建筑结构抗震设计第4章

建筑结构抗震设计

Seismicdesignofbuildings

第4章建筑抗震概念设计4.1场地选择4.2建筑的平立面布置4.3结构选型与结构布置4.4多道抗震防线4.5刚度、承载力和延性的匹配4.6确保结构的整体性4.7非结构部件处理基本概念1、计算设计（Numericaldesign）：按荷载计算、内力分析及组合、强度计算、构造措施等称为计算设计。

“计算设计”——不能完全依赖！

地震方面——地震是一种随机振动，具有复杂性、不确定性，因此很难准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数。地震在时间和空间上都具有很大的随机性。结构分析——未能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素，也存在不准确性。基本概念——续2、概念设计（Conceptualdesign）：立足于工程抗震基本理论及长期工程抗震经验总结的工程抗震基本概念的抗震设计。即根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想正确地解决建筑和结构的总体方案、结构布置、材料使用和细部构造等，以便达到合理抗震设计的目的。有助于掌握明确的设计思想，灵活、恰当地运用抗震设计原则，是设计人员不知陷入盲目的计算工作，从而做到比较合理的抗震设计。抗震概念设计是目前工程设计高度自动化的背景下唯一具有能动性和创造性的设计过程。基本概念——续抗震概念设计的思路：在工程设计一开始，把握好能量输入、房屋体型、结构体系、刚度分布、构件延性等几个主要方面，从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节。辅以必要的计算和构造措施，有可能使房屋建筑具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。由于对地震作用及结构性能的了解还远远不够，在某种意义上，概念设计比计算设计更重要。4.1场地选择

不同的场地上的建筑震害不同在建筑选址时，要尽量选择对建筑抗震有利的地段，避开不利和危险地段。1、避开地震危险地段1）概念建筑抗震危险的地段：指地震时可能发生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流等地段以及震中烈度为8度以上的发震断裂带在地震时可能发生地表错位的地段。非发震断层：与当地的地震活动性没有成因上联系的一般断层，在地震作用下一般不会发生新的错动。发震断层：具有潜在地震活动的断层，在过去三万五千年以内曾活动过一次，或者在五万年内活动过两次的断层。4.1场地选择——续2、选择有利于抗震的场地1）概念对建筑抗震有利的地段：指位于开阔平坦地的坚硬场地上或密实均匀中硬场地土。对建筑抗震不利的地段：就地形而言，一般是指条状突出的山嘴，孤立的山包和山梁的顶部，高差较大的台地边缘，非岩质的陡坡，河岸和边坡的边缘；就场地土质而言，一般是指软弱土、易液化土，故河道、断层破碎带、暗埋塘滨沟谷或半挖半填地基等，以及在平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的地段。4.1场地选择——续2）关于地基基础设计，抗震规范有如下规定：1、避开危险地带（如断裂带等）；2、同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上；无法避开时，除考虑不同土层差异运动的影响外，还应采用局部深基础，使整个建筑物的基础落在同一上层上（图）3、同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基；（可设沉降缝，成为两个单元）4、地基为软弱粘性土、液化土、新近填土或严重不均匀时，应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响，并采取相应措施，基础应加强其整体性和刚性。4.2建筑的平立面布置一幢房屋的动力性能基本上取决于它的建筑布局和结构布置。建筑布局简单合理，结构布置符合抗震原则，就能从根本上保证房屋具有良好的耐震性能。《抗震规范》3.4.1条规定：建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。3.4.2条规定：建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减少，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。4.2.1建筑平面布置1、建筑平面形状1）建筑物的平、立面布置宜规则、对称，质量和刚度变化均匀，避免楼层错层；2）地震区的高层建筑，平面以方形、矩形、圆形为好；正六边形、正八边形、椭圆形、扇形也可以。3）有较长翼缘的L形、T形、十字形、U形、H形、Y形平面也不宜采用。这些平面的较长翼缘，地震时容易因发生差异侧移而加重震害。4.2.1建筑平面布置——续2、平面不规则的类型：《规范》3.4.2规定：1）扭转不规则：楼层的最大弹性水平位移（或层间位移）大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍。2）凹凸不规则：结构平面凹进的一侧尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%。3）楼板局部不连续：楼板的尺寸和平面刚度急剧变化。例如：开洞面积大于该楼层面积的30%，或较大的楼层错层，或有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%。4.2.1建筑平面布置——续3、高层建筑平面尺寸限值

《高层规程》对地震区高层建筑的平面形状作了明确规定，如下图和表，并提出对这些平面的凹角处，应采取加强措施。4.2.2建筑立面布置1、建筑立面形状

地震区高层建筑的立面应采用矩形、梯形、三角形等均匀变化的几何形状，尽量避免带有突然变化的阶梯形立面。因为立面形状的突然变化，会引起质量和抗侧移刚度突变，地震时容易因剧烈振动或塑性变形集中（薄弱层）而加重破坏。4.2.2建筑立面布置——续2、竖向不规则的类型

1）侧向刚度不规则：该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%。2）竖向抗侧力构件不连续：竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架）向下传递。3）楼层承载力突变：抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%。4.2.2建筑立面布置——续3、高层建筑立面尺寸限值《高层规程》规定：建筑的竖向体形宜规则、均匀，避免有过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采用竖向布置严重不规则的结构。并要求抗震设计的高层建筑结构，其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70％或其上相邻三层侧向刚度平均值的80％。按《高层规程》，高层建筑的高度限值分A、B两级，A级规定较严，是目前应用最广泛的高层建筑高度，B级规定较宽，但应采取更严格的计算和构造措施。楼层层间抗侧力结构的受剪承载能力：A级高度：宜≥上一层的80%，应≥上一层的65%；B级高度：应≥上一层的75%。4.2.2建筑立面布置——续收进和外挑尺寸要求（宜）：当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度H1与房屋高度H之比大于0.2时，上部楼层收进后的水平尺寸B1不宜小于下部楼层水平尺寸B的0.75倍；当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时，下部楼层的水平尺寸B不宜小于上部楼层水平尺寸B1的0.9倍，且水平外挑尺寸a不宜大于4m。

4.2.3房屋的高度一般而言，房屋愈高，所受到的地震力和倾覆力矩愈大，破坏的可能性也愈大。

但“房屋愈高愈危险”的概念不是绝对的，是有条件的。于1956年建造的高181m的42层拉丁美洲大厦，经受住了3次大地震的考验，几乎无损坏。《抗震规范》和《高层规程》，根据我国当前科研成果和工程实际情况，对各种结构体系适用范围内建筑物的最大高度均作出了规定。超出该规定的，要进行专门研究。《抗震规范》尚规定：对不规则结构、有框支层抗震墙结构或Ⅳ类场地上的结构，适用的最大高度应适当降低。4.2.4房屋的高宽比建筑物的高宽比例，比起其绝对高度来说更为重要。因为建筑物的高宽比值愈大，即建筑愈瘦高，地震作用下的侧移愈大，地震引起的倾覆作用愈严重。巨大的倾覆力矩在柱(墙)和基础中所引起的压力和拉力比较难于处理。我国对房屋高宽比的要求是按结构体系和地震烈度区分的。4.2.5防震缝的合理设置遇到下列情况，应设置防震缝：①平面形状、局部尺寸或者立面形状不符合规范的有关规定，而又未在计算和构造上采取相应措施时；②房屋长度超过规范规定的伸缩缝最大间距，又无条件采取特殊措施而必需设置伸缩缝时；③地基土质不均匀，房屋各部分的预计沉降（包括地震时的沉陷）相差过大，必须设置沉降缝时；④房屋各部分的质量或结构抗侧移刚度大小悬殊时。4.2.5防震缝的合理设置1、防震缝设置原因由于建筑平面和体型的多样化、结构的不规则性有时难以避免，为将不规则结构变为若干规则结构，合理地设置防震缝进行结构分段，从而降低抗震设计的难度及提高抗震设计的可靠度。在国内外历次地震中，曾一再发生相邻建筑物或同幢建筑物相邻单元之间相撞的震例，究其原因，主要是防震缝宽度偏小或构造不当所致。2、防震缝设置原则彻底分离或者牢固连接：忌连又连不牢、分又分不清。“三缝合一”的设置原则：伸缩缝、沉降缝、防震缝三缝合一，对于抗震设防烈度为6度以上的房屋，所有伸缩缝、沉降缝均应符合防震缝的宽度要求。4.2.5防震缝的合理设置——续3、必须设置抗震缝的情况①平面形状、局部尺寸或者立面形状不符合规范的有关规定，而又未在计算和构造上采取相应措施时；②房屋长度超过规范规定的伸缩缝最大间距，又无条件采取特殊措施而必需设置伸缩缝时；③地基土质不均匀，房屋各部分的预计沉降（包括地震时的沉陷）相差过大，必须设置沉降缝时；④房屋各部分的质量或结构抗侧移刚度大小悬殊时。4、防震缝宽度

缝宽不足——会发生碰撞破坏；由于设缝后造成部分结构段过柔，碰撞造成失稳破坏。必须根据具体情况认真处理设缝位置及设缝宽度。确定防震缝宽度，除考虑结构变形外，还应考虑由于地基变形引起基础转动的影响。4.2.5防震缝的合理设置——续5、防震缝最小宽度——良好地基条件下一般结构的最小缝宽。为防止相邻建筑物在地震中发生碰撞，防震缝的宽度不宜小于两侧建筑物在较低建筑物屋顶高度处的垂直防震缝方向的侧移之和。对于钢筋混凝土结构房屋的防震缝最小宽度，一般情况下应符合《抗震规范》所作的规定：①框架房屋，当高度不超过l5m时，可采用70mm；当高度超过l5m时，6度、7度、8度和9度相应每增高5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm；②框架抗震墙房屋的防震缝宽度，可采用第①条数值的70％，抗震墙房屋可采用第①条数值的50％，且均不宜小于70mm。

4.2.5防震缝的合理设置——续③防震缝两侧结构类型不同时，宜按需要较宽防震缝的结构类型和较低房屋高度确定缝宽。例1：某高层建筑为框架—剪力墙结构，抗震设防烈度为7度，高45米，其群房为框架结构，高20米，主楼和群房间设防震缝，其最小缝宽应为多少？

解：防震缝最小宽度应根据群房框架结构及其高度确定：4.2.5防震缝的合理设置——续③防震缝两侧结构类型不同时，宜按需要较宽防震缝的结构类型和较低房屋高度确定缝宽。例1：某高层建筑为框架—剪力墙结构，抗震设防烈度为7度，高45米，其群房为框架结构，高20米，主楼和群房间设防震缝，其最小缝宽应为多少？

解：防震缝最小宽度应根据群房框架结构及其高度确定：

例2：6度地区、框架结构、建筑高度35m，若需设防震缝，其缝宽应为多少？若高为35m剪力墙结构，其缝宽？4.2.5防震缝的合理设置——续4.2.5防震缝的合理设置——续6、一般尽可能不设置抗震缝满足规定的防震缝宽度在强烈地震作用下由于地面运动变化，结构扭转、地基变形等复杂因素，相邻结构仍可能局部碰撞而损坏；防震缝宽度过大，建筑立面效果、防水处理较难；设置不当反倒会引起相邻建筑物碰撞、失稳、加大破坏。4.2.5防震缝的合理设置——续7、不设置抗震缝处理办法——高层建筑宜选用合理的建筑结构方案，不设抗震缝，但要做到：采取措施避免设置防震缝——调整平面形状和尺寸、并在构造以及设计、施工时采取措施。不规则房屋不设防震缝时必须沿高度和从平面上考虑相对薄弱及应力集中部位的加强及提高延性措施，在这些部位应尽量避免设置楼梯间及在楼板上开较大洞口。对体型复杂的建筑物不设抗震缝时，应对建筑物进行比较精确的结构抗震分析，解决不设缝带来的不利影响，如差异沉降、偏心扭转、温度变形等，估计其局部应力和变形集中及扭转效应影响，判明其易损部位，采取加强措施或提高变形能力的措施。4.3结构选型与结构布置

4.3.1结构选型

结构选型涉及的内容较多，应根据建筑的重要性、设防烈度、房屋高度、场地、地基、基础、材料和施工等因素，通过技术、经济条件比较综合确定。

1、结构材料的选择单从抗震角度考虑，作为一种好的结构形式，应具备下列性能：①延性系数高；②“强度／重力”比值大；③匀质性好；④正交各向同性；⑤构件的连接具有整体性、连续性和较好的延性，并能发挥材料的全部强度。4.3.1结构选型——续建筑结构类型，依其抗震性能优劣而排列的顺序是：①钢结构；②型钢混凝土结构；③混凝土—钢混合结构；④现浇钢筋混凝土结构；⑤预应力混凝土结构；⑥装配式钢筋混凝土结构；⑦配筋砌体结构；⑧砌体结构等。4.3.1结构选型——续2、抗震结构体系的确定

抗震结构体系是抗震设计应考虑的关键问题，结构方案的选取是否合理，对安全性和经济性起决定性作用。《抗震规范》关于抗震结构体系，有下列要求：①应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；②宜有多道抗震防线，应避免因部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力或对重力的承载能力；③应具备必要的强度，良好的变形能力和耗能能力；④宜具有合理的刚度和强度分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中；对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。4.3.1结构选型——续3.在设计房屋之前，一般应首先了解场地和地基上及其卓越周期，调整结构刚度，避开共振周期。4.选择结构体系时，要注意选择合理的基础形式。对于软弱地基宜选用桩基、筏片基础或箱形基础。岩层高低起伏不均匀或有液化土层时最好采用桩基等。4.3.2结构布置的一般原则1、平面布置力求对称（质量、刚度、强度）对称结构在地面平动作用下，水平地震力按构件刚度分配，因而各构件受力比较均匀。而非对称结构，由于刚心偏在一边，质心与刚心不重合，远离刚心的刚度较小构件，由于侧移量很大，所分担的水平地震剪力也显著增大，甚至导致整个结构因一侧构件失效而倒塌。4.3.2结构布置的一般原则——续最为典型的例子是1972年2月23日南美洲的马那瓜地震。马那瓜有相距不远的两幢高层建筑，一幢为十五层高的中央银行大厦，平面不规则，4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙，破坏严重，震后拆除；另一幢为18层高的美洲银行大厦，结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包括4个L形的筒体，对称地由连梁连接起来，轻微损坏，稍加修理便恢复使用。当地地震烈度估计为8度。4.3.2结构布置的一般原则——续当建筑层数很多时，上面各层偏心引起的扭转效应对下层的积累，对下面几层更不利。所以，进行结构布置时，除了要求各向对称外，还希望能具有较大的抗扭刚度。因此，下图（a）、（b）所示的抗震墙沿房屋周边布置的方案，就优于（c）、（d）所示在房屋内部布置的方案。4.3.2结构布置的一般原则——续2、竖向布置力求均匀

结构竖向布置的关键在于：尽可能使其竖向刚度、强度变化均匀，避免出现薄弱层，并应尽可能降低房屋的重心。注意上刚下柔的结构的处理由于商业的需要，结构底部几层往往需要设置大空间，上部各层为全墙体系或框架一抗震墙体系，而底层或底部两三层则为框架体系，整个结构属“框托墙”体系。这便是工程上称之为“框支剪力墙”或“底部框架”的结构。这种体系很不利于抗震，应保证下部结构的抗侧刚度不能小于上部抗侧刚度的一定比例。4.3.2结构布置的一般原则——续同一楼层的框架柱，应该具有大致相同的刚度、强度和延性，否则，地震时很容易因受力大小悬殊而被各个击破。在采用纯框架结构的高层建筑中，如果将楼梯踏步斜梁和平台梁直接与框架柱相连，就会使该柱变成短柱，地震时容易发生剪切破坏，应予避免或采取相关措施。4.4多道抗震防线

4.4.1多道抗震防线的必要性1、多道抗震防线的定义

①一个抗震结构体系，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，即分体系间的连接部件应有适当强度、较好延性和稳定的滞回性能。框架－抗震墙体系：由延性框架和抗震墙两个系统组成；双肢或多肢抗震墙体系：由若干个单肢墙分系统组成；框架体系：框架梁和框架柱；4.4.1多道抗震防线的必要性——续抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部赘余度（相当于超静定次数，利用塑性变形的前提），有意识地建立起一系列分布的屈服区（塑性铰区），以使结构能够吸收和耗散大量的地震能量，一旦破坏也易于修复。带赘余杆件的耗能结构(a)双肢墙；(b)墙和框架；(c)并列斜撑；(d)芯筒和框架柱

4.4.1多道抗震防线的必要性——续2、多道抗震防线的必要性：多道抗震防线对抗震结构是必要的。强烈地震往往有一定的持续时间（几秒～几十秒），并且往往伴随多次余震，结构在首次破坏后再遭余震，将会引起损伤累积，当第一道防线的抗侧力构件在强烈地震袭击下遭到破坏后，后备的第二道至第三道防线的抗侧力构件立即接替，抵挡住后续的地震动的冲击，可保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌。适当处理构件的强弱关系，将使其在强震作用下形成多道防线、是提高结构抗震性能、避免倒塌的有效措施。4.4.2第一道防线的构件选择原则地震的往复水平作用使结构遭到严重破坏、但结构的最后倒塌是因为结构丧失了承受竖向荷载的能力，即倒塌主要取决于竖向荷载。因此，1、应优先选择不负担或少负担重力荷载的竖向支撑或填充墙，或选用轴压比值较小的抗震墙、实体筒体之类构件，作为第一道抗震防线的抗侧力构件；一般情况，不宜采用轴压比很大的框架柱兼作第一道防线的抗侧力构件。——不会发生结构倒塌。2、如因条件有限，只能采