多层及高层钢筋混凝土房屋抗震验算.ppt

第五章 多、高层钢筋混凝土房屋抗震设计,多层和高层钢筋混凝土结构体系：框架结构框架-抗震墙结构抗震墙结构筒体结构框架-筒体结构等,1.共振效应引起的震害,一、震害及其分析,建筑物的自振周期与场地的卓越周期接近，引起建筑物的类共振，通常导致建筑物破坏严重。,2.结构布置不合理引起的震害,16层钢筋混凝土集合住宅大楼底层柱子数量少，间距太大，地震时其中一栋倾倒。,3.柱、梁和节点的震害,梁柱变形能力不足，构件过早发生破坏。一般是梁轻柱重，柱顶重于柱底，尤其是角柱和边柱更易发生破坏。,柱 柱顶周围有水平裂缝、斜裂缝或交叉裂缝。重者混凝土压碎崩落，柱内箍筋拉断，纵筋压曲成灯笼状。,短柱 当柱高小于4倍柱截面高度（H/b4)时形成短柱。短柱刚度大，易产生剪切破坏。,节点核心区产生对角方向的斜裂缝或交叉斜裂缝，混凝土剪碎剥落。节点内箍筋很少或无箍筋时，柱纵向钢筋压曲外鼓。节点破坏的主要原因是节点的受剪承载力不足，约束箍筋太少，梁筋锚固长度不够以及施工质量差所引起。,梁柱节点,4.填充墙的震害,砌体填充墙刚度大而承载力低，首先承受地震作用而遭破坏。端墙、窗间墙和门窗洞口边角部位破坏更加严重。一般7度即出现裂缝，8度和8度以上地震作用下，裂缝明显增加，甚至部分倒塌，一般是上轻下重，空心砌体墙重于实心砌体墙，砌块墙重于砖墙。,填充墙破坏的主要原因：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。,5.抗震墙的震害,在强震作用下，抗震墙的震害主要表现在墙肢之间连梁的剪切破坏。主要是由于连梁跨度小，高度大形成深梁，在反复荷载作用下形成X型剪切裂缝，为剪切型脆性破坏，尤其是在房屋1/3高度处的连梁破坏更为明显。,6、防震缝的震害,防震缝宽度过小，地震时结构相互碰撞造成震害。,总结以上震害调查结果，除注意场地和地基因素外，从结构上主要应注意：,1）结构的刚度在平面上和沿竖向的分布要规则、均匀；,2）结构构件要有足够的承载力和延性；,3）重视构造，加强对混凝土的约束，防止剪切、锚固 等脆性破坏；,4）保证施工质量。,5.3 钢筋混凝土结构房屋设计特点及概念设计,一、单柱及群柱的 曲线,-位移延性比,二、钢筋混凝土结构的抗震设计特点,使用阶段或在常遇地震作用时，结构在弹性范围工作；,在基本烈度地震作用时,结构在弹塑性范围工作;,在罕遇烈度地震作用时,结构亦在弹塑性范围工作;,程度不同,三、钢筋混凝土结构的概念设计,1.设置多道抗震防线；,2.合理控制结构的弹塑区部位；,1）结构有较好的塑性内力重分布能力；,2）结构有较宽的约束屈服范围及极限变形；,3）局部破坏不致导致整个结构失效及具有易于修复 的可能性。,3.加强结构的整体性和构件间的连接；,4.抗侧力构件的刚度、强度、延性应有适当的对应关系；,5.上部结构应与地基条件适应。,5.4 抗震设计的一般规定,一、房屋的适用最大高度,抗震规范规定：乙、丙和丁类建筑的框架结构和框架-抗震墙结构适用的最大高度应不超过下表的规定。,甲类建筑适用的最大高度应专门研究。,注：1.房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度（不包括局部突出屋顶部分）；2.超过表内高度的房屋，应进行专门研究和论证，采取有效的加强措施；3.平面和竖向均不规则的结构或建造在场地的构，使用的最大高度应适当降低（一般降低20%左右）。,二、结构的抗震等级,地震作用下，钢筋混凝土结构的地震反应有下列特点：,1、地震作用越大，房屋的抗震要求越高；,2、结构的抗震能力主要取决于主要抗侧力构件的性能；,3、房屋越高，地震反应越大，抗震要求越高。,地震作用与烈度、场地等有关，从经济角度考虑，对不同烈度、场地的结构的抗震要求可以有明显的差别。,主、次抗侧力构件的抗震要求应有差别。,抗震等级是确定结构构件抗震计算和抗震措施的标准。根据设防烈度、房屋高度、建筑类别、结构类型及构件在结构中的重要程度确定，共分四个等级，一级最高。,下表为丙类建筑抗震等级的划分：,注：1.建筑场地为类时，除6度外可按表内降低一度所对应的 抗震等级采取抗震构造措施，但相应的计算要求不应降低；2.接近或等于高度分界时，应允许结合房屋不规则程度及场 地、地基条件确定抗震等级。,1、甲、乙、丁类建筑应按抗震设防标准中的抗震措施所要求的设防烈度按上表确定抗震等级。,2、当框架-抗震墙结构有足够的抗震墙时,其框架部分是次要抗侧力构件,可按框架-抗震墙结构中的框架确定抗震等级。否则按框架结构确定等级。区分标准是看框架部分承受的地震倾覆力矩是否大于结构总地震倾覆力矩的50%。,框架承受的地震倾覆力矩可按下式计算：,3、裙房与主楼的等级,裙房顶部上下各一层应提高抗震措施,4、多层与高层建筑的地下室,一层以下根据具体情况按三级或按更低等级。9度时应专门研究。,图中c为抗震等级,三、建筑结构布置宜规则,四、合理设计结构破坏机制,1、框架结构,为了充分发挥整个结构的抗震能力，较合理的地震破坏机制应为节点基本不破坏，梁比柱的屈服能早发生、多发生；同一层中，各柱两端屈服历程越长越好；底层柱底的塑性铰宜最晚发生。梁柱端的塑性铰出现得尽可能分散。,2、框架-抗震墙结构,抗震墙的各墙段（包括小开洞墙和联肢墙肢）的高宽比不宜小于2，使其成弯剪破坏。连梁宜在梁端塑性屈服，且有足够的变形能力，在墙段充分发挥抗震作用前不失效。,五、构件在极限破坏前不发生明显的脆性破坏,主要抗侧力的钢筋混凝土构件的极限破坏应以构件弯曲时主筋受拉屈服破坏为主，应避免变形性能差的混凝土首先压溃或剪切破坏，以及钢筋锚固失效和粘接破坏。,延性破坏和脆性破坏两者的变形性能差别很大，与其相关的因素有：抗剪和抗弯承载力之比、剪跨比、剪压比、轴压比、主筋率、配筋率、箍筋形式、混凝土和钢筋材料、钢筋连接和锚固方式等。,规范中许多规定都属于这方面的要求。,当建筑平面过长、结构单元的结构体系不同、高度和刚度相差过大以及各结构单元的地基条件有较大差异时，应考虑设防震缝。其最小宽度应符合下面要求：,高层建筑宜选用合理的建筑结构方案，不设防震缝。,1、防震缝,（1）钢筋混凝土框架房屋的防震缝宽度，当高度不超过15m时可采用70mm，超过15m时，6、7、8、9度相应每增加高度5m、4m、3m、2m，宜加宽20mm。,六、防震缝与抗撞墙,（2）框架-抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用框架规定数值的50%，且不宜小于70mm。,（3）防震缝两侧结构类型不 同时，按不利体系考虑，并按低的房屋高度计算 缝宽。,8、9度设防的钢筋混凝土框架房屋防震缝两侧的结构，当结构高度、刚度或层高相差较大时，可在防震缝两侧房屋的尽端设垂直于防震缝的抗撞墙。,2、抗撞墙,每一侧的数量不应少于两道。宜分别对称布置，墙肢的长度可不大于一个柱距。,内力应按考虑和不考虑抗撞墙两种情况进行分析，按不利情况取值。,抗撞墙的端柱和框架边柱箍筋应沿房屋全高加密。,2、钢筋混凝土框架的梁、柱构件应避免剪切破坏,“强剪弱弯”,构件弯曲破坏形成的极限剪力应小于构件斜截面的极限剪力。,七、钢筋混凝土框架的结构体系,1、钢筋混凝土框架结构宜对称布置,3、钢筋混凝土框架的梁、柱构 件之间应设置成“强柱弱梁”,4、梁柱节点的承载力宜大于梁、柱构件的承载力。,“更强的节点”,抗震墙的一般布置原则是“均匀、分散、对称、周边”。,八、框架-剪力墙结构的结构布置,1、抗震墙布置的基本原则 框架-抗震墙结构中的抗震墙宜沿主轴方向双向布置，贯通房屋全高，且横向与纵向抗震墙宜相连，互为翼墙，以提高其刚度和承载能力。,一般情况下，宜布置在竖向荷载较大处，平面形状变化处和楼梯间、电梯间等。,2、抗震墙布置位置的选择,房屋较长时，纵向抗震墙不易设置在端开间。,3、抗震墙布置的具体要求,（1）楼（电）梯间、竖井等使楼面开洞的竖向通道，不 宜设在结构单元端部角区及凹角处；,这种竖向通道不宜独立设在柱网之外的中间位置。,（2）纵横向抗震墙成组布置,纵横向抗震墙宜合并布置为L形、T形和口字形。,（3）合理调整抗震墙的长度,为了保证抗震墙具有足够的的延性,不发生脆性的剪切破坏，每一道抗震墙（包括单片墙、小开口墙和联肢墙）不应过长，总高度与总长度之比宜大于2。,较长的单片墙可以留出结构洞口，划分成联肢墙的两个墙肢。,（4）抗震墙的最大间距,抗震墙间距不应过大。,抗震墙之间无大洞口的楼、屋盖的长宽比宜满足下表要求：,抗震墙之间的楼、屋盖有较大开洞时，长宽比还应减小。,当超过上述要求时，应计入楼盖平面内的变形影响。,抗震墙的端部钢筋配置在柱截面内。,4、抗震墙的边框梁、柱,框架梁应保留，当无法设置明梁时应设置暗梁。,暗梁的高度、纵筋、箍筋与明梁相同，配置在墙身内。,5.5 钢筋混凝土框架的抗震设计,一、一般概念,1、梁与柱的弯曲延性,实验表明变形能力随轴压比增大而急剧降低。,N为组合轴压力设计值；b、h为截面的短长边；fc为混凝土抗压强度设计值。,轴压比：柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积之比，即,它是控制偏心受拉边钢筋先到抗拉强度，还是受压区混凝土先达到其极限压应变的主要指标。,配筋率对延性影响也很大。,配筋率对延性影响也很大。,配筋率增大则弯曲延性差。适当提高混凝土强度等级，可使配筋率减少弯曲延性改善。,截面中配置受压钢筋可以改善构件的弯曲延性。,2、受剪构件的剪跨比及破坏特征,h0为截面有效高度。,剪跨比：,构件在弯矩和剪力共同作用下,受剪破坏与剪跨比有关.,脆性破坏,当 且配筋箍适量时,发生剪压破坏；,延性破坏,在水平地震作用下，梁柱的剪跨比可以直接通过梁的跨高比和柱的高厚比表示。,设反弯点在构件中央,对于梁,对于柱,1）平面或楼层有局部薄弱环节，不能发挥整体抗震能力。,3、震坏房屋在设计上存在的问题,2）梁柱变形能力不足，构件过早破坏；,3）梁柱节点箍筋不足，节点受震破坏，梁柱失去了相互 之间的联系；,4）砌体添充墙破坏；,5）其他。,1）框架塑性效应较多地发生在梁端，底层柱的塑性效应 较晚形成；,4、框架结构抗震设计的正确指导思想,2）梁柱在弯曲破坏前，避免发生其它形式破坏，如剪切 破坏、粘结破坏等；,3）在梁、柱破坏之前，节点应有足够的强度即变形能力；,4）重视非结构构件设计。,强柱弱梁，强剪弱弯，更强的节点,两种破坏形式,二、“强柱弱梁”框架的抗震设计,弱柱型,弱梁型,为了使塑性铰首先在梁中出现，同一节点柱的抗弯能力要大于梁的抗弯能力。,抗震规范规定：一、二、三级框架的梁柱节点处，除顶层和柱轴压比小于0.15者外，柱端组合弯矩设计值应符合下列公式要求,9度和一级框架结构尚应符合：,为了不使框架底层柱过早出现塑性铰，规范规定：一、二、三级框架底层柱底截面组合的弯矩设计值应分别乘以增大系数1.5、1.25、1.15。,1.梁、柱的抗剪强度要高于它的抗弯强度（强剪弱弯）,9度和一级框架结构尚应符合：,三、梁、柱延性破坏之前不发生其它脆性破坏的抗震设计,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：,一、二、三级框架梁,跨高比大于2.5时：,剪压比：截面内平均剪应力与混凝土抗压强度设计值之比，即,2.梁、柱截面的剪压比不宜过大,剪压比过大,混凝土会过早发生斜压破坏,箍筋不能充分发挥作用,它对构件的变形能力也有显著影响。因此应控制。,跨高比等于或小于2.5时：,剪跨比宜大于2，剪跨比按下式计算：,3.梁、柱的剪跨比要有所限制,反弯点位于中部时，可按构件净长与2倍截面高度之比计算。,N为组合轴压力设计值；b、h为柱的短长边；fc为混凝土抗压强度设计值。,轴压比：柱组合的轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土抗压强度设计值乘积之比,即：,4、柱的轴压比不宜过大,它是控制偏心受拉边钢筋先到抗拉强度，还是受压区混凝土先达到其极限压应变的主要指标。,柱的变形能力随轴压比增大而急剧降低。,规范规定：,柱轴压比不应超过下表，但类场地上的较高高层建筑柱轴压比限值应适当减小。,为此，框架梁的纵向配筋应符合下列要求：,为了提高梁的正截面塑性铰转动延性，梁的纵向配筋率不宜过高。,5、纵向钢筋的配筋率应该合适,（a)梁端纵向受拉钢筋的配筋率不应大于2.5%；梁端截面最大配筋率应使梁端截面的受压区相对高度（即截面受压区高度与有效高度比）应满足：一级不应大于0.25,二、三级不应大于0.35;,（b)梁端或任何可能屈服截面处，下部与上部配筋量的比值，一级不应小于0.5,二三级不应小于0.3。,（c)沿梁全长顶面和底面的配筋，一二级不应少于 且分别不应少于梁两端顶面和底面纵向配筋中较大截面面积的1/4，三四级不应少于。,柱的纵向配筋应符合下列要求：,对于柱：,（a)宜对称布置；,（b)截面尺寸大于400mm的柱，纵向钢筋间距不宜大于200mm;,（c)纵向钢筋的最小配筋率应按下表采用。,（d)柱的总配筋率不应大于5%。,（e)一级且剪跨比大于2的柱，每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%。,框架节点破坏的主要形式是节点核心区剪切破坏和钢筋锚固破坏。,四、框架的节点设计,节点主要受剪力和压力的组合作用，节点核心区未开裂前，箍筋应力很小，基本上是混凝土承受剪力。约当剪力达到核心区极限抗剪能力6070%时，混凝土突然发生对角贯通裂缝，节点刚度明显降低，箍筋应力也突然增大，个别甚至屈服，此后斜裂缝增多赠宽，箍筋陆续达到屈服。,节点区的破坏与交于节点的梁、柱破坏顺序有关，弱柱强梁型的节点区破坏严重。,直交梁对节点核心区有明显约束作用。满足一定条件的四边有梁的节点，核心区混凝土抗剪强度可提高50100%。节点区的破坏与交于节点的梁、柱破坏顺序有关，弱柱强梁型的节点区破坏严重。,根据强节点的设计要求，框架节点的设计准则是：,1.节点核心区受剪承载力的验算,（1）节点核心区组合的剪力设计值,9度和一级框架尚应符合,（2）框架节点核心区截面受剪承载力的验算,一、二级框架：,9度时,三、四级框架节点核心区可不进行抗震验算，但应符合构造措施的要求。,