多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计课件

多層及高層鋼筋混凝土房屋抗震設計

抗震結構設計結構概念的理解應該比較重要，記一下：

柱子的軸壓比：還有剪跨比(柱截面承受的彎距與剪力相對大小的一個參數。表示為：M/Vh，h表示柱截面高度。此值大於2稱該柱為長柱。小於2為短柱。)

軸力與抗壓強度與截面積的乘積之比

，一般和抗震時柱子的延性息息相關(同時和剪跨比也有很大關系)，軸壓比越小，變形能力越強，反之亦然

，

柱子和梁比起來，它的變形能力比較差，但是柱子在結構中的地位比梁大，所以要對它的變形能力作更多的要求，軸壓比，剪跨比的限制就是因此而來的

軸壓比是為了控制小偏心受壓(脆性)，

在規範中也有限值，按抗震等級分：柱軸壓比限值

結構類型抗震等級一二三框架結構0.70.80.9

框架抗震牆板柱抗震牆及筒體0.750.850.95

部分框支抗震牆0.60.7—

結構設計幾個限值的意義

1、軸壓比：主要為控制結構的延性，規範對牆肢和柱均有相應限值要求，見抗規6.3.7和6.4.6，在剪力牆的軸壓比計算中，軸力取重力荷載代表設計值，與柱子的不一樣。

2、剪重比：主要為控制各樓層最小地震剪力，確保結構安全性，見抗規5.2.5。

3、側向剛度比：主要為控制結構豎向規則性。位移比：主要為控制結構平面規則性，以免形成扭轉，對結構產生不利影響。控制比例為1.5。見抗規3.4.2、3.4.3。

4、週期比：主要為控制結構扭轉效應，減小扭轉對結構產生的不利影響，要求見高規4.3.5。

5、剛重比：主要為控制結構的穩定性，以免結構產生滑移和傾覆，要求見高規。

6、剪跨比：

梁的剪跨比，剪力的位置a與h0的比值。剪跨比影響了剪應力和正應力之間的相對關係，因此也決定了主應力的大小和方向，也影響著梁的斜截面受剪承載力和破壞的方式；同時

也反映在受剪承載力的公式上。柱的剪跨比：若反彎點在柱子層高範圍內，可取柱子的剪跨比小於2時，需要全長加密，見混凝土規範11.4.12、11.4.17。

7、剪壓比（梁柱截面上的名義剪應力V/fcbh0與混凝土軸心抗壓強度設計值的比值）：梁塑性鉸區的截面剪壓比對梁的延性、耗能能力及保持梁的強度、剛度有明顯的影響，當剪壓比大於0.15的時候，梁的強度和剛度有明顯的退化現象，此時再增加箍筋用量，也不能發揮作用，因此對梁柱的截面尺寸有所要求。8、軸壓比：軸壓比是指有地震作用組合的柱組合軸壓力設計值與柱的全截面面積和砼軸心受壓抗壓強度設計值乘積的比值，是影響柱子破壞形態和延性的主要因素之一。軸壓比限值的依據是理論分析和試驗研究並參照國外的類似條件確定的，其基準值是對稱配筋柱大小偏心受壓狀態的軸壓比分界值。

9、跨高比：梁的跨高比（梁的淨跨與梁截面高度的比值）對梁的抗震性能有明顯的影響。梁（非剪力牆的連梁）的跨高比小於5和深梁都按照深受彎構件進行計算的。10、延性比：延性比即為彈塑性位移增大係數。延性是指材料、構件、結構在初始強度沒有明顯退化的情況下的非彈性變形能力。延性比主要分為三個層面，即截面的延性比、構件的延性比和結構的延性比。結構的延性比多指框架或者剪力牆等結構的水準荷載-頂層水準位移（P-delta）、水準荷載-層間位移等曲線。

多層和高層鋼筋混凝土結構體系包括：框架結構、框架-抗震牆結構、抗震牆結構、筒體結構和框架-筒體結構等。鋼筋混凝土框架房屋：鋼筋混凝土縱梁、橫樑和柱等構件組成承重體系的房屋。框架-抗震牆結構：在框架房屋中增加抗震牆構成。鋼筋混凝土框架房屋層數一般在十層以下。抗震牆主要承受水準荷載，框架主要承受豎向荷載。5.1概述

抗震結構設計抗震牆框架房屋框架-抗震牆一、框架梁、柱的震害

梁柱變形能力不足，構件過早發生破壞。一般是梁輕柱重，柱頂重於柱底，尤其是角柱和邊柱更易發生破壞。1、柱頂

柱頂周圍有水準裂縫、斜裂縫或交叉裂縫。重者混凝土壓碎崩落，柱內箍筋拉斷，縱筋壓曲成燈籠狀。

主要原因：節點處彎矩、剪力、軸力都較大，受力複雜，箍筋配置不足，錨固不好等。

破壞不易修復。2、柱底

與柱頂相似，由於箍筋較柱頂密，震害相對柱頂較輕。3、短柱

當柱高小於4倍柱截面高度（H/b<4)時形成短柱。短柱剛度大，易產生剪切破壞。4、角柱

由於雙向受彎、受剪,加上扭轉作用，震害比內柱重。5、框架梁震害多在梁端，為剪切破壞。在地震作用下梁端縱向鋼筋屈服，出現上下貫通的垂直裂縫和交叉斜裂縫（因彎剪作用）。在梁負彎矩鋼筋切斷處由於抗剪能力削弱也易產生裂縫，造成梁剪切破壞。原因：梁端屈服後產生的剪力較大，超過梁的受剪能力，梁內箍筋配置較稀，以及反復荷載作用下混凝土抗剪強度降低等因素引起的。6、梁柱節點節點核心區產生對角方向的斜裂縫或交叉斜裂縫，混凝土剪碎剝落，節點內箍筋很少或沒有放置箍筋時，柱縱向筋壓曲外鼓。梁筋錨固破壞。錨固長度不足，從節點內拔出，將混凝土拉裂。裝配式框架構件連接處易發生脆斷，剖口焊接鋼筋處易拉斷，焊接處後澆混凝土開裂或散落。原因：節點受彎承載力不足，約束混凝土太少，梁筋錨固長度不足及施工品質引起。二、填充牆的震害

砌體填充牆剛度大而承載力低，首先承受地震作用而遭破壞。一般7度即出現裂縫，8度和8度以上地震作用下，裂縫明顯增加，甚至部分倒塌，一般是上輕下重，空心砌體牆重於實心砌體牆，砌快牆重於磚牆。

框架-剪力牆結構上部較嚴重，框架結構下部震害嚴重。

填充牆破壞的主要原因是：牆體受剪承載力低，變形能力小，牆體與框架缺乏有效的拉結，在往復變形時牆體易發生剪切破壞和散落。三、抗震牆的震害

在強震作用下，抗震牆的震害主要表現在牆肢之間連梁的剪切破壞。主要是由於連梁跨度小，高度大形成深梁，在反復荷載作用下形成X型剪切裂縫，為剪切型脆性破壞，尤其是在房屋1/3高度處的連梁破壞更為明顯。四、其他1、伸縮縫寬度太小，地震時發生碰撞造成震害。如：天津友誼賓館，東西段之間沒有15cm抗震縫，在唐山地震時，防震縫處不少面積因碰撞而掉落。2、建造在軟弱地基上的高柔建築物，因Tg=T1發生共振，烈度不高但其破壞的例子屢見不鮮。如：1976年委內瑞拉發生6.5級地震，距震中56km的加拉加斯沖積場地上有4幢10至12層鋼筋混凝土框架結構公寓倒塌。1976年唐山發生7.8級地震，距震中70km的天津塘沽地區，地質條件為淤泥粘土層的天津堿廠蒸發塔工程，高55m的框架結構，7層以上部分倒塌。3、建造在軟弱地基上或液化土層上的框架結構，在地震時常因地基不均勻沉陷使上部結構傾斜甚至倒塌。

5.2抗震設計的一般要求5.2.1、結構體系選擇在震區應綜合考慮如下條件：1、現澆混凝土房屋適用的最大高度（表5.1）2、房屋高寬比限值（表5.2）3、建築物剛度與場地條件有關。4、基礎形式及埋置深度如：天然地基時埋深不小於1/12建築物高度天然樁基時埋深不小於1/15建築物高度5、應注意技術經濟指標。

抗震結構設計5.2.2結構佈置1、基本原則2、框架結構3、框架—抗震牆4、抗震牆5、抗震縫1、基本原則：①結構平面應力求簡單規則，結構的主要抗側力構件應對稱均勻佈置，儘量使結構的剛心與質心重合，避免地震時引起結構扭轉及局部應力集中。②結構的豎向佈置，應使其品質沿高度方向均勻佈置，避免結構剛度突變，並應盡可能降低建築物的重心，易利結構的整體穩定性。③合理設置變形縫。④加強樓屋蓋的整體性。⑤盡可能做到技術先進，經濟合理。2、框架結構佈置適用範圍：10層以下住宅、辦公及各類公共建築與工業建築。有方格式及內廊式兩類.①宜雙向設置承重框架②樓梯間、電梯間不宜設置在結構單元的兩端及拐角處。③框架結構沿高度不宜突變。④遵守“強柱弱梁”、“強剪弱彎”、“強節點、強錨固”等原則進行延性框架的設計。3、框架—抗震牆結構佈置適用範圍：10～20層的房屋。①抗震牆在結構平面的佈置應對稱均勻。②抗震牆應沿結構縱橫設置，且縱橫向抗震牆宜相互倆聯合成T形、L形、十字形等剛度較大的截面，以提高抗震牆的利用效率。圖5.4框架—抗震牆結構平面佈置示意③抗震牆與柱中線宜重合，當不能重合時，柱中線與抗震牆中線之間的偏心距不宜大於柱寬的1/4。④抗震牆應盡可能靠近房屋的端部，但不宜佈置在外牆。⑤抗震牆應設置在牆面不需要開大洞的位置，開洞口時應上下對齊，抗震等級為一、二級的聯肢牆的洞口不應採用弱連系梁。（見表5.4）⑥抗震牆宜貫通全高，沿豎向截面不宜由較大突變，以保證結構豎向的剛度基本均勻。4、抗震牆的結構佈置適用範圍：20-30層高層居住建築①較長的抗震牆可通過開洞口的弱連系梁而形成若干牆段，各段高寬比不應小於2。②抗震牆洞口上下對齊，牆肢與連梁明確。一、二級抗震牆底部加強部位不宜有錯洞牆。③框支抗震牆宜少設，若設，抗震牆的截面面積不應小於相鄰上層抗震牆截面面積的50%，框支層落地抗震間距不宜大於24m。④底部兩層框支抗震牆結構的佈置宜對稱，且宜設置抗震筒體。⑤落地抗震牆之間樓蓋長寬比不應超過表5.3。抗震牆佈置的具體要求（1）樓（電）梯間、豎井等使樓面開洞的豎向通道，不宜設在結構單元端部角區及凹角處；這種豎向通道不宜獨立設在柱網之外的中間位置。（2）縱橫向抗震牆成組佈置縱橫向抗震牆宜合併佈置為L形、T形和口字形。兩片牆組成聯肢牆（3）合理調整抗震牆的長度

為了保證抗震牆具有足夠的的延性,不發生脆性的剪切破壞，每一道抗震牆（包括單片牆、小開口牆和聯肢牆）不應過長，總高度與總長度之比宜大於2。

較長的單片牆可以留出結構洞口，劃分成聯肢牆的兩個牆肢。（4）抗震牆的最大間距抗震牆間距不應過大。

抗震牆之間無大洞口的樓、屋蓋的長寬比宜滿足下表要求：不宜採用裝配式樓蓋現澆、疊合梁扳9度8度6、7度結構

抗震牆之間樓、屋蓋的長寬比

抗震牆之間的樓、屋蓋有較大開洞時，長寬比還應減小。

當超過上述要求時，應計入樓蓋平面內的變形影響。5、抗震縫的佈置同第四章規定。5.2.3、結構的抗震等級地震作用下，鋼筋混凝土結構的地震反應有下列特點：1、地震作用越大，房屋的抗震要求越高；2、結構的抗震能力主要取決於主要抗側力構件的性能；3、房屋越高，地震反應越大，抗震要求越高。

地震作用與烈度、場地等有關，從經濟角度考慮，對不同烈度、場地的結構的抗震要求可以有明顯的差別。

主、次抗側力構件的抗震要求應有差別。

抗震等級是確定結構構件抗震計算和抗震措施的標準。根據設防烈度、房屋高度、建築類別、結構類型及構件在結構中的重要程度確定，共分四個等級，一級最高。抗震等級與結構類型、烈度有關，見表5.4查用。甲、乙、丁類建築應按抗震設防標準中的抗震措施所要求的設防烈度按上表確定抗震等級。當框架-抗震牆結構有足夠的抗震牆時,其框架部分是次要抗側力構件,可按框架-抗震牆結構中的框架確定抗震等級。否則按框架結構確定等級。區分標準是看框架部分承受的地震傾覆力矩是否大於結構總地震傾覆力矩的50%。框架承受的地震傾覆力矩可按下式計算：--框架-抗震牆結構在基本振型地震作用下框架部分承受的地震傾覆力矩；--結構層數；--框架i層柱的根數；--第i層j根框架柱的計算地震剪力；--第i層層高。

5.3框架內力與位移計算

框架結構抗震設計的步驟見框圖5.7。其抗震計算的內容一般包括：（1）結構動力特性分析，主要是結構自振週期的確定；（2）結構地震反應計算，包括多遇烈度下的地震荷載與結構側移；（3）結構內力分析與位移計算；（4）截面抗震設計等。5.3.1水準地震作用計算一般在結構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。框架結構自振週期的計算：

抗震結構設計5.3.2水準地震作用下框架內力的計算(D值法)

D值法計算框架內力的方法同鋼筋混凝土結構教材所講方法。（1）計算各層柱的側移剛度D

（5.6）

（5.7）（2）計算各柱所分配的剪力

(5.8)（3）確定反彎點高度y（6）計算梁端剪力5.3.3豎向荷載作用下框架內力計算豎向荷載作用下的梁端彎矩一般要進行調幅，方法同混凝土教材內容。支座彎矩經過調幅降低後，跨中彎矩相應增加，調幅後跨中彎矩不應小於簡支情況下跨中彎矩的50%。如圖5.14，跨中彎矩為：5.3.4內力組合在框架抗震設計時，一般應考慮以下兩種基本組合。（1）地震作用效應與重力荷載代表值效應的組合

以框架梁、柱為例，說明內力組合方法當地震作用自左向右時，離左端為x位置的截面彎矩方程為：5.3.5框架結構位移驗算

5.4鋼筋混凝土框架結構構件設計

5.4.1框架梁截面設計梁端抗震設計的基本要求：①梁形成塑性鉸後仍有足夠的受剪承載力；②梁筋屈服後，塑性鉸區段應有較好的延性和耗能能力；③妥善解決梁筋錨固問題1、框架梁抗剪承載力驗算（1）梁剪力設計值为了避免梁在弯曲破坏前发生剪切破坏，应按‘强剪弱弯’的原则调整框架梁端部截面组合的剪力设计值：

抗震結構設計9度和一級框架結構尚應符合：一、二、三級框架梁---梁在重力荷載代表值（9度時高層建築還應包括豎向地震作用標准值）作用下，按簡支梁分析的梁端截面剪力設計值；--分別為梁左、右端逆時針或順時針方向正截面組合的彎矩設計值;---梁的剪力增大係數，一級為1.3,二級為1.2,三級為1.1。---梁的淨跨；---分別為梁左、右端逆時針或順時針方向根據實配鋼筋面積(考慮受壓筋)和材料強度標準值計算的抗彎承載力所對應的彎值；跨高比大於2.5時：

剪壓比：截面內平均剪應力與混凝土抗壓強度設計值之比，即（2）剪壓比限值

剪壓比過大,混凝土會過早發生斜壓破壞,箍筋不能充分發揮作用,它對構件的變形能力也有顯著影響。因此應控制。跨高比等於或小於2.5時：---梁端部截面組合的剪力設計值；---梁的截面有效高度；---混凝土軸心抗壓強度設計值；---梁的截面寬度；---承載力抗震調整係數。（3）梁斜截面受剪承載力2、提高粱延性的措施（1）梁截面尺寸的要求梁寬≥200mm梁寬/柱寬≥1/2粱的高寬比≤4粱淨跨/截面高≥4（2）梁端箍筋加密符合表5.9規定

(3)梁縱筋的配筋率及縱筋配置為了提高梁的正截面塑性鉸轉動延性，梁的縱向配筋率不宜過高。

為此，框架梁的縱向配筋應符合下列要求：（a)梁端縱向受拉鋼筋的配筋率不應大於2.5%；梁端截面最大配筋率應使梁端截面的受壓區相對高度（即截面受壓區高度與有效高度比）應滿足：一級不應大於0.25,二、三級不應大於0.35;（b)梁端或任何可能屈服截面處，下部與上部配筋量的比值，一級不應小於0.5,二三級不應小於0.3。（c)沿梁全長頂面和底面的配筋，一二級不應少於且分別不應少於梁兩端頂面和底面縱向配筋中較大截面面積的1/4，三四級不應少於。

5.4.2框架柱截面設計框架柱抗震設計的基本要求：①強柱弱梁，使柱儘量不出現塑性鉸；②在彎曲破壞前不發生剪切破壞，使柱由足夠的抗剪能力；③加強約束，配置必要的約束箍筋。兩種破壞形式弱柱型弱梁型

為了使塑性鉸首先在梁中出現，同一節點柱的抗彎能力要大於梁的抗彎能力。1、強柱弱梁

抗震規範規定：一、二、三級框架的梁柱節點處，除頂層和柱軸壓比小於0.15者外，柱端組合彎矩設計值應符合下列公式要求9度和一級框架結構尚應符合：---節點上下柱端截面順時針或逆時針方向組合的彎矩設計值之和;---節點左右梁端截面逆時針或順時針方向組合的彎矩設計值之和；---節點左右梁端截面逆時針或順時針方向根據實配鋼筋面積（考慮受壓筋）和材料強度標準值計算的抗彎承載力所對應的彎矩值之和；---柱端彎矩增大係數，一級為1.4,二級為1.2,三級為1.1。

為了不使框架底層柱過早出現塑性鉸，規範規定：一、二、三級框架底層柱底截面組合的彎矩設計值應分別乘以增大係數1.5、1.25、1.15。2、強剪弱彎（1）柱剪力設計值柱的抗剪強度要高於它的抗彎強度（強剪弱彎）9度和一級框架結構尚應符合：一、二、三級框架梁--分別為柱上、下端逆時針或順時針方向正截面組合的彎矩設計值;---柱的剪力增大係數，一級為1.4,二級為1.2,三級1.1。---柱的淨高；---分別為柱上、下端逆時針或順時針方向根據實配鋼筋面積(考慮受壓筋)和材料強度標準值計算的抗彎承載力所對應的彎值；（2）剪壓比限值參考梁剪壓比的限值。（3）柱斜截面受剪承載力3、控制柱的軸壓比軸壓比：柱組合的軸壓力設計值與柱的全截面面積和混凝土抗壓強度設計值乘積之比,即：

它是控制偏心受拉邊鋼筋先到抗拉強度，還是受壓區混凝土先達到其極限壓應變的主要指標。柱的變形能力隨軸壓比增大而急劇降低。0.900.95—0.800.850.70.700.750.6框架框架-剪力牆框支柱三二一結構類型抗震等級柱軸壓比限制規範規定：柱軸壓比不應超過下表，但Ⅳ類場地上的較高高層建築柱軸壓比限值應適當減小。

柱的縱向配筋應符合下列要求：

（a)宜對稱佈置；

（b)截面尺寸大於400mm的柱，縱向鋼筋間距不宜大於200mm;

（c)縱向鋼筋的最小配筋率應按下表採用。0.60.80.70.90.81.01.01.2中柱和邊柱角柱、框支柱四三二一類別抗震等級

（d)柱的總配筋率不應大於5%。

（e)一級且剪跨比大於2的柱，每側縱向鋼筋配筋率不宜大於1.2%。4、柱內縱向鋼筋的配置

5、加強柱端約束加密箍筋可以：承擔柱子剪力；約束混凝土，改善混凝土的變形性能，提高構件的延性；防止混凝土過早地壓潰及防止縱向鋼筋的壓曲失穩。加密位置、箍筋直徑、箍筋間距等應符合規範規定。

框架節點破壞的主要形式是節點核心區剪切破壞和鋼筋錨固破壞。5.4.3框架的節點設計

節點主要受剪力和壓力的組合作用，節點核心區未開裂前，箍筋應力很小，基本上是混凝土承受剪力。約當剪力達到核心區極限抗剪能力60～70%時，混凝土突然發生對角貫通裂縫，節點剛度明顯降低，箍筋應力也突然增大，個別甚至屈服，此後斜裂縫增多贈寬，箍筋陸續達到屈服。

節點區的破壞與交於節點的