结构抗震设计讲义5

第5章

多层混凝土结构抗震设计

返回总目录教学提示：多层钢筋混凝土结构抗震结构设计的要点在于达到抗震设防“三水准”的设防目标，特别是“第三水准”，即在罕遇地震作用下防止结构发生倒塌的设防目标的实现。防倒塌是建筑抗震设计的最低设防标准，也是最重要而必须得到确实保证的要求。教学要求：本章要求学生了解多层钢筋混凝土结构抗震结构设计的要点、抗震计算方法及构造措施。●5.1概述●5.2一般要求●5.3框架内力分析●5.4框架截面设计●5.5框架计算实例●5.6习题本章内容5.1概述多层钢筋混凝土结构主要指多层框架结构，近年来还有异形柱框架结构等结构形式得到应用。框架结构体系是指由钢筋混凝土框架梁和框架柱所组成的结构体系，如果框架柱的截面形式是十字形、T形、L形、一字形等非矩形或圆形的形状，则构成异形柱框架结构体系，如图5.1所示。框架结构既负担竖向重力荷载，又承担水平荷载。按施工方法不同，框架结构又可以分为如下几类：梁、板、柱全部现浇的全现浇框架；楼板预制，梁、柱现场浇筑的现浇框架；梁、板预制，柱现场浇筑的半装配式框架；梁、板、柱全部预制的全装配式框架等。(a)框架结构(b)异形柱框架结构图5.1框架结构体系框架结构体系的优点是建筑平面布置灵活，可以提供较大的内部空间；在竖向可以通过框架梁的外挑或内收，或者设置构架等方法，形成较为丰富的立面，因此框架结构广泛应用于商场、餐厅、展览馆、教学、办公等公共建筑及多层工业厂房。随着我国经济实力的加强和人民生活水平的不断提高，钢筋混凝土框架结构也越来越多地代替砌体结构应用于别墅、多层住宅等民用建筑中。由于框架结构抵抗水平荷载的构件是由梁、柱构成的框架，构件截面小，因而侧向刚度低，在房屋高度增加的情况下其内力和侧移增加很快，从而导致梁柱截面尺寸和配筋量增加，到一定程度，将给建筑平面布置和空间处理上带来困难，影响建筑空间的正常使用，在经济上也趋于不合理，因此框架结构只适用于多层或较低的高层建筑。多次地震经验表明，钢筋混凝土结构房屋一般具有较好的抗震性能。只要经过合理的抗震设计和正常的施工程序，在一般烈度区建造多层钢筋混凝土结构房屋是可以保证安全的。但是如果设计不合理或施工质量欠佳的钢筋混凝土结构房屋在地震中遭遇震害的情况，也是经常见到的。主要的震害情况有如下几种。5.1概述1.结构布置不合理产生的震害包括如图2.22所示的扭转破坏、如图2.15、图2.21所示的塑性变形集中产生的薄弱层破坏以及防震缝之间的结构碰撞产生的破坏(详见2.2.4节)等。2.共振效应引起的震害1976年唐山地震中，位于塘沽地区(烈度为8度强)的7～10层框架结构，因其自振周期0.6～1.05与该场地土(海滨)的自振周期0.8～1.05相一致，发生共振，导致该类框架破坏严重。1985年9月墨西哥太平洋岸发生8.1级地震。震中东面约350km处的墨西哥城，建在古湖床深厚软土层上的高层建筑，出人意外地遭到严重破坏，共有164幢6～20层房屋倒塌或濒临倒塌。而5层以下的房屋破坏较轻，23层以上的楼房也未破坏，市内一幢高181m自振周期为3.9s的42层拉丁美洲大厦，基本上没有遭到损害。详细考察后发现，这些中高层房屋的大量倒塌，是由于地震动引起房屋共振造成的。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概述由于在水平地震作用下，柱端处的弯矩、剪力和轴力都比较大，柱的箍筋配置不足或锚固不好，在弯、剪共同作用下，使箍筋失效，混凝土剥落、甚至压碎崩落，纵向力使纵筋压曲呈灯笼状，如图5.2所示。图5.2柱端震害当有错层、夹层或有半高的填充墙，或不适当地设置某些连系梁时，容易形成短柱(当反弯点在层高范围内时，柱净高/柱截面的边长＜4的柱)。一方面由于短柱的侧向刚度大，相应地承担了较大的地震剪力，另一方面短柱变形能力差，常发生剪切破坏，形成交叉裂缝乃至脆断，如图5.3所示。5.1概述图5.3柱剪切破坏5.1概述梁柱节点区的破坏大都是因为节点区无箍筋或少箍筋，在剪、压作用下混凝土出现斜裂缝甚至挤压破碎，纵向钢筋压曲成灯笼状，如图5.4所示。图5.4节点的破坏5.1概述在地震中房屋不可避免地要发生扭转，因此角柱所受剪力最大，同时角柱又受有双向弯矩作用，而其约束又较其他柱小，所以震害重于内柱。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。烈度较高时墙体容易倒塌。由于框架侧向变形属剪切型，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图5.2柱端震害。5.1概述5.2.1房屋适用的的最大高度度对采用钢筋筋混凝土材材料的高层层建筑，从从安全和经经济诸方面面综合考虑虑，其适用用高度应有有限制。房房屋的最大大适用高度度与设防烈烈度、结构构类型和场场地类别等等因素有关关。《抗震规范》要求现浇钢钢筋混凝土土结构房屋屋的最大高高度应符合合表5-1的规定。表5-1现浇钢筋混混凝土结构构房屋适用用的最大高高度5.2一般要要求结构类型烈度6度7度8度9度框架60554525框架-抗震震分框支抗震墙12010080不应采用框架-核心中柱-抗震墙403530不应采用注：①房房屋高度指指室外地面面到主要屋屋面板板顶顶的高度(不包括局部部突出屋顶顶部分)；②框架-核心筒结构构指周边稀稀柱框架与与核心筒组组成的结构构；③部分框框支抗震墙墙结构指首首层或底部部两层框支支抗震墙结结构；④乙类建建筑可按本本地区抗震震设防烈度度确定适用用的最大高高度；⑤超过表表内高度的的房屋，应应进行专门门研究和论论证，采取取有效的加加强措施。。平面和竖向向均不规则则的结构或或建造于IV类场地的结结构，其最最大适用高高度应适当当降低，降降低的高度度一般为20%左右。当钢筋混凝凝土结构的的房屋高度度超过最大大适用高度度时，应通通过专门研研究，采取取有效加强强措施，必必要时需采采用型钢筋筋混凝土结结构等，并并按建设部部部长令的的有关规定定上报审批批。5.2一般要要求5.2.2抗震等级钢筋混凝土土结构的抗抗震措施，，包括内力力调整和抗抗震构造措措施，不仅仅要按建筑筑抗震设防防类别区别别对待，而而且要按抗抗震等级划划分，因为为同样烈度度下不同结结构体系、、不同高度度有不同的的抗震要求求。例如：：次要抗侧侧力构件的的抗震要求求可低于主主要抗侧力力构件。如如框架-抗震墙中的的框架，其其抗震要求求低于框架架结构中的的框架，而而其抗震墙墙则比抗震震墙结构有有更高的要要求，原因因是框架-抗震墙中的的框架主要要是为了承承担竖向荷荷载，水平平荷载主要要由抗震墙墙予以承担担；较高的的房屋地震震反应大，，位移延性性的要求也也较高，墙墙肢底部塑塑性铰区的的曲率延性性要求也较较高。场地地不同时抗抗震构造措措施也有区区别，如I类场地的所所有建筑及及IV类场地较高高的高层建建筑。抗震震等级分为为四级，并并应符合相相应的计算算和构造措措施要求。。它体现了了不同设防防烈度下不不同结构类类型、不同同高度有不不同的抗震震要求，其其中一级抗抗震要求最最高。丙类类建筑的抗抗震等级按按表5-2确定。5.2一般要要求表5-2现浇钢筋混混凝土结构构房屋的抗抗震等级结构类型烈度6度7度8度9度框架结构高度/m≤30＞30≤30＞30≤30＞30≤25框架四三三二二一一剧场、体育馆等大跨度公共建筑三二一一框架-抗震墙

结构高度/m≤60＞60≤60＞60≤60＞60≤50框架四三三二二一一抗震墙三二一一一抗震墙结构高度/m≤80＞80≤80＞80≤80＞80≤60抗震墙四三三二二一一部分框支抗震墙结构抗震墙三二二一框支层框架二二一一筒体结构框架核心筒框架三二一一核心筒二二一一筒中筒外筒三二一一内筒三二一一板柱-抗震墙

结构板柱的柱三二一抗震墙二二二5.2一般要要求注：①建建筑场地为为Ⅰ类时，除6度外可按表表内降低一一度所对应应的抗震等等级采取抗抗震构造措措施，但相相应的计算要求求不应降低低；②接近或或等于高度度分界时，，应允许结结合房屋不不规则程度度及场地、、地基条件件确定抗震震等级；③部分框框支抗震墙墙结构中，，抗震墙加加强部位以以上的一般般部位，应应允许按抗抗震墙结构构确定其抗抗震等级。在确定钢筋筋混凝土房房屋抗震等等级时，尚尚应符合下下列要求。。框架-抗震墙结构构，在基本本振型地震震作用下，，若框架部部分承受的的地震倾覆覆力矩大于于结构总地地震倾覆力力矩的50%，考虑到这这时抗震墙墙侧向刚度度较小，框框架要承担担较大的水水平荷载，，相应地其其框架部分分的抗震等等级应按框框架结构确确定。考虑虑到结构体体系中抗震震墙的作用用，其最大大适用高度度可比框架架结构适当当增加，但但一般不超超过20%。框架承受受的地震倾倾覆力矩可可按下式计计算：(5-1)式中：Mc——框架-抗震墙结构构在基本振振型地震作作用下框架架部分承受受的地震倾倾覆力矩；；n——结构层数；；5.2一般要要求5.2一般要要求m——框架i层的柱根数数；Vij——第i层j根框架柱的的计算地震震剪力；hi——第i层层高。裙房与主楼楼相连，除除应按裙房房本身确定定外，不应应低于主楼楼的抗震等等级；主楼楼结构在裙裙房顶层及及相邻上下下各一层应应适当加强强抗震构造造措施。裙裙房与主楼楼分离时，，应按裙房房本身确定定抗震等级级如图5.5(a)、图5.5(b)所示。(a)(b)(c)图5.5裙房和地下下室的抗震震等级带地下室的的多层和高高层建筑，，当地下室室结构的刚刚度和受剪剪承载力比比上部楼层层相对较大大时，地下下室顶板可可视作嵌固固部位，在在地震作用用下的屈服服部位将发发生在地上上楼层，同同时将影响响到地下一一层。地面面以下地震震响应虽然然逐渐减小小，但地下下一层的抗抗震等级不不能降低，，因此地下下一层的抗抗震等级应应与上部结结构相同。。地下一层层以下的抗抗震等级可可根据具体体情况采用用三级或更更低等级。。地下室中中无上部结结构的部分分，可根据据具体情况况采用三级级或更低等等级，如图图5.5(c)所示。抗震设防类类别为甲、、乙、丁类类的建筑，，应按第1章各抗震设设防类别建建筑的抗震震设防标准准的要求(即：甲、乙乙类建筑抗抗震措施，，当抗震设设防烈度为为6～8度时，应符符合本地区区抗震设防防烈度提高高一度的要要求，当为为9度时，应符符合比9度抗震设防防更高的要要求；丁类类建筑，一一般情况下下，抗震措措施应允许许比本地区区抗震设防防烈度的要要求适当降降低，但抗抗震设防烈烈度为6度时不应降降低和表5-2确定抗震等等级；其中中，8度乙类建筑筑高度超过过表5-2规定的范围围时，应经经专门研究究采取比一一级更有效效的抗震措措施。5.2一般要要求5.2.3防震缝当建筑平面面过长、结结构单元的的结构体系系不同、高高度或刚度度相差过大大以及各结结构单元的的地基条件件有较大差差异时，应应考虑设置置防震缝，，其最小宽宽度应满足足2.2.4节的要求。。震害表明，，即使满足足规定的防防震缝宽度度，在强烈烈地震下由由于地面运运动变化、、结构扭转转、地基变变形等复杂杂因素，相相邻结构仍仍可能局部部碰撞而损损坏，但宽宽度过大会会给立面处处理造成困困难。因此此，高层建建筑宜选用用合理的建建筑结构方方案而不设设置防震缝缝，同时采采用合适的的计算方法法和有效的的措施，以以消除不设设防震缝带带来的不利利影响。防震缝可以以结合沉降降缝要求贯贯通到地基基，当无沉沉降问题时时也可以从从基础或地地下室以上上贯通。当当有多层地地下室形成成大底盘，，上部结构构为带裙房房的单塔或或多塔结构构时，可将将裙房用防防震缝自地地下室以上上分隔，地地下室顶板板应有良好好的整体性性和刚度，，能将上部部结构地震震作用分布布到地下室室结构。图5.6说明在罕遇遇地震作用用下，防震震缝处发生生碰撞时的的不利部位位。不利部部位产生的的后果包括括地震剪力力增大，产产生扭转、、位移增大大、部分主主要承重构构件撞坏等等。5.2一般要要求图5.6设置防震缝缝后的不利利部位震害和试验验研究都表表明框架结结构对抗撞撞不利，特特别是防震震缝两侧，，房屋高度度相差较大大或两侧层层高不一致致的情况。。针对上述述情况，对对8、9度框架结构构房屋防震震缝两侧结结构高度、、刚度或层层高相差较较大时，可可在防震缝缝两侧房屋屋的尽端沿沿全高设置置垂直于防防震缝的抗抗撞墙，每每一侧抗撞撞墙的数量量不应少于于两道，宜宜分别对称称布置，墙墙肢长度可可不大于一一个柱距，，框架和抗抗撞墙内力力应按考虑虑和不考虑虑抗撞墙两两种情况进进行分析，，并按不利利情况取值值。防震缝缝两侧抗撞撞墙的端柱柱和框架边边柱，箍筋筋应沿房屋屋全高加密密，图5.7所示。5.2一般要要求图5.7框架结构采采用抗撞墙墙示意图5.2.4结构布置钢筋混凝土土结构房屋屋结构布置置的基本原原则是：结结构平面应应力求简单单规则，结结构的主要要抗侧力构构件应对称称均匀布置置，尽量使使结构的刚刚心与质心心重合，避避免地震时时引起结构构扭转及局局部应力集集中。结构构的竖向布布置，应使使其质量沿沿高度方向向均匀分布布，避免结结构刚度突突变，并应应尽可能降降低建筑物物的重心，，以利结构构的整体稳稳定性。合合埋地设置置变形缝，，加强楼屋屋盖的整体体性。5.2一般般要要求求一般般框框架架结结构构均均采采用用现现浇浇钢钢筋筋混混凝凝土土，，设设防防烈烈度度为为6～8度时时，，可可采采用用装装配配式式楼楼盖盖，，板板与与梁梁应应有有可可靠靠连连接接，，板板面面应应有有现现浇浇配配筋筋面面层层。。框框架架结结构构的的梁梁、、柱柱沿沿房房屋屋高高度度宜宜保保持持完完整整，，不不宜宜抽抽柱柱或或抽抽梁梁，，使使传传力力途途径径突突然然变变化化；；柱柱截截面面变变化化，，不不宜宜位位于于同同一一楼楼层层。。在在同同一一结结构构单单元元，，宜宜避避免免由由于于错错层层形形成成短短柱柱。。局局部部突突出出屋屋顶顶的的塔塔楼楼不不宜宜布布置置在在房房屋屋端端部部，，且且不不应应做做成成砖砖混混结结构构，，可可将将框框架架柱柱延延伸伸上上去去或或做做钢钢木木轻轻型型结结构构，，以以防防鞭鞭端端效效应应造造成成结结构构破破坏坏。。楼楼电电梯梯间间不不宜宜设设在在结结构构单单元元的的两两端端及及拐拐角角处处，，因因为为单单元元角角部部扭扭转转应应力力大大，，受受力力复复杂杂，，容容易易造造成成破破坏坏。。电电梯梯筒筒非非对对称称布布置置时时，，应应考考虑虑其其不不利利作作用用，，必必要要时时可可采采取取措措施施，，减减小小电电梯梯筒筒的的刚刚度度。。框架架结结构构由由梁梁、、柱柱构构成成，，构构件件截截面面较较小小，，因因此此框框架架结结构构的的承承载载力力和和刚刚度度都都较较低低，，在在地地震震中中容容易易产产生生震震害害。。因因此此，，框框架架结结构构应应在在纵纵、、横横两两个个方方向向或或多多个个斜斜交交方方向向都都布布置置为为框框架架，，不不得得采采用用横横向向为为框框架架、、纵纵向向为为铰铰接接排排架架的的结结构构体体系系，，也也不不得得采采用用某某一一斜斜交交方方向向为为铰铰接接排排架架的的结结构构体体系系。。5.2一般般要要求求为保保证证形形成成工工作作可可靠靠的的抗抗侧侧力力结结构构，，防防止止产产生生过过大大的的偏偏心心弯弯矩矩和和柱柱子子的的扭扭转转，，框框架架梁梁、、柱柱轴轴线线宜宜在在同同一一平平面面内内，，尽尽量量避避免免梁梁置置柱柱的的一一侧侧，，更更不不得得将将梁梁跨跨出出柱柱截截面面之之外外。。梁梁、、柱柱、、轴轴线线偏偏心心距距e不宜宜大大于于柱柱截截面面相相应应边边长长的的1/4。偏偏心心距距过过大大，，在在地地震震作作用用下下将将导导致致梁梁柱柱节节点点核核芯芯区区受受剪剪面面积积不不足足，，并并对对柱柱带带来来不不利利的的扭扭转转效效应应，，如如图图5.8所示示。。有有时时由由于于建建筑筑设设计计的的需需要要，，特特别别是是框框架架边边节节点点，，如如偏偏心心距距大大于于该该方方向向柱柱宽宽的的1/4时，，可可采采取取增增设设梁梁的的水水平平加加腋腋等等措措施施，，如如图图5.9所示示。。设设置置水水平平加加腋腋后后，，仍仍须须考考虑虑梁梁柱柱偏偏心心的的不不利利影影响响。。图5.8梁、、柱柱偏偏心心的的影影响响图5.9水平平加加腋腋梁梁5.2一般般要要求求梁的的水水平平加加腋腋厚厚度度可可取取梁梁截截面面高高度度，，其其水水平平尺尺寸寸宜宜满满足足下下列列要要求求：：bx/lx≤(5-2a)bx/bb≤(5-2b)bx+bb+x≥(5-2c)在比比较较复复杂杂平平面面中中，，框框架架梁梁的的布布置置应应使使结结构构构构造造尽尽量量简简单单。。首首先先，，尽尽量量使使框框架架梁梁直直接接伸伸入入框框架架柱柱内内，，避避免免““梁梁搭搭梁梁””的的做做法法，，如如图图5.10所示示。。因因为为两两梁梁相相交交，，会会使使梁梁中中产产生生很很大大的的剪剪力力和和扭扭矩矩，，受受力力复复杂杂，，钢钢筋筋锚锚固固较较为为困困难难。。在框框架架布布置置时时，，尽尽量量避避免免五五梁梁在在1柱交交汇汇，，因因为为梁梁的的端端部部负负钢钢筋筋很很多多，，五五梁梁交交汇汇后后主主筋筋通通过过和和锚锚固固都都十十分分困困难难，，如如图图5.11所示示。。5.2一般般要要求求图5.10梁搭搭梁梁的的修修改改图5.11五梁梁交交汇汇扁梁梁指指梁梁截截面面高高度度不不大大于于梁梁截截面面宽宽度度的的梁梁。。扁扁梁梁宽宽度度大大于于柱柱宽宽时时，，楼楼板板应应采采用用现现浇浇，，为为了了减减小小偏偏心心扭扭转转对对梁梁、、柱柱节节点点的的不不利利效效应应，，梁梁中中线线宜宜与与柱柱中中线线重重合合，，扁扁梁梁宜宜双双向向布布置置，，且且不不宜宜用用于于一一级级框框架架结结构构。。沿沿框框架架周周边边的的梁梁采采用用扁扁梁梁时时，，应应考考虑虑单单侧侧楼楼板板对对梁梁的的扭扭转转效效应应。。扁扁梁梁的的截截面面尺尺寸寸应应符符合合以以下下要要求求：：bb≤2bc(5-3a)bb≤bc+hb(5-3b)hb≥16d(5-3c)5.2一般般要要求求式中：：bc——柱截面面宽度度，圆圆形截截面取取柱直直径的的0.8倍；bb，hb——分别为为梁截截面宽宽度和和高度度；d——柱纵筋筋最大大直径径。扁梁的的截面面高度度尚应应满足足挠度度和裂裂缝宽宽度的的有关关规定定。非承重重墙体体的材材料、、选型型和布布置，，应根根据烈烈度、、房屋屋高度度、建建筑体体型、、结构构层间间变形形、墙墙体自自身抗抗侧力力性能能的利利用等等因素素，经经综合合分析析后确确定。。非承承重墙墙体应应优先先选用用轻质质墙体体材料料。刚性非非承重重墙体体的布布置，，应避避免使使结构构形成成刚度度和强强度分分布上上的突突变。。墙体体与主主体结结构应应有可可靠的的拉结结，应应能适适应主主体结结构不不同方方向的的层间间位移移；8、9度时应应具有有满足足层间间变位位的变变形能能力，，与悬悬挑构构件相相连时时，尚尚应具具有满满足节节点转转动引引起的的竖向向变形形的能能力。。外墙板板的连连接件件应具具有足足够的的延性性和适适当的的转动动能力力，并并宜满满足在在设防防烈度度下主主体结结构层层间变变形的的要求求。砌体墙墙应采采取措措施减减少其其对主主体结结构的的不利利影响响，并并应设设置拉拉结筋筋、水水平系系梁、、圈梁梁、构构造柱柱等与与主体体结构构可靠靠拉结结。5.2一般般要要求求钢筋混混凝土土结构构中的的砌体体填充充墙，，宜与与柱脱脱开或或采用用柔性性连接接，并并应符符合下下列要要求。。(1)填充墙墙在平平面和和竖向向的布布置，，宜均均匀对对称，，避免免形成成薄弱弱层或或短柱柱。(2)砌体的的砂浆浆强度度等级级不应应低于于M5，墙顶顶应与与框架架梁密密切结结合。。(3)填充墙墙应沿沿框架架柱全全高每每隔500mm，设26拉筋，，拉筋筋伸入入墙内内的长长度，，6、7度时不不应小小于墙墙长的的1/5且不小小于700mm，8、9度时宜宜沿墙墙全长长贯通通，如如图5.12所示。。(4)墙长大大于5m时，墙墙顶与与梁宜宜有拉拉结，，如图图5.13所示；；墙高高超过过4m时，墙墙体半半高处处宜设设置与与柱连连接且且沿墙墙全长长贯通通的钢钢筋混混凝土土水平平系梁梁，如如图5.14所示。。图5.12填充墙墙与柱柱拉结结5.2一般般要要求求图5.13砌体填填充墙墙顶部部拉结结图5.14砌体填填充墙墙中间间设拉拉梁砌体女女儿墙墙中宜宜设构构造柱柱，且且墙顶顶宜设设置通通长的的钢筋筋混凝凝土压压顶，，在人人流出出入口口处应应与主主体结结构锚锚固。。5.2一般般要要求求5.2.5基础及及地下下室1.基础结结构抗抗震设设计基基本要要求基础结结构应应有足足够承承载力力承受受上部部结构构的重重力荷荷载和和地震震作用用，基基础与与地基基应保保证上上部结结构的的良好好嵌固固、抗抗倾覆覆能力力和整整体工工作性性能。。在地地震作作用下下，当当上部部结构构进入入弹塑塑性阶阶段，，基础础结构构应保保持弹弹性工工作，，此时时，基基础结结构可可按非非抗震震的构构造要要求。。多层和和高层层建筑筑带有有地下下室时时，在在具有有足够够刚度度、承承载力力和整整体性性的条条件下下，地地下室室结构构可考考虑为为基础础结构构的一一部分分。当当地下下室不不少于于两层层时，，地下下室顶顶部可可作为为上部部结构构的嵌嵌固部部位。。上部部结构构与地地下室室结构构可分分别进进行抗抗震验验算。。采用天然地地基的高层层建筑的基基础，根据据具体情况况应有适当当的埋置深深度，在地地基及侧面面土的约束束下增强基基础结构抗抗侧力稳定定性。高层层建筑的基基础埋深应应按地基土土质、设防防烈度及基基础结构刚刚度等条件件来确定。。较高的烈烈度要求较较深的基础础，土质坚坚硬则埋深深可较浅。。根据具体体情况，基基础埋深可可采用地面面以上房屋屋总高度的的1/18～1/15。为了保证在在地震作用用下，基础础的抗倾覆覆能力，高高宽比大于于4的高层建筑筑的天然地地基在多遇遇地震作用用和竖向荷荷载共同作作用下，基基础底面不不宜出现零零应力区，，其他建筑筑基础底面面的零应力力区面积不不宜超过基基础底面面面积的15%。当高层建建筑与裙房房相连，地地基的差异异沉降和地地震作用下下基础的转转动都会给给相连结构构造成损伤伤。因此在在相连部位位，高层建建筑基础底底面在地震震作用下亦亦不宜出现现零应力区区，同时应应加强高低低层之间相相连基础结结构的承载载力，并采采取措施减减少高、低低层之间的的差异沉降降影响5.2一般要要求无整体基础础的框架-抗震墙结构构和部分框框支抗震墙墙结构是对对抗震墙基基础转动非非常敏感的的结构，为为此必须加加强抗震墙墙基础结构构的整体刚刚度，必要要时应适当当考虑抗震震墙基础转转动的不利利影响。2.各类基础的的抗震设计计单独柱基：：单独柱基基一般用于于地基条件件较好的多多层框架，，采用单独独柱基时，，应采取措措施保证基基础结构在在地震作用用下的整体体工作。属属于以下情情况之一时时，宜沿两两个主轴方方向，设置置基础系梁梁。(1)一级框架和和N类场地的二二级框架。。(2)各柱基承受受的重力荷荷载代表值值差别较大大。(3)基础埋置较较深，或各各基础埋置置深度差别别较大。(4)地基主要受受力层范围围内存在软软弱黏性土土层或液化化土层；(5)桩基承台之之间。一般情况，，系梁宜设设在基础顶顶部，当系系梁的受弯弯承载力大大于柱的受受弯承载力力时，地基基和基础可可不考虑地地震作用，，应避免系系梁与基础础之间形成成短柱。当当系梁距基基础顶部较较远，系梁梁与柱的节节点应按强强柱弱梁设设计。一、二级框框架结构的的基础系梁梁除承受柱柱弯矩外，，边跨系梁梁尚应同时时考虑不小小于系梁以以上的柱下下端组合的的剪力设计计值产生的的拉力或压压力。弹性地基梁梁：无地下下室的框架架结构采用用地基梁时时，一、二二级框架结结构地基梁梁应考虑柱柱根部屈服服、超强的的弯矩作用用。5.2一般要要求桩基：桩的的纵筋与承承台或基础础应满足锚锚固要求；；桩顶箍筋筋应满足柱柱端加密区区要求。上上、下端嵌嵌固的支承承短桩，在在地震作用用下类似短短柱作用，，宜采取相相应构造措措施。采用用空心桩时时，宜将柱柱桩的上、、下端用混混凝土填实实。计算地下室室以下桩基基承担的地地震剪力，，可按第3章的方法计计算，当地地基出现零零应力区时时，不宜考考虑受拉桩桩承受水平平地震作用用。3.地下室作为为上部结构构嵌固部位位的要求地下室顶板板作为上部部结构的嵌嵌固部位时时，地下室室层数不宜宜少于两层层，并应能能将上部结结构的地震震剪力传递递到全部地地下室结构构。地下室室顶板不宜宜有较大洞洞口。地下下室结构应应能承受上上部结构屈屈服超强及及地下室本本身的地震震作用，为为此近似考考虑地下室室结构的侧侧向刚度与与上部结构构侧向刚度度之比不宜宜小于2，地下室柱柱截面每一一侧的纵向向钢筋面积积，除满足足计算要求求外，不应应小于地上上一层对应应柱每侧纵纵筋面积的的1.1倍。地下室室抗震墙的的配筋不应应少于地上上一层抗震震墙的配筋筋。当进行行方案设计计时，侧向向刚度比可可用下列剪剪切刚度比比估计。(5-4)(5-5)式中：G0，Gl——地下室及地地上一层的的混凝土剪剪变模量；；A0，Al——地下室及地地上一层折折算受剪面面积；5.2一般要要求Aw——在计算方向向上，抗震震墙全部有有效面积；；Ac——全部柱截面面面积；h0，h1——地下室及地地上一层的的层高。地上一层的的框架结构构柱底截面面和抗震墙墙底部的弯弯矩均为调调整后的弯弯矩设计值值。考虑柱柱在地上一一层的下端端出现塑性性铰，该处处梁柱节点点的梁端受受弯承载力力之和不宜宜小于柱端端受弯承载载力之和。。4.地下室结构构的抗震设设计地下室结构构的抗震设设计，除考考虑上部结结构地震作作用以外，，还应考虑虑地下室结结构本身的的地震作用用，这部分分地震作用用与地下室室埋置深度度、不同土土质和基础础转动有关关。日本规规范规定建建筑结构埋埋置深度在在20m以下下可可按按地地面面处处的的50%考虑虑地地震震作作用用。。我我国国规规范范明明确确了了在在一一定定条条件件下下考考虑虑地地基基与与上上部部结结构构相相互互作作用用，，可可考考虑虑各各楼楼层层地地震震剪剪力力的的折折减减，，对对地地下下室室结结构构的的地地震震作作用用如如何何取取值值未未作作明明确确规规定定。。因因此此对对一一般般埋埋置置深深度度的的地地下下室室地地震震作作用用，，可可不不考考虑虑折折减减。。当当地地下下室室层层数数较较多多以以及及地地基基产产生生零零应应力力情情况况时时，，地地下下室室部部分分的的地地震震作作用用可可考考虑虑适适当当折折减减。。5.2一般般要要求求5.3框架架内内力力分分析析框架架结结构构一一般般有有按按空空间间结结构构分分析析和和简简化化成成平平面面结结构构分分析析两两种种方方法法。。近近年年来来随随着着微微型型计计算算机机的的日日益益普普及及和和应应用用程程序序的的不不断断出出现现，，框框架架结结构构分分析析时时更更多多是是采采用用空空间间结结构构模模型型进进行行变变形形、、内内力力的的计计算算，，以以及及构构件件截截面面承承载载力力计计算算。。但但是是采采用用平平面面结结构构假假定定的的近近似似的的手手算算方方法法虽虽然然计计算算精精度度较较差差，，但但概概念念明明确确，，能能够够直直观观地地反反映映结结构构的的受受力力特特点点，，因因此此，，工工程程设设计计中中也也常常利利用用手手算算的的结结果果来来定定性性地地校校核核判判断断电电算算结结果果的的合合理理性性。。在在本本节节中中，，将将介介绍绍框框架架结结构构的的近近似似手手算算方方法法，，包包括括竖竖向向荷荷载载作作用用下下的的分分层层法法、、弯弯矩矩二二次次分分配配法法以以及及水水平平荷荷载载作作用用下下的的反反弯弯点点法法和和D值法法，，以以帮帮助助读读者者掌掌握握结结构构分分析析的的基基本本方方法法、、建建立立结结构构受受力力性性能能的的基基本本概概念念。。5.3.1结构构计计算算简简图图钢筋筋混混凝凝土土建建筑筑结结构构是是一一个个复复杂杂的的三三维维空空间间结结构构。。它它是是由由垂垂直直方方向向的的抗抗侧侧力力构构件件、、与与水水平平方方向向刚刚度度很很大大的的楼楼板板相相互互连连结结所所组组成成的的。。由由于于地地震震作作用用的的随随机机性性、、复复杂杂性性和和动动力力特特性性，，以以及及钢钢筋筋混混凝凝土土材材料料的的弹弹塑塑性性，，其其受受力力情情况况是是非非常常复复杂杂的的。。为为了了便便于于设设计计计计算算，，在在计计算算模模型型和和受受力力分分析析上上必必须须进进行行不不同同程程度度的的简简化化。。1.结构分析的弹弹性静力假定定高层建筑结构构内力与位移移均按弹性体体静力学方法法计算，一般般情况下不考考虑结构进入入弹塑性状态态所引起的内内力重分布。。5.3框架内力分析析按照“小震不不坏、大震不不倒”的抗震震设计目标，，对于钢筋混混凝土房屋的的抗震设计，，在“小震不不坏”方面要要求：当遭受受到多遇小震震影响时，建建筑结构应处处于弹性阶段段内工作。采采用弹性分析析法，进行地地震作用效应应计算，与其其他荷载效应应进行不利组组合，按多系系数截面承载载力公式，验验算构件的截截面承载力；；为了防止装装修损坏，以以小震作用下下的层间弹性性位移，验算算结构是否满满足建筑功能能要求。因此此，抗震建筑筑的结构内力力分析，按照照弹性静力分分析方法进行行。钢筋混凝土结结构，是具有有明显弹塑性性性质的结构构，即使在较较低应力情况况下也有明显显的弹塑性性性质，当荷载载增大，构件件出现裂缝或或钢筋屈服，，塑性性质更更为明显。但但在目前，国国内设计规范范仍沿用按弹弹性方法计算算结构内力，，按弹塑性极极限状态进行行截面设计。。因此，在实实际工程抗震震设计中，仍仍按弹性结构构进行内力计计算，只在某某些特殊情况况下，考虑设设计和施工的的方便，才对对某些钢筋混混凝土结构有有条件地考虑虑由弹塑性性性质引起的局局部塑性内力力重分分布。2.平面结构假定定在正交布置情情况下，可以以认为每一方方向的水平力力只由该方向向的抗侧力结结构承担，垂垂直于该方向向的抗侧力结结构不受力，，如图5.15所示。5.3框架内力分析析(a)平面结构(b)y方向抗侧力结结构(c)x方向抗侧力结结构图5.15平面结构假定定计算图形当抗侧力结构构与主轴斜交交时，简化计计算中，可将将抗侧力构件件的抗侧刚度度转换到主轴轴方向上再进进行计算。对于复杂的结结构，又可进进一步适当简简化：当斜交交构件之间的的角度不超过过15°时，可视为一一个轴线；当当两个轴线相相距不大(如小于300mm～500mm)，考虑到楼板板的共同工作作，可视为在在同一轴线。。3.楼板在自身平平面内刚性假假定各个平面抗侧侧力结构之间间，是通过楼楼板联系在一一起而作为一一个整体的。。而楼板常假假定在自身平平面内的刚度度为无限大。。这一假定的的依据是，建建筑的进深较较大，框架相相距较近；楼楼板可视为水水平放置的深深梁，在水平平平面内有很很大的刚度，，并可按楼板板在平面内不不变形的刚性性隔板考虑。。建筑在水平平荷载作用下下产生侧移时时，楼板只有有刚性位移-平移和转动，，而不必考虑虑楼板的变形形。当不考虑结构构发生扭转时时，根据刚性性楼板的假定定，在同一标标高处所有抗抗侧力结构的的水平位移都都相等。对于于有扭转的结结构，由于楼楼板刚度无限限大的假定，，各个抗侧力力结构的位移移，都可按楼楼板的三个独独立位移分量量x、y、来计算，使使计算简化。。计算中采用了了楼板刚度无无限大的假定定，就必须采采取构造措施施，加强楼板板刚度，使其其刚性楼板位位移假定成立立。当楼面有有大的开洞或或缺口、刚度度受到削弱，，楼板平面有有较长的外伸伸段等情况时时，应考虑楼楼板变形对内内力与位移的的影响，对简简化计算的结结果给予修正正。5.3框架内力分析析4.水平荷载按位位移协调原则则分配将空间结构简简化为平面结结构后，整体体结构上的水水平荷载应接接位移协调原原则，分配到到各片抗侧力力结构上。当结构只有平平移而无扭转转发生时，根根据刚性楼板板的假定。在在同一标高处处的所有抗侧侧力结构的水水平位移都相相等。为此，，对于框架结结构中各柱的的水平力，按按各柱的抗侧侧刚度D值的比例分配配。5.3.2框架在竖向荷荷载下的内力力计算有关框架的内内力和位移计计算，在结构构力学中，都都有详细讲述述，可采用电电算或手算。。在工程设计中中，为了便于于手算，对于于在竖向荷载载作用下的框框架内力分析析，常采用近近似分析方法法，即分层法法和弯矩二次次分配法。这这二种近似分分析都是从结结构弹性静力力分析的精确确计算角度来来简化的。但但对于实际工工程，还要考考虑到实际结结构的具体构构造，如现浇浇楼板对梁截截面承载力的的影响，钢筋筋混凝土结构构材料的弹塑塑性特征，以以及活荷载分分布的不利位位置等，使之之内力计算更更符合工程实实际。5.3框架内力分析析1.分层法分层法计算竖竖向荷载下的的框架内力，，其基本计算算单元是取每每层框架梁连连同上、下层层框架柱来考考虑的，并假假定柱远端为为固定端的开开口框架。由由于原本的框框架的柱端是是弹性嵌固，，故在计算中中，除实际的的固定端(如底层柱端)外，其他各层层柱的线刚度度均乘以折减减系数0.9，同时柱端的的弯矩传递系系数也相应地地从原来的1/2改为1/3。竖向荷载产生生的梁端弯矩矩，只在本单单元内进行弯弯矩分配，单单元之间不再再进行传递。。基本单元弯弯矩分配后，，梁端计算弯弯矩即为最终终弯矩；而柱柱端弯矩，则则应取相邻单单元柱端弯矩矩之和，这是是由于选取基基本单元时，，每根柱都在在上、下两个个单元中各用用了一次之故故。整个框架架的内力由各各分层的内力力叠加后求得得。在刚结点点上的各杆端端弯矩之和可可能不平衡，，可对结点不不平衡弯矩再再进行一次分分配。2.弯矩二次分配配法当建筑层数不不多时，采用用弯矩二次分分配法较为方方便，所得结结果与精确法法比较，相差差很小。其计计算精度能满满足工程需要要。5.3框架内力分析析弯矩二次分配配法就是将各各节点的不平平衡弯矩，同同时作分配和和传递，并以以二次为限。。其计算步骤骤是：首先计计算梁端的固固端弯矩，然然后将各节点点的不平衡弯弯矩同时按弯弯矩分配系数数进行分配，，并假定远端端固定同时进进行传递，即即左(右)梁分配弯矩向向右(左)梁传递；上(下)柱分配弯矩向向下(上)柱传递，传递递系数均为1/2。第一次分配配弯矩传递后后，必然在节节点处产生新新的不平衡弯弯矩，最后将将各节点的不不平衡弯矩再再进行一次分分配，而不再再传递。实际际上，弯矩二二次分配法，，只是将不平平衡弯矩分配配二次，分配配弯矩传递一一次。3.框架梁的惯性性矩取值当框架梁与楼楼板整体现浇浇时，现浇楼楼板可作为框框架梁的有效效翼缘。如图图5.16所示，框架梁梁形成T形或L形截面。计算算框架梁的截截面惯矩时，，在工程设计计时，允许简简化计算，采采用下列计算算式。边框架架梁：：I=1.5I0中框架架梁：：I=2I0式中：：I0———矩形部部分的的惯性性矩。。图5.16框架梁梁的有有效刚刚度5.3框架内内力分分析装配式式整体体框架架叠加加梁，，可视视装配配式楼楼盖与与梁连连结的的整体体性，，取等等于或或小于于上述述值。。一般般装配配整体体框架架梁的的惯性性矩：：边框框架梁梁取I=1.2I0；中框框架梁梁取I=1.5I0。当板与与梁无无可靠靠连结结时，，或虽虽有连连结但但开孔孔较多多板面面削弱弱较大大的楼楼板，，不考考虑翼翼缘的的作用用，惯惯性矩矩仅按按矩形形截面面计算算：I=I0。由于钢钢筋混混凝土土结构构具有有塑性性内力力重分分布的的性质质，在在竖向向荷载载下可可以考考虑适适当降降低梁梁端弯弯进行行调幅幅。对对现浇浇框架架，调调幅系系数可可取0.8～0.9；装配配整体体式框框架，，可取取0.7～0.8。支座弯弯矩调调幅降降低后后，梁梁跨中中弯矩矩应相相应增增加，，且调调幅后后的跨跨中弯弯矩不不应小小于简简支情情况下下跨中中弯矩矩的50%。只有竖竖向荷荷载作作用下下的梁梁端弯弯矩可可以调调幅，，水平平荷载载作用用下的的梁端端弯矩矩不能能考虑虑调幅幅。因因此，，必须须竖向向荷载载作用用下的的梁端端弯矩矩调幅幅后，，再与与水平平荷载载产生生的梁梁端弯弯矩进进行组组合。。据统计计，国国内高高层民民用建建筑重重力荷荷载约约12kN/m2～15kN/m2，其中中活荷荷载约约为2kN/m2左右，，所占占比例例较小小，其其不利利布置置对结结构内内力的的影响响并不不大。。因此此，当当活荷荷载不不很大大时，，可按按全部部满载载布置置。这这样，，可不不考虑虑框侧侧移，，以简简化计计算。。当活活荷载载较大大时，，可将将跨中中弯矩矩乘以以1.1～1.2系数加加以修修正，，以考考虑活活荷载载不利利分布布跨中中弯矩矩的影影响。。5.3框架内内力分分析5.3.3框架在在水平平荷载载下的的内力力计算算1.反弯点点法框架在在水平平荷载载作用用下，，框架架结构构弯矩矩图的的形状状如图图5.17示。由由图中中可以以看出出，各各杆的的弯矩矩图都都是呈呈直线线形，，并且且一般般均有有一个个弯矩矩为零零的点点，因因为弯弯矩图图在该该处反反向，，故该该点称称为反反弯点点。如如果能能够确确定该该点的的位置置和柱柱端剪剪力，，则可可求出出柱端端弯矩矩，进进而通通过节节点平平衡求求出梁梁端弯弯矩和和其他他内力力。为为此假假定：：梁柱柱线刚刚度之之比为为无穷穷大，，即在在水平平力作作用下下，各各柱上上下端端没有有角位位移。。相应应地，，在确确定柱柱反弯弯点位位置时时，除除底层层柱外外，各各层柱柱的反反弯点点位置置处于于层高高的中中点；；底层层柱的的反弯弯点位位于2/3柱高处处。梁梁端弯弯矩由由节点点平衡衡条件件求出出，并并按节节点左左右梁梁线刚刚度进进行分分配。。图5.17框架在在水平平力作作用下下的弯弯矩图图5.3框架内内力分分析一般认认为，，当梁梁的线线刚度度与柱柱的线线刚度度之比比超过过3时，由由上述述假定定所引引起的的误差差能够够满足足工程程设计计的精精度要要求。。下面说说明任任一楼楼层的的层总总剪力力在该该楼层层各柱柱之间间的分分配方方法。。设框框架结结构共共有n层，每每层内内有m个柱子子，如如图5.18所示，，将框框架沿沿第j层各柱柱的反反弯点点处切切开，，则按按水平平力的的平衡衡条件件有：：(5-6)式中：：Vj——外荷载载F在第第j层所所产产生生的的层层总总剪剪力力；；Vk———第j层第第k柱所所承承受受的的剪剪力力；；m———第j层内内的的柱柱子子数数。。由于于柱柱上上下下端端没没有有角角位位移移，，则则框框架架柱柱在在受受到到侧侧向向荷荷载载作作用用时时的的变变形形如如图图5.19所示示，，由由结结构构力力学学可可知知，，在在柱柱端端产产生生单单位位位位移移时时，，柱柱内内的的剪剪力力为为：：12ic/h2，也也就就是是说说要要使使柱柱端端产产生生单单位位位位移移所所需需要要的的水水平平力力是是12ic/h2，此此项项即即为为柱柱的的抗抗侧侧刚刚度度。。如如果果柱柱端端水水平平位位移移是是，，则则柱柱剪剪力力为为(设同同楼楼层层各各柱柱的的高高度度是是相相同同的的)(5-7)5.3框架架内内力力分分析析图5.18柱剪剪力力分分配配图图5.19柱抗抗侧侧刚刚度度图5.20节点点平平衡衡5.3框架架内内力力分分析析在刚刚性性楼楼板板的的假假定定下下，，梁梁的的轴轴向向变变形形是是忽忽略略不不计计的的，，则则同同楼楼层层各各柱柱的的水水平平位位移移是是相相同同的的，，设设层层间间位位移移为为，，有有：：(5-8)将式式(5-8)代入入式式(5-7)，得得：：(5-9)即层层间间剪剪力力是是按按各各柱柱的的抗抗侧侧刚刚度度的的比比值值分分配配给给各各柱柱的的。。在求求得得柱柱所所承承担担的的剪剪力力后后，，由由柱柱的的反反弯弯点点高高度度即即可可求求出出柱柱端端弯弯矩矩。。对对于于底底层层柱柱有有：：(5-10a)(5-10b)对于于其其余余各各层层柱柱，，有有：：(5-11)求得得柱柱端端弯弯矩矩后后，，由由节节点点平平衡衡条条件件既既可可求求出出梁梁端端弯弯矩矩。。5.3框架架内内力力分分析析求得得柱柱端端弯弯矩矩后后，，由由节节点点平平衡衡条条件件既既可可求求出出梁梁端端弯弯矩矩。。(5-12a)(5-12b)式中中：：，，———节点点左左右右的的梁梁端端弯弯矩矩；；，———节点点上上下下的的柱柱端端弯弯矩矩；；，———节点点左左右右的的梁梁的的线线刚刚度度。。以各各个个梁梁为为脱脱离离体体，，将将梁梁的的左左右右端端弯弯矩矩之之和和除除以以该该梁梁的的跨跨长长，，便便得得梁梁内内剪剪力力。。再再以以柱柱子子为为脱脱离离体体自自上上而而下下逐逐层层至至加加节节点点左左右右的的梁梁端端剪剪力力，，即即可可得得到到柱柱内内轴轴向向力力。。这这样样就就可可以以求求得得框框架架的的全全部部内内力力。。反弯点法适用用于低层建筑筑，因为此类类建筑柱子的的截面尺寸较较小，而梁的的刚度较大，，容易满足梁梁、柱的线刚刚度之比超过过3的要求。5.3框架内力分析析【例5.1】用反弯点法计计算图5.21框架内力，图图中括号内数数字为梁柱的的相对线刚度度。图5.21例5.1插图解：柱的剪力力。二层层间剪力力：V2=18kN二层柱：5.3框架内力分析析底层层间剪力力：V1=15+18=33kN底层柱：柱端弯矩。二层：5.3框架内力分析析底层：梁端弯矩。二层：5.3框架内力分析析底层：弯矩如图5.22所示。图5.22例5.1弯矩图5.3框架内力分析析2.D值法反弯点法的基基本假定是梁梁柱线刚度之之比为无穷大大，由此进行行框架在水平平荷载下的内内力计算，计计算方法也较较为简单。但但在多层和高高层建筑中，，建筑的柱截截面尺寸往往往很大，无法法满足反弯点点法中的梁、、柱的线刚度度之比超过3的要求。为此此，日本武藤藤清教授提出出了经过改进进的反弯点法法——D值法。改进从从两方面进行行：一是考虑虑了柱端转角角的影响，即即梁线刚度不不是无穷大的的情况下，对对柱抗侧刚度度的修正；二二是考虑了梁梁、柱的线刚刚度比、上下下层横梁线刚刚度比以及层层高对柱端约约束的影响，，对反弯点高高度的修正。。1)修正后的柱抗抗侧刚度——D值柱的D值是柱上下端端产生单位水水平位移时，，柱承担的剪剪力。如图5.23(a)所示为多层框框架，图5.23(b)所示为AB柱受力变形的的情况。为了推导出柱柱的D值，作如下假假定。(1)柱AB端节点以及相相邻杆件的杆