建筑抗震设计基本原理.ppt
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1、第二章 建筑抗震设计基本原理,第一节 建筑抗震设防分类第二节 结构抗震设计基本思想第三节结构抗震设计基本要求第四节 结构的抗震性能第五节 结构抗震的概念设计第六节 结构计算软件的基本要求第七节 结构抗震等级(JGJ3-2001 高层砼规程)第八节 地下室抗震设计,第一节 建筑抗震设防分类,抗震设防分类抗震设防分类 Seismic fortification category for structures根据建筑遭遇地震破坏后,可能造成人员伤亡、直接和间接经济损失、社会影响的程度及其在抗震救灾中的作用等因素,对各类建筑所做的设防类别划分。,抗震设防烈度 Seismic fortification
2、 intensity按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。一般情况下,取50年内超越概率10%的地震烈度。,抗震设防标准 Seismic fortification criterion衡量抗震设防要求高低的尺度,由抗震设防烈度或设计地震动参数及建筑抗震设防类别确定。,抗震措施(seismic fortification measures):除地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容,包括抗震构造措施。抗震构造措施(details of seismic design):根据抗震概念设计原则,一般不需计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。,基本规定,一、建筑抗震设防类
3、别划分,应根据下列因素的 综合分析确定:1 建筑破坏造成的人员伤亡、直接和间接经济损失及社会影响的大小。2 城镇的大小、行业的特点、工矿企业的规模。3 建筑使用功能失效后,对全局的影响范围大小、抗震救灾影响及恢复的难易程度。,4 建筑各区段的重要性有显著不同时,可按区段划分抗震设防类别。下部区段的类别不应低于上部区段。5 不同行业的相同建筑,当所处地位及地震破坏所产生的后果和影响不同时,其抗震设防类别可不相同。注:区段指由防震缝分开的结构单元、平面内使用功能不同的部分、或上下使用功能不同的部分。,二、建筑工程应分为以下四个抗震设防类别:1 特殊设防类:指使用上有特殊设施,涉及国家公共安全的重大
4、建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害等特别重大灾害后果,需要进行特殊设防的建筑。简称甲类。2 重点设防类:指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关建筑,以及地震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果,需要提高设防标准的建筑。简称乙类。,3 标准设防类:指大量的除1、2、4款以外按标准要求进行设防的建筑。简称丙类。4 适度设防类:指使用上人员稀少且震损不致产生次生灾害,允许在一定条件下适度降低要求的建筑。简称丁类。,三、各抗震设防类别建筑的抗震设防标准,应符合下列要求:1 标准设防类,应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用,达到在遭遇高于当地抗震设防烈度的预估罕遇地震影响时不致倒塌
5、或发生危及生命安全的严重破坏的抗震设防目标。,2 重点设防类,应按高于本地区抗震设防烈度一 度的要求加强其抗震措施;但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施;地基基础的抗震措施,应符合有关规定。同时,应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。,3 特殊设防类,应按高于本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施;但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施。同时,应按批准的地震安全性评价的结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定其地震作用。,4 适度设防类,允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低其抗震措施,但抗震设防烈度为6度时不应降低。一般情况下,仍应按本地区抗震设防烈度
6、确定其地震作用。注:对于划为重点设防类而规模很小的工业建筑,当改用抗震性能较好的材料且符合抗震设计规范对结构体系的要求时,允许按标准设防类设防。,四、本标准仅列出主要行业的抗震设防类别的建筑示例;使用功能、规模与示例类似或相近的建筑,可按该示例划分其抗震设防类别。本标准未列出的建筑宜划为标准设防类。,防灾救灾建筑,一、本章适用于城市和工矿企业与防灾和救灾有关的建筑。二、防灾救灾建筑应根据其社会影响及在抗震救灾中的作用划分抗震设防类别。,三、医疗建筑的抗震设防类别,应符合下列规定:1 三级医院中承担特别重要医疗任务的门诊、医技、住院用房,抗震设防类别应划为特殊设防类。2 二、三级医院的门诊、医技
7、、住院用房,具有外科手术室或急诊科的乡镇卫生院的医疗用房,县级及以上急救中心的指挥、通信、运输系统的重要建筑,县级及以上的独立采供血机构的建筑,抗震设防类别应划为重点设防类。3 工矿企业的医疗建筑,可比照城市的医疗建筑示例确定其抗震设防类别。,四、消防车库及其值班用房,抗震设防类别应划为重点设防类。五、20万人口以上的城镇和县及县级市防灾应急指挥中心的主要建筑,抗震设防类别不应低于重点设防类。工矿企业的防灾应急指挥系统建筑,可比照城市防灾应急指挥系统建筑示例确定其抗震设防类别。,六、疾病预防与控制中心建筑的抗震设防类别,应符 合下列规定:1 承担研究、中试和存放剧毒的高危险传染病病毒任务的疾病
8、预防与控制中心的建筑或其区段,抗震设防类别应划为特殊设防类。,2 不属于1款的县、县级市及以上的疾病预防与控制中心的主要建筑,抗震设防类别应划为重点设防类。七、作为应急避难场所的建筑,其抗震设防类别不应低于重点设防类。,第二节 结构抗震设计的基本思想,近20年来,世界不少国家的抗震设计规范,都采用了这样一种抗震设计思想:在建筑使用寿命期限内,对不同频度和强度的地震,要求建筑具有不同的抵抗地震的能力。即对较小的地震,由于其发生的可能性大,因此遭遇到这种多遇地震时,要求结构不受损坏,这在技术和经济上都是可以做到的;,对于罕遇的强烈地震,由于其发生的可能性小,当遭遇到这种地震时,要求做到结构不受损坏
9、,这在经济上是不合算的。比较合理的做法是,应当允许损坏,但在任何情况下结构不应倒塌。,一、建筑结构的三水准抗震设防要求,建筑结构采用三个水准进行抗震设防,其要求是:“小震不坏,中震可修,大震不倒”。具体说是:,第一水准,即多遇地震,从地震出现的频度来看约为50年一遇,第一水准-刚度设计准则:建筑在其使用期间,对遭遇频率较高、强度较低的地震多遇地震时,建筑不损坏,不需要修理,结构应处于弹性状态。,第一水准,即多遇地震,从地震出现的频度来看约为50年一遇,可以假定结构服从线性弹性理论,用弹性反应谱进行地震作用计算,按承载力要求进行截面设计,并控制结构的弹性变形符合规范要求主要是为了防止较脆的且只能
10、承受有限变形的非结构构件的破坏。,第二水准,即基本烈度设防地震,从地震出现的频度来看约为475年一遇,第二水准强度设计准则 建筑结构在基本烈度的地震作用下,允许结构达到或超过屈服极限(钢筋混凝土结构会产生裂缝),结构产生弹塑性变形,依靠结构的塑性耗能能力,使结构得以保持稳定保存下来,经过修复还可使用。,第二水准,即基本烈度设防地震,从地震出现的频度来看约为475年一遇,此时,结构抗震设计应按变形要求进行。允许非结构构件受到破坏,但必须保证主要结构构件不受明显损坏,以避免进行困难、昂贵的修复工作。要求结构具有足够的强度。,第三水准,即罕遇地震,从地震出现的频度来看约为2000年一遇的强烈地震,第
11、三水准延性设计准则要求结构能经受较大的非弹性变形在预先估计到的罕见强烈地震作用下,结构进入弹塑性大变形状态,部分产生破坏,但应防止结构倒塌,避免危及生命安全。这一阶段应考虑防倒塌的设计。,二、二阶段抗震设计,二阶段抗震设计是对三水准抗震设计思想的具体实施。通过二阶段设计中第一阶段对构件截面承载力验算和第二阶段对弹塑性变形验算,并与概念设计和构造措施相结合,从而实现“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震要求。,第一阶段设计,第一阶段设计:对于建筑结构,首先应满足第一、二水准的抗震要求。为此,首先应按多遇地震(即第一水准,比设防烈度约低1.55度)的地震动参数计算地震作用,进行结构分析和地震内力计
12、算,考虑各种分项系数。,第一阶段设计,根据荷载组合值系数进行荷载与地震作用产生内力的组合,进行截面配筋计算和结构弹性位移控制。,第一阶段设计,并相应采取构造措施保证结构的延性,使之具有与第二水准(设防烈度)相应的变形能力,从而实现“小震不坏”和“中震可修”。这一阶段设计对所有抗震设计的建筑结构都必须进行(图2-1)。,第二阶段设计,第二阶段设计:对地震时抗震能力较低、容易倒塌的建筑结构(例如纯框架结构)以及抗震要求较高的建筑结构(例如甲类建筑),要进行易损部位(薄弱层)的弹塑性变形验算,,第二阶段设计,并采取措施提高薄弱层的承载力或增加变形能力,使薄弱层的塑性水平变位不超过允许的变位。这一阶段
13、设计主要是对甲类建筑和特别不规则的结构(图2-2)。,第二阶段设计,第三节结构抗震设计的基本要求,一、抗震结构体系,抗震结构体系要求受力明确、传力合理且传力路线不间断,使结构的抗震分析更符合结构在地震时的实际表现,对提高结构的抗震性能十分有利,是结构选型与布置结构抗侧力体系时首先考虑的因素之一。,合理选择结构体系。对于钢筋混凝土结构,一般来说纯框架结构抗震能力较差;框架-剪力墙结构性能较好;剪力墙结构和筒体结构具有良好的空间整体性,刚度也较大,历次地震中震害都较小。,平面布置力求简单、规则、对称,避免应力集中的凹角和狭长的缩颈部位;避免在凹角和端部设置楼电梯间;避免楼电梯间偏置,以免产生扭转的
14、影响。,竖向体型尽量避免外挑,内收也不宜过多、过急,力求刚度均匀渐变,避免产生变形集中。,不仅主体结构,而且非结构墙体(特别是砖砌体填充墙)的不规则、不连续布置也可能引起刚度的突变。,二、抗震结构的承载力/变形能力/刚度,结构的承载力、刚度要适应在地震作用下的动力要求,并应均匀连续分布。,在一般静力设计中,任何结构部位的超强设计都不会影响结构的安全。但是,在抗震设计中,某一部分结构的超强,就可能造成结构的相对薄弱部位。,因此,抗震设计中要严格遵循该强的就强,该弱的就弱原则,不得任意加强,以及在施工中以大代小、以高钢号代低钢号改变配筋,如必须代换时,应按钢筋抗拉承载力设计值相等的原则进行换算。,
15、顶层、中间楼层取消部分墙柱形成大空间层后,要调整刚度并采取构造加强措施。底层部分剪力墙变为框支柱或取消部分柱子后,比上层刚度削弱更为不利,应专门考虑抗震措施。,高层建筑突出屋面的塔楼必须具有足够的承载力和延性,以承受高振型产生的鞭梢效应影响。必要时可以采用钢结构或型钢混凝土结构。,节点的承载力和刚度要与构件的承载力与刚度相适应。节点的承载力应大于构件的承载力。要从构造上采取措施防止反复荷载作用下承载力和刚度过早退化。,构件设计应采取有效措施防止脆性破坏,保证构件有足够的延性。脆性破坏指剪切、锚固和压碎等突然而无事先警告的破坏形式。,设计时应保证抗剪承载力大于抗弯承载力,按“强剪弱弯”的方针进行
16、配筋。为提高构件的抗剪和抗压能力,加强约束箍筋是有效措施。,保证地基基础的承载力、刚度和有足够的抗滑移、抗转动能力,使整个高层建筑成为一个稳定的体系,防止产生过大的差异沉降和倾覆。,保证结构有足够刚度,限制顶点和层间位移。在小震时,应防止过大位移使结构开裂,影响正常使用;中震时,应保证结构不致于严重破坏,可以修复;在强震下,结构不应发生倒塌,也不能因为位移过大而使主体结构失去稳定或基础转动过大而倾覆。,三、抗震结构的弹性水平位移控制,弹性位移角控制层间位移角限值:即需满足层间位移角 的限值。指最大层间位移与层高之比,第 i 层的 指第 i 层和第 i1 层在楼层平面各处位移差 中的最大值。,由
17、于建筑结构在水平力作用下几乎都会产生扭转,所以 的最大值一般是在结构单元的边角部位。,层间位移角不扣除整体弯曲转角产生的侧移,抗震时可不考虑质量偶然偏心的影响。,高度不大于150m的高层建筑,参见JGJ32002;超过250m的高层建筑 1/500;150250m的高层建筑按线性插值考虑。,层间位移角控制是为保证在正常使用条件下结构具有必要的刚度,,具体为:保证主结构处于弹性受力状态,对钢筋砼结构来讲,要避免砼墙或柱出现裂缝;同时,将砼梁等楼面构件的裂缝数量、宽度和高度限值在规范允许范围内。保证填充墙、隔墙、和幕墙等非结构构件的完好,避免产生明显损伤。,四、抗震结构的多道抗震防线,抗震结构在设
18、计上和构造上实现多道设防。如框架结构采用强柱弱梁设计,梁屈服后柱仍能保持稳定;框架-剪力墙结构设计成连梁首先屈服,然后是墙肢,框架作为第三道防线;,剪力墙结构通过构造措施保证连梁先屈服,并通过空间整体性形成高次超静定等。高层建筑避免采用纯框架结构。,多道抗震防线指的是:第一,一个抗震结构体系,应由若干个延性较好的分体系组成,并由延性较好的结构构件连接起来协同工作。,如框架-抗震墙体系是由延性框架和抗震墙二个系统组成;双肢或多肢抗震墙体系由若干个单肢墙分系统组成。,第二,抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部赘余度,有意识地建立起一系列分布的屈服区,以使结构能吸收和耗散大量的地震能量,一旦破坏
19、也易于修复。,五、抗震薄弱层/部位的概念,也是抗震设计中的重要概念,包括:,结构在强烈地震下不存在强度安全储备,构件的实际承载力分析(而不是承载力设计值的分析)是判断薄弱层(部位)的基础;,要使楼层(部位)的实际承载力和设计计算的弹性受力之比在总体上保持一个相对均匀的变化,一旦楼层(或部位)的这个比例有突变时,会由于塑性内力重分布导致塑性变形的集中;,要防止在局部上加强而忽视整个结构各部位刚度、强度的协调;,在抗震设计中有意识、有目的地控制薄弱层(部位),使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移,这是提高结构总体抗震性能的有效手段。,六、抗震结构的地震作用,地震的作用是相当复杂的,带有很多不确
20、定因素。即使在相同的设防烈度下(相同时),不同的地震波使建筑产生的反应不同,而且离散性很大。,现行抗震规范给出的反应谱曲线,也只是很多不同地震的实际反应谱的平均数值,因此,将来遇到实际的地震时,其地震作用可能低于规范计算的数值,也可能高于这一数值,不能认为按反应谱曲线计算得到的地震作用就是真正的、确实的数值。所以,结构抗震设计必须多方面考虑,并留有充分的余地。,与风荷载作用的时间(常为几十分钟至几个小时)相比,地震作用的时间是非常短促的,一次地震往往只经历几十秒钟,其中最强烈的振动可能只有几秒钟。,地震持续时间越长,破坏越严重。1985年9月墨西哥地震最大加速度达0.2g(g为重力加速度),持
21、续时间长达3min之久,因而造成了严重的损失。,衡量地震作用强烈程度目前常用地面运动的最大加速度作为标志,它就是建筑抗震设计时的基础输入最大加速度,其单位为重力加速度g(9.81m/s2)或Gal(gal10mm/s2),大体上,7度相当于最大加速度为100Gal,8度相当于200Gal,9度相当于400Gal。,结构自振周期应与地震动卓越周期错开,避免共振造成灾害。地震动卓越周期又称地震动主导周期,是根据地震时某一地区地面运动记录计算出的反应谱的主峰值位置所对应的周期,,它是地震震源特性、传播介质和该地区场地条件的综合反应,并随场地覆盖土层增厚变软而加长。,在地震时,结构因地面振动而产生惯性
22、力,使建筑产生内力,振动建筑会产生位移、速度和加速度。,地震力大小与建筑的质量与刚度有关。在同等的烈度和场地条件下,建筑的重量越大,受到地震力也越大,因此减小结构自重不仅可以节省材料,而且有利于抗震。,同样,结构刚度越大、周期越短,地震作用也大,因此,在满足位移限值的前提下,结构应有适宜的刚度。适当延长建筑的周期,从而降低地震作用,这会取得很大的经济效益。,目前,大多数建筑在抗震设计时,只对平面两个正交方向分别进行单向地震作用计算,不考虑双向、甚至三向地震的藕联作用。,实际上地震是非常复杂的三维振动,不仅在水平方向上x向与y向同时进行振动,而且还有显著的竖向(z向)振动。,仅就水平方向上的振动
23、而言,也是极不规则的。竖向振动最大加速度可达到水平地震加速度的50-60,它对高层建筑、长悬臂结构和大跨度结构都有显著的影响。,地震对建筑作用的显著特点是与建筑本身和场地土的动力特性有关。,七、抗震结构的延性,有抗震设防要求的建筑结构设计,除要考虑正常使用时的竖向荷载、风荷载以外,还必须使结构具有良好的抗震性能,做到小震时不坏,中震可时修,大震时不倒塌。,即当遭遇到相当于设防烈度的地震时,有小的损坏,经一般修理仍能继续使用;当遭遇超设防烈度强震时,结构有损坏,但不致使人民生命财产和重要机电设备遭受破坏,使结构做到裂而不倒。,建筑结构是否具有耐震能力,主要取决于结构所能吸收和消耗的地震能量。结构
24、抗震能力是由承载力和变形能力两者共同决定的。,当结构承载力较小,但具有很大延性,所能吸收的能量多,虽然较早出现损坏,但能经受住较大的变形,避免倒塌。,但是,仅有较大承载力而无塑性变形能力的脆性结构,吸收的能量少,一旦遭遇超过设防烈度的地震作用时,很容易因脆性破坏使房屋造成倒塌。,一个构件或结构的延性用延性系数 表达,一般用其最大允许变形与屈服变形的比值表达,变形可以是线位移、转角或层间侧移,其相应的延性,称之为线位移延性、角位移延性和相对位移延性。,结构延性的表达式:,设为结构屈服时荷载;则 为结构屈服荷载所对应的变形;为结构极限荷载;为结构极限荷载或降低10 时所对应的最大允许变形(或)。,
25、钢筋混凝土是一种弹塑性材料,钢筋混凝土结构具有塑性变形的能力,当地震作用下结构达到屈服以后,利用结构塑性变形来吸收能量。增加结构的延性,不仅能削减地震反应,而且提高了结构抗御强烈地震的能力。,结构或构件的延性是通过试验测定的,是由采取一系列的构造措施实现的。因此,在结构抗震设计中必须严格执行规范、规程中有关的构造要求。从保证延性的重要性而言,抗震结构的构造措施比计算更重要。,建筑钢筋混凝土结构的延性要求为。为了保证结构的延性,构件要有足够的截面尺寸,柱的轴压比,梁和剪力墙的剪压比,构件截面配筋率要适宜,应遵照规范、规程的规定要求。,合理地控制结构的非弹性部位(塑性铰区),掌握结构的屈服过程及最
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