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1、建筑结构抗震设计,课程名称：建筑结构抗震设计 教材名称：建筑结构抗震设计 出版社：重庆大学出版社 主讲教师：,第4章,建筑抗震概念设计,4.1 选择建筑场地 4.2 把握建筑形体和结构的规则性 4.3 选择合理的抗震结构体系 4.4 利用结构延性 4.5 重视非结构构件的抗震,第4章 建筑抗震概念设计,一般说来，建筑抗震设计包括三个层次内容与要求： 概念设计 抗震计算 构造措施 概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则： 抗震计算为建筑抗震设计提供定量手段；构造措施可以在保证结构整体性，加强局部环节等意义上保证抗震计算结果的有效性。,第4章 建筑抗震概念设计,概念设计是根据地震灾害和工程经验等所
2、形成的总体设计原则和设计思想，即： 根据对结构抗震性能（承载能力、变形能力、耗能能力等）的正确把握，合理地确定结构总体与局部设计。 强调抗震概念设计是由于地震作用的不确定性（随机性、复杂性、间接性和耦连性）和结构计算假定与实际情况的差异，这使得其计算结果不能全面真实地反映结构的实际受力、变形情况，并确保结构安全可靠。,结构抗震设计存在的不确定因素主要有：（1）地面运动的不确定性。地震时的地面运动是多维的，地震动的各个分量对建筑物都起破坏作用。历次地震中强震仪已经多次记录到地面运动的三个正交平动分量，即一个竖向分量和两个水平分量，此外还有地面运动的转动分量。（2）结构分析的影响。影响结构动力特性
3、和动力反应的因素：质量分布的不确定性；基础与上部结构的协同作用；节点的非刚性转动；偏心、扭转及P效应；柱轴向变形。考虑或不考虑节点非刚性转动的影响程度可达5%10%；考虑柱轴向变形，自振周期可能加长15%，加速度反应可能降低8%；考虑P效应可能增加位移10%。（3）材料的影响。混凝土的弹性模量随着时间及应变程度而改变。随着时间的增长，混凝土的弹性模量比施工完成后可能降低50%，在应变增大的情况下还可能继续降低，这意味着自振周期可能增长25%，减小加速度反应10%。,因此目前抗震设计水平远未达到科学的严密程度。要使建筑物具有尽可能好的抗震性能，首先应从大的方面入手，做好抗震概念设计。如果整体设计
4、没有做好，计算工作再细致，也难免在地震时建筑物不发生严重的破坏，乃至倒塌。近几十年以来，世界上一些大城市先后发生了若干次大地震，通过震害分析对建筑物的破坏规律有了更多的认识，从而取得了抗震设计经验，确定了结构抗震概念设计的要点。,建筑抗震概念设计可以概括为： 选择建筑场地 把握建筑形体和结构的规则性 选择合理的抗震结构体系 充分利用结构延性 重视非结构因素等 其目的是为了在总体上消除建筑中的薄弱环节，正确和全面地把握结构的整体性能，使所设计出的建筑具有良好的抗震性能。,从建筑概念设计角度考察, 首先应注意建筑场地的选择。 应根据工程需要，掌握地震活动情况、工程地质和地震质的有关资料，对抗震有利
5、、一般、不利和危险地段做出综合评价。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。对危险地段，严禁建造甲、乙类的建筑，不应建造丙类的建筑。（选择有利、避开不利、不在危险地段） 抗震有利地段包括稳定基岩，坚硬土，开阔、平坦、密实、均匀的中硬土等。抗震危险地段指地震时可能发生崩塌（如溶洞、陡峭的山区）、地陷（如地下煤矿的大面积采空区）、地裂、泥石流等地段，以及在地震时可能发生错位的断层。就地形而言，一般指突出的山嘴、孤立的山包和山梁的顶部、非岩质的陡坡、高差较大的台地边缘、河岸和边坡边缘。就场地土质而言，一般指软弱土、易液化土、断层破碎带以及成岩、岩性、状态明显不均匀的地段等。,4.1
6、选择建筑场地,表1 有利、一般、不利和危险地段的划分,4.1.1 有利、一般、不利和危险地段的划分,【例1】在海城地震时，从位于大石桥盘龙山高差58m的两个测点上所测得的强余震加速度峰值记录表明，位于孤突地形上的比坡脚平地上的平均达1.84倍，这说明在孤立山顶地震波将被放大。图1表示了这种地理位置的放大作用。,图1 不同地形的震害,4.1.1 有利、一般、不利和危险地段的划分,【例2】天津塘沽港地区，地表下35m为冲填土，其下为深厚的淤泥和淤泥质土，地下水位为1.6m。1974年兴建的16幢3层住宅和7幢4层住宅，均采用片筏基础。1976年唐山地震前，累计沉降分别 为200mm和300mm，
7、地震期间沉降量突然增大， 分别增加了150mm和 200mm。震后，房屋 向一边倾斜，房屋四周 的外地坪地面隆起， 如图2所示。,图2 房屋沉降,4.1.1 有利、一般、不利和危险地段的划分,建筑结构的平面、立面规则与否，对建筑的抗震性能具有重要的影响，建筑结构不规则，可能造成较大扭转，产生严重应力集中，或形成抗震薄弱层。国内外多次震害表明，房屋形体不规则、平面上凸出凹进、立面上高低错落，破坏程度比较严重，而简单、对称的建筑的震害较轻。为此，抗震规范规定，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
8、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。 建筑平、立面布置的基本原则： 对称规则，质量与刚度变化均匀。,4.2 把握建筑形体和结构的规则性,建筑平面布置宜简单、规则，尽量减少突出、凹进等复杂平面，尽可能使刚度中心与质量中心靠近，减少扭转。 结构的简单性可以保证地震力具有明确而直接的传递途径，使计算分析模型更易接近实际的受力状态，所分析的结果具有更好的可靠性，据此设计的结构的抗震性能更有安全可靠保证。 地震区的建筑平面以方形、矩形、圆形为好；正六边形、正八边形、椭圆形、扇形次之（图3）。三角形虽也属简单形状，但是，由于它沿主轴方向不对称，在
9、地震作用下容易发生较强的扭转振动，对抗震不利。此外，带有较长翼缘的L形、T形、十字形、Y形、U形和H形等平面也对抗震结构性能不利，主要是此类具有较长翼缘平面的结构在地震动作用下容易发生图4所示的较大的差异侧移而导致震害加重。,图3 较合理的平面形状,图4 不合理的平面形状,在简单的平面中，如果结构刚度在平面的分布不均匀，与质量中心有偏差，仍然会产生扭转。,图5 刚度中心偏离质量中心引起的扭转,结构力求对称，以避免扭转。对称结构在单向水平地震动下，仅发生平移振动，各层构件的侧移量相等，水平地震力则按刚度分配，受力比较均匀。非对称结构由于质量中心与刚度中心不重合，即使在单向水平地震动下也会激起扭转
10、振动，产生平移扭转耦连振动。由于扭转振动的影响，远离刚度中心的构件侧移量明显增大，从而所产生的水平地震剪力则随之增大，较易引起破坏，甚至严重破坏。在结构布置中，应特别注意具有很大侧向刚度的钢筋混凝土墙体和钢筋混凝土芯筒的位置，力求在平面上对称，不宜偏置在建筑的一边，如图6所示。,图6 结构刚度在平面上的分布不均匀,在国内外地震调查资料中，不难发现角柱的震害一般较重，这主要由于角柱受扭转反应最为显著。1972年尼加拉瓜的马那瓜地震，位于市中心15层的中央银行，有一层地下室，采用框架体系，设置两个钢筋混凝土电梯井和两个楼梯间，都集中布置在主楼两端一侧，两端山墙还砌有填充墙，如图7所示。这种结构布置
11、造成质量中心与刚度中心明显不重合，偏心很大，显然对抗震不利。1972年发生地震时，该幢大厦遭到严重破坏，五层周围柱子严重开裂，钢筋压屈，电梯井墙开裂，混凝土剥落。围护墙等非结构构件破坏严重，有的倒塌。因此，需要合理布置抗侧力构件。例如，在结构布置时，应特别注意具有很大抗推刚度的钢筋混凝土墙体和钢筋混凝土的芯筒位置，力求在平面上要居中和对称。此外，抗震墙沿房屋周边布置，可以使结构具有较大的抗扭刚度和较大的抗倾覆能力。,图7 马那瓜中央银行结构平面（a）低层平面；（b）剖面,表2 平面不规则类型,图8 建筑结构平面的扭转不规则,图9 建筑结构平面的凹凸不规则,图10 建筑结构平面的楼板局部不连续,
12、图11 平面长宽比过大的建筑,平面长宽比不宜过大，一般宜小于6。否则，不同部位地基震动的差异带来建筑内水平振动和竖向振动各自的差异不同步，并伴随扭转振动的发生，导致结构受损，如图11所示。,立面变化要均匀，即建筑的质量和刚度变化要均匀。结构布置不均匀产生刚度和强度沿竖向突变，引起竖向抗侧力构件的应力集中或变形集中，将降低结构抵抗地震的能力，地震时易发生损坏，甚至倒塌。 例如，由于建筑的竖向收进，地震时收进处上下部分振动特性不同，易于在收进处的楼板产生应力突变，使竖向收进的凹角处产生应力集中。,图12 大底盘建筑,图13 楼层的收进,图14 大悬挑建筑,图15 良好的建筑立面,图16 Olive
13、View医院主楼剖面,【例1】1971年美国圣菲南多地震，Olive-View医院位于9度区，主楼遭到严重破坏。它是一幢刚度和强度在底层突变的建筑的典型震例，其教训值得借鉴。该主楼是六层钢筋混凝土房屋，其剖面如图11所示。该幢建筑三层以上为框架剪力墙体系， 底层和二层为框架体系，而二层 有较多的砖隔墙。该结构上、下 层的侧向层间刚度相差约为10倍。 地震后，上面几层震害很轻， 而底层严重偏斜，纵向侧移 达600mm，横向侧移约600mm， 角柱出现严重的受压酥碎现象。,表3 竖向不规则类型,侧向刚度不规则是指侧向刚度沿竖向产生突变，形成薄弱层，在地震作用下，塑性变形集中发生在薄弱层，加速结构破
14、坏、倒塌。这里，侧向刚度计算取楼层剪力除以层间位移。,图17 薄弱层破坏,图18 侧向刚度不规则,竖向抗侧力构件不连续是指结构轴柱或抗震墙不落地，如图所示，竖向构件承担的地震作用不能直接向下传给基础，而是由水平转换构件向下传递，水平转换构件一旦破坏，则后果严重。,楼层的受剪承载力沿高度突变，形成薄弱层，薄弱层在地震作用下率先屈服，刚度降低，产生明显的弹塑性变形集中，而其它楼层不屈服，耗能作用不能充分发挥，不利于结构抗震。,图 20 楼层承载力突变,图19 竖向构件不连续,合理设置防震缝，可以将形体复杂的建筑划分成“规则”的结构单元，降低结构抗震设计的难度，提高各结构单元的抗震性能。如图所示。但
15、是，在建筑中设缝也会带来一些问题：影响建筑立面、多用材料，构造复杂、防水处理困难，地震时缝两侧的结构进入弹塑性状态，位移急剧增大而发生相互碰撞，产生严重的震害。 结构设计和施工经验表明，形体复杂的建筑并不一概提倡设防震缝，而应当调整平面尺寸和结构布置，采取构造措施和施工措施，能不设缝就不设缝，能少设缝就少设缝；必须设缝时，应保证必要的缝宽。,图21 设置防震缝,图22 合理设置防震缝,工程实际情况千变万化，出现不规则的建筑设计方案 是不可避免的。建筑结构按不规则的程度，分为不规则、 特别不规则和严重不规则等三种程度。 不规则，指超过表2 和表3 一项的不规则指标； 特别不规则，指多项超过表2、
16、表3 的不规则指标或某项超过不规则指标较多，具有明显的抗震薄弱部位，将会引起不良后果； 严重不规则，指体形复杂，多项不规则指标超过表2、表3 的上限值或某一项大大超过规定值，具有严重的抗震薄弱环节，将会导致地震破坏的严重后果。,在地震区，建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不规则的建筑方案应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑方案应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施；不应采用严重不规则的建筑方案。,建筑结构规则性,4.3 选择合理的抗震结构体系,4.3.1抗震结构体系的要求 1.应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径； 2.应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载力； 3.应具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力； 4.对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震能力。,图23 不合理的结构体系,多道抗震防线可以从图24 的解释中得到基本认识。 图24a中，强梁弱柱型的框架结构底层柱的上下端出现塑性铰，或单肢剪力墙结构底部出现屈服变形，将迅速导致结构的倒塌。 而图24b中，强柱弱梁型的框架结构或双肢剪力墙加连系梁结构，则需要全部梁端出现塑性铰并迫使结构底部也出现屈服变形时，结构才破坏。 后者至少存在两道抗震防线，一是从弹性到部分梁（或连系梁）出现塑性铰，二是从梁塑性铰发生较大转动到柱根（或剪力墙底部）破坏。,
