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1、第四章多层和高层钢筋混凝土结构房屋 多层和高层钢筋混凝土结构体系包括 框架结构 框架 抗震墙结构 抗震墙结构 筒体结构和框架 筒体结构等 钢筋混凝土框架房屋 钢筋混凝土纵梁 横梁和柱等构件组成承重体系的房屋 框架 抗震墙结构 在框架房屋中增加抗震墙构成 钢筋混凝土框架房屋层数一般在十层以下 抗震墙主要承受水平荷载 框架主要承受竖向荷载 抗震墙 框架房屋 框架 抗震墙 一 结构层间屈服强度有明显的薄弱楼层 4 1震害及其分析 在强烈地震作用下 结构的薄弱楼层率先屈服 发展弹塑性变形 并形成弹塑性变形集中的现象 不能发挥整体的抗震能力 1976年唐山大地震中 位于天津塘沽区的天津碱厂十三层蒸吸塔框
2、架 该结构楼层屈服强度分布不均匀 造成6层和11层的弹塑性变形集中 导致6层以上全部倒塌 右图为该结构输入地震波的弹塑性分析结果 二 框架梁 柱的震害 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 1 柱顶 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 主要原因 节点处弯矩 剪力 轴力都较大 受力复杂 箍筋配置不足 锚固不好等 破坏不易修复 2 柱底 与柱顶相似 由于箍筋较柱顶密 震害相对柱顶较轻 3 短柱 当柱高小于4倍柱截面高度 H b 4 时形成短柱 短柱刚度大 易产生剪切破坏 4 角柱 由于双
3、向受弯 受剪 加上扭转作用 震害比内柱重 5 梁柱节点 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 6 框架梁 震害多发生于梁端 在地震作用下梁端纵向钢筋屈服 出现上下贯通的垂直裂缝和交叉裂缝 破坏的主要原因是梁端屈服后产生的剪力较大 超过了梁的受剪承载力 梁内箍筋配置较稀 以及反复荷载作用下混凝土抗剪强度降低等 节点破坏将导致梁柱失去相互之间的联系 三 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 一般7度即出现裂缝
4、 8度和8度以上地震作用下 裂缝明显增加 甚至部分倒塌 框架 剪力墙结构上部较严重 框架结构下部震害严重 填充墙破坏的主要原因是 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 在往复变形时墙体易发生剪切破坏和散落 四 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 五 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
5、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 4 2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
6、 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 4 3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
7、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
8、 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 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
9、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
10、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
11、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 剪力墙结构的布置 1 抗震墙布置的基
12、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
13、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 4 4钢筋混凝土框架的抗震设计 4 4 1结构材料与施工 1 抗震等级为一级的框架梁 柱 节点核心区混凝土不应低于C30 强度等级 2 抗震等级为一 二级的框架结构
14、 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 且钢筋的屈服强度实测值与强度标准值的比值不应大于1 3 3 其它等级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 2 钢筋应有明显的屈服台阶 且伸长率应大于20 钢筋应有良好的焊接性和合格的冲击韧性 4 4 2基本概念 1 梁及柱的弯曲延性 轴压比大延性差 对构件的弯曲延性影响较大 弯曲延性系数 屈服曲率 极限曲率 弯曲延性系数大表示构件截面的塑性转动能力大 能吸收更多的变形能 另 钢筋混凝土结构中所定义的截面相对受压截面高度 也是重要因素 其值大时弯曲性差 截面配筋率增大时 增大 则弯曲刚度差
15、 而适当提高混凝土强度等级增加轴心抗压强度后 减小 则弯曲延性改善 一级抗震等级时混凝土的强度等级不应低于C30 其它抗震等级时不应低于C20 2 受剪构件的剪跨比及破坏特征 构件在弯矩M及剪力V共同作用下 其受剪破坏与剪跨比 有关 1 当 1 1 5或构件为超配箍时 构件发生斜压破坏 这是一种脆性破坏 设计时应避免 主要控制构件的截面尺寸不宜太小和混凝土强度等级不宜太低 2 当1 1 5 2 3且配箍适量时 发生剪压破坏 破坏前箍筋首先屈服 最后以斜截面的剪压端混凝土达到强度极限而整个截面破坏 这是一种延性破坏 是抗剪设计的依据 3 当 2 3且低配箍时 发生斜拉破坏 构件沿斜截面撕开 这也
16、是一种脆性破坏 设计时也应该避免 主要是控制构件的配箍率不宜太低 注意 在承受水平载荷的框架结构中 梁和柱都受剪 在水平地震荷载作用下的框架结构 梁和柱的剪跨比可以直接通过梁的跨高比和柱的高度比来表示 比值不同 框架梁柱的受剪破坏也不同 保证结构非线性变形阶段有足够的延性 使之吸收较多的地震能量 防止结构发生剪切破坏或混凝土受压区脆性破坏 3 抗震房屋在设计上应注意的问题 1 框架整体在设计上存在着较大的不均匀性 平面或楼面有局部薄弱环节 不能发挥整体抗震能力 2 框架梁 柱变形能力不足 构件过早发生破坏 3 框架柱节点箍筋不足 节点受震破坏 梁 柱失去相互之间的联系 结构失去稳定 4 框架中的填充墙破坏严重 4 框架结构抗震设计的基本思想 1 框架塑性铰应较多较早的发生在梁端 底层柱的塑性铰应要较晚形成 2 梁 柱在弯曲破坏前 应避免发生其它形式破坏 比如剪切破坏 粘结破坏等 3 在梁 柱破坏之间 节点应有足够的承载及变形能力 4 要重视非结构构件设计 强柱弱梁 强剪弱弯 强压弱拉 更强的节点 4 4 3 强柱弱梁 框架的抗震设计 1 框架结构由于在设计时处理的不同 可能有两种破坏形
