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1、第五章 多层和高层钢筋混凝土结构房屋,5.1 概述,5.2 震害及其分析,5.3 结构选型与结构布置,5.4 框架结构的抗震计算,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。,（）钢筋混凝土框架结构:仅由梁、柱组成的结构，其是抗震性能较好的一种结构形式。,它的优点是平面布置灵活，自身重量较轻，因 而产生的地震作用也小，如果设计合理，它具有 很好的延伸性能，能耗散地震输入到结构的能量；,缺点是侧向刚度较小，地震时会产生较大的水 平变形，易引起非结构构件的破坏，有时甚至造成 主体结构的破坏。,抗震墙,框架房屋,框架-抗震墙,纯框架结构用于
2、层m以下的建筑。,（）钢筋混凝土框架剪力墙结构:是剪力墙和框架共同工作的结构体系。为克服框架体系和剪力墙体系各自的缺点，发挥其长处，在框架结构中设置一定数量的剪力墙，便形成框架剪力墙结构体系。,它的优点是平面布置灵活，自重较剪力墙结构轻，而 刚度又较框架结构大，因而能较为有效地控制结构在地震 时产生的地震作用和变形。,另外，框架结构为剪切变形，结构上部层间变形小， 下部层间变形大；而剪力墙结构为弯曲型变形，结构上部 层间变形大，下部层间变形小，而当框架和剪力墙两种结,计中如对配筋和构造处理不当，可能会在受力大的部位产生严重破坏。,剪力墙结构适用于层,（）筒体结构或由四周封闭的剪力墙构成单筒式的
3、筒状结构，或以楼电梯为内筒，密排柱深梁框架为外框筒组成筒中筒结构。这种结构的空间刚度大，抗侧和抗扭刚度都很强，建筑布局亦灵活。常用于超高层公寓、办公楼 和商业大厦建筑等。,目前，我国在工业与民用建筑中，特别在地震区，大量采用多层框架和框架剪力墙体系。本章主要介绍钢筋砼框架结构房屋的抗震设计。,5.2 震害及其分析,钢筋砼框架结构的震害情况，据国内外大量震害调查 结果：未经抗震设防的结构，在67度区主体结构基完 好，填充墙有轻微裂缝；在89度区主体结构局部破坏 填充墙严重毁坏。考虑抗震设防的框架结构，震害则相应 减轻。,震害调查还表明，下刚上柔的框架房屋（下部填充墙 较多），上部震害较重；上刚下
4、柔的框架房屋（上部有填 充墙），下部震害较重。,一、结构方案不当引起的震害,1、平面不对称、刚度不均匀产生的震害 建筑平面布置不规则-质量中心和刚度中心不重合-扭转效应-破坏严重（尤其是角柱）,2、竖向刚度突变产生的震害,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。,竖向的质量或刚度有突变-突变处应力集中，形成薄弱层-较大的塑性变形-结构破坏、甚至倒塌,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。,1971年2月9日美国圣
5、费尔南多的6.6级地震中，Olive View医院主楼（六层，一、二层是框架，以上为框 剪结构）因上下部分刚度相差高达10倍，造成底层塑性变 形集中，底层框架柱严重酥裂，钢筋压曲，整个建筑倾 斜。,3、防震缝处碰撞 防震缝两侧结构单 元的振动特性不同- 发生不同形式的振动- 防震缝缝宽不够或构造 不当-发生碰撞,二、结构构件的震害,未经抗震设计的框架的震害主要反映在梁柱节点区。特 点：柱的震害重于梁；柱顶震害重于柱底；角柱震害重于 内柱；短柱震害重于一般柱。具体情况如下：,1、框架柱的震害,1）长柱的破坏-弯压破坏 破坏一般发生在柱的上下两端，特别是柱顶,柱顶周围有水平裂缝、斜裂缝或交叉裂缝。
6、重者混凝土压碎崩落，柱内箍筋拉断，纵筋压曲成灯笼状。 柱底破坏与柱顶相似，常见是在离地面1040m处有周圈水平裂缝，但因箍筋较柱顶密，震害相对柱顶较轻。,柱顶,破坏主要原因：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。,柱底,与柱顶相似，由于箍筋较柱顶密，震害相对柱顶较轻,2）短柱-剪切破坏 短柱： H/b4的柱，H:柱高; b:柱截面高度,短柱刚度大，将吸引较大的地震力而易产生剪切破坏,当框架房屋中有错层、夹层或有半高填充墙， 或不适当地设置某些拉梁时，容易形成短柱,3）角柱,由于双向受弯、受剪, 加上扭转作用，该处横梁约束作用又小，故震害比内柱重。,由
7、于抗剪强度不足， 往往出现斜截面破坏。,4）柱身,2、框架梁的震害,破坏的主要原因：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。,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。,3、梁柱节点的震害,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。,核心区砼产生很大的剪力，使之处于剪压复合应力状态，当主拉应力超过砼的抗拉强度时，则出现斜裂缝，又因地震的反复作用，出现交叉斜裂缝。,节点破坏将导致梁柱失去相互 之间的联系。,破坏的主要原因：1）
8、节点两端梁的反号弯矩，引起节点,2）节点内箍筋未设或过少，纵筋没有箍筋约 束，当柱端砼裂碎剥落，纵筋即压曲外鼓。,节点的破坏还与节点处梁、柱的破坏先后有 关。若梁较弱，梁的破坏在先，则有利于减轻节 点震害；若梁较强而柱较弱，则节点的震害会加 重。,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，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，砌快墙重于砖墙。,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。,建造在软弱地基上的高大柔性
9、建筑，当结构自振周期与地基土卓越周期相近时，即使烈度不高，结构物的破坏程度也较重。,四、其他的震害,建造在软弱地基土或液化土层上的框架结构，在地震时常因地基的不均匀沉陷使上部结构倾斜甚至倒塌。,伸缩缝宽度过小，地震时结构物互相碰撞也常造成震害。如天津友谊宾馆，东西段之间设有15cm的抗震缝，唐山地震时抗震缝两侧不少面砖因碰撞而掉落。,5.3 结构选型与结构布置,一、结构体系的选择,不同的结构体系，其抗震性能、使用效果和 经济指标亦不同。抗震规范在考虑地震烈 度、场地土、抗震性能、使用要求及经济效果等 因素的基础上，对地震区现浇钢筋砼多高层房屋 的结构类型和最大高度给出了规定，见下表。对 平面和
10、竖向均不规则的结构或建造在类场地的 结构，适用的最大高度应适当降低。,现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度（m),框架结构的抗侧移刚度较差，在地震区一般用于十层 左右体型较简单和刚度较均匀的建筑物。对于层数较多、体型复杂、刚度不均匀的建筑物，为减小侧移变形，减轻震害，应采用中等刚度的框架剪力墙或剪力墙结构。,1.选择结构体系，要考虑建筑物刚度与场地条件的关系。当建筑物自振周期与地基土的卓越周期一致时，容易产生类共振而加重建筑物的震害。建筑物自振周期与结构本身刚度有关，在设计房屋之前，一般应先了解场地和地基土及其卓越周期，调整结构刚度，避开共振周期。,选择时应考虑如下因素：,2.选择结构体系，要注意
11、选择合理的基础型式。基础应有足够的埋深，宜设置地下室。震害表明，凡设置地下室的房屋，不仅地下室本身震害轻，还能使整个结构减轻震害。,对软弱地基宜选用桩基、筏形基础或箱形基础。岩层高低起伏不均匀或液化土层时最好采用桩基，桩尖必须穿入非液化土层，防止失稳。筏形基础的砼和钢筋用量较大，刚度也不如箱基。当建筑层数不多、地基条件又较好时，也可采用单独基础或十字交叉条形基础。,3.选择结构体系，还要注意经济指标。多高层房屋一般用钢量大，造价高，因而要尽量选择轻质高强和多功能的建筑材料，减轻自重，降低造价。,二、结构布置,1.柱网布置及规则建筑,柱网布置要简单规整，刚度分布均匀，使房屋结构具有良好的抗震性能
12、。常见的柱网形式有方格式和内廊式。,（1）在平面布置方面，尽可能满足局部突出的尺寸不过大；楼电梯间不偏置；楼盖的局部开洞不过大；主要的抗侧力结构和质量在平面内分布基本对称均匀；避免轴线斜交等要求。,（2）在竖向结构布置方面，尽可能满足局部突出屋面的建筑局部缩进的尺寸不过大；框架柱等抗侧力结构构件上下连续；相邻层的质量、刚度和承载力无突变；避免抽柱及错层等要求。,（1）框架应双向布置，并宜按双向承重框架布置。横向框架承重时，主梁沿建筑物横向布置，可加大结构横向刚度，应用较多；纵向框架承重时，主梁沿建筑物纵向布置，结构的横向刚度小，较少采用。通常在现浇楼盖大柱网框架结构中纵横向均按承重框架设计，以
13、利于抗震。,2.承重框架布置,（2）梁中线与柱中线宜对齐，偏心矩不宜大于1/4柱宽,（3）房屋纵、横两个方向的抗侧力刚度宜接近。,3.防震缝的设置,（1）结构设计时，宜避免不规则的建筑结构，并采用有效的技术措施，尽可能不设防震缝以及伸缩缝和沉降缝,（2）设置伸缩缝或沉降缝之后，缝的宽度应满足防震缝的宽度要求，避免地震时两个独立的结构单元相碰撞而损坏。防震缝应沿房屋全高设置，基础可不分开；防震缝两侧应布置承重框架。,（3）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。,（4）防震缝两侧结构类
14、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结构的高度、刚度或层高相差较大时，可在防震缝两侧房屋的尽端沿全高设垂直于防震缝的抗撞墙，要求：,4.抗撞墙,（1）每一侧抗撞墙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。,（2）框架和抗撞墙的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。,（3）防震缝两侧抗撞墙的端柱和框架的边柱，箍筋应沿房屋全高加密。,（1）框架结构房屋中的围护墙和隔墙应优先采用轻质墙或是与框架柔性连接的墙板。当采用砌体填充墙时，平面和竖向布置宜均匀对称，并采取措施以减少对主体结构的不利影响。,5
15、.框架结构布置中的其他问题,（2）为减小地震作用，应尽量减轻结构自重并降低重心位置，可将设备层或大型设备布置在建筑物的地下室、底层或下部几层。,（3）同一结构单元宜将框架梁设置在同一标高处，尽可能不采用复式框架，避免出现错层和夹层以及不适当设梁使框架柱形成短柱，造成破坏。,（4）为保证框架结构的可靠抗震，应设计延性框架，遵守“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点、强锚固”等设计原则，柱截面不宜过小，框架梁和柱的中线应尽可能重合在同一平面内，两者间的偏心距不宜超过柱宽的1/4。,（5）框架刚度沿高度不宜突变，以免造成薄弱层。出屋面的小房间不要做成砖混结构，可将框架柱延伸上去或做钢木轻型结构，以防鞭
16、端效应造成结构破坏。,（6）楼梯间、电梯间不宜设置在结构单元的两端及拐角处，因为单元角部扭转应力较大，受力复杂，容易造成破坏。,5.4 框架结构的抗震计算,一、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 主、次抗侧力构件的抗震要求应有差别，次要抗侧力构件 抗震要求可低于主要抗侧力构件。如框架剪力墙结构中 的框架的抗震要求可以低于框架结构中的框架，而其中的 剪力墙则应比剪力墙结构中的要求提高。,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。,3、房屋越高，地震反应越大，抗震要求（延性要求） 越高。,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。,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
