建筑抗震概念设计.ppt
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1、4 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,抗震设计:对地震区的工程结构进行的一种专业设计,一般包括抗震概念设计、结构抗震计算和抗震构造措施三个方面。抗震概念设计:基于震害经验建立的抗震基本原则和思想。包括工程结构的总体布置和细部构造。概念设计的基本内容:建筑场地选择;建筑选型与结构布置;设置多道抗震防线;刚度、承载力和延性的匹配;结构整体性的确保;非结构部件处理。,4.1 场地选择场地选择的原则 挑选对建筑抗震有利的地段,对不利地段,应提出避开要求;当
2、无法避开时应采取有效的措施。对危险地段,严禁建造甲、乙类的建筑,不应建造丙类的建筑。4.1.1 避开抗震危险地段建筑抗震危险的地段,一般是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度以上的发震段裂带在地震时可能发生地表错位的地段。发震断层:在过去3.5万年以内曾活动过一次,或,在5万年内活动过两次的地质构造上的断层。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,在地震时一般不会发生新的错动。地下采空区属于危险地段。不利于抗震的地段:软弱土,液化土,条状突出的山嘴,高耸孤立的山丘,陡坡,陡坎,河岸和边坡的边缘,平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层(含故
3、河道、疏松的断层破碎带、暗埋的塘浜沟谷和半填半挖地基),高含水量的可塑黄土,地表存在结构性裂缝等。对不利地段,应提出避开要求;当无法避开时,,应采取有效措施。4.1.2 选择有利于抗震的场地有利地段:一般是指位于开阔平坦地带的坚硬场地土或密实均匀中硬场地土。在选择高层建筑的场地时,应尽量建在基岩或薄土层上,或应建在具有较大“平均剪切波速”的坚硬场地土上,以减少输入建筑物的地震能量,从根本上减轻地震对建筑物的破坏作用。地基和基础设计应符合下列要求:同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上;(图4.1),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)地基为软弱粘
4、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。(图4.2,措施见第2章),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。4.2.1 建筑平面布置建筑的平、立面布置宜规则、对称,质量和刚度变化均匀,避免楼层错层。对称的结构容易估计其地震时的反应,容易采取构造措施和进行细部处理。“规则”包含了对建筑的平、立面外形尺寸,抗侧力构件布置、质量分布,直至强度分布等诸多因素的综合要求。规则对高层建筑尤为重要。,规范3.4.1建筑设计应根据抗震概念设计的要求明确建筑形体的规则性。不规则的建筑应按规定采取加强措施;特别不规则的建
5、筑应进行专门研究和论证,采取特别的加强措施;严重不规则的建筑不应采用。注:形体指建筑平面形状和立面、竖向剖面的变化。规范3.4.2建筑设计应重视其平面、立面和竖向剖面的规则性对抗震性能及经济合理性的影响,宜择优选用规则的形体,其抗侧力构件的平面布置宜规则对称、侧向刚度沿竖向宜均匀变化、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小、避免侧向刚度和承载力突变。,建筑结构的规则性对抗震能力的重要影响的认识始自若干现代建筑在地震中的表现。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,另一幢为18层高的美洲银行大厦。当地地震
6、烈度估计为8度。一幢破坏严重,震后拆除;另一幢轻微损坏,稍加修理便恢复使用。,马那瓜美洲银行大厦,马那瓜中央银行大厦,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。不宜采用有较长翼缘的L形、T形、U形、H形、Y形等平面形状。高层规程的规定:,超过梁高,4.2.2 建筑立面布置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。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。上部收进时,当H/H0.2时,B1/B0.75;当上部外挑时,B/B10.9且a4m。,规范3.4.4建筑形体及
7、其构件布置不规则时,应按下列要求进行地震作用计算和内力调整,并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施:1 平面不规则而竖向规则的建筑,应采用空间结构计算模型并应符合下列要求:1)扭转不规则时,应计入扭转影响,且楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的1.5倍,当最大层间位移远小于规范限值时,可适当放宽;2)凹凸不规则或楼板局部不连续时,应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型;高烈度或不规则程度较大时,宜计入楼板局部变形的影响,3)平面不对称且凹凸不规则或局部不连续,可根据实际情况分块计算扭转位移比,对扭转较大的部位应采用局部的内力增大系数。2
8、平面规则而竖向不规则的建筑,应采用空间结构计算模型,刚度小的楼层的地震剪力应乘以不小于1.15的增大系数,其薄弱层应按本规范有关规定进行弹塑性变形分析,并应符合下列要求:1)竖向抗侧力构件不连续时,该构件传递给水平转换构件的地震内力应根据烈度高低和水平转换构件的类型、受力情况、几何尺寸等,乘以1.252.0的增大系数;2)侧向刚度不规则时,相邻层的侧向刚度比应依据其结构类型符合本规范相关章节的规定;,3)楼层承载力突变时,薄弱层抗侧力结构的受剪承载力不应小于相邻上一楼层的65%。3 平面不规则且竖向不规则的建筑,应根据不规则类型的数量和程度,有针对性地采取不低于本条1、2款要求的各项抗震措施。
9、特别不规则的建筑,应经专门研究,采取更有效的加强措施或对薄弱部位采用相应的抗震性能化设计方法。规范3.4.5体型复杂、平直面不规则的建筑,应根据不规则程度、地基基础条件和技术经济等因素的比较分析,确定是否设置防震缝,并分别符合下列要求:1 当不设置防震缝时,应采用符合实际的计算模型,分析判明其应力集中、变形集中或地震扭转效,应等导致的易损部位,采取相应的加强措施。2 当在适当部位设置防震缝时,宜形成多个较规则的抗侧力结构单元。防震缝应根据抗震设防烈度、结构材料种类、结构类型、结构单元的高度和高差以及可能的地震扭转效应的情况,留有足够的宽度,其两侧的上部结构应完全分开。3 当设置伸缩缝和沉降缝时
10、,其宽度应符合防震缝的要求。,北川县设计方方正正,整体性好的楼房巍然不动,北川中学第一教学楼,北川一中第一教学楼平面布置不规则,整体性差,倾覆力矩过大而推覆,1600师生遇难。,建筑群由一幢L型和一幢C型大楼组成,地震中,C形大楼向内倾倒,砸向L形大楼。上图为C形大楼的柱网布置。柱距大,柱网稀,在横向只有一跨框架,冗余度不足。,彰化县员林镇龙邦富贵名门大楼16层钢筋混凝土结构住宅,柱距710m,柱子数量不足,赘余度不足。,从中山国宝二期大楼的平面图可见,其柱距为78m。倒塌的两座塔楼在纵横两个方面均只有一跨框架。,云林县斗六市中山国宝二期大楼,左侧六层以下,右侧五层以下完全倒塌。,台湾集集大地
11、震九层钢筋混凝土框架破坏,结构布置不合理,单跨框架且不封闭,传力途径隔断。,只设有圈梁而无构造柱的房屋,4.2.3 房屋的高度一般,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,但不是绝对的,与经济有关。多层、高层混凝土结构房屋适用的最大高度见P100表5.1。多层砌体房屋的高度限值见P140表6.14.2.4 房屋的高宽比建筑物的高宽比值愈大,建筑物就愈瘦高,地震作用下的侧移就愈大,地震引起的倾覆作用就愈大。见P102表5.2,P140表6.2,4.2.5 防震缝的合理设置变形缝包括:伸缩缝、沉降缝、防震缝,对于抗震设防烈度为6度以上的房屋,伸缩缝、沉降缝均应符合防震缝的要求,
12、即在抗震区,三种缝统称为防震缝。下列部位宜设置防震缝平面形状、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;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须设置伸缩缝时;地基土质不均匀,房屋各部分的预计沉降量过大,必须设置沉降缝时;房屋各部分的质量或结构抗侧移刚度大小悬殊时。对于多层砌体结构房屋,防震缝两侧均应设置墙体,缝宽应根据烈度和房屋高度确定,可采用50100mm。高层建筑一般通过调整平面形状和尺寸,并在构造上以及施工时采取一些措施,尽量不设防震缝。当需要设置防震缝时,防震缝的最小缝宽应符合下列规定:规范6.1.4框架房屋,当高度不超过15m,
13、可采用70mm;当高度超过15m,6度、7度、8度、9度相应每增高5m、4m、3m、2m,宜加宽20mm;,框架抗震墙房屋的防震缝宽,可采用框架数值的70%;抗震墙房屋可采用框架数值的50%,且不宜小于100mm。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。框架结构和框架-抗震墙结构中,框架和抗震墙均应双向设置,柱中线与墙中线、梁中线与柱中线之间的偏心距不宜大于柱宽的1/4。例: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?建筑高度为37m,缝宽?若高为37m剪力墙结构,其缝宽?,4.3 结构选型与结构布置4.3.1 结构选型4.3.1.1
14、.结构材料的选择1.从抗震角度考虑,作为一种好的结构材料,其结构材料应具备:延性系数高(如钢结构);强度/重力比值大(如轻质高强材料);匀质性好;正交各向同性(变形相同);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。,2.抗震规范对材料与施工的要求:规范3.9.1抗震结构对材料和施工质量的特别要求,应在设计文件上注明。规范3.9.2结构材料性能指标,应符合下列最低要求:(1)砌体结构材料应符合下列规定:1)普通砖和多孔砖的强度等级不应低于MU10,其砌筑砂浆强度等级不应低于M5;2)混凝土小型空心砌块的强度等级不应低于MU7.5,其砌筑砂浆强度等级不应低于Mb7.5。(2
15、)混凝土结构材料应符合下列规定:1)混凝土的强度等级,框支梁、框支柱及抗震等,级为一级的框架梁、柱、节点核芯区,不应低于C30;构造柱、芯柱、圈梁及其他各类构件不应低于C20;2)抗震等级为一、二、三级的框架和斜撑构件(含梯段),其纵向受力钢筋采用普通钢筋时,钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25;钢筋的屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.3且钢筋在最大拉力下的总伸长奉实测值不应小于9%。(3)钢结构的钢材应符合下列规定:1)钢材的屈服强度实测值与抗拉强度实测值的比值不应大于0.85;,保证强柱弱梁等内力调整的顺利实现,塑性铰形成后有足够的耗能和转动能力,2)钢
16、材应有明显的屈服台阶,且伸长率不应小于20%;3)钢材应有良好的焊接性和合格的冲击韧性。3.规范3.9.3结构材料性能指标,尚宜符合下列要求(1).普通钢筋宜优先采用延性、韧性和焊接性较好的钢筋;普通钢筋的强度等级,纵向受力钢筋宜选用符合抗震性能指标的不低于HRB400级的热轧钢筋,也可采用符合抗震性能指标的HRB335级热轧钢筋;箍筋宜选用符合抗震性能指标的不低于HRB335级的热轧钢筋,也可选用HPB300级热轧钢筋。注:钢筋的检验方法应符合现行国家标准混凝土结构工程施工质量验收规范GB 50204的规定,规范已不推荐HPB235级,(2)混凝土结构的混凝土强度等级,抗震墙不宜超过C60,
17、其他构件,9度时不宜超过C60,8度时不宜超过C70。(3)钢结构的钢材宜采用Q235等级B、C、D的碳素结构钢及Q345等级B、C、D、E的低合金高强度结构钢;当有可靠依据时,尚可采用其他钢种和钢号。规范3.9.4在施工中,当需要以强度等级较高的钢筋替代原设计中的纵向受力钢筋时,应按照钢筋受拉承载力设计值相等的原则换算,并应满足最小配筋率要求。规范3.9.5采用焊接连接的钢结构,当接头的焊接拘束度较大、钢板厚度不小于40mm且承受沿板厚,高强混凝土脆性大,方向截面收缩率不应小于国家标准厚度方向性能钢板GB/T 5313关于215级规定的容许值。规范3.9.6钢筋混凝土构造柱和底部框架-抗震墙
18、房屋中的砌体抗震墙,其施工应先砌墙后浇构造柱和框架梁柱。规范3.9.7混凝土墙体、框架柱的水平施工缝,应采取措施加强混凝土的结合性能。对于抗震等级一级的墙体和转换层楼板与落地混凝土墙体的交接处,宜验算水平施工缝截面的受剪承载力。例题:某六层营业面积为10000m2的钢筋混凝土框架结构,高度24m,设防烈度7度,类场地,框架柱原设计的纵筋为822,在施工过程中,因现场原材料供应延误,拟采用下表中的钢筋进行代换,各代换方案均满足强剪弱弯要求,试确定下列何种代换方案最为合适。,钢筋强度及伸长率表 A 820(编号3)B 420(编号3)+425(编号4)C 825(编号2)D 825(编号4)解:按
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