框架-抗震墙结构：在框架房屋中增加抗震墙构成。框架－筒体体系：在框架房屋中增加筒体构成。建筑结构抗震设计５.1概述不过，设计不良或施工质量欠佳的钢筋混凝土结构房屋在地震中遭遇震害的情况，亦不鲜见。主要震害可概述如下：１.共振效应引起的震害２.结构平面或竖向布置不当引起的震害３.框架柱、梁和节点的震害梁柱变形能力不足，构件过早发生破坏。一般是梁轻柱重，柱顶重于柱底，尤其是角柱和边柱更易发生破坏。（1）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。主要原因：节点处弯矩、剪力、轴力都较大，受力复杂，箍筋配置不足，锚固不好等。破坏不易修复。建筑结构抗震设计概述（2）柱底与柱顶相似，由于箍筋较柱顶密，震害相对柱顶较轻。建筑结构抗震设计概述（3）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。建筑结构抗震设计概述（4）角柱由于双向受弯、受剪,加上扭转作用，震害比内柱重。（5）梁柱节点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。节点破坏将导致梁柱失去相互之间的联系。节点破坏的主要原因是节点的受剪承载力不足，约束箍筋少，梁筋锚固长度不够以及施工质量差所引起。（6）框架梁震害多发生于梁端。在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。破坏的主要原因是梁端屈服后产生的剪力较大，超过了梁的受剪承载力，梁内箍筋配置较稀，以及反复荷载作用下混凝土抗剪强度降低等。建筑结构抗震设计概述４.框架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，空心砌体墙重于实心砌体墙，砌快墙重于砖墙。框架-剪力墙结构上部较严重，框架结构下部震害严重。建筑结构抗震设计概述填充墙破坏的主要原因是：墙体受剪承载力低，变形能力小，墙体与框架缺乏有效的拉结，在往复变形时墙体易发生剪切破坏和散落。建筑结构抗震设计概述５.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。建筑结构抗震设计概述６.防震缝的震害防震缝宽度过小，地震时结构相互碰撞造成震害。总结以上震害调查结果，除注意场地和地基因素外，从结构上主要应注意：（1）结构的刚度在平面上和沿竖向的分布要规则、均匀；（2）结构构件要有足够的承载力和延性；（3）重视构造，加强对混凝土的约束，防止剪切、锚固等脆性破坏；（4）保证施工质量。建筑结构抗震设计结构体系选择不同的结构体系，其抗震性能、使用效果和经济指标亦不同。《抗震规范》在考虑地震烈度、场地土、抗震性能、使用要求及经济效果等因素和总结地震经验的基础上，对地震区多高层房屋适用的最大高度给出了规定。房屋的高宽比值愈大，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。故《规范》对房屋的高宽比按结构体系和地震烈度给出了不同的要求。注：当有大底盘时，计算高宽比的高度从大底盘顶部算起。选择结构体系时，要考虑建筑物刚度与场地条件的关系，要注意选择合理的基础形式及埋置深度；还必须注意经济指标。注：房屋高度指室外地面到檐口的高度（不考虑局部突出屋顶部分）。建筑结构抗震设计结构布置多高层钢筋混凝土结构房屋结构布置的基本原则：①结构平面应力求简单规则，结构的主要抗侧力构件应对称均匀布置，尽量使结构的刚心与质心重合，避免地震时引起结构扭转及局部应力集中。②结构的竖向布置，应使其质量沿高度方向均匀分布，避免结构刚度突变，并应尽可能降低建筑物的重心，以利结构的整体稳定性。③合理地设置变形缝。④加强楼屋盖的整体性。⑤尽可能做到技术先进，经济合理。１.框架结构布置框架结构主要用于10层以下的住宅、办公及各类公共建筑与工业建筑。常见的框架柱网形式有方格式与内廊式两类。建筑结构抗震设计５.２抗震设计的一般要求常见框架柱网(a)方格式柱网；(b)内廊式柱网地震区的框架结构，应设计成延性框架，遵守“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、强节点、强锚固等设计原则。在确定框架结构结构方案的同时，应初步确定框架梁柱的截面尺寸和材料强度等级。框架结构中，非承重墙体的材料、选型和布置，应根据烈度、房屋高度、建筑体型、结构层间变形、墙体抗侧力性能的利用等因素，经综合分析后确定。应优先采用轻质墙体材料，刚性非承重墙体的布置，在平面和竖向的布置宜均匀对称，避免形成薄弱层或短柱。建筑结构抗震设计５.２抗震设计的一般要求２.框架－抗震墙结构布置框架－抗震墙结构是由框架和抗震墙结合而共同工作的结构体系，兼有框架和抗震墙两种结构体系的优点。既具有较大的空间，又具有较大的抗侧刚度。多用于10~20层的房屋。框架－抗震墙结构布置的关键问题是抗震墙的布置，其基本原则是：①抗震墙在结构平面的布置应对称均匀，避免结构刚心与质心有较大的偏移。框架一抗震墙结构平面布置示意②抗震墙应沿结构的纵横向设置，且纵横向抗震墙宜相互联合组成T形、Ｌ形、十字形等刚度较大的截面，以提高抗震墙的利用效率。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偏心距不宜大于柱宽的1/4。建筑结构抗震设计５.２抗震设计的一般要求④抗震墙应尽可能靠近房屋平面的端部，但不宜布置在外墙。⑤抗震墙应设置在墙面不需要开大洞口的位置，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。３.抗震墙结构布置抗震墙结构是右钢筋混凝土墙体承受竖向荷载和水平荷载的结构体系。具有整体性能好、抗侧刚度大和抗震性能好等优点，该类结构无突出墙面的梁、柱，可降低建筑层高，充分利用空间，特别适合于20~30层的高层居住建筑，但该类建筑大面积的墙体限制了建筑物内部平面布置的灵活性。⑥抗震墙宜贯通全高，沿竖向截面不宜有较大突变，以保证结构竖向的刚度基本均匀。抗震墙的数量以能满足结构的侧移变形为原则，不宜过多，以免结构刚度过大，增加结构的地震反应。抗震墙的间距应能保证楼、屋盖有效地传递地震剪力给抗震墙。建筑结构抗震设计５.２抗震设计的一般要求抗震墙结构平面布置示意抗震墙结构的布置除了应注意平面与竖向的均匀外，尚应注意：①较长的抗震墙宜开洞口设置弱连系梁，将一道抗震墙分成较匀匀的若干墙段（包括小开洞墙及联肢墙），各墙段的高宽比不应小于2，并应保证墙肢由受弯承载力控制，靠近中和轴的竖向分布钢筋在破坏时能充分发挥其强度，以提高结构的变形能力。抗震墙的墙段与墙肢②抗震墙有大洞口时，洞口位置宜上下对齐，以形成明确的墙肢与连系梁，保证结构受力合理、有良好的抗震性能。一、二级抗震墙底部加强部位不宜有错洞墙。建筑结构抗震设计５.２抗震设计的一般要求③部分框支抗震墙结构的框支层，其抗震墙的截面面积不应小于相邻上层抗震墙截面面积的50%，框支层落地抗震墙间距不宜大于24m;④底部两层框支抗震墙结构的布置宜对称，且宜设置抗震墙筒体；⑤落地抗震墙之间楼盖长宽比不应超过规定的数值。４.抗震缝布置高层建筑宜选用合理的建筑结构方案，不设防震缝。当建筑平面过长、结构单元的结构体系不同、高度和刚度相差过大以及各结构单元的地基条件有较大差异时，应考虑设防震缝。其最小宽度应符合下面要求：（1）钢筋混凝土框架房屋的防震缝宽度，当高度不超过15m时可采用70mm，超过15m时，6、7、8、9度相应每增加高度5m、4m、3m、2m，宜加宽20mm。（2）框架-抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用框架规定数值的70%，且不宜小于70mm。建筑结构抗震设计５.２抗震设计的一般要求（3）防震缝两侧结构类型不同时，按不利体系考虑，并按低的房屋高度计算缝宽。5.防撞墙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。th框架框架-抗震墙高度、刚度相差较大层高不同建筑结构抗震设计５.２抗震设计的一般要求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。5.2.3抗震等级地震作用下，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。建筑结构抗震设计５.２抗震设计的一般要求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，其中一级抗震要求最高。在同等设防烈度和房屋高度的情况下，对于不同的结构类型，其次要抗侧力构件抗震要求可低于主要抗侧力构件，即抗震等级低些。设防烈度为６度、建于Ⅰ～Ⅲ类场地上的结构，不需做抗震验算但需按抗震等级设计截面，满足抗震构造要求。建筑结构抗震设计５.３框架内力与位移计算结构计算考虑地震作用时，一般可不考虑风荷载的影响。整个设计步骤如图：结构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；④截面抗震设计等。建筑结构抗震设计