高层概念课件

延性结构与延性构件的设计概念地震与抗震设防结构延性的概念建筑形体和结构总体布置延性钢筋混凝土框架延性组合柱延性剪力墙延性钢结构1.地震概念地震某种原因引起地面运动地震属于自然现象，（同风雨雷电）每年超过500万次6.1地震与抗震设防地震分类构造地震全球六大板块板块移动引发地震火山地震陷落地震诱发地震几个名词震源：震动发源处，即地壳岩石断裂、错动的部位。浅源(

60km)、中源、深源地震(>300km)震中（震中区，极震区）震中距2004年12月25日印度尼西亚地震震源2.地震灾害直接灾害（一次灾害）地表破坏地裂缝喷水冒砂建筑结构破坏承重结构强度不足整体倒塌地基失效滑坡承载力下降砂土液化次生灾害（二次灾害、三次灾害）由直接灾害诱发的灾害火灾：1923年关东大地震致火烧房45万栋水灾海啸逸毒瘟疫社会动荡2004年底印度洋海啸3.地震波、震级与烈度地震波地震波概念地震波分类体波纵波（P波）：vp=500~600m/s，使房

横波（S波）：vs=300~400m/s，使屋

面波瑞利波：上下、前后运动（最慢）乐甫波：类似于蛇行，左右运动强震仪获得的地震波1933，LongBeach波

1940，ElCentro波

1952，Taft波1975，海城波

1976，天津波传播规律短周期振动衰减快，传播距离短；长周期振动衰减慢，传播距离长。硬土中长周期的振动衰减快，短周期成分多；软土中短周期的振动衰减快，长周期成分多。地震震级里氏震级M

1935年美国Richter（里希特）提出。标准地震仪（周期0.8s、阻尼系数0.8、放大倍数2800），距震中100km处记下的以

m为单位的最大水平地面位移A，据此计算震级6级地震，A=1m7级地震，A=10m8级地震，A=100m相差1级，位移幅值差10倍，释放的能量约差32倍。地震按震级分类

1）无感地震：M<2,，人们感觉不到

2）有感地震：M=2~5，人们可感觉到

3）破坏地震：M>5，造成不同程度破坏

4）大地震：M>71976，中国唐山大地震M7.81995，日本阪神大地震M7.25）特大地震：M>81923，日本关东大地震M8.22004，印度尼西亚大地震M8.9地震烈度地震烈度I

某一地区的地面及建筑物遭受到一次地震影响的强弱程度。中国地震烈度表，共分12度人感为主

1度：无感

2度：室内个别静止中的人有感

3度：室内少数静止中的人有感

4度：室内多数人有感，室外少数人有感

5度：室内人普遍感觉

6度：人惊慌失措，仓惶逃出房屋震害为主

7度：轻度破坏——局部破坏、开裂

8度：中等破坏——结构受损，需修理

9度：严重破坏——墙体龟裂，局部倒塌

10度：倒塌——大部倒塌，不堪修复地表现象为主

11度：地震断裂延续很长，山崩常见，基岩上拱桥毁坏

12度：地面剧烈变化，山河改观烈度I与震级M、震中距R的关系中国统计公式唐山大地震烈度图一地的地震烈度定位

基本烈度：50年内超越概率约为10%的烈度

众值烈度：50年内超越概率约为63%的烈度，比基本烈度低一度半

罕遇烈度：50年内超越概率约为2~3%的烈度

设防烈度：按国家批准权限审定，作为一个地区抗震设防依据的地震烈度如：北京市区8度，上海市区7度，重庆市区6度四川：康定、西昌，不低于9度

成都、什邡、绵竹7度

德阳、中江、罗江、广汉6度4.地震作用地震作用的概念运动传递地震

地面运动地上建筑结构运动结构物产生位移、速度、加速度惯性力加速度导致惯性力该惯性力属于间接作用，故称地震作用也属于偶然作用，其效应有内力和变形地震动的特性参数地震发生后，地震波传播在沿途地基上所产生的振动=地震动峰值（最大幅值）位移、速度、加速度三者之一的峰值反映地震动强弱或能量频谱—加速度反应谱一定阻尼比单自由度弹性体系地震反应曲线：最大加速度和周期的关系形象说明如下图主要周期最大加速度谱值对应的一个周期范围，称地震动的主要周期ElCentro记录的主要周期：0.4~0.6s地震作用的特点不确定的、不可预知的作用地震发生的时间、地点、强度是随机的没有两次地震的特性是相同的不同地点，同一地震的特性不同同一地点，不同地震的特性不同短时间的动力作用一般1min左右，长的3min1964年3月，阿拉斯加地震时间最长，7min20世纪地震死亡200多万人，总时间不到1h有选择的破坏作用震中附近，硬土上层数少的建筑结构破坏严重；距离震中远、在震级大的强震作用下，软土上层数多的建筑结构破坏严重。5.抗震设计方法的发展静力法1899年，日本大房吉提出静力法概念假设结构物各个部分与地震动具有相同的振动地面运动加速度乘结构物质量=惯性力，作用于结构作抗震计算地震系数K=a/g应用情况1924，日本都市建筑规则，K=0.11927，美国《统一建筑规范》，K=0.075~0.1动力法—反应谱反应谱理论1943，美国M.A.Biot提出反应谱概念，给出世界上第一个弹性反应谱1948，G.W.Housner提出基于反应谱理论的抗震计算动力法1958，第一届世界地震工程会议后，该法被许多国家采纳在相应的工程结构抗震设计规范中基本假定结构是弹性的，结构的地震反应可以利用叠加原理进行各振型地震反应的组合结构各支座部位的地震动完全相同结构的最不利地震反应，等于它的地震最大反应，不考虑时程效应主要内容高楼离散为多自由度体系按广义坐标解耦每个广义单自由度体系的地震最大反应，可从设计反应谱求得结构的地震最大反应，由振型组合求得反应谱法的主要优缺点优点：动力问题静力处理（考虑了峰值、频谱）简便实用缺点：只能提供弹性阶段具有统计意义的最大地震反应，不能算出具体的地震作用下的最大反应；不能用于弹塑性结构的计算动力法的另一方法—时程分析法动力方程时间积分，得到时程曲线可用于弹性、弹塑性结构可得到屈服构件的位置，塑性铰发展过程基于性能/位移抗震设计三种思路直接基于位移的方法结构等效为单自由度体系，求算目标位移和水平地作用求结构的目标位移，基底剪力和水平地震作用

结构设计控制延性的方法建立延性与塑性铰区砼极限压应变的关系塑性铰区配置约束箍筋，保证砼能达到要求的极限应变。能力谱法计算结构能力谱曲线求需求谱曲线能力与需求的交点——性能点坐标：谱位移—位移要求谱加速度—和等效质量乘=基底剪力计算手段—Push-over法Push-over法（静力弹塑性法，推覆分析）结构竖向荷载不变沿高度施加水平荷载，并单调增加构件逐步屈服，塑性铰足够多、位移足够大Push-over结果的用途

①评价结构性能

②确定性能点

③建立整体位移与局部变形的关系

④弹塑性时程分析Push-over的缺陷

①不能考虑地震的动力效应

②结果与采用的水平荷载分布形式有关

③需要辅助计算结果才能用于工程

④难以得到整体结构达到最大承载力后，基底剪力—顶点位移曲线的下降段6.抗震设防目标抗震设防三水准第一水准——小震不坏（众值烈度）结构处于弹性状态结构不受损或不需修理第二水准——中震可修（基本烈度）允许轻度损坏经一般修理即可继续使用第三水准——大震不倒（罕遇烈度）允许结构构件屈服、破坏，但不倒塌抗震设计两阶段第一阶段：满足小震不坏考虑小震作用效应验算承载力和弹性变形第二阶段：满足大震不倒大震作用验算结构弹塑性变形（弹塑性层间位移角）中震可修由抗震构造措施加以保证6.2结构延性的概念1.延性的定义和作用延性定义延性进入破坏阶段以后，在承载力没有显著下降的情况下，承受变形的能力。后期变形能力（非弹性变形能力）延性系数延性的作用防止发生脆性破坏，确保安全在超静定结构中，能更好地适应地基不均匀沉陷以及温度变化等情况使超静定结构能够充分地进行内力重分布有利于吸收和耗散地震能量，满足抗震要求耗能能力由往复荷载下的滞回曲线所包含的面积度量耗能力大

延性大2.延性指标材料的延性材料延性系数用应变比定义混凝土屈服应变可取峰值应变极限应变

u

=0.003~0.004与强度等级有关钢材（钢筋）峰值应力对应的应变为极限应变实测强屈比不应过小，保证屈服后、极限强度前有较大的变形能力，一定的强度储备屈服强度实测值与标准值的比值不应过大，以保证实现强柱弱梁、强剪弱弯截面曲率延性系数混凝土梁截面表达式影响因素（1）纵向配筋率

增大，延性系数减小（2）受压钢筋配筋率

‘增大，延性系数增大（3）

cu增大，延性系数提高(采用密排箍)

（4）混凝土强度等级提高，延性系数增大（5）钢筋级别降低，延性系数增大提高梁截面延性的主要措施（1）限制纵向受拉钢筋的配筋率

2.5%,受压区高度x(0.25~0.35)h0

（2）规定压筋和拉筋的最小面积比：0.3~0.5

（3）弯矩较大的区段，适当加密箍筋偏心受压柱截面曲率延性的影响因素轴压比轴压比越大，延性系数越小限制轴压比n=N/(fcA)0.7~0.9配箍率配箍率提高，延性增大含箍特征值压缩曲线如图，极限应变增大了，故延性提高箍筋形式螺旋箍筋最好复合箍筋次之普通矩形箍筋最差箍筋间距小直径密间距，优于大直径稀间距构件位移延性顶点位移延性lP—等效塑性铰长度梁、柱：lP=0.5h

（h截面高）剪力墙：lP=0.3l

（l墙高）顶点位移延性与截面曲率延性的关系由抗倒塌确定顶点位移延性系数由顶点位移延性系数计算截面曲率延性系数由截面曲率延性系数确定混凝土的极限应变配置约束箍筋满足要求结构位移延性定义顶点位移延性系数：

u

=uu/uy

层间位移延性系数：

=

u/

y计算手段结构整体静力弹塑性分析（Push-over）基底剪力—顶点位移曲线层间剪力—层间位移曲线计算延性系数（近似值）延性系数要求截面高于构件构件高于结构规范规定罕遇地震作用下，高楼弹塑性层间位移角不超过规定值框架结构1/50

框架—核心筒，板柱—核心筒1/100

筒中筒结构1/120保证大震不倒6.3建筑体形和结构总体布置1.建筑结构布置总体布置原则采用有利平面和立面（规则性）具有明确的计算简图具有合理的、直接的传力路径具有整体牢固性和尽量多的冗余度构件与构件之间、结构与结构之间，或牢固连接，或彻底分离多道抗震防线建筑平面有利平面简单、规则、对称长宽比不大不利平面平面狭长：两端扭转影响大，可能有震害有长的外伸：两肢连接的角部应力集中角部重叠和细腰：重叠和细腰部位薄弱凹角部位应力集中，易使楼板开裂有利平面的实现技巧关键两条（1）刚度中心与质量中心尽可能重合，减小地震对结构的扭转影响（2）增大抗扭刚度，减小地震作用下结构的扭转反应框架体系对称布置刚度较大的隔断墙，扭转效应一般不大。非框架体系合理布置剪力墙：对称布置剪力墙，可以减小扭转布置成筒体，可增大抗扭刚度将墙（筒）设在四周，可增大抗扭刚度钢结构合理布置增大结构刚度的构件建筑立面有利立面规则、均匀，从上到下外形不变或变化不大没有过大的外挑或内收的立面不利立面高宽比大高位悬挑上部收进连体大底盘多塔楼连体不利的竖向布置传力路径中断错层设置加强层连廊两端固接转换层避免转换层以下的结构成为薄弱层或软弱层对称布置结构构件加厚剪力墙，尽可能围成井筒采用延性大的竖向构件：钢骨混凝土柱（墙）钢管混凝土柱（墙）钢管混凝土叠合柱高位转换更应采用延性大的竖向构件加强层和大底盘塔楼加强层加强层附近不利可采用空腹桁架对结构的抗震有利大于不利大底盘塔楼底盘以上的第一层是关键提高承载和延性2.不规则结构不规则结构的地震反应不规则结构平面不规则（1）扭转不规则（2）楼板凹凸不规则和楼板局部不连续竖向不规则（1）侧向刚度不规则（2）竖向抗侧力构件不连续（3）楼层承载力突变不规则结构的地震反应平面扭转不规则对结构地震反应的影响因素不规则程度结构两个水平主轴方向的平动基本周期比两主轴方向的长度收进层对地震的反应层间位移突变竖向构件内力增大平面扭转不规则、竖向收进不规则结构，双向地震作用下边框架和边剪力墙的内力比单向地震影响下大得多。需要作双向地震响应分析不规则结构的抗震概念设计抗震设计概念设置脊椎结构提高关键构件承载力提高关键构件的延性采取的措施弹塑性分析结构局部细致分析：局部弹性有限元分析局部非线性有限元分析结构、构件试验不规则结构的工程应用实例北京新保利大厦地上25层，99.2m

三角形平面，一个大中庭

7层“特式吊楼”，高50m筒体悬挑和斜拉主钢索悬挂平面、竖向不规则支撑筒内配钢骨，设防烈度下不屈服模型试验中央电视台新大楼

9层裙房两座斜塔（倾斜6º）连接斜塔顶部的14层高、悬挑75m高空长悬臂结构

抗侧力结构为位于裙房、斜塔和悬臂四周的外筒。

采用钢骨混凝土柱，不规则布置的钢支撑斜杆。

大震作用下柱不屈服，中震作用下主要斜杆不屈服。6.4延性钢筋混凝土框架的设计概念调整构件之间承载力相对大小，实现合理屈服机制强柱弱梁（强墙弱连梁）强核芯区弱构件调整正、斜截面承载力大小强剪弱弯，延性破坏形态采取构造措施三个方面塑性铰机制分类梁铰机制（整体机制）塑性铰出现在梁端除柱脚外，柱端无铰柱铰机制（局部机制）同一楼层柱上下端形成塑性铰混合铰机制塑性铰机制梁铰机制与柱铰相比的优势梁铰分散在各层，不至于形成倒塌机构梁铰数量多，同样延性和耗能要求下，塑性转动要求低梁是受弯构件，容易实现大的延性和耗能能力实现梁铰机制的保证增大柱端弯矩节点柱截面弯矩设计值之和大于梁截面实配钢筋计算得到的受弯承载力之和

>1.0，9度和一级框架

=1.2增大柱脚固定端弯矩设计值增大角柱弯矩设计值，并按双向偏心构件验算压弯承载力1.延性框架梁抗震设计影响混凝土梁延性的主要因素破坏形态弯曲破坏延性破坏——适筋梁，延性大脆性破坏——少筋梁、超筋梁，延性小剪切破坏斜拉、斜压、剪压破坏延性较小，耗能差截面混凝土相对受压区高度抗震设计要求实现弯曲破坏，避免剪切破坏（强剪弱弯）要求：受剪承载力大于实际受弯承载力所对应的剪力办法：增大剪力设计值不同抗震等级的框架，增大系数不同限制剪压比平均剪应力与混凝土轴心抗压强度之比剪压比限值确定最小截面尺寸限制受拉钢筋，配置受压钢筋保证适筋梁：最大、最小配筋率配受压钢筋：相对受区高度

，延性

梁端塑性铰区箍筋加密研究发现有竖向裂缝和斜裂缝加密目的使铰有较好的转动能力防止混凝土压溃前受压钢筋过早压屈加密方法：不少于计算量不少于构造要求量考虑现浇楼板的作用板内钢筋参与承受大梁负弯矩之工作梁端未屈服时，板筋不参与受力梁端屈服后，板筋参与受力梁端屈服程度增大时，参与受力的板筋范围增大计入板筋的作用，实现“强柱弱梁”塑性铰外移好处：避免梁端钢筋屈服，从而避免钢筋屈服向节点核芯区发展，引发粘结破坏，改善核芯区性能方法：将屈服位置移至控制截面X-X

（1）增加梁端纵向钢筋（2）增加梁端截面高度2.延性框架柱抗震设计混凝土框架柱延性的影响因素剪跨比定义：

=Mc/(Vc

hc0)柱分类：

>2长柱

1.5<

2短柱

1.5极短柱轴压比n纵筋配筋率塑性铰区的配筋位置框架柱设计概念采用长柱，避免短柱长柱延性压弯破坏短柱一般发生剪切破坏，若箍筋足够，可实现延性较好的剪压破坏极短柱斜拉破坏（避免采用）短柱、极短柱

变为长柱分体柱（隔板隔开）

4个单元柱，内力均担上下端留截面过渡区（配复合箍）剪跨比

是整体柱的2倍限制轴压比n实现大偏心受压破坏减小受压区高度增加延性提高纵筋配筋率箍筋约束塑性区混凝土提高极限压应变

cu，增大延性箍筋形式：矩形复合箍拉筋复合箍3.梁柱节点核芯区受力性能主要受力压力剪力破坏形态（非延性破坏）剪压破坏：斜裂缝粘结锚固破坏框架梁伸入核芯区的纵筋与混凝土之间的粘结破坏，导致梁端转角增大，增大层间位移抗震设计概念强核芯区核芯区受剪承载力应大于汇交在同一节点的两侧梁端达到受弯承载力时对应的核芯区剪力实用中，采用弯矩设计值代替受弯承载力配置足够的箍筋强锚固梁的上部钢筋全部贯穿中间节点下部钢筋可以截断，需有一定的锚固长度边、角节点，可将梁伸出柱面6.5延性组合柱设计高楼轴压比满足轴压比要求，柱截面

胖柱瘦身

高强度混凝土抗压强度高弹性模量大密实性好、抗渗能力强、耐久性优组合柱应需而生组合柱组合目的—克服高强混凝土的缺点塑性变形能力差（脆）抗火能力比普通混凝土差常用组合柱钢管混凝土柱钢管混凝土叠合柱钢骨混凝土柱1.钢管混凝土柱关于钢管混凝土柱出现和应用情况1897，美国JohnLally发明廿世纪60年代旧金山175.3m高楼应用该柱1966，北京地铁北京站、前门站1992，泉州市邮局大楼，87.5m

目前砼已超过C100工作机理钢管对混凝土套箍，三向受力砼强度、塑性

其他方面的优点管内砼防止管向内屈曲，提高管壁稳定性钢管可作模板管壁薄，避免了厚钢板的一些问题钢管预制，加快施工进度管内混凝土和管外楼盖可同时施工连接要求构造简单、整体性好传力明确、安全可靠节约材料、施工方便钢筋混凝土梁与钢管混凝土柱连接传递剪力连接方式抗剪环焊于管壁上的闭合的钢筋环或带钢环

b、d16mm设置一道：距梁底¼梁高处设置两道：距梁底¼梁高处距梁底½

梁高处环形牛腿由肋板和上、下加强环构成肋板焊于钢管表面，传递剪力加强环焊于肋板承重销穿心腹板+翼缘板截面高度为梁高的0.5倍传递弯矩连接方式井式双梁穿筋单梁钢筋混凝土环梁框架梁纵筋锚于环梁环梁配环筋和箍筋连接方式组合柱的直径较大双梁—抗剪环连接环梁—抗剪环连接柱的直径较小双梁—环形牛腿连接环梁—环形牛腿连接钢梁与钢管混凝土柱连接柱直径较小—外加强环板连接环板封闭抗拉承载力不小于梁翼缘板抗拉承载力的0.7倍柱直径较大—内加强环板连接2.钢管混凝土组合柱与叠合柱组合柱组合截面中央：钢管混凝土外围：钢筋混凝土混凝土同时浇筑，管内强度等级高于管外相同内力下，截面尺寸比钢筋混凝土柱、钢管混凝土柱要小许多优势（与钢骨混凝土柱相比）中央砼受管和管外砼的双重约束、管还受内外砼约束

强度

管内混凝土等级高于管外混凝土等级，降低管外混凝土的承载压力柱端塑性较区的转动能力

延性

内砼提高了抗剪承载力，短柱也可做到强剪弱弯管径较小，易穿过梁柱核芯区叠合柱施工工序实现叠合浇筑钢管混凝土柱浇筑楼盖（柱周围留后浇孔）钢管混凝土柱承受部分施工荷载，轴压力达到设计值的30%~60%时，叠合浇筑管外混凝土叠合柱的优势管内混凝土强度等级可更高，截面尺寸

叠合前管柱已受力，叠合砼分担轴压力

调整叠合比，控制管外砼轴压比，实现大偏压钢筋混凝土梁与叠合柱（组合柱）之间的连接钢管贯通型连接上下层钢管贯通梁柱核芯区梁的纵筋穿过管壁钢板翅片转换型连接上、下层钢管在节点核芯区不贯通时小直径厚壁核心钢管（小钢管）1钢板翅片4翅片与核心钢管全长双面角焊翅片插入上、下层钢管的安装槽内3.钢骨混凝土柱钢骨混凝土柱截面形式实腹钢骨：型钢、钢板焊接空腹钢骨：较少采用配筋构造协调外包砼与钢骨变形构造要求（见图）梁柱连接钢骨混凝土梁与钢骨混凝土柱连接保证梁中钢骨部分承担的M传给柱中钢骨梁中钢筋混凝土承担的M传给柱中钢筋混凝土钢筋混凝土梁与钢骨混凝土柱连接梁筋部分穿过钢骨，通长配置其余部分：设置一段钢梁与主筋搭接其余部分：主筋与钢牛腿焊接6.6延性剪力墙的设计概念1.关于剪力墙剪力墙分类常见类型实体墙连肢墙框支墙有边框墙筒体剪力墙的整体系数1连梁铰接，直接传递水平力，墙肢各自承担水平力延性和耗能能力取决于各墙肢的延性和耗能能力110联肢墙工程中的多数墙为此类10剪力墙接近整体墙延性和耗能能力取决于整体墙联肢剪力墙的破坏形态连梁不屈服，墙肢整体斜截面剪切破坏正截面压弯破坏连梁屈服，墙肢不屈服连梁屈服，墙肢也屈服—普遍连梁可能剪切破坏，弯曲破坏墙肢底部弯曲破坏通过构造使墙肢具有大的延性和耗能能力

即使连梁剪切破坏，也可避免结构倒塌剪力墙抗震设计概念强墙肢弱连梁计算时折减连梁刚度减小连梁内力设计值，降低连梁承载力强剪弱弯采用剪力增大系数调整剪力：强肢底部加强截面，连梁端截面两个限制限制剪压比限制墙肢轴压比2.延性剪力墙设计延性墙肢设计避免小剪跨比>2弯曲变形为主，延性好=1~2可设置大洞口，使>2设底部加强部位塑性铰长度：底部0.3~0.8倍墙肢长加强部位：底部塑性铰及其以上相邻的一定高度范围加强方法：加强部位及以上一层，采用墙肢底部截面组合的弯矩设计值墙肢斜截面受剪承载力破坏形态剪拉破坏：配置横向、竖向分布筋可避免斜压破坏：限制剪压比可避免剪压破坏：常见形态受剪承载力计算公式基础：剪压破坏考虑承载力：横向钢筋受剪承载力混凝土的受剪承载力轴力影响：压力有利抗剪、拉力不利抗剪，分别考虑设置约束边缘构件约束边缘构件一定数量箍筋，置于暗柱、柱端、翼墙作用增大墙肢边缘混凝土的极限应变增大截面塑性变形能力构造要求4个方面沿墙肢截面长度、高度（范围）箍筋数量水平分布筋的锚固纵筋面积分布钢筋最小配筋率作用帮助抗剪、抗弯减少收缩裂缝墙肢分布筋要求横向分布钢筋最小配筋率纵向分布钢筋最小配筋率要求相同墙肢端部设置钢骨延性连梁设计连梁特点与变形特点：高跨比小旅店、住宅<2.5，甚至1.0变形：地震作用下，易出现剪切斜裂缝一般设计要求降低连梁刚度或弯矩设计值

1）折减连梁刚度，使计算之M、V减小

2）按弹性刚度计算内力，将M、V组合值乘折减系数强墙肢弱连梁—改进设计—延性耗能连梁延性耗能连梁开裂混凝土连梁高跨小的连梁连梁腹板预留孔或槽交叉配筋和菱形配筋连梁交叉斜筋抵抗主拉应力限制裂缝展开钢板混凝土连梁钢板抵抗剪力钢板和钢筋混凝土共同抵抗弯矩6.7延性钢结构的设计概