多层及高层混凝土结构抗震设计.ppt

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1、多层和高层钢筋混凝土结构建筑抗震设计,本章教学目标与要求1.熟悉多层及高层钢筋混凝土结构建筑的震害特点 及原因。2.理解和掌握多层及高层钢筋混凝土结构抗震概念设计 的要求。3.掌握钢筋混凝土框架结构的抗震设计内容和设计方法。4.了解抗震墙结构的抗震设计方法，熟悉多层及高层钢筋 混凝土结构的抗震构造措施。,导入案例 1972年尼加拉瓜首都马那瓜发生的地震中，有两幢钢筋混凝土结构的高层建筑，相隔不远，一幢是15层的中央银行大厦，其结构布置上下不连续、平面不对称；另一幢是18层的美洲银行大厦，其结构布置均匀对称。地震时前者发生了严重破坏，震后拆除；而后者只受轻微损坏，经维修恢复使用。为什么两幢混凝土

2、结构房屋会发生如此不同的破坏呢？我们可以通过本章的学习得到说明。,框架结构的抗震设计内容,多层及高层钢筋混凝土建筑的震害特点及原因,多层及高层钢筋混凝土建筑的抗震概念设计,抗震墙结构的抗震设计方法,抗震构造措施,本章小节,学习的主要内容,4.1 震害特征及原因,钢筋混凝土结构（reinforced concrete structure）具有较好的抗震性能，地震时所遭受的破坏比砌体结构的震害轻得多。但如果设计不合理、施工质量不良，多层和高层钢筋混凝土结构建筑也会产生严重的震害。,从震害中汲取教训和经验 失败是成功之母,马那瓜美洲银行大厦,马那瓜中央银行大厦,1结构布置不合理产生的震害,（1）平面

3、布置不当产生的震害,震前,震后,马那瓜中央银行 结构平面布置,框架,抗震墙,填充墙,马那瓜美洲银行结构平面布置,在强烈地震作用下，结构的薄弱楼层率先屈服、发展弹塑性变形，并形成弹塑性变形集中的现象，不能发挥整体的抗震能力。,1976年唐山大地震中，位于天津塘沽区的天津碱厂十三层蒸吸塔框架，该结构楼层屈服强度分布不均匀，造成6层和11层的弹塑性变形集中，导致6层以上全部倒塌。,天津碱厂输入天津波的弹塑性分析结果,（2）竖向不规则产生的震害(薄弱层),彰化县员林镇邦富贵名门大楼座落在中山路惠明街口，为16层钢筋混凝土集合住宅大楼,底层柱子间距7至10米。地震时倾倒的原因是底层柱子数量少，间距大。,

4、2防震缝处碰撞,防震缝处碰撞破坏,防震缝宽度过小，地震时结构相互碰撞造成震害。,3框架整体的震害,框架的整体破坏形式按破坏性质可分为延性破坏和脆性破坏，按破坏机制可分为梁铰机制(强柱弱梁型)和柱铰机制(强梁弱柱型)。,4框架梁的震害,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。,5框架柱的震害,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

5、。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。,2)柱底,与柱顶相似，由于箍筋较柱顶密，震害相对柱顶较轻。,3)短柱,当柱净高小于4倍柱截面高度（H/b4)或剪跨比不大于2时,形成短柱。,短柱刚度大，易产生剪切破坏。,短柱,4)角柱,由于双向受弯、受剪,加上扭转作用，震害比内柱重。,角柱,6、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。,节点破坏的主要原因是节点的受剪承载力不足，约束箍筋太少，梁筋锚固长度不够以及施工质量差所引起。,节点破

6、坏将导致梁柱失去相互之间的联系。,梁柱节点破坏,7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，,填充墙破坏,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。,8抗震墙的震害,在强震作用下，抗震墙在反复荷载作用下形成X型剪切裂缝。,抗震墙破坏(交叉裂缝),9抗震墙中的连梁震害,在强震作用下还表现在连梁上，其跨度小，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。,抗震

7、墙破坏(交叉裂缝),震害中的重要启示,抗震概念设计是非常重要的重视局部的加强措施,问 题,何谓抗震概念设计？,4.2 结构抗震概念设计,4.2.1 结构体系的选择及相关要求,框架结构体系的特点是自重轻，地震作用小，但侧向刚度较小，地震时水平位移较大，会造成非结构构件的破坏。框架结构适用于高度不很大的建筑。抗震墙结构体系的特点是自重大，侧向刚度大，地震作用大。框架-抗震墙结构体系的特点是克服了纯框架结构刚度小和纯抗震墙结构自重大的缺点，发挥了各自的优点长处。具有抗侧刚度较大，自重较轻，结构的水平位移较小的优点，抗震性能较好。此外，还有筒体结构、巨型框架结构等。,我国高层建筑混凝土结构技术规程（J

8、GJ3-2002）（以下简称高层规程）将钢筋混凝土高层建筑结构按房屋高度划分为A级和B级两个级别。规定了各自的最大适用高度和高宽比的限制，提出了不同的抗震设计要求。,A级高度的建筑是目前应用最广泛的建筑，B级高度的建筑的最大适用高度和高宽比可较A级适当放宽，但其结构抗震等级、抗震计算及构造措施等要求更加严格。参见相关表格。,表4-1 多层及A级高度钢筋混凝土高层建筑结构的最大适用高度,注：1)房屋高度指室外地面至主要屋面高度，不包括局部突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度。2)表中框架不含异形柱框架结构。3)部分框支抗震墙结构指地面以上有部分框支抗震墙的抗震墙结构。4)9度抗震设防、房屋高度超

9、过本表数值时，结构设计应有可靠依据，并采取有效措施。,表4-2 B级高度钢筋混凝土高层建筑结构的最大适用高度,注：1)房屋高度指室外地面至主要屋面高度，不包括局部突出屋面的电梯机房、水箱、构架等高度。2)部分框支抗震墙结构指地面以上有部分框支抗震墙的抗震墙结构。3)当房屋高度超过表中数值时，结构设计应有可靠依据，并采取有效措施。,A级高度和B级高度建筑的高宽比分别不宜超过表3和表4的规定限值。,在确定结构体系时还要考虑建筑物刚度与场地条件的关系，应注意使房屋的自振周期与场地的特征周期Tg错开，以减小地震作用。,表4-3 A级高度钢筋混凝土高层建筑结构的适用的最大高宽比,表4-4 B级高度钢筋混

10、凝土高层建筑结构适用的最大高宽比,抗震等级是多层和高层钢筋混凝土结构、构件进行抗震设计的标准。同一结构体系，不同的抗震等级，具有不同的抗震设计计算（抗弯、抗剪等）和构造措施要求。,4.2.2 抗震等级的划分*,为此，我国抗震设计规范和高层规程综合考虑建筑重要性类别、设防烈度、结构类型及房屋高度等因素，对钢筋混凝土结构划分了不同的抗震等级。表4-5，表4-6。,表4-5 多层及A级高度的高层建筑结构抗震等级,注：1)接近或等于高度分界时，应结合房屋不规则程度及场地、地基条件适当确定抗震等级；2)底部带转换层的筒体结构，其框支框架的抗震等级应按表中框支抗震墙结构的规定采用。3)板柱-抗震墙结构中框

11、架的抗震等级应与表中板柱的柱相同。,表4-6 B级高度的高层建筑结构抗震等级,注：底部带转换层的筒体结构，其框支和底部加强部位筒体的抗震等级应按表中框支抗震墙结构的规定采用。,裙房与主楼的等级,裙房顶部上下各一层应提高抗震措施,图中c为抗震等级,当裙房与主楼相连时，除应按裙房本身确定外，其抗震等级不应低于主楼的抗震等级；当裙房与主楼分离时（设有防震缝），应按裙房本身确定抗震等级。,4.2.3 结构布置,1结构平面布置,（1）结构平面布置宜简单、规则、对称、减小偏心，尽量避免平面不规则情况，使刚度和承载力分布均匀。,平面不规则的类型,（2）对于10层和10层以上或高度大于28m属于A级高度的高层

12、钢筋混凝土建筑，平面布置 如图，限制见表4-7。,表4-7、l的限值,2结构竖向布置,（1）高层建筑的竖向体型宜规则、均匀；结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。,（2）结构避免过大的外挑和内收。,H1/H20.2时，B1/B0.75,B1/B0.9，a4m,（3）结构的侧移刚度宜下大上小逐渐均匀变化，楼层侧移刚度不宜小于相邻上部楼层侧移刚度的70%或其上相邻三个楼层侧移刚度平均值的80%。,应避免,侧移刚度沿竖向变化不均匀,3防震缝的设置,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采用，并按较低房屋高度确定缝宽。,防震缝最小宽度要求,当设防烈度为8度、9度时的框架结构房屋防震缝两侧结

13、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，每侧抗撞墙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。,抗撞墙,4.2.4结构材料,（1）混凝土的强度等级，框支梁、框支柱及抗震等级为一级的框架梁、柱、节点核心区，不应低于C30；构造柱、芯柱、圈梁及其他各类构件不应低于C20；8度、9度时分别不宜超过C70和C60。,（3）抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受力钢筋采用普通钢筋时，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.

14、25；且钢筋的屈服强度实测值与强度标准值的比值不应大于 1.3。,（2）普通钢筋宜优先采用延性、韧性和可焊性较好的钢筋；普通钢筋的强度等级，纵向受力钢筋宜选用HRB400级和HRB335级热轧钢筋，箍筋宜选用HRB335、HRB400和HPB235级热轧钢筋。,回顾上节主要内容,1.震害特征,1)结构布置不合理产生的震害,2)防震缝处碰撞,3)框架整体的震害,4)框架梁的震害,5)框架柱的震害,6)框架梁柱节点的震害,7)填充墙的震害,8)抗震墙的震害,2.抗震概念设计,框架,抗震墙,框架-抗震墙,）特点,）最大适用高宽比,（二）抗震等级的划分*,（三）结构布置*,（四）结构材料的选择*,2）

15、最大适用高度,重要性类别、设防烈度、结构类型及房屋高度,结构平面布置,结构竖向布置,防震缝的设置,4.3框架结构的抗震设计,4.3.1框架结构抗震概念设计,主要内容,1.柱网布置2.选择框架结构的结构类型及承重方案3.确定框架结构抗震设防的类别及设防烈度4.确定框架结构的抗震等级5.防震缝及材料选择,1.柱网布置,（c）对称不等跨式,（b）等跨式,（a）内廊式,框架结构的柱网布置既要满足生产工艺和建筑平面的要求，又要使结构受力合理，施工方便。,（a）横向框架承重方案,（b）纵向框架承重方案,（c）纵横向框架承重方案,（d）纵横向框架承重方案,2.选择框架结构的结构类型及承重方案,现浇楼板,预制

16、楼板,3.确定框架结构抗震设防的类别及设防烈度,我国建筑抗震设计规范根据建筑物重要性及受地震破坏后果的严重性，将建筑物的抗震设防分为四类：甲类建筑、乙类建筑、丙类建筑、丁类建筑,丙类建筑抗震等级宜按表5划分；其他设防类别的建筑，则应按前述抗震设防分类和设防标准的规定调整后再按表-5划分抗震等级。,抗震设防的烈度：是一个地区进行抗震设防的依据。,4.确定框架结构的抗震等级,多层及A级高度的框架结构抗震等级,5.防震缝及材料选择,4.3.2 框架结构抗震计算及验算,计算手段 电算:采用振型分解反应谱法或时程分析法计算地震作用时常采用电算方法（如PKPM、ETABS等）。对计算结果应作出正确的判断，

17、方可应用于工程设计；,手算:采用底部剪力法计算地震作用时，通常采用手算方法。,（2）实际结构是空间体系，但对于规则的框架结构一般可以简化为平面结构进行抗震计算，即一榀框架只抵抗自身平面内的侧向地震作用，各平面结构通过楼盖（屋盖）连接而协同工作，各层楼盖平面内刚度无限大，平面外刚度很小，可忽略。,（1）虽然地震作用的方向是任意的，但在抗震设计时，必须对结构的纵、横两个方向进行抗震计算。,计算假定,(a),(b),(c),(d),框架结构计算简图,1水平地震作用计算及变形验算,（1）结构计算简图选择及重力荷载代表值计算,（3）楼层地震剪力的计算,最小楼层地震剪力,楼层地震剪力,（4）弹性变形验算,

18、（2）水平地震作用计算(方法选择),水平荷载作用下框架的变形,2水平地震作用下的框架内力计算,反弯点法,(假定梁刚度无限大),D值法,考虑柱上下两端节点转动影响后的柱侧移刚度的修正；考虑了柱反弯点位置变化的修正。,反弯点法的计算步骤如下：多层多跨框架在水平荷载作用下，当梁柱线刚度之比值大于3（ib/ic3）时，可采用反弯点法计算杆件内力；求框架各层各柱的抗侧刚度：；求框架各层各柱的剪力；求柱上下端弯矩；求梁端弯矩；绘制弯矩图；,2.确定反弯点位置3.根据D值,对楼层剪力进行分配 到各柱上4.计算柱端弯矩5.根据节点弯矩平衡及梁线刚度比,计算梁端弯矩6.根据各杆件局部隔离体平衡,计算各杆件的剪力

19、及轴力,D值法步骤:1.计算D值,节点转动影响系数,节点转动影响系数a,3竖向荷载作用下的框架内力计算,竖向荷载作用下的框架内力计算可以采用分层法和弯矩二次分配法进行近似计算，一般选取起控制作用的一榀或几榀框架为计算对象，可用手算或电算。,分层法计算步骤为：首先将m层框架拆成m个计算单元，每个计算单元内仅由一层梁和与之相邻的上下柱组成，且只承受该层梁的竖向荷载，上下柱的远端均近似看成固定端；然后采用弯矩分配法计算各单元的弯矩图。最后将各单元弯矩图叠加成框架弯矩图，对不平衡的节点弯矩图可再进行一次分配，但不再传递。,弯矩二次分配法：就是将求得的各节点固端不平衡弯矩同时进行分配，并向远端传递，再在

20、各节点分配一次而结束,在竖向非地震荷载作用下，梁端截面往往有较大负弯矩，负钢筋配置过于拥挤。考虑框架梁的塑性内力重分布，设计时允许进行弯矩调幅，降低负弯矩，以减少配筋面积。,对于现浇框架，支座弯矩调幅系数为0.80.9对于装配整体式框架，由于钢筋焊接或接缝不密实等原因，节点可能产生变形。据实测结果可知，节点变形会使梁端弯矩较弹性计算值减小约10%，再考虑梁端允许出现塑性铰，因此支座弯矩调幅系数可采用0.70.8。,无论对水平地震作用还是竖向地震作用引起的内力均不应进行调幅。,4荷载及内力组合,框架结构设计时，先要进行所考虑的几种荷载单独作用下的框架内力分析，然后，按照需要进行荷载和内力组合。从

21、而得出构件控制截面上的最不利内力，以此作为截面设计的依据。一般考虑的几种荷载：永久荷载（恒荷载）、可变荷载（楼面和屋面活荷载、屋面雪荷载、风荷载）、地震作用等。,常用的两种基本荷载作用效应组合：,（1）有地震作用组合。其内力组合设计值为,（2）无地震作用组合。其内力组合设计值为,式中 SGk由永久荷载标准值计算的内力；SGE由可变荷载标准值计算的内力；G永久荷载分项系数，当永久荷载对构件不利时，对由可变荷载控制的组合，取1.2，对由永久荷载控制的组合，取1.35；当永久荷载对构件有利时，不应大于1.0。Q可变荷载分项系数，一般取1.4。,式中 SGE由重力荷载代表值计算的内力；SGE由水平地震

22、作用标准值计算的内力；GE 重力荷载分项系数，一般取1.2，当重力荷载效应对构件有利时，不应大于1.0。,5构件截面设计,框架结构在水平地震作用下的整体破坏机制可分为两种类型：强柱弱梁型和强梁弱柱型。,强梁弱柱,强柱弱梁,塑性铰,1）根据“强柱弱梁”原则的调整。,一、二、三级框架的梁柱节点处，除框支层最上层的柱上端、框架顶层和柱轴压比小于0.15者外，柱端弯矩设计值应符合下式要求,hc为强柱系数，一级为14，二级为12，三级为11。当反弯点不在柱的层高范围内时，柱端的弯矩设计值可直接乘以上述强柱系数。,9度、一级框架（节点处）,其中，Mc为节点上、下柱端截面顺时针或反时针方向组合的弯矩设计值之

23、和，上、下柱端的弯矩设计值，一般情况可按弹性分析分配；Mb为节点左右梁端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和，节点左右梁端均为负弯矩时，绝对值较小的弯矩应取零；Mbua为节点左、右梁端截面反时针或顺时针方向根据实配钢筋面积(考虑受压筋)和材料强度标准值计算的抗震受弯承载力所对应的弯矩值之和；,一、二、三级框架结构的底层柱下端截面的弯矩设计值，应分别乘以增大系数l.5、1.25和1.15。底层柱纵向钢筋宜按上下端的不利情况配置。此处底层指无地下室的基础以上或地下室以上的首层。,抗震设计时，框架角柱应按双向偏心受力构件进行正截面承载力设计。一、二、三级框架结构的角柱，调整后的弯矩应乘以不小于

24、1.1的增大系数，并应满足规范的其他相应要求。,c,强柱弱梁型结构柱失效度随c变化,柱失效度,2）根据“强剪弱弯”原则的调整。,一二三级框架,9度、一级框架,框 架 梁,q1,P2,Mbl,Mbr,q2,q2,框 架 柱,一二三级框柱,9度、一级框柱还要满足,3）强节点弱构件,（2）框架梁柱截面抗震承载力验算。,1)框架梁、柱正截面抗震承载力验算,2)框架梁、柱斜截面抗震受剪承载力验算,3）截面尺寸验算,均布荷栽,集中荷栽,柱轴力为拉力,柱轴力为压力,梁,柱,（3）框架梁柱节点核心区截面的抗震计算。（略）（一、二级、9度）,节点核心区,剪压比限制,水平抗剪 强度,434框架结构薄弱层弹塑性变形

25、验算,“设防三水准”要求进行第二阶段设计的框架结构或其他结构房屋，除满足多遇地震作用下的承载力和弹性变形要求之外，还必须进行罕遇地震作用下的薄弱层弹塑性变形验算，以满足“大震不倒”的要求。（略）,435 框架结构的抗震构造措施,1框架梁的构造措施,（1）梁的截面尺寸。（2）梁的纵向钢筋。（3）梁的箍筋。,2框架柱的构造措施,（1）柱的截面尺寸。（2）柱轴压比限制。（3）柱的纵向钢筋。（4）柱的纵向箍筋。,表4-11 柱轴压比限值,3框架梁柱节点的构造措施箍筋最大间距与最小直径，宜与柱箍筋加密区的要求相同,框架梁柱纵筋在框架顶层的边柱、中柱节点以级中间层的边柱、中柱节点，其纵筋的锚固长度应满足相

26、应的要求。4砌体填充墙的构造措施（1）填充墙的砌筑砂浆强度等级不应低于M5，墙顶应于框架梁紧密结合。（2）填充墙应沿柱全高每隔500设26附加拉结筋，其伸入墙内的长度，6度、7度时不应小于墙长的1/5，且不小于700，8度、9度时宜沿墙全长设置。当墙长大于5时，墙顶与框架梁宜有拉结措施，墙高大于4时，宜在墙体半高处设置与柱拉结且沿墙全长贯通的钢筋混凝土水平墙梁。（3）出屋面的女儿墙、屋顶间墙应与主体结构有可靠的拉结。此外，钢筋在框架梁、柱及节点的锚固长度与搭接长度应满足抗震构造要求。,436 多层钢筋混凝土框架结构设计实例某5层（局部6层）现浇钢筋混凝土框架结构办公房屋，结构平面及剖面分别见图

27、4-10和图4-11，屋顶有局部突出的部分。现浇钢筋混凝土楼(屋)盖。框架梁截面尺寸：走道梁(各层)为250mm400mm；其他梁：顶层为250mm600mm；其他楼层为250mm650mm。柱截面尺寸：13层柱为500mm500mm；45层柱为450mm450mm。混凝土强度等级：梁、板、柱混凝土强度等级皆C25。钢筋强度等级：受力纵筋采用HRB400，箍筋HPB235。各层重力荷载代表值见图4-20。已知：抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.20g，设计地震分组为第二组，建造在类场地上，结构阻尼比为0.05。试对该框架结构进行横向水平地震作用下的抗震设计计算。,本章小结,1.震害特征2.框架结构的概念设计内容3.框架结构的设计计算方法4.框架结构的抗震构造措施,