建筑结构抗震设计(2).ppt

1、建筑结构抗震设计Seismic design of buildings,第5章 多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计,5.1 概述 5.2 抗震设计的一般要求 5.3 框架内力和位移计算 5.4 钢筋混凝土框架结构构件设计,5.1 概述,1、多层和高层钢筋混凝土结构形式 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。 本章仅介绍前两种。 钢筋混凝土框架房屋： 钢筋混凝土纵梁、横梁和柱 等构件组成承重体系的房屋。 钢筋混凝土框架房屋层数一 般在十层以下,5.1 概述续,框架-抗震墙结构：在框架房屋中增加抗震墙构成。 抗震墙主要承受水平荷载，框架主要承受竖向荷载,抗震墙,框架

2、-抗震墙,5.1.1 震害及其分析,历次地震经验表明，钢筋混凝土结构房屋一般具有较好的抗震性能。结构设计中只要经过合理的抗震计算并采取妥善的抗震构造措施，在一般烈度区建造多层和高层钢筋混凝土结构房屋是可以保证安全的。 主要震害可概述如下： 1、共振效应引起的震害 结构的自振周期与场地土的自振周期接近或一致，引起建筑物的共振，导致结构破坏严重。 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 未经抗震设计的框架的震害主要反映在梁柱节点区。 柱的震害重于梁；柱顶震害重于柱底；角柱震害重于内 柱；短柱震害重于一般柱,5.1.1 震害及其分析续,柱顶震害：柱顶周围有水平裂缝、斜裂缝或

3、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。 破坏不易修复。 柱底震害：与柱顶相似，由于箍筋较柱顶密，震害相对柱顶较轻,5.1.1 震害及其分析续,短柱震害：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,5.1.1 震害及其分析续,角柱震害： 由于双向受弯、受剪,加上扭转作用，震害比 内柱重,5.1.1 震害及其分析续,4、框架砖填充墙的震害 框架中嵌砌砖填充墙，容易发生墙面斜裂缝，并沿柱周边开裂。端墙、窗间墙和门窗洞口边角部位破坏更加严重。由于框架变形属剪切型，下部层间位移大，填充墙震害呈现“下重上轻”的现象。 填充墙破坏的主要原 因是，墙体

4、受剪承载力 低，变形能力小，墙体 与框架缺乏有效的拉结， 因此在往复变形时墙体 易发生剪切破坏和散落,5.1.1 震害及其分析续,5、抗震墙的震害 在强震作用下，抗震墙的震害主要表现为墙肢之间连梁的剪切破坏。这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形剪切裂缝，这种破坏为剪切型脆性破坏，尤其在房屋13高度处的连梁破坏更为明显,5.2 抗震设计的一般要求5.2.1 结构体系选择,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，在震区选择 结构体系应综合考虑如下条件： 1、现浇混凝土房屋适用的最大高度 2、房屋高宽比限值 3、建筑物刚度与场地

5、条件有关 4、基础形式及埋置深度 如：天然地基时埋深不小于1/12建筑物高度 天然桩基时埋深不小于1/15建筑物高度 5、应注意技术经济指标,5.2.2 结构布置,结构体系确定后，结构布置应当密切结合建筑设计进 行，使建筑物具有良好的体型，使结构受力构件得到合理 的组合。 多高层钢筋混凝土结构房屋结构布置的基本原则是： 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。 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。 合理地设置变形缝。 加强楼屋盖的整

6、体性。 尽可能做到技术先进，经济合理,5.2.3抗震等级,抗震等级是结构构件抗震设防的标准，体现在同样地震烈度下不同结构类型的钢筋砼房屋不同的抗震要求。 如：次要的抗侧力结构单元的抗震要求可以低于主要的抗侧力结构单元。 房屋越高，地震反应越大，抗震要求越高。 抗震等级分为四级，结构的抗震等级越高，抗震措施越高，其中一级抗震要求最高。 抗震等级与结构类型、烈度有关，查表使用,5.2.3抗震等级续,下表为丙类建筑抗震等级的划分,注：1.建筑场地为类时，除6度外可按表内降低一度所对应的抗震等级采取抗震构造措施，但相应的计算要求不应降低； 2.接近或等于高度分界时，应允许结合房屋不规则程度及场地、地基

7、条件确定抗震等级,5.2.3抗震等级续,1、甲、乙、丁类建筑应按抗震设防标准中的抗震措施所要求的设防烈度按上表确定抗震等级。 2、当框架-抗震墙结构有足够的抗震墙时,其框架部分是次要抗侧力构件,可按框架-抗震墙结构中的框架确定抗震等级。否则按框架结构确定等级。区分标准是看框架部分承受的地震倾覆力矩是否大于结构总地震倾覆力矩的50%。 3、另外，对同一类型结构抗震等级的高度分界，抗震规范主要按一般工业与民用建筑的层高考虑，故对层高特殊的工业建筑应酌情调整。设防烈度为6度、建于lIII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,5.3 框架内力与位移计算,结构抗震计算

8、的内容一般包括： 结构动力特性分析，主要是结构自振周期的确定； 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； 结构内力分析； 截面抗震设计等。 框架结构设计的过程： 结构布置及构件截面尺寸确定计算简图荷载计算 重力荷载代表值计算水平（地震）作用计算 内力计算（竖向、水平向）内力组合截面强度计 算变形验算构造措施等,5.3.1 水平地震作用计算,1、结构的地震作用计算方向 一般可在建筑结构的两个主轴方向分别考虑水平地震 作用，各方向的水平地震作用全部由该方向抗侧力框架结 构承担。 2、计算单元的选取 一般应以防震缝所划分的结构单元作为计算单元，在 计算单元中各楼层重力荷载代表值的集中质

9、点Gi设在楼屋 盖标高处。 3、水平地震作用计算 一般情况下采用底部剪力法分别求单元的总水平地震 作用标准值FEK各层水平地震作用标准值Fi和顶部附加水平 地震作用标准值Fn,5.3.1 水平地震作用计算续,4、结构基本周期的计算 一般多采用顶点位移法，计入 的影响，框架结构 的基本周期T1可按下式计算： 考虑非结构墙体刚度影响的周期折减系数，当采用实砌填充砖墙时取0.60.7；当采用轻质墙、外挂墙板时取0.8； 假想集中在各层楼面处的重力荷载代表值Gi为水平荷载，按弹性方法所求得的结构顶点假想位移(m)。 对于有突出于屋面的屋顶间(电梯间、水箱间)等的框架结构房屋，结构假想位移是指主体结构顶

10、点的位移,5.3.1 水平地震作用计算续,5、地震剪力的计算及分配 当已知第j层的水平地震作用标准值Fj和Fn，第i层的 地震剪力为 然后，再按该层各柱的侧移刚度求其分担的水平地震 剪力标准值。一般将砖填充墙仅作为非结构构件，不考虑 其抗侧力作用,5.3.2 水平地震作用下框架内力的计算,在工程手算方法中，常采用反弯点法和D值法(改进反弯点法)进行水平地震作用下框架内力的分析。 反弯点法适用于层数较少、梁柱线刚度比大于3的情况，计算比较简单。 反弯点位置：上部0.5H，底层0.7H,5.3.2 水平地震作用下框架内力的计算续,D值法（改进的反弯点法）近似地考虑了框架节点转动对侧移刚度和反弯点高

11、度的影响，比较精确，应用比较广泛。 D值法计算框架内力的步骤： (1)计算各层柱的侧移刚度D,KC柱的线刚度； h 楼层高度； 节点转动影响系数，由梁柱线刚度，查表取用,5.3.2 水平地震作用下框架内力的计算续,2)计算各柱所分配的剪力 式中 第i层第j根柱所分配的地震剪力； 第i层楼层剪力； 第i层第j根柱的侧移刚度； 第i层所有各柱侧移刚度之和,5.3.2 水平地震作用下框架内力的计算续,3）确定反弯点高度y y0标准反弯点高度比，查表取值； y1上、下梁线刚度不同，对y0的修正值 弯点上移， y1为正值 弯点下移， y1为负值,5.3.2 水平地震作用下框架内力的计算续,y2 上层层高

12、与本层层高不同时，反弯点高度修正值。查表取值。 y3 下层层高与本层层高不同时，反弯点高度修正值。 查表取值。 (4)计算柱端弯矩MC 由柱剪力Vij和反弯点高度y，按下式求得： 上端 下端,5.3.2 水平地震作用下框架内力的计算续,5)计算梁端弯矩Mb 梁端弯矩可按节点弯矩平衡条件，将节点上、下柱端 弯矩之和按左、右梁的线刚度比例分配,6） 梁端剪力,5.3.2 水平地震作用下框架内力的计算续,7)计算柱轴力N 柱轴力为各层柱上梁端剪力之和。 边柱底层柱轴力为： 中柱底层柱轴力(拉力)为： N=46.6+112.7+174.7+253.1-12.2-30.2 -43.7-71.8=429.

13、2kN,5.3.3 竖向荷载作用下框架内力计算续,1、竖向荷载下框架内力近似计算可采用分层法和弯矩二次分配法。 1）分层法 将该层梁与上下柱组成计算单元； 每层只承受该层竖向荷载，不考虑其他各层荷载的影响,5.3.3 竖向荷载作用下框架内力计算续,由于各个单元上、下柱的远端并不是固定端，而是弹性嵌固的，故在计算简图中除底层外其他各层柱的线刚度均乘以折减系数0.9，因此柱的弯矩传递系数也相应地由l2改为l3。 用弯矩分配法逐层计算各单元框架的弯矩，叠加起来即为整个框架的弯矩。每一层柱的最终弯矩由上、下层单元框架所得弯矩叠加。对节点处不平衡弯矩较大的可再分配一次，但不再传递,5.3.3 竖向荷载作

14、用下框架内力计算续,2）弯矩二次分配法 计算各节点固端弯矩（不平衡弯矩）； 将各节点的不平衡弯矩，同时作分配（按梁柱线刚度分配固端弯矩）和传递（传递系数均为l2 ）； 再作一次弯矩分配即可。 2、梁端弯矩的调幅 由于钢筋混凝土结构具有塑性内力重分布性质，在竖向荷载下可以考虑适当降低梁端弯矩，进行调幅，以减少负弯矩钢筋的拥挤现象。对于现浇框架，调幅系数可取0.80.9；装配整体式框架由于节点的附加变形，可取=0.70.8。将调幅后的梁端弯矩叠加简支梁的弯矩，则可得到梁的跨中弯矩,5.3.3 竖向荷载作用下框架内力计算续,支座弯矩调幅降低后，梁跨中弯矩应相应增加，且调幅 后的跨中弯矩不应小于简支情

15、况下跨中弯矩的50。 调幅后跨中弯矩为,只有竖向荷载作用下的梁端弯矩可以调幅，水平荷载作用 下的梁端弯矩不能考虑调幅。因此，必须先将竖向荷载作用 下的梁端弯矩调幅后，再与水平荷载产生的梁端弯矩进行组合,5.3.3 竖向荷载作用下框架内力计算续,3、活荷载的不利布置 据统计，国内高层民用建筑重力荷载约1215kNM2， 其中活荷载约为2kNM2左右，所占比例较小，其不利布置 对结构内力的影响并不大。因此，当活荷载不很大时，可 按全部满载布置。这样，可不考虑框架的侧移，以简化计 算。当活荷载较大时，可将跨中弯矩乘以1.11.2系数加 以修正，以考虑活荷载不利布置对跨中弯矩的影响,5.3.4 内力组

16、合,1、两种基本组合 通过内力计算，获得了在不同荷载作用下产生的构件 内力标准值。根据可能出现的最不利情况进行构件的内力 组合所得设计内力值，进行截面设计. 在框架抗震设计时一般有两种组合： （1）地震作用效应与重力荷载代表值效应的组合 SGE相应于水平地震作用下重力荷载代表值效应的标准值； SEh水平地震作用效应的标准值,5.3.4 内力组合续,2）竖向荷载效应组合(非抗震组合) ，包括全部恒载与活载的组合 SG由恒荷载产生的内力标准值； SQ由活荷载产生的内力标准值。 在上述两种荷载组合中，取最不利情况作为截面设计用 的内力设计值。当需要考虑竖向地震作用或风荷载作用时， 其内力组合设计值可

17、参考有关规定,5.3.5 框架结构位移验算,位移计算是框架结构抗震计算的一个重要方面。前已述及，框架结构的构件尺寸往往决定于结构的侧移变形要求。 按照我国抗震规范二阶段三水准的设计思想，框架结构应进行两方面的侧移验算： 多遇地震作用下层间弹性位移的计算，对所有框架都应进行此项计算； 罕遇地震下层间弹塑性位移验算。抗震规范规定，79度时楼层屈服强度系数小于0.5的钢筋混凝土框架结构应进行此项计算,5.3.5 框架结构位移验算续,1、多遇地震作用下层间弹性位移的计算 多遇地震作用下，框架结构的层间弹性位移验算按下式 进行计算 式中， 其中，H为层高； 为多遇烈度下的各层间剪力； 为层间弹性位移角限

18、值，取l/550,5.3.5 框架结构位移验算续,2、罕遇地震作用下层间弹塑性位移验算 抗震规范规定，对于不超过l2层，且刚度无突变的钢筋混凝土框架结构，可采用简化方法，验算框架薄弱层的弹塑性变形，即,为层间弹塑性位移角限值，对钢筋混凝土框架结构取1/50。 为弹塑性位移增大系数，见第三章，其值与楼层屈服强度系数有关,5.4 钢筋混凝土框架结构构件设计,框架结构抗震设计的正确指导思想 1）框架塑性效应较多地发生在梁端，底层柱的塑性效应 较晚形成；强柱弱梁 2）梁柱在弯曲破坏前，避免发生其它形式破坏，如剪切 破坏、粘结破坏等；强剪弱弯 3）在梁、柱破坏之前，节点应有足够的强度即变形能力； 更强的

19、节点 4）重视非结构构件设计,5.4.1 框架梁截面设计,框架结构的合理屈服机制是在梁上出现塑性铰。 对框架梁端抗震设计的基本要求： 梁形成塑性铰后仍有足够的受剪承载力(强剪弱弯) 设计剪力的取值； 梁筋屈服后，塑性铰区段应有较好的延性和耗能能力延性设计问题； 妥善地解决梁筋锚固问题（强锚固,5.4.1 框架梁截面设计续,1、框架梁抗剪承载力验算 梁剪力设计值 为了使梁端有足够的抗剪承载力，实现“强剪弱弯”的 设计思想，应充分估计框架梁端实际配筋达到屈服并产生 超强时有可能产生的最大剪力 。 抗震规范规定：对于抗震等级为一、二、三级的框 架梁端剪力设计值，应按下式进行调整,9度和一级框架结构尚

20、应符合,一、二、三级框架梁,5.4.1 框架梁截面设计续,梁在重力荷载代表值（9度时高层建筑还应包括竖 向地震作用标准值）作用下，按简支梁分析的梁端截 面剪力设计值,分别为梁左、右端逆时针或顺时针方向正 截面组合的弯矩设计值；一级框架两端弯矩均 为负弯矩时，绝对值较小一端的弯矩取零,梁的剪力增大系数，一级为1.3,二级为1.2, 三级为1.1,梁的净跨,分别为梁左、右端逆时针或顺时针方向 根据实配钢筋面积(考虑受压筋)和材料强度 标准值计算的抗弯承载力所对应的弯矩值,5.4.1 框架梁截面设计续,剪压比限值梁最小截面尺寸要求 剪压比是截面上平均剪应力与混凝土轴心抗压强度设计值的比值，以 表示，

21、用以说明截面上承受名义剪应力的大小。 梁塑性铰区的截面剪应力大小对梁的延性、耗能及保持梁的刚度和承载力有明显影响。当剪压比大于0.30时，即使增加配箍，也容易发生斜压破坏。 为了保证梁截面不至于过小，使其不产生过高的主压应力，规范规定：对于跨高比 的框架梁，其截面尺寸与剪力设计值应符合下式的要求,5.4.1 框架梁截面设计续,跨高比大于2.5时,跨高比等于或小于2.5时,5.4.1 框架梁截面设计续,梁斜截面受剪承载力 梁的受剪承载力可归结为由混凝土和抗剪钢筋两部分 组成，在反复荷载作用下，混凝土的抗剪作用将有明显的 削弱。根据试验资料，在反复荷载下梁的受剪承载力比静 载下约低2040。混凝土

22、结构设计规范规定，对 于矩形、T形和I字形截面的一般框架梁，斜截面受剪承载 力应按下式验算,5.4.1 框架梁截面设计续,5.4.1 框架梁截面设计续,2、提高梁延性的措施 试验和理论分析表明，影响梁截面延性的主要因素有 梁的截面尺寸、纵向钢筋配筋率、剪压比、配箍率、钢筋 和混凝土的强度等级等。 设计中要很好的处理这几方面，以实现梁截面的延性 设计,5.4.2 框架柱截面设计,柱是框架结构中最主要的承重构件，做为偏压构件， 其截面变形能力远不如以弯曲作用为主的梁。要使框架结 构具有较好的抗震性能，应该确保柱有足够的承载力和必 要的延性。为此，柱的设计应遵循以下设计原则： 强柱弱梁，使柱尽量不出

23、现塑性铰； 在弯曲破坏之前不发生剪切破坏，使柱有足够的抗剪能力； 控制柱的轴压比不要太大； 加强约束，配置必要的约束箍筋,5.4.2 框架柱截面设计续,1、强柱弱梁设计 “强柱弱梁”的概念要求在强烈地震作用下，结构发生较大侧移进入非弹性阶段时，为使框架保持足够的竖向承载能力而免于倒塌，要求实现梁铰侧移机构，即塑性铰应首先在梁上形成，尽可能避免在破坏后在危害更大的柱上出现塑性铰。 为此，就承载力而言，要求同一节点上、下柱端截面极限抗弯承载力之和应大于同一平面内节点左、右梁端截面的极限抗弯承载力之和。 抗震规范规定：一、二、三级框架的梁柱节点处，除框架顶层和柱轴压比小于0.15外，柱端弯矩设计值应

24、符合下式的要求,5.4.2 框架柱截面设计续,9度和一级框架结构尚应符合,为了不使框架底层柱过早出现塑性铰，规范规定：一、二、三级框架底层柱底截面组合的弯矩设计值应分别乘以增大系数1.5、1.25、1.15,5.4.2 框架柱截面设计续,2、强剪弱弯在弯曲破坏之前不发生剪切破坏 柱剪力设计值 为防止框架柱出现剪切破坏，应充分估计到柱端出现塑性铰即达到极限抗弯承载力时有可能产生的最大剪力，并以此进行柱斜截面计算。抗震规范规定：对于抗震等级为一、二、三级的框架柱端剪力设计值，应按下式进行调整,9度和一级框架结构尚应符合,5.4.2 框架柱截面设计续,分别为柱上、下端逆时针或顺时针方向正截 面组合的

25、弯矩设计值,柱的剪力增大系数，一级为1.4,二级为1.2,三级1.1,柱的净高,分别为柱上、下端逆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弯承载力所对应的弯值,5.4.2 框架柱截面设计续,剪压比限值：柱截面尺寸不能太小 规范规定：对于剪跨比大于2的矩形截面框架柱，其截面尺寸与剪力设计值应符合下式的要求： 对于剪跨比不大于2的框架短柱其截面尺寸与剪力设计值应符合下式的要求,5.4.2 框架柱截面设计续,剪跨比按下式计算： 反弯点位于柱中部时，可按构件净长与2倍截面高度之 比计算,5.4.2 框架柱截面设计续,柱斜截面受剪承载力 试验证明，在反复荷载下，框架柱的斜截

26、面破坏，有 斜拉、斜压和剪压等几种破坏形态。当配箍率能满足一定 要求时，可防止斜拉破坏；当截面尺寸满足一定要求时， 可防止斜压破坏。而对于剪压破坏，应通过配筋计算来防 止。 研究表明，影响框架柱受剪承载力的主要因素除混凝 土强度外，尚有剪跨比、轴压比和配箍特征值 等,5.4.2 框架柱截面设计续,混凝土结构设计规范规定，框架柱斜截面受剪承载力按下式计算,当框架柱出现拉力时，其斜截面承载力应按下式计算,5.4.2 框架柱截面设计续,3、控制柱轴压比 轴压比：柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积之比,即： 轴压比是影响柱子破坏形态和延性的主要因素之一。 轴压比越大，柱子的

27、延性越差。柱子的破坏形态也随轴 压比的增大，由大偏心破坏向小偏心破坏过渡。抗震结构 要求柱子有足够的延性且为大偏心破坏，故控制轴压比的 限值,5.4.2 框架柱截面设计续,规范规定： 柱轴压比不应超过下表，但类场地上的较高高层建筑 柱轴压比限值应适当减小,柱轴压比限制,5.4.2 框架柱截面设计续,4、柱内纵向钢筋的配置 柱的纵向配筋应符合下列要求： （a)宜对称布置； （b)截面尺寸大于400mm的柱，纵向钢筋间距不宜大于200mm； （c)纵向钢筋的最小配筋率应按下表采用,d)柱的总配筋率不应大于5%。 （e)一级且剪跨比大于2的柱，每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1.2,5.4.2 框架柱截面

28、设计续,5、加强柱端约束 加密箍筋可以： 承担柱子剪力； 约束混凝土，改善混凝土的变形性能，提高构件的延性； 防止混凝土过早地压溃及防止纵向钢筋的压曲失稳。 加密位置、箍筋直径、箍筋间距等应符合规范规定,5.4.3 框架的节点设计,框架节点是框架梁柱构件的公共部分，节点的失效意味着与之相连的梁与柱同时失效。另一方面，框架结构最佳的抗震机制是梁式侧移机构，但梁端塑性铰形成的基本前提是保证梁纵筋在节点区有可靠的锚固。 节点主要受剪力和压力的组合作用，节点核心区未开裂前，箍筋应力很小，基本上是混凝土承受剪力。约当剪力达到核心区极限抗剪能力6070%时，混凝土突然发生对角贯通裂缝，节点刚度明显降低，箍筋应力也突然增大，个别甚至屈服，此后斜裂缝增多增宽，箍筋陆续达到屈服。 国内外大地震的震害表明，钢筋混凝土框架节点破坏的主要形式是节点核芯区剪切破坏和钢筋锚固破坏，严重的会引起整个框架倒塌，修复也比较困难。因而，在框架结构抗震设计中对节点应予以足够的重视,5