《工程结构抗震设计》PPT课件.ppt

工程结构抗震设计 多层混合结构房屋抗震设计 第一节 震害分析 砖房震害情况如下 1房屋倒塌 整体倒塌，上部倒塌，局部倒塌 2墙体裂缝、破坏 斜裂缝：底层较上部重，山墙、窗间墙易产生 交叉裂缝：地震反复作用下由斜裂缝发展而成 水平裂缝：外纵墙窗口的上下截面处 竖向裂缝：纵横墙交接处，连接不好 3墙角破坏 约束差，扭转效应，纵横墙裂缝相遇 4纵横墙连接破坏 咬槎、连接差 5楼梯间破坏 楼梯间墙体空间刚度差 6楼盖与屋盖的破坏 墙体倒塌，支撑长度过小 7附属构件的破坏 与主体建筑连接差 第二节 建筑布置与结构选型 1建筑布置和结构体系 （1）建筑物平面布置 宜规整、对称 （2）建筑物体型和立面 体型宜规则、对称，各部分重量和刚度均匀 立面宜避免高低错落、局部突出等 （3）建筑物的结构体系 1）优先采用横墙承重方案，其次采用纵横墙混合承 重方案，纵墙承重方案不利抗震 2）大房间的布置宜上下连续，不宜使抗震墙间断 3）楼梯间不宜布置在房屋尽端或转角处，否则要采 取特殊措施 4）烟道、风道、垃圾道等，不应削弱墙体，否则要 采取相应的加强措施 5）不做高门脸、长悬臂雨蓬，不采用无锚固措施的 预制挑檐 2房屋总高度和层数的限值 房屋层数越多，高度越高，震害和破坏率越大 3房屋高宽比的限值 房屋的高宽比愈大，地震倾覆作用愈大 4抗震横墙的间距限值 房屋空间刚度对抗震性能影响很大 5房屋局部尺寸的限值 地震作用下房屋的薄弱部位如窗间墙、尽端墙段 等可能首先遭到破坏 第三节 多层混合结构房屋抗震计算 1计算简图 1）将水平地震作用在结的两个主轴方向分别验算 2）地震作用下结构的变形为剪切型 3）各抗侧力构件在同一楼层标高处侧移相同 2地震作用的计算 可采用底部剪力法。 3楼层地震剪力在墙体间的分配 当抗震横墙间距不超过限值要求时，认为 横向地震作用全部由横墙承担 纵向地震作用全部由纵墙承担 各道墙间地震剪力的分配 1）刚性楼盖房屋：横墙承受的地震剪力按各横墙 的侧移刚度比例分配 2）柔性楼盖房屋：横墙承受的地震剪力按各横墙 从属面积上的重力荷载比例分配 3）中等刚性楼盖房屋：各横墙承受的地震剪力取 上述两种方法的平均值 4）纵向地震剪力可按各纵墙的侧移刚度比例分配 4同一道墙上各墙段间地震剪力分配 地震剪力按各墙段的侧移刚度比例分配 5墙体抗震承载力验算 （1）各类砌体的抗震抗剪强度设计值 fvE fvE =N fv 式中，fv非抗震设计的砌体抗剪强度设计值 N砌体强度的正应力影响系数 （2）墙体截面的抗剪强度验算 选择不利墙段 1）承担水平地震作用较大的墙段 2）竖向压应力较小的墙段 3）墙体截面被削弱较多的墙段 对粘土砖、粉煤灰中砌块、混凝土中砌块墙体 式中 V 墙体剪力设计值 A 墙体横截面面积 RE 承载力抗震调整系数 第四节 砌体结构抗震构造措施 1设置钢筋混凝土构造柱 2设置钢筋混凝土圈梁 3楼、屋盖与墙体的连接要求 4墙体间的连接 5楼梯间的抗震构造 6采用同一类型基础 7砌块房屋的抗震构造措施 多高层钢筋混凝土结构抗震设计 第一节 框架结构震害分析 未经抗震设计的框架震害情况如下 1柱 （1）柱顶震害重于柱底 （2）角柱震害重于内柱 （3）短柱震害重于一般柱 2梁：两端节点附近产生周圈裂缝，出现塑性铰 3梁柱节点 4填充墙 5伸缩缝处 第二节 抗震设计的一般规定 1不同类型结构体系的适用高度及高宽比要求 （1）适用高度要求 （2）高宽比要求 2抗震等级划分 （1）先对各类建筑的设防烈度进行调整； （2）根据调整后的设防烈度、结构类型、结构高度确 定抗震等级。 例题：a. 某框架结构，乙类，8度设防，40m，试分别 确定地震作用计算、抗震措施的抗震等级。 b. 试确定上题改为框-剪、剪力墙结构时的抗震等级。 3结构布置 （1）柱网布置 柱网布置：要简单规整，刚度分布均匀，满足生产 工艺、使用情况下力求经济合理 （2）结构平面布置 宜简单、规则、对称 （3）结构竖向布置 体型力求规则均匀，抗侧力构件宜上下连续贯通。 4抗震缝布置 当建筑平面突出部分较长，结构刚度及荷载相差悬 殊或房屋有较大错层时，可设置。 抗震缝最小宽度应符合抗震规定要求。 5延性框架设计 设计原则：强柱弱梁，强剪弱弯，强节点强锚固 6其他问题 尽量减轻建筑自重并降低重心位置，减小地震作用 ； 避免出现错层和夹层，以免造成短柱破坏； 刚度沿高度不宜突变，以免造成薄弱层； 楼电梯间不宜设在结构单元的两端及拐角处。 第三节 框架结构抗震计算 1竖向荷载作用下框架内力计算 分层法，弯矩分配法 2水平荷载作用下框架内力计算 反弯点法，D值法（即改进的反弯点法） 第四节 框架结构抗震构造措施 1框架梁 2框架柱 3梁柱节点区 4砌体填充墙 钢结构抗震设计 第一节 震害现象及其分析 一、结构倒塌 主要原因是出现薄弱层。 二、构件的破坏 1框架柱 翼缘的屈曲、拼接处的裂缝、节点焊缝处裂缝引起 的柱翼缘层状撕裂、框架柱的脆性断裂， 2框架梁 翼缘屈曲、腹板屈曲和裂缝、截面扭转屈曲 3框架柱和梁的破坏原因 框架梁或柱的局部屈曲是因为梁或柱在地震作用下 反复受弯，以及构件的截面尺寸和局部构造如长 细比、板件宽厚比设计不合理造成的；柱的水平 断裂是因为地震动造成的倾覆拉力较大、动应变 速率较高、材性变脆 4支撑 破坏形式主要是轴向受压失稳。 主要原因是支撑构件为结构提供了较大的侧向刚度， 当地震强度较大时，承受的轴向力（反复拉压）增 加，如果支撑的长度、局部加劲板构造与主体结构 的连接构造等出现问题，就会出现破坏或失稳。 三、节点破坏 1. 节点破坏是地震中发生最多的一种破坏。 原因：由于节点传力集中、构造复杂，施工难度 大，容易造成应力集中、强度不均衡现象，再加 上可能出现的焊缝缺陷、构造缺陷，就更容易出 现节点破坏。 2. 节点域的破坏形式比较复杂，主要有加劲板的屈 曲和开裂、加劲板焊缝出现裂缝、腹板的屈曲和 裂缝。 四、基础锚固破坏 钢构件与基础的连接锚固破坏主要有螺栓拉断、混凝 土锚固失效、连接板断裂等。 主要是设计构造、材料质量、施工质量等方面出现问 题所致。 第二节 钢结构的抗震概念设计 一、钢结构房屋的结构体系 常用的钢结构体系有 1. 框架结构 2. 框架-支撑结构 3. 框架-抗震墙板结构 4. 筒体结构 5. 巨型框架结构 二、钢结构房屋抗震设计的一般规定 1. 钢结构房屋的结构类型与最大适用高度 2. 钢结构房屋适用的最大高宽比 3. 结构平、立面布置以及防震缝的设置 4. 支撑、加强层的设置要求 5钢结构房屋中楼盖 6钢结构房屋的地下室 第三节 多层和高层钢结构抗震设计简介 一、地震作用计算方法 底部剪力法、振型分解反应谱法、时程分析法 二、钢结构房屋的阻尼比 1. 多遇地震作用下，超过12层取0.02，不超过12层 的取0.035，对单层取0.05； 2. 罕遇地震作用下，不同层数都取0.05。 三、变形验算 1. 多遇地震下，层间变形应不超过层高的1/300； 2. 罕遇地震下，层间变形不应超过层高的1/50。 工程结构的隔震与减震 第一节 结构控制的基本概念 一、抗震理论的发展阶段 1静力理论，即抗侧力系数法 刚性结构体系，无法真正实现 2弹性地震反应谱分析方法 设计思想：“小震不坏，大震不倒” 延性结构体系，应用日益受到限制 3结构控制理论：初期发展和初步应用阶段 结构控制主要研究结构工程中控制装置的设计理论 、方法及其实施。 控制结构是根据给定的控制条件将结构和控制装置 作为一个整体进行优化设计。 结构控制可分四类 （1）被动控制：不需要外部提供能源 上部减震：如调频质量阻尼器、耗能装置等 基础减震：即基础隔震 （2）主动控制：需要外部提供能源 （3）半主动控制：仅需少量外部能源 （4）以上几种控制类型的组合 第二节 基础隔震 一、基础隔震模式 竖向支承机构 水平隔震机构 阻尼机构 基础地基 上部结构 隔震层 基础隔震建筑基本模式 二、隔震机构及隔震原理 1 叠层钢板橡胶支座隔震 （1）普通叠层钢板橡胶支座 （2）铅芯叠层钢板橡胶支座 （3）高阻尼叠层钢板橡胶支座 （4）堆叠型叠层钢板橡胶支座 隔震基本原理 （1）延长结构基本自振周期，远离场地卓越周期 ，使结构基频处于地震能量高的频段之外，从而 有效地降低建筑物的地震反应。 （2）适度增大橡胶支座的阻尼，以更多地吸收传 入结构的地震能量，抑制地震波中长周期成分可 能给建筑物带来的大变形。 2滑动支座隔震 （1）普通滑动支座 （2）双层滑动支座 （3）回弹滑动支座 隔震基本原理：通过隔震层控制传入上部结构的地 震力，地震力不超过隔震层摩擦力 3螺旋弹簧支座隔震 4滚动支座隔震 5摆动柱隔震 第三节 结构消能减震 一、消能减震机构 消能减震体系：把结构物的某些非承重构件设计成 消能杆件，或在结构的某些部位装设消能装置。 消能装置按照其构造形式可以做成 （1）消能支撑：替代一般的结构支撑 （2）消能剪力墙：替代一般的结构剪力墙 （3）消能节点：在结构梁柱节点处装设消能装置 （4）消能联结：在结构的缝隙处或结构构件之间 的联结处设置消能装置 消能装置的功能：当构件或节点发生相对位移或转动 时，产生较大阻尼，从而发挥消能减震作用。 消能装置的消能形式 （1）摩擦消能：摩擦消能支撑，摩擦节点 （2）钢件（梁、板、棒）非弹性消能装置 （3）材料塑性变形消能：铅阻尼器 （4）材料粘弹性消能装置 （5）液体阻尼消能：液体阻尼缸 （6）混合式：几种消能形式混合应用。 二、消能减震设计法 循环设计法：根据设计目标进行循环多次的设计计算 ，不断调整消能构件或消能装置的设计和布置，直 到满足设计目标。 桥梁结构抗震设计 第一节 桥梁结构抗震设计的基本知识 一、梁式桥震害表现及原因 1上部结构震害 (1)由于桥墩倾倒而引起落梁 (2)由于梁柱之间的相对错位而引起的落梁 (3)由于上部结构横向位移和转动引起落 2下部结构震害 桥墩、桥台、支座破坏 二、抗震设计的基本知识 (一)公路工程重要性分类 第一档次：高速公路和一级公路上的抗震重点工程； 第二档次：高速公路、一级公路的一般工程和二级公 路的抗震重点工程以及二三级公路上桥梁的支座。 第三档次：二级公路上的一般工程和三级公路上的抗 震重点工程以及四级公路上的梁端支座、梁端连接 、支档措施； 第四档次：三级公路上的一般工程和四级公路上的抗 震重点工程； 第五档次：四级公路上的一般工程。 (二)抗震设防标准 公路工程的设防依据是基本烈度。 1. 在基本烈度为7，8，9度地区的抗震设计，根据我 国交通部标准公路工程抗震设计规范进行； 2. 对于大于9度的地区，应进行专门研究； 3. 基本烈度为6度的地区，除国家特别规定外，可 采用简易设防，或不进行抗震验算。 (三)抗震设防目标 按规范要求进行抗震设计的公路工程在发生与之相当的基本 烈度地震影响时 1. 位于一般地段的高速公路、一级公路工程，经一般整修即 可正常使用； 2. 位于一般地段的二级公路及位于软弱粘性土层或液化土层 上的高速公路、二级公路工程，经短期抢修即可恢复使用 ； 3. 三四级公路工程和位于地震危险地段、软弱粘性土层或液 化土层上的二级公路以及位于抗震危险地段的高速公路、 一级公路工程，保证桥梁、隧道及重要的构造物不发生严 重破坏。 (四)抗震设计基本要求 1选择对抗震有利地段布设线路和选定桥位； 2避免或减轻在地震影响下因地基变形或地基失效 对公路工程造成的破坏； 3本着减轻震害和便于修复 (抢修)的原则，确定合 理的设计方案: (1) 尽量减轻结构的自重和降低其重心，以减小结构 物内力，提高稳定性。 (2) 力求使结构物的质量中心与刚度中心重合，以 减小在地震中因扭转引起的附加地震力， (3) 应协调结构物的长度和高度，以减少各部分不 同性质的振动所造成的危害作用。 (4) 适当降低结构刚度，使用延性材料提高其变形 能力，从而减小地震荷载。 (5) 加强地基的调整和处理，以减小地基变形和防 止地基失效。 4加强结构物的整体性。 (四)抗震设计一般规定 1下列构造物可不进行抗震强度和稳定性验算，但 应采取抗震措施 （1）简支梁的上部构造； （2）基本烈度低于9度，基础位于I、II类场地上的跨 径不大于30m的单孔板拱拱圈； （3）基本烈度低于8度，二、三、四级公路上位于非 液化土和非软弱粘性土地基上的实体墩台。 2验算桥梁的抗震强度和稳定性时，地震荷载应与 结构重力、土的重力和水的浮力相组合，其它荷载 可不考虑。 3计算桥梁地震荷载时，应分别考虑顺桥和横桥两 个方向的水平地震荷载。对于位于基本烈度为9度 区的大跨径悬臂梁桥，还应考虑上、下两个方向 竖向地震荷载和水平地震荷载的不利组合。 4立体交叉的跨线工程，其抗震设计不应低于下线 工程的要求。 5季节性河流上的桥梁，可不考虑水流影响；常年 有水的河流上的桥梁，应按常水位计算水的浮力 ；位于常水位水深超过5m的实体桥墩、空心桥墩 的抗震设计，应计入地震动水压力。 6梁桥下部结构的抗震设计，应考虑上部结构的地 震荷载。其作用点的位置，顺桥向为支座顶面； 横桥向为上部结构质量重心。 7位于非岩石地基上的梁桥桥墩抗震设计，应计入 地基变形的影响。 8地震荷载的计算法，一般情况下桥墩应采用反应 谱理论计算，桥台采用静力法。对于结构特别复 杂、桥墩高度超过30m的特大桥梁，可采用时程分 析法。 第二节 桥梁结构地震反应分析方法 一、静力法 假设结构为一刚体，把惯性力作为静力作用在结 构上。计算公式 F=kW 式中W为结构总