建筑抗震概念设计经典讲义.ppt
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1、第2章 建筑抗震概念设计,教学提示:地震及其影响有其不确定性,结构计算也有其不准确性。建筑结构的抗震问题不可能完全依赖“计算设计”,而必须强调“概念设计”。教学要求:本章让学生了解建筑抗震设计的主要概念,包括场地选择、建筑平立面的确定、结构及体系等。,地震是一种随机振动,以现有的科技水平,难以预估实际地震的发生时间、空间和强度。抗震设防的依据是一个地区的设防烈度,而由于统计分析的历史地震资料数量有限,以及地震地质背景不够清楚,在一个地区发生超过设防烈度的地震是完全可能的。同一个建筑场地的地面运动的性质,随着震源机制、震级大小、震中距和传播路径中土层性质的不同,也不是恒定不变的;不同性质的地面运
2、动对建筑物的破坏作用也不同。因此,地震及其影响有其不确定性。在结构分析方面,由于不可能完全、充分考虑结构的空间作用、结构材料的性质、特别是结构进入弹塑性以后材料的非弹性性质、阻尼变化等因素,结构计算也有其不准确性。所以,建筑结构的抗震问题不可能完全依赖“计算设计”而必须强调“概念设计”。所谓建筑抗震概念设计(Seismic Concept Design of Buildings),是指根据地震灾害和工程经验等形成的基本设计原则和设计思想,进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。概念设计的依据是震害和工程经验所形成的基本设计原则和思想,设计内容包括建筑体形、结构体系布置和抗震构造设计等,也就
3、是除了“计算设计”以外的所有抗震设计内容均属于“概念设计”的范畴。概念设计强调根据抗震设计的基本原则,在建筑场地选择、建筑体形(平、立面)、结构体系、刚度分布、构件延性等方面综合考虑,在总体上消除建筑中的薄弱环节,再加上必要的计算和抗震构造措施,使得所设计出的建筑具有良好的抗震性能。,2.1 场地的选择 2.2 建筑和结构的规则性 2.3 抗震结构体系 2.4 非结构构件 2.5 结构材料与施工 2.6 习 题,本章内容,2.1 场地的选择,地震灾害表明,建筑的破坏,不仅与建筑本身的抗震性能有关,还与建筑物所在场地条件有关。最直观的经验是,每次地震后震害往往有高烈度地震区出现低烈度震害异常区,
4、而低烈度地震区出现高烈度震害异常区。1967年委内瑞拉加拉加斯地震,不同覆盖土厚度地区,不同高度的房屋倒塌率有很大差异;1985年墨西哥地震距离震中400多千米的墨西哥城中房屋的破坏,比震中区的破坏更严重。如图2.1所示为唐山地震等烈度线,图中8度区中出现了7度和9度异常区。出现这种现象的原因,主要是与该区域的地形、工程地质和水文条件有关。,2.1 场地的选择,相应地,我们在选择建筑场地时,就应该根据工程需要,掌握地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料、对抗震有利、不利和危险地段作出综合评价。对抗震有利的地段,指的是稳定基岩、坚硬土,开阔、密实、均匀的中硬土等。对抗震不利的地段,为软弱土、
5、液化土,条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘,非岩质的陡坡,河岸和边坡的边缘,平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层(如故河道、疏松的断层破碎带、暗埋的塘浜沟谷和半挖半填地基)等。抗震危险地段,是指地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发震断裂带上可能发生地表位错的部位。,2.1 场地的选择,图2.1 唐山地震等烈度线,一般认为,当局部地形(如条状突出的山嘴、孤立的山丘等)高差大于30 m50 m时,位于高处的建筑的震害会加重。如1920年海原地震中,位于渭河谷地的姚庄烈度为7度,而2 km以外的牛家庄因处于高于百米的黄土梁上,烈度竟达到9度;海城地震,在大石桥盘龙山高差58 m的两个
6、测点上收到的强余震加速度记录表明,孤立突出地形上的地面最大加速度,比坡脚平地上的加速度平均大1.84倍。依据宏观震害调查的结果和对不同地形条件和岩土构成的形体所进行的二维地震反应分析结果所反映的总趋势,大致可以归纳为以下几点:高突地形距离基准面的高度愈大,高处的反应愈强烈;离陡坎和边坡顶部边缘的距离愈大,反应相对减小;从岩土构成方面看,在同样地形条件下,土质结构的反应比岩 质结构大;高突地形顶面愈开阔,远离边缘的中心部位的反应明显减小;边坡愈陡,其顶部的放大效应相应加大。,2.1 场地的选择,基于以上变化趋势,以突出地形的高差H和与之相对应的平均坡降H/L,以及场址距突出地形边缘的相对距离L1
7、与相对高度H的比值L1/H为参数,归纳出各种地形的地震力放大作用如下。(2-1)式中:局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数;局部突出地形地震动参数的增大幅度,按表2-1采用;附加调整系数,与建筑场地离突出台地边缘的距离 L1与相对高差H的比值有关。当L1/H2.5时,可取1.0;当2.5L1/H5时,可取0.6;当L1/H5时,可取0.3。L、L1均按距离场地的最近点考虑。,2.1.1 地形的影响,2.1 场地的选择,表2-1 局部突出地形地震影响系数的增大幅度,当需要在条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩石的陡坡、河岸和边坡边缘等不利地段建造丙类及丙类以上建筑时,除保证其在地震作用下的稳
8、定性外,尚应估计不利地段对设计地震动参数可能产生的放大作用,其地震影响系数最大值应乘以上述增大系数。其值可根据不利地段的具体情况确定,但不宜大于1.6。,2.1 场地的选择,2.1.2 工程地质和水文条件的影响,工程地质和水文条件的影响主要体现在场地土坚硬程度、覆盖层厚度(土层的性质、厚度)、场地自振周期和粉、砂土的液化等方面。场地覆盖层厚度一般情况下是指地面至剪切波速大于500 m/s的坚硬土顶面的距离。国内外多次大地震的经验表明:柔性建筑,厚土层上的震害重,薄土层上的震害轻。如委内瑞拉1967年加拉加斯6.4级地震,调查统计数据表明:当土层厚度超过160 m时,10层以上房屋的破坏率显著增
9、高,1014层房屋的破坏率,约为薄土层的3倍,14层以上房屋,破坏率的相对比值更上升到8倍。强震记录的分析结果,更给出地震剪力与土层厚度关系的定量数据。如图2.3所示为1967年加拉加斯地震的房屋底部地震剪力与土层厚度的分析结果,图2.3中N为房屋层数,从图中可以看出,房屋基底最大地震剪力FE随土层厚度的增大而急剧上升。,2.1 场地的选择,场地土是指场地范围内的地基土,深度一般为地面以下15 m。地震时建筑物的破坏,主要使地震剪切波(横波)向地表传递巨大能量引起地面振动所造成。震害调查结果表明,场地土刚性(坚硬程度)大小不同,使其上建筑的震害程度出现很大差异。一般来说,地基土刚性大,房屋破坏
10、轻,反之,破坏重。从地震记录也可以看出,不同刚性的场地土的地震动强度,差异也很大。表2-2为1985年墨西哥地震不同场地土上记录到的地震动参数。表中可以看出,古湖床软土上的地震动参数,与硬土的相比较,加速度约增加4倍,速度增加5倍,位移增加1.3倍,结构反应加速度增加9倍。,2.1 场地的选择,图2.2 结构破坏率与覆盖土层厚度的关系 图2.3 底部剪力与土层厚度的关系,2.1 场地的选择,表2-2 墨西哥市区不同场地土的地震动参数,2.1 场地的选择,从地震记录可以清楚地看出,一个场地的地面运动,一般存在一个破坏性最强的主振周期,如果建筑物的自振周期与这个卓越周期相等或相近,建筑物的破坏程度
11、就会因共振而加重。地震动的卓越周期又称地震动主导周期,它相当于根据地震时某一地区地面运动记录计算出来的反应谱的主峰位置所对应的周期。一个地区的地震动的卓越周期是地震震源特性、传播介质和该地区场地条件的综合产物,对于未来可能发生的地震,要正确预测它的波形是很难做到的,然而对于某一工程场址的地震动卓越周期,尽管随震级大小和震中距远近而变化,却因与该场址的场地土性质存在着某种相关性,是可以大致估计的,一般可以利用场地的自振周期来估计地震动卓越周期,即认为场地的自振周期约为地震动的卓越周期。,2.1 场地的选择,场地自振周期可以通过对地震剪切波在场地土中的传播分析来确定。当基岩内有振幅为1、频率为 的
12、正弦剪切波向上传来时,可以得到如图2.4所示的结果。图中各参数如下。,其中 分别为覆盖层土的密度和剪切波速,分别为基岩的密度和剪切波速;dov为覆盖层土的厚度,为覆盖层振幅放大系数,其值等于地面振幅与基岩入射波之比。从图2.4中可以看出,当地震波从地下传来时,如果上层土质比下层土软(k1),软土将对地震波的振幅有放大作用,并且不同厚度的软土层和土层的软硬程度不同,对频率不同的地震波的放大作用是不同的。,图2.4 振幅放大系数与土层性质的关系,2.1 场地的选择,当 时,即(2-2)此时,振幅放大系数 将达到最大值。亦即地震波的某个谐波分量的周期恰好是该波穿过土层所需时间的4倍时,地面震动将最显
13、著,该周期即为场地的自振周期。当场地土为多层土时,场地自振周期为(2-3)式中:为土层的等效剪切波速;式(2-2)及式(2-3)中土层的总厚度取覆盖层厚度和20 m的较小值。从公式可见,基岩上的覆盖层越厚,则场地的自振周期越长。场地的自振周期是场地的重要动力特性之一,在抗震设计时,应使建筑物的自振周期避开场地的自振周期,以避免发生共振现象。,2.1 场地的选择,共振破坏,实质上是建筑物在持续振动下结构变形的多次放大。因此,是否会发生共振破坏,除了建筑周期与地震动卓越周期相近这一基本条件外,还取决于地震动的循环次数,也就是强震的持续时间。所以,描述一次强震的地面运动,一般认为可以用加速度峰值、地
14、震动主要周期、持续时间三个特性参数来表示。震级愈大,峰值加速度就高,持续时间就长;场地覆盖层愈厚、土质愈软、震中距愈远,地震动主要周期(或称特征周期)愈长。从上述结果也可以看出,不同类别的土质,具有不同的动力特性,地震反应亦随之出现差异。因此,同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上,并且同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基。当不可避免时,可以采用设置变形缝将建筑分为不同的结构单元,或者仔细分析不同地基在地震下变形的差异以及上部结构各部分地震反应差异的影响,采取相应的抗震措施。,2.1 场地的选择,对于饱和松散的粉土和砂土,在强烈地震作用下,土颗粒有挤密的趋势,孔隙水压力急剧上
15、升,而使土颗粒处于悬浮状态,这样,地基土就丧失了剪承载力,并出现喷水冒砂现象。其后果就是建筑物下沉或整体倾斜(如图2.5所示),房屋基础的钢筋混凝土桩折断,地坪下沉或隆起,地下水池或油罐等地下结构浮起。所以,当建筑地基内存在液化土层时,要根据建筑物的重要性和液化程度的不同,采取有效措施,完全消除或部分液化沉陷的影响。淤泥、淤泥质土和软弱黏性土等高压缩性土,抗剪强度很低,在强烈地震作用下,絮状结构遭到破坏,不仅压缩变形增加,还会发生一定程度的剪切破坏,土体向两侧挤出,造成建筑物急剧沉降和倾斜。因此,对于软弱黏性土、液化土、新近填土或严重不均匀土等地基,应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响,并
16、采取相应的措施。,2.1 场地的选择,图2.5 地基失效引起结构整体倾斜,2.1 场地的选择,2.1.3 避开抗震危险地段,抗震的危险地段与不利地段的主要差异体现在危险地段在地震时场地、地基的稳定性可能遭到破坏,建造在这类地段上的建筑物破坏是不易用工程措施加以解决的,或者所花代价极为昂贵。断层是地质构造上的薄弱环节,从对建筑物危害的角度来看,断层可以分为发震断层和非发震断层。工程上的发震断裂主要为可能产生M5以上的地震断裂,对一般建筑只考虑1.0万年(全新世)以来的活动过的断裂,在此以前活动过的断裂不予考虑;对水电、核电等工程则考虑10万年(晚更新世)以来的活动过的断裂,晚更新世以前活动过的断
17、裂亦不予考虑。断裂对工程上的影响主要指地震时老断裂重新错动直通地表,在地面产生位错。因为国内外多次地震中的破坏现象均说明,在小于8度区的地震区地面一般不产生断裂错动,故在地震设防烈度小于8度的地区可不考虑断裂对工程的影响。,2.1 场地的选择,如果基岩上覆盖土层的厚度较大时,虽然地震时基岩老断裂产生重新错动,但由于覆盖土层较厚,基岩错动不会直通地表,此时也可以忽略发震断裂错动对地表建筑物的影响。根据对国内外地震宏观地表地裂考察和北京市勘察设计研究院对发震断裂上覆土层厚度对工程影响的专项研究,GB 500112001建筑抗震设计规范规定:抗震设防烈度为8度和9度时,前第四纪基岩隐伏断裂的土层覆盖
18、厚度分别大于60 m和90 m时,可忽略发震断裂错动对地表建筑物的影响。对不符合上述条件的情况,则建筑物应避开主断裂带,其避让距离不宜小于表2-3对发震断裂最小避让距离的规定。,2.1 场地的选择,陡峭的山区,在强烈地震的震撼下,常发生巨石滚落、山体崩塌。1970年5月秘鲁北部地震发生了一次特大塌方,塌体以每小时20 km40 km的速度滑移了18 km,一个市镇全部被塌方掩埋,约2万人丧生。所以在山区选址时,若发现有山体崩塌、巨石滚落等潜在危险时,不能建房。,表2-3 发震断裂的最小避让距离 单位:m,2.1 场地的选择,1964年美国阿拉斯加地震,岸边含有薄砂层透镜体的黏土沉积层斜坡,因薄
19、砂层的液化而发生大面积滑坡,土体支离破碎,地面起伏不平,如图2.6所示。1968年日本十胜冲地震,一些位于光滑、湿润黏土薄层上面的斜坡土体,也发生了较大面积的滑移。因此,对于那些存在液化或润滑夹层的坡地,也应视为抗震危险地段。,黏土层 0 10 20m,标高/m100-10,20100-10,砂透镜体,(a)地震前土层剖面,图2.6 薄砂夹层液化引起的岸边滑坡,2.1 场地的选择,总之,在选择建筑场地时,宜选择对抗震的有利地段,对不利地段,应提出避开要求;当无法避开时应采取有效措施;而不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。,(c)滑坡发生后,20100-10,液化砂,20100-10,(b)地震
20、期间,原地面,破坏面,滑坡后地面,20100-10,20100-10,2.1 场地的选择,建筑结构的平、立面是否规则,对结构的抗震性能具有最重要的影响,也是建筑设计首先遇到的问题。建筑物的平、立面布置的基本原则是:平面形状规则、对称,竖向质量、刚度连续、均匀,避免楼板错层。这里的“规则”,包含了对建筑的平、立面外形尺寸,抗侧力构件布置、质量分布,直至承载力分布等诸多要求。国内外多次地震中均有不少震例表明,房屋体形不规则、平面上凸出凹进,立面上高低错落,破坏程度比较严重;而简单、对称的建筑的震害较轻。道理很清楚,简单、对称的结构由于工程实际情况与结构的计算假定符合程度较好,这样计算结果就能够较准
21、确地反映建筑在地震时的情况,相应地容易估计其地震时的反应,并可根据建筑的地震反应,采取相应的抗震构造措施和进行细部处理。,2.2 建筑和结构的规则性,地震区的建筑,平面形状以正方形、矩形、圆形为好,正多边形、椭圆形也是较好的平面形状。但是在实际工程中,由于建筑用地、城市规划、建筑艺术和使用功能等多方面要求,建筑物不可能都设计成正方形、圆形,必然会出现L形、T形、U形、H形等各种各样的平面形状。对于非方形、非圆形的建筑平面,也不一定就是不规则的建筑,只要不满足表2-4规定的建筑物,就可以认为是平面规则的建筑。,表2-4 平面不规则类型,2.2 建筑和结构的规则性,对于结构平面扭转不规则,按刚性楼
22、盖计算,当最大层间位移与其平均值的比值为1.2时,相当于一端为1.0,另一端为1.45;当比值为1.5时,相当于一端为1.0,另一端为3.0。当变形小的一端满足规范的变形限值时,如果变形大的一端为小端的三倍,则不满足要求,导致破坏,如图2.7所示。,图2.7 建筑结构平面的扭转不规则示例,y,,则属扭转不规则,但应使,x,O,水平地震作用,2.2 建筑和结构的规则性,为了保证楼板在平面内有很大的刚度,同时为了防止建筑各部分之间振动不同步,建筑平面的外伸段长度应尽可能小。局部外伸的尺寸过大,地震时容易造成局部破坏,如图2.8所示。,图2.8 建筑结构平面的凹角和凸角不规则示例,2.2.1 建筑平
23、面规则性,2.2 建筑和结构的规则性,楼板开洞口过大,与刚性楼盖的计算假定不符。若计算时不考虑楼盖本身平面内的变形,则开洞的薄弱部位抗侧力构件的受力计算值偏小,导致结构的不安全。错层部位的短柱、矮墙均属于不利于抗震的构件,地震时很容易发生较严重的破坏,而且同一楼层内竖向构件的侧向参差不齐,地震剪力的分配复杂变化,难以合理控制。这些都将引起抗震计算结果的不可靠性,使得抗震设计复杂化,如图2.9所示。,B,B,b0.5B,A00.3AA=BL,(b),(c),图2.9 建筑结构平面的局部不连续示例(大开洞和错层),2.2 建筑和结构的规则性,此外,平面的长宽比不宜过大,平面长度与宽度之比一般宜小于
24、6,以避免两端相距太远振动不同步,由于复杂的振动形态而使得结构受到损坏。由于建筑平面是在建筑方案设计阶段就已经确定了,因此为了使得建筑有较好的抗震性能,结构工程师应在方案阶段密切与建筑师配合,适当调整建筑平面,也可能在满足使用功能和建筑艺术的前提下,使结构布置更合理。如图2.10所示的平面,由于两端楼电梯井斜放,整个建筑物没有一个对称轴,如图2.10(a)所示;如果调整一端筒的方向,则有一条对称轴,较为合理,如图2.10(b)所示;进一步调整两个端筒的方向,则可得到双轴对称的平面布置,如图2.10(c)所示,更为理想。同理,如图2.11所示的鱼形平面的办公楼也可调整。,2.2 建筑和结构的规则
25、性,图2.10 平面布局的调整例一,图2.11 平面布局的调整例二,2.2 建筑和结构的规则性,地震区建筑物的立面和竖向剖面同样要求规则,外形几何尺寸和建筑的侧向刚度等沿竖向变化均匀。建筑的立面外形最好采用矩形、梯形等均匀变化的几何形状,尽量避免出现过大的内收或外挑的立面,如图2.12所示。因为立面形状的突然变化,必然带来质量和侧向刚度的剧烈变化,突变部位就会塑性变形集中效应而加重破坏。,图2.12 悬臂式建筑,2.2 建筑和结构的规则性,除了建筑立面外形几何尺寸的变化外,工程中经常会由于要求大的室内空间、层高变化等建筑使用功能的要求,而出现取消部分抗震墙或结构柱的现象,这常出现在底部大空间剪
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