建筑抗震概念设计

第四章建筑抗震概念设计结构概念设计是根据人们在学习和实践中所建立的正确概念，运用人的思维和判断力，正确和全面地把握结构的整体性能。即根据对结构品性（承载能力、变形能力、耗能能力等）的正确把握，合理地确定结构总体与局部设计，使结构自身具有好的品性。抗震概念设计包括正确的场地选择，合理的结构选型和布置、正确的构造措施等。强调抗震概念设计是由于地震作用的不确定性（随机性、复杂性、间接性和耦连性）和结构计算假定与实际情况的差异。这使得其计算结果不能全面真实地反映结构的受力、变形情况，并确保结构安全可靠。

结构抗震设计存在的不确定因素主要有：1．地面运动的不确定性。地震时的地面运动是多维的，地震动的各个分量对建筑物都起破坏作用。历次地震中强震仪已经多次记录到地面运动的三个正交平动分量，即一个竖向分量和两个水平分量，此外还有地面运动的转动分量。2．结构分析的影响。影响结构动力特性和动力反应的因素：质量分布的不确定性；基础与上部结构的协同作用；节点的非刚性转动；偏心、扭转及P­—Δ效应；柱轴向变形。考虑或不考虑节点非刚性转动的影响程度可达5%—10%；考虑柱轴向变形，自振周期可能加长15%，加速度反应可能降低8%；考虑P­—Δ效应可能增加位移10%。3．材料的影响。混凝土的弹性模量随着时间及应变程度而改变。随着时间的增长，混凝土的弹性模量比施工完成后可能降低50%，在应变增大的情况下还可能继续降低，这意味着自振周期可能增长25%，减小加速度反应10%。4．阻尼的变化。钢筋混凝土结构阻尼比一般为5%，但当受震松动以后阻尼比可达20%—30%，自振周期差异达50%左右。5．基础差异沉降的影响。按一般荷载设计的框架结构，当地震系数采用0.10，基础差异沉降1cm可能造成设计弯矩72%的误差，而这种误差在设计中一般未予考虑。6．地基承载力。考虑地震的偶然性以及短期突然加载的影响，在计算地震对地基的影响时，地耐力取值往往提高33%—50%，这些数值都是人为估计，从而也带来设计上的差异。

因此目前抗震设计水平远未达到科学的严密程度。要使建筑物具有尽可能好的抗震性能，首先应从大的方面入手，做好抗震概念设计。如果整体设计没有做好，计算工作再细致，也难免在地震时建筑物不发生严重的破坏，乃至倒塌。20余年以来，世界上一些大城市先后发生了若干次大地震，通过震害分析对建筑物的破坏规律有了更多的认识，从而取得了抗震设计经验，确定了结构抗震概念设计的要点。

地震是一种随机振动，有着难于把握的复杂性和不确定性。要准确把握预测建筑物能遭受地震的特性及参数一时尚难做到。结构分析方面，由于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，也存在不确定性。计算设计弹性计算(反应谱理论)时程分析弹性时程分析弹塑性时程分析概念设计：

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，往往是构造良好结构性能的决定性因素，这即是所谓的“概念设计”。概念设计：（空间作用、非线性性质、材料时效、阻尼变化等不确定的因素)刚度分布构件延性

能量输入房屋体形结构体系概念设计的内容：建筑场地选择建筑选型与结构布置设置多道抗震防线1.避开抗震危险地段地震危险地段：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。地震危险地段包括：断层陡峭的山区存在液化或润滑夹层的坡地大面积采空区4.1场地选择对建筑抗震有利的地段：开阔平坦地带的坚硬场地土或密实均匀的中硬场地土。对建筑抗震不利的地段：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，河岸和边坡的边缘软弱土、宜液化土、故河道、断层破碎带、暗埋塘浜沟谷或半挖半填地基在平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的地段2.选择有利抗震的场地1.建筑平面布置平面宜简单、规则、对称，减少偏心；质量和刚度变化均匀，避免楼层错层；平面长度不过长，突出部分长度l不过大；L、l等值满足要求；不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面图形。4.2建筑的平立面布置

根据1985年墨西哥地震震害资料，墨西哥国家重建委员会首都地区规范与施工规程分会分析了房屋破坏原因，按房屋体型分类统计得出的地震破坏率列于表2。从表中可以看出，拐角形建筑的破坏率很高，高达42%。

表2墨西哥地震房屋破坏原因建筑特征破坏率（%）拐角形建筑42刚度明显不对称15低层柔弱8碰

撞15不规则类型定义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%楼板局部不连续楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%,或开洞面积大于该层楼面面积的30%，或较大的楼层错层平面不规则类型2.建筑立面布置竖向体型规则、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。

结构竖向抗侧力构件宜上下连续贯通。

1971年美国圣菲南多地震，Olive-View医院位于9度区，主楼遭到严重破坏。它是一幢刚度和强度在底层突变的建筑的典型震例，其教训值得借鉴。该主楼是六层钢筋混凝土房屋，其剖面如图11所示。该幢建筑三层以上为框架­—剪力墙体系，底层和二层为框架体系，而二层有较多的砖隔墙。该结构上、下层的侧向层间刚度相差约为10倍。地震后，上面几层震害很轻，而底层严重偏斜，纵向侧移达600mm，横向侧移约600mm，角柱出现严重的受压酥碎现象。

Olive—View医院主楼剖面不规则类型定义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%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、桁架等向下传递)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%立面不规则类型有利的房屋体形<1>平面方形、圆形、矩形、正六边形、正八边形、椭圆形L形、T形、十字形、U形、H形、Y形<2>立面变化要均匀不利对抗震不利的结构布置形式3.建筑物的高度现浇钢筋混凝土高层建筑的最大适用高度（m）结构类型烈度678(0.2g)9框架60504024框架—抗震震墙全部落分框支12010080—筒体框架—核心中柱—抗震墙807055—注：1房屋高度指室外地面到檐口或屋面板顶的高度（不考虑局部突出屋顶部分）；

4.房屋的高宽比结构类型框架、板柱-剪力墙5432框架-剪力墙5543剪力墙6654筒中筒、框架-核心筒6654

非抗震设计抗震设防烈度6、7度8度9度A级高度钢筋混凝土高层建筑结构适用的最大高宽比建筑物的高宽比是一个需要慎重考虑的问题，建筑物的高宽比愈大，地震作用的侧移愈大，水平地震力引起的倾覆作用愈严重。由于巨大的倾覆力矩在底层柱和基础中所产生的拉力和压力比较难于处理，为有效地防止在地震作用下建筑的倾覆，保证有足够的地震稳定性，应对建筑的高宽比有所限制。1967年委内瑞拉加拉加斯地震曾发生明显由于过大倾覆力矩引起破坏的震害实例。该市一幢18层的公寓，为钢筋混凝土框架结构，地上各层均有砖填充墙，地下室空旷。在地震中，由于倾覆力矩在地下室柱中引起很大的轴力，造成地下室很多柱子被压碎，钢筋压弯呈灯笼状。另一震害实例是1985年墨西哥地震时，该市一幢9层钢筋混凝土结构由于水平地震作用使整个房屋倾倒，埋深2.5m的箱形基础翻转了45o，并连同基础底面的摩擦桩拔出。

5.防震缝的合理设置

合理设置防震缝，可以将体型复杂的建筑物划分为“规则”的建筑物，从而降低抗震设计的难度，提高抗震设计的可靠度。防震缝的设置，应根据建筑类型、结构体系和建筑体型等具体情况区别对待。高层建筑设置防震缝后，给建筑、结构和设备设计带来一定困难，基础防水也不容易处理。因此，高层建筑通过调整平面形状和尺寸，在构造上和施工上采取措施，尽可能不设缝（伸缩缝、沉降缝和防震缝）。但下列情况应设置防震缝，将整个建筑划分为若干个简单的独立单元：（1）平面或立面不规则，又未在计算和构造上采取相应措施；（2）房屋长度超过规定的伸缩缝最大间距，又无条件采取特殊措施而必需设伸缩缝时；（3）地基土质不均匀，房屋各部分的预计沉降量（包括地震时的沉陷）相差过大，必需设置沉降缝时；（4）房屋各部分的质量或结构的抗推刚度悬殊过大；

对于体型复杂、平立面特别不规则的建筑结构，可按实际需要在适当部位设置防震缝，形成多个较规则的抗侧力结构单元。下列情况须设抗震缝：1、平面长度和突出部分尺寸超过限值，而又没有采取加强措施。

2、各部分结构刚度相差悬殊，而又没有采取有效措施。3、各部分结构质量相差很大时。4、房屋有较大错层时。钢砼结构的防震缝最小宽度应符合以下要求：1、框架结构房屋的防震缝宽度，当高度不超过15m时可采用70mm；超过15m时，6度、7度、8度和9度相应每增加高度5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm。

2、框架-抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用1.项规定数值的70%，抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用1.项规定数值的50%；且均不宜小于70mm。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。4.3结构选型与结构布置1、结构选型单从抗震角度考虑，作为一种好的结构型式，应具备下列性能：（1）延性系数高（2）强度/重力的比值大（3）匀质性好（4）正交各向同性（5）构件连接具有整体性、连续性和较好的延性，并能发挥材料的全部强度。钢砼结构的优点：1、通过现场浇筑，可形成具有整体式节点的连续结构

2、就地取材3、造价较低

4、有较大的抗侧移刚度，从而减小结构侧移，保护非结构构件遭破坏。

5、良好的设计可以保证结构具有足够的延性。钢砼结构的缺点：1、周期性往复水平荷载作用下，构件刚度因裂缝开展而递减。

2、构件开裂处钢筋的塑形拉伸，使裂缝不能闭合3、低周往复荷载下，杆件塑性铰区反向斜裂缝的出现，将混凝土挤碎，产生永久性的“剪切滑移”

抗震结构体系的确定《抗震规范》关于抗震结构体系，有下列各项要求：（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）应具备必要的强度以及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。

1．结构力求对称，以避免扭转。对称结构在单向水平地震动下，仅发生平移振动，各层构件的侧移量相等，水平地震力则按刚度分配，受力比较均匀。非对称结构由于质量中心与刚度中心不重合，即使在单向水平地震动下也会激起扭转振动，产生平移—扭转耦连振动。由于扭转振动的影响，远离刚度中心的构件侧移量明显增大，从而所产生的水平地震剪力则随之增大，较易引起破坏，甚至严重破坏。为了把扭转效应降低到最低程度，可以减小结构质量中心与刚度中心的距离，图14给出了由抗震墙和框架组成的主抗侧力构件的不利布置的实例和受推荐的实例。

结构布置的一般原则图14楼层平面内质量和侧向刚度的关系（平面上承受重力的框架未画出）在国内外地震调查资料中，不难发现角柱的震害一般较重，这主要由于角柱受扭转反应最为显著。1972年尼加拉瓜的马那瓜地震，位于市中心15层的中央银行，有一层地下室，采用框架体系，设置两个钢筋混凝土电梯井和两个楼梯间，都集中布置在主楼两端一侧，两端山墙还砌有填充墙，如图15所示。这种结构布置造成质量中心与刚度中心明显不重合，偏心很大，显然对抗震不利。1972年发生地震时，该幢大厦遭到严重破坏，五层周围柱子严重开裂，钢筋压屈，电梯井墙开裂，混凝土剥落。围护墙等非结构构件破坏严重，有的倒塌。因此，需要合理布置抗侧力构件。例如，在结构布置时，应特别注意具有很大抗推刚度的钢筋混凝土墙体和钢筋混凝土的芯筒位置，力求在平面上要居中和对称。此外，抗震墙沿房屋周边布置，可以使结构具有较大的抗扭刚度和较大的抗倾覆能力。

图15马那瓜中央银行结构平面（a）低层平面；（b）剖面

2．竖向布置力求均匀。结构抗震性能的好坏，除取决于总的承载能力、变形和耗能能力外，避免局部的抗震薄弱部位是十分重要的。1976年罗马尼亚地震，普鲁耶什有一幢四层框架体系房屋，底层为咖啡馆，无隔墙。上面几层为住宅，砖隔墙较多。受震后，底层因柱子折断而倒塌，上面几层整体坐落。布加勒斯特市的一幢9层框架体系大楼，上部为住宅，底层为商店，同一次地震后，底层严重破坏，濒临倒塌。图16所示“薄弱层”机构的存在是地震中建筑物破坏的常见原因之一。

图16薄弱层导致的破坏

结构薄弱部位的形成，往往是由于刚度突变和屈服承载力系数突变所造成的。刚度突变一般是由于建筑体型复杂或抗震结构体系在竖向布置上不连续和不均匀性所造成的。由于建筑功能上的需要，往往在某些楼层处竖向抗侧力构件被截断，造成竖向抗侧力构件的不连续，导致传力路线不明确，从而产生局部应力集中，并过早屈服，形成结构薄弱部位，最终可能导致严重破坏甚至倒塌。竖向抗侧力构件截面的突变也会造成刚度和承载力的剧烈变化，带来局部区域的应力剧增和塑性变形集中的不利影响。

屈服承载力系数的定义是按构件实际截面、配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力与罕遇地震下楼层弹性地震剪力的比值。这个比值是影响弹塑性地震反应的重要参数。如果各楼层的屈服承载力系数大致相等，地震作用下各楼层的侧移将是均匀变化的，整个建筑将因各楼层抗震可靠度大致相等而具有较好的抗震性能。如果某楼层的屈服承载力系数远低于其他各层，出现抗震薄弱部位，则在地震作用下，将会过早屈服而产生较大的弹塑性变形，需要有较高的延性要求。因此，尽可能从建筑体型和结构布置上使刚度和屈服强度变化均匀，尽量减少形成抗震薄弱部位的可能性，力求降低弹塑性变形集中的程度，并采取相应的措施来提高结构的延性和变形能力。

纯框架——单一抗侧力体系（倒塌率较高）框－墙、框－撑体系、筒－框、筒中筒4.4多道抗震防线

多道抗震防线（1）一个抗震结构体系，应有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（2）抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部赘余度，有意识的建立起一系列分布的屈服区，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。（一）设置多道抗震防线单一结构体系只有一道防线，一旦破坏就会造成建筑物倒塌。特别是当建筑物的自振周期与地震动卓越周期相近时，建筑物由此而发生的共振，更加速其倒塌进程。如果建筑物采用的是多重抗侧力体系，第一道防线的抗侧力构件在强烈地震作用下遭到破坏后，后备的第二道乃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。在遇到建筑物基本周期与地震动卓越周期相同或接近的情况时，多道防线就更显示出其优越性。当第一道抗侧力防线因共振而破坏，第二道防线接替工作，建筑物自振周期将出现较大幅度的变动，与地震动卓越周期错开，使建筑物的共振现象得以缓解，避免再度严重破坏。

1．第一道防线的构件选择第一道防线一般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，或选择轴压比值较小的抗震墙、实墙筒体之类的构件作为第一道防线的抗侧力构件。不宜选择轴压比很大的框架柱作为第一道防线。在纯框架结构中，宜采用“强柱弱梁”的延性框架。

2．结构体系的多道设防我国采用的最为广泛的是框架—剪力墙双重结构体系，主要抗侧力构件是剪力墙，它是第一道防线。在弹性地震反应阶段，大部分侧向地震力由剪力墙承担，但是一旦剪力墙开裂或屈服，剪力墙刚度相应降低。此时框架承担地震力的份额将增加，框架部分起到第二道防线的作用，并且在地震动过程中框架起着支撑竖向荷载的重要作用，它承受主要的竖向荷载。框架—填充墙结构体系实际上也是等效双重体系。如果设计得当，填充墙可以增加结构体系的承载力和刚度。在地震作用下，填充墙产生裂缝，可以大量吸收和消耗地震能量，填充墙实际上起到了耗能元件的作用。填充墙在地震后是较易修复的，但须采取有效措施防止平面外倒塌和框架柱剪切破坏。单层厂房纵向体系中，可以认为也存在等效双重体系。柱间支撑是第一道防线，柱是第二道防线。通过柱间支撑的屈服来吸收和消耗地震能量，从而保证整个结构的安全。

3．结构构件的多道防线联肢抗震墙中，连系梁先屈服，然后墙肢弯曲破坏丧失承载力。当连系梁钢筋屈服并具有延性时，它既可以吸收大量地震能量，又能继续传递弯矩和剪力，对墙肢有一定的约束作用，使抗震墙保持足够的刚度和承载力，延性较好。如果连系梁出现剪切破坏，按照抗震结构多道设防的原则，只要保证墙肢安全，整个结构就不至于发生严重破坏或倒塌。“强柱弱梁”型的延性框架，在地震作用下，梁处于第一道防线，其屈服先于柱的屈服，首先用梁的变形去消耗输入的地震能量，使柱处于第二道防线。在超静定结构构件中，赘余构件为第一道防线，由于主体结构已是静定或超静定结构，这些赘余构件的先期破坏并不影响整个结构的稳定。

4．工程实例：尼加拉瓜的马拉瓜市美洲银行大厦尼加拉瓜的马拉瓜市美洲银行大厦，地面以上18层，高61米，就是一个应用多道抗震防线概念的成功实例（图17所示）。因为这幢大楼位于地震区，设计指导思想是：在风荷载和规范规定的等效静力地震荷载的作用下，结构具有较大的抗推刚度，以满足变形方面的要求；但在大震作用下，建筑物受到的地震力很大时，通过某些构件的屈服，过渡到另一个具有较高变形能力的结构体系，继续有效地工作。根据这一指导思想，该大楼采用11.6m×11.6m的钢筋混凝土芯筒作为主要的抗震和抗风构件。但是，该芯筒又有四个小芯筒组成，每个L形小筒的外边尺寸为4.6m×4.6m。在每层楼板处，采用较大截面的钢筋混凝土连系梁，将四个小筒连成一个具有较强整体性的大筒。

图17马拉瓜市美洲银行大厦（a）平面；（b）剖面

该大厦在进行抗震设计时，既考虑四个小筒作为大筒的组成部分发挥整体作用时的受力情况，又考虑连系梁损坏后四个小筒各自作为独立构件的受力状态，且小筒间的连系梁完全破坏时整体结构仍具有良好的抗震性能。1972年12月马拉瓜发生地震时，该大厦经受了考验。在大震作用下，小筒之间的连梁破坏后，动力特性和地震反应显著改变：基本周期T1加长1.5倍，结构底部水平地震剪力减小一半，地震倾覆力矩减少3/5，但是结构顶点侧移加大一倍，分析结果列于表7。

结构动力反应结构工作状态4个小筒整体工作时4个小筒单独工作时基本周期（s）1.33.3结构底部地震剪力（KN）2700013000结构底部地震倾覆力矩（KN·m）37000030000结构顶点位移（mm）120240表7美洲银行大楼对马那瓜地震的反应

第一道防线的构件选择1、双重体系优先选择不负担或梢负担重力荷载的竖向支撑或填充墙，或选择轴压比较小的框架柱兼作第一道防线。2、单一体系强柱弱梁的延性设计利用赘余杆件增多抗震防线

1、连系梁的作用（赘余杆件的屈服及变形）

2、新的抗震概念

一方面利用赘余杆件的屈服和变形，来耗散地震能量；另一方面利用赘余杆件的破坏和退出，使整个结构从一种稳定体系过渡到另一种稳定体系，实现周期的变化，以避免地震动卓越周期长时间持续作用一起的共振效应。

实例：

1972年12月马那瓜地震一万幢房屋严重破坏或倒塌尼加拉瓜的美洲银行大厦（18层、61m；1963年设计；

6倍于设计地震力）采用高延性构件（结构）提高承载力只能推迟结构进入塑性阶段；提高延性，不仅能削减地震反应，而且提高了