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1、1建筑结构抗震设计主讲教师：任文杰第5章 多高层建筑钢筋混凝土结构抗 震设计5.1 多高层建筑钢筋混凝土结构的震害及其分析5.1.1 结构布置不合理而产生的震害1.扭转破坏产生原因：刚度中心与质量 中心有较大不重合；竖向刚 度有较大的突变。m)(tugIn 1976 Tangshan Earthquake, an L-shaped building structure in Tianjin was proved that seriously torsional response had happed and resulted in the damage of the building on t
2、he east-south and east-north corner, which are far from torsion axis.A frame factory building, with the plane as shown in figure, was observed the seriously torsionalresponse, which result in the damages of 11 columns of the second story.2.薄弱层破坏竖向刚度突变，会集中在刚度薄弱的楼层1234567891011121312345678910111213(mm
3、)层(mm)层13567911131356791113408012040801201976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。 右图为该结构输入天津波 的弹塑性分析结果。1995年阪神地震时，大量的20层左右的高层建筑在第5层处倒塌这 是因为日本的老抗震规范允许在第5层以上较弱。2软弱底层房屋倒塌形式之一（倾倒）软弱底层房屋倒塌形式之二（底层完全倒塌3.应力集中结构竖向布置产生很大突变时，在突变处由于应力集中会产 生严重震害。应力集中产生的震害（1995年阪神地震）4.防震缝处
4、破坏防震缝宽度不够引起碰撞The Complex Building of Mianzhu Middle School in Sichuan Province5.1.2 框架结构的震害1.整体破坏形式 分类： 按破坏性质分类：延性破坏和脆性破坏 按破坏机制分类：梁铰机制（强柱弱梁型）和柱铰机制（强梁弱柱型）32.局部破坏形式（1）构件塑性铰处的破坏柱顶破坏框架结构破坏一 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。 一般发生柱端弯 曲破坏，轻者发 生水平或斜向裂 缝，重者混凝土 压酥，主筋外露、 压屈和箍筋崩脱。 柱顶破坏柱底破坏（2）构件的剪切破坏当构件抗剪强度较低时，发生
5、脆性剪切破坏（3）节点的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。 节点破坏将导致梁柱失去相互之间的联系。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。4（4）短柱的破坏柱子较短时，剪跨比过小，刚度较大，柱中的地震力也较 大，容易导致柱子的脆性剪切破坏（5）填充墙的破坏砌体填充墙刚度大强度低，作为框架结构第一道防线，首先 承受地震作用而遭破坏，8度和8度以上地区，填充墙裂缝裂 缝明显加重，甚至部分倒塌，震害规律一般是上轻下重。（6）柱的轴压比过大使柱处于小偏心受压状态，引起
6、柱的 脆性破坏（7）钢筋搭接不合理，造成搭接处破坏（8）梁的震害相对较少（9）楼梯破坏5.1.3 具有抗震墙的结构震害（抗震墙与框架抗震墙）1.破坏类型：(抗震性能较好，震害较轻。)（1）墙的底部发生破坏 底层墙肢内力最大容易出现裂缝和破坏。水平荷载下受拉的 墙肢轴压力较小，甚至会出现拉力，墙肢底部容易出现水平 裂缝。5（2）墙体发生剪切破坏墙肢总高度和总宽度之 比较小时，使总剪跨比 较小，墙肢中的斜向裂 缝可能贯通发生剪切破 坏； 某个抗震墙肢剪跨比较 小时，可能出现局部墙 肢的破坏。（3）连梁发生剪切破坏开洞抗震墙，由于洞口应力集中，在约束弯矩作用下连梁 端部很容易形成垂直裂缝，连梁常常是
7、高梁，跨高比小于 2，还易形成斜向的剪切裂缝，尤其是在房屋1/3高度处的连 梁破坏更为明显。5.2 选型、结构布置和设计原则 5.2.1 选型1.多高层建筑的结构形式： 框架、抗震墙、框架抗震墙及筒体、框架筒体、巨型 框架、悬吊结构等结构体系。各种结构体系的特点。2.不同的体系房屋结构的适用的最大高度注：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 框架-核心筒结构指周边稀柱框架与核心筒组成的结构； 3 部分框支抗震墙结构指首层或底部两层为框支层的结构，不包括仅个别框支墙的情况； 4 表中框架，不包括异形柱框架； 5 板柱-抗震墙结构指板柱、框架和抗震墙组成抗侧
8、力体系的结构； 6 乙类建筑可按本地区抗震设防烈度确定其适用的最大高度； 7 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。平面和竖向均不规则的结构，适用的最大高度宜适当降低。钢筋混凝土高层建筑结构的最大适用高度和高宽比应分为A 级(代表常见的结构设计 )和B级。B级高度高层建筑结构的最 大适用高度和高宽比可较A级适当放宽，其结构抗震等级、 有关的计算和构造措施应相应加严。对于部分框支结构，表中的适用高度已经考虑框支的不规 则而比全落地抗震墙结构降低，故对于框支结构的“竖向和平 面均不规则”，指框支层以上的结构同时存在竖向和平面不规 则的情况。仅有个别墙体不落地，例如不落地墙的
9、截面面积不大于总 截面面积的10，只要框支部分的设计合理且不致加大扭转 不规则，仍可视为抗震墙结构，其适用最大高度仍可按全部 落地的抗震墙结构确定。5.2.2 结构布置1）平面布置宜简单、对称、规则、良好的整体性。2）建筑物立面和竖向剖面宜规则，侧向刚度宜均匀变化，竖向构件尺寸及强度宜自上而下逐渐减小，避免刚度和承载力的突变。3）建筑物平、立面复杂时，可考虑用防震缝将结构分割开。原则：原则：61. 抗震设计的混凝土高层建筑，其平面布置宜符合下列规定： 平面布置宜简单、对称、规则、减少偏心。 平面长度不宜过长，平面突出部分的长度l不宜过大、宽度 b不宜过小。限值见下表 建筑平面不宜采用角部重叠或
10、细腰形平面布置。角部重叠和细腰形的平面 图形，在中央部位形成狭 窄部分，在地震中容易产 生震害，尤其在凹角部 位，因为应力集中容易使 楼板开裂、破坏，不宜采 用。平面过于狭长的建筑物 在地震时由于两端地震 波输入有位相差而容易 产生不规则振动，产生 较大的震害。平面有较长的外伸时， 外伸段容易产生局部振 动而引发凹角处应力集 中和破坏。2.钢筋混凝土高层建筑结构的高宽比不宜超过表中的规定高层建筑的高宽比，是对结构刚度、整体稳定、承载能力和经济合理性的宏 观控制，主要影响结构设计的经济性。目前大多数高层建筑能满足该表，限 制是极个别的，例如上海金茂大厦(88层，420m)为7.6，深圳地王大厦(
11、81 层，320m)为8.8。3. 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，柱中线与抗震墙中线、梁中线与柱中线之间偏心距 大于柱宽的14时，应计入偏心的影响。甲、乙类建筑以 及高度大于24m的丙类建筑，不应采用单跨框架结构；高度 不大于24m的丙类建筑不宜采用单跨框架结构。梁中线与柱中线之间、柱中线与抗震墙中 线之间有较大偏心距时，在地震作用下可 能导致核芯区受剪面积不足，对柱带来不 利的扭转效应。当偏心距超过14柱宽 时，应进行具体分析并采取有效措施，如 采用水平加腋梁及加强柱的箍筋等。4. 抗震墙间楼屋盖的长宽比 楼盖在其平面内的刚度应足够大，以使水平地震荷载通过 楼盖平
12、面进行分配和传递。抗震规范规定：框架-抗震墙、 板柱-抗震墙结构以及框支层中，抗震墙之间无大洞口的楼、 屋盖的长宽比，不宜超过表中的规定；超过时，应计入楼 盖平面内变形的影响。5. 框架-抗震墙结构和板柱-抗震墙结构中的抗震墙设置，宜符合下列要求：抗震墙宜贯通房屋全高。楼梯间宜设置抗震墙，但不宜造成较大的扭转效应。抗震墙的两端(不包括洞口两侧)宜设置端柱或与另一方向的抗震墙相连。房屋较长时，刚度较大的纵向抗震墙不宜设置在房屋的端开间。抗震墙洞口宜上下对齐；洞边距端柱不宜小于300mm。76. 楼梯间应符合下列要求：宜采用现浇钢筋混凝土楼梯。 对于框架结构，楼梯间的布置不应导致结构平面特别不规则
13、；楼梯构件与主体结构整浇时，应计入楼梯构件对地 震作用及其效应的影响，应进行楼梯构件的抗震承载力验 算；宜采取构造措施，减少楼梯构件对主体结构刚度的影 响。 楼梯间两侧填充墙与柱之间应加强拉结。新规范增加了楼梯间的抗震设计要求。对于框架结构，楼梯构件与主体结构整浇 时，梯板起到斜支撑的作用，对结构刚度、承载力、规则性的影响比较大，应参 与抗震计算；当采取措施，如梯板滑动支承于平台板，楼梯构件对结构刚度等的 影响较小，是否参与整体抗震计算差别不大。对于楼梯间设置刚度足够大的抗震 墙的结构，楼梯构件对结构刚度的影响较小，也可不参与整体抗震计算。7.钢筋混凝土结构中的砌体填充墙，尚应符合下列要求：填
14、充墙在平面和竖向的布置，宜均匀对称，宜避免形成 薄弱层或短柱。非承重墙体宜优先采用轻质墙体材料；采用砌体墙时， 应采取措施减少对主体结构的不利影响，并应设置拉结筋、 水平系梁、圈梁、构造柱等与主体结构可靠拉结。刚性非承重墙体的布置，应避免使结构形成刚度和强度 分布上的突变；当围护墙非对称均匀布置时，应考虑质量 和刚度的差异对主体结构抗震不利的影响。墙顶应与框架梁密切结合。填充墙应沿框架柱全高每隔 500mm600mm设26拉筋，拉筋伸入墙内的长度，6、7 度时宜沿墙全长贯通，8、9度时应全长贯通。墙长大于5m 时，墙顶与梁宜有拉结；墙长超过8m或层高2倍时，宜设 置钢筋混凝土构造柱；墙高超过4
15、m时，墙体半高宜设置与 柱连接且沿墙全长贯通的钢筋混凝土水平系梁。8. 设置防震缝平面形状复杂时，宜防震缝划分为较规则、简单的单元。 但对高层结构，宜尽量可能不设置缝。伸缩缝和沉降缝的 宽度应符合防震缝的要求。防震缝宽度应分别符合下列要求： 1)框架结构(包括设置少量抗震墙的框架结构)房屋的防震缝 宽度，当高度不超过15m时不应小于100mm；高度超过15m 时，6度、7度、8度和9度分别每增加高度5m、4m、3m和 2m，宜加宽20mm； 2)框架-抗震墙结构房屋的防震缝宽度不应小于本款1)项规 定数值的70，抗震墙结构房屋的防震缝宽度不应小于本 款 1) 项 规 定 数 值 的 50 ；
16、且 均 不 宜 小 于 100mm ； 3)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。8、9度框架结构房屋防震缝两侧结构层高相差较大时， 防震缝两侧框架柱的箍筋应沿房屋全高加密，并可根据需 要在缝两侧沿房屋全高各设置不少于两道垂直于防震缝的 抗撞墙。抗撞墙的布置宜避免加大扭转效应，其长度可不 大于12层高，抗震等级可同框架结构；框架构件的内力 应按设置和不设置抗撞墙两种计算模型的不利情况取值。层高不同高度、刚度相差较大震害表明，本条规定的防震缝宽度，在强烈地震下相邻结 构仍可能局部碰撞而损坏，但宽度过大会给立面处理造成 困难。因此，高层建筑宜选用合理的建筑结构方案而不设 置防震缝，同时采用合适的计算方法和有效的措施，以消 除不设防震缝带来的不利影响。防震缝可以结合沉降缝要求贯通到地基，当无沉降问题时 也可以从基础或地下室以上贯通。当有多层地下室形成大 底盘，上部结构为带裙房的单塔或多塔结构时，可将裙房 用防震缝自地下室以上分隔，地下室顶板应有良好的整体 性和刚度，能将上部结构地震作用分布到地下室
