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1、多高层建筑钢筋混凝土结构抗震设计,本章主要内容：,5.1 多高层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,历次地震经验表明，通过合理抗震设计，钢筋混凝土多层框架及框架抗震墙结构房屋具有较好的抗震性能，应用十分广泛。 虽然框架结构本身的抗震性能较好，能承受较大的变形，但是，侧向位移大了容易引起非结构构件(如填充墙、装修等)破坏，有时甚至造成主体结构破坏，这些破坏会造成很大经济损失，也会威胁人身安全。 所以，如果在地震区建造较高的框架结构，必须选择既减轻重量，又能经受较大变形的隔墙材料和构造做法。否则，就要严格控制框架结构建造高度。,5.1.1 结构布置不合理而产生的震
2、害,1、扭转破坏如果建筑物的平面布置不当而造成刚度中心和质量中心有较大的不重合，或者结构刚度有过大的突变，则极易使结构在地震时由于过大的扭转或变形集中而产生严重破坏。 2、薄弱层破坏结构刚度沿高度方向的突变，使破坏集中在刚度薄弱的楼层，变形集中在薄弱层。如果薄弱层在底层，地震时容易倒塌。（如图示）,5.1.1 结构布置不合理而产生的震害,3、应力集中结构竖向布置产生很大的突变时，在突变处由于应力集中会产生严重破坏。（如图示）4、防震缝处碰撞防震缝如果宽度不够，其两侧的结构单元在地震时就会相互碰撞产生震害。,5.1.2 框架结构的震害,国内外大量震害调查表明，未经抗震设防的框架结构，在6度7度区
3、主体结构基本完好，填充墙有轻微裂缝；在8度9度区主体结构局部破坏，填充墙及屋顶突出部分严重开裂或倒塌；在10度区梁柱严重破坏，少量倒塌，填充墙严重破坏。考虑了抗震设防的框架结构，震害则相应减轻。 震害调查还表明，下刚上柔的框架结构(下部填充墙较多)，上部震害较重；上刚下柔的框架结构(上部有填充墙)，下部柱顶及柱底震害较重。,5.1.2 框架结构的震害,一、框架梁、柱的震害框架梁、柱的震害主要反映在梁柱节点处。一般情况是：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。具体震害如下： 1、框架柱 (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
4、筋拉断，纵筋压屈外凸呈灯笼状，上部梁、板倾斜。主要原因是节点处柱端处于变号弯矩、剪力和轴力复合作用之下，且三者均比较大，柱的箍筋配置不足或锚固不好，致使箍筋失效，混凝土开裂、剥落，同时纵筋压曲。（图示）,5.1.2 框架结构的震害,(2)柱底：常见的震害是在离地面或楼面100mm400mm处有周圈水平裂缝。柱底受力状态虽与柱顶相似，但由于其箍筋一般较密(处在柱的纵筋搭接接头加密箍筋段)，故震害较轻。（如图示）(3)柱身：当地震剪力较大而柱抗剪强度不足时，柱身可能出现斜裂缝。（如图示）(4)角柱：在地震作用下房屋不可避免地要发生扭转，角柱所受的附加扭转剪力最大，同时角柱又受有双向弯矩作用，而其所
5、受的横梁约束又比其它柱小，所以震害重于内柱。（如图示）,5.1.2 框架结构的震害,(5)短柱 当框架房屋中有错层、夹层或有半高的填充墙，或不适当地设置某些拉梁时，容易形成短柱。即：,Hn为柱净高，hc为柱截面长边尺寸即高度。,短柱的刚度大，所受的地震剪力大，易发生剪切破坏，形成交叉裂缝，严重时产生脆性错断。(如图示),5.1.2 框架结构的震害,通常在梁的两端节点附近产生周圈的竖向裂缝和斜裂缝。这是由于水平地震的反复作用，在梁端产生较大的变号弯矩，当超过混凝土抗拉强度时，便产生周圈裂缝，严重时梁端纵向钢筋屈服，截面曲率剧增，出现塑性铰。若箍筋数量不足、间距过大或弯起钢筋不多，由于无法承担强烈
6、地震作用引起的附加剪力，梁端将出现斜向裂缝或混凝土剪压破坏。（如图示）,2、框架梁,5.1.2 框架结构的震害,3、梁柱节点,在反复地震作用下，节点的破坏机理十分复杂，节点主要承受剪力和压力，由节点两侧梁端的反号弯矩引起节点核芯区(指梁、柱交汇的部位)很大的剪力，使核芯区混凝土处于剪压复合应力状态。节点核芯区在强震作用下破坏的实例较多，主要表现为：节点核芯区因抗剪强度不足而引起的剪切破坏。破坏时，核芯区产生斜向对角的通长裂缝，节点区内的箍筋屈服、外鼓甚至崩断。,5.1.2 框架结构的震害,3、梁柱节点,当节点区剪压比(核芯区平均剪应力与混凝土轴心抗压强度设计值之比)较大时，箍筋可能并未达到屈服
7、，而是混凝土被剪压酥碎成块而发生破坏。由于构造措施不当或因图施工方便，致使节点区的箍筋过稀而产生脆性破坏，或由于交于节点核芯区的钢筋过密而影响混凝土浇筑质量引起剪切破坏。(如图示),5.1.2 框架结构的震害,1、在水平地震作用下，填充墙与框架是共同工作的，一方面墙体受到框架的约束，另一方面框架受到填充墙的支撑。由于填充墙框架侧向刚度大，故受到的地震作用较大，而砖填充墙的抗剪强度又较低，变形能力小，所以填充墙的震害重于框架，其破坏较早也较严重。填充墙在地震发生时就可能出现斜裂缝，在随后的反复地震作用下，将在墙面形成交叉裂缝，端墙、窗间墙及门窗洞口边角部位的破坏更为严重。,二、填充墙和抗震墙的震
8、害,5.1.2 框架结构的震害,烈度在9度以上时，填充墙大部分倒塌，空心砖填充墙尤为严重。由于框架变形一般属于剪切型，下部层间位移较大，故填充墙的震害呈现“下重上轻”的现象。填充墙的破坏程度，一方面与地震烈度有关，另一方面也与设计或构造是否合理有关。例如，填充墙没有钢筋与框架拉结，或拉结不能满足强地震时的要求；墙体施工质量差，砂浆强度等级过低，灰缝不饱满；墙上的门窗孔洞过大或开孔过多等，都将加重填充墙的震害。（如图示）,二、填充墙和抗震墙的震害,5.1.2 框架结构的震害,(1)墙的底部发生破坏，表现为受压区混凝土的大片压碎剥落，钢筋压屈。 (2)墙体发生剪切破坏。 (3)抗震墙墙肢之间的连梁
9、产生剪切破坏。抗震墙的破坏形式,二、填充墙和抗震墙的震害,2、抗震墙的破坏形式有：,5-2 抗震设计一般规定,多层与高层钢筋混凝土房屋的抗震设计包括按抗震设防标准进行结构选型、总体布置、抗震计算和构造措施等。 现主要就钢筋混凝土框架及框架-抗震墙房屋的抗震设计一般规定叙述如下：,5-2 抗震设计一般规定,5-2 抗震设计一般规定,一、结构体系的选择,不同的结构体系具有不同的抗震性能、使用效果和经济指标，其适用范围也就不同。 抗震规范在考虑了地震烈度、场地土、抗震性能、使用要求及经济效果等因素和总结地震经验的基础上，对地震区多、高层房屋适用的最大高度给出了规定，如下表。,5-2 抗震设计一般规定
10、,一、结构体系的选择,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 结构，使用的最大高度应适当降低（一般降低 20%左右）。,5-2 抗震设计一般规定,一、结构体系的选择,应当指出，表中数值并非是房屋高度的限值，而只是我国规范适用的高度范围，即按规范规定设计可以满足抗震要求的高度限值；当超过表中限值时，必须进行专门研究，应有可靠的理论和试验依据并采取有效措施，这在工程中也是有先例的。,二、结构的抗震计算和构造措施应按抗震等级划分,1、地震作用越大，房
11、屋的抗震要求越高。不同设防烈度和场地上，结构所具有的实际抗震能力会有较大的差别，结构可能进入弹塑性状态的程度也是不同的。从经济角度考虑，对不同设防烈度和场地的结构抗震要求可以有明显的差别。 2、结构的抗震能力主要取决于主要抗侧力构件的性能，主、次要抗侧力构件的抗震要求可以有所区别。框架结构中的框架抗震要求应高于框架抗震墙结构中的框架，框支层框架抗震要求更高。框架抗震墙结构中抗震墙抗震要求应高于抗震墙结构中的抗震墙。,5-2 抗震设计一般规定,二、结构的抗震计算和构造措施应按抗震等级划分,3、房屋越高，地震反应越大，其抗震要求应越高。 因此，综合考虑地震作用(包括区分设防烈度、场地类别)，结构类
12、型(包括区分主、次抗侧力构件)和房屋高度等主要因素，划分抗震等级进行抗震设计，是比较经济合理的。这样，可以对同一设防烈度的不同高度的房屋采用不同抗震等级设计；同一建筑物中不同结构部分也可以采用不同抗震等级设计。下表是规范规定的丙类建筑抗震等级划分。,5-2 抗震设计一般规定,二、结构的抗震计算和构造措施应按抗震等级划分,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。,5-2 抗震设计一般规定,下表为丙类建筑抗震等级的划分：,二、结构的抗震计算和构造措施应按抗震等级划分,5-2 抗震设计一般规定,注
13、：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、地基条件确定抗震等级。,二、结构的抗震计算和构造措施应按抗震等级划分,5-2 抗震设计一般规定,裙房与主楼的抗震等级：,图中c为抗震等级,裙房与主楼分离时，应按裙房本身确定抗震等级。,裙房与主楼相连，除应按裙房本身确定外，不应低于主楼的抗震等级；主楼结构在裙房顶层及相邻上下各一层应适当加强抗震构造措施。,二、结构的抗震计算和构造措施应按抗震等级划分,5-2 抗震设计一般规定,图中c为抗震等级,当地下室顶层作为上部结构的嵌固端时，地下
14、一层的抗震等级应按上部结构采用，地下一层以下结构的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级；地下室中超出上部主楼范围且无上部结构的部分，其抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。9度抗震设计时地下室结构的抗震等级不应低于二级。,多层与高层建筑的地下室：,三、抗震结构宜有多道抗震防线,1、框架填充墙结构一般是性能较差的多道抗震防线结构，其中刚度大而承载力低的砌体填充墙实际上是与框架共同工作，但却是抗震性能差的第一道防线，一旦它达到极限承载力，刚度退化较快，将把较多的地震作用转移到框架部分。一般情况下，有砌体填充墙框架的抗震设计只考虑填充墙重量和刚度对框架的不利影响，而不计其承载力有利作用。,5-2 抗
15、震设计一般规定,三、抗震结构宜有多道抗震防线,2、框架-抗震墙结构是具有良好性能的多道防线的抗震结构，其中抗震墙既是主要抗侧力构件又是第一道抗震防线。因此，抗震墙应有相当数量，其承受的结构底部地震倾覆力矩不应小于底部总地震倾覆力矩的50，否则这种结构的特性不能很好发挥，框架部分仍应按主要抗侧力构件进行抗震设计。 3、抗震墙结构中抗震墙可以通过合理设置连梁(包括非建筑功能需要的开洞)组成多肢联肢墙，使其具有优良的多道抗震防线性能。,5-2 抗震设计一般规定,三、抗震结构宜有多道抗震防线,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
16、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：,5-2 抗震设计一般规定,四、建筑结构布置宜规则,由于地震作用的复杂性，建筑结构的地震反应还不能充分通过计算分析了解清楚，因此建筑结构的合理布置能起到重要的作用。近年来提出的“规则建筑”的概念，包括了建筑的平、立面形状和结构刚度、屈服强度分布等方面的综合要求。 1、建筑的平、立面 为了减小地震作用对建筑结构的整体和局部的不利影响，如扭转和应力集中效应，建筑平面形状宜规正，避免过大的外伸或内收。规范规定若房屋平、立面符合下图的限制，可以认为建筑外形是规则的，否则为不规则。,5-2 抗震设计一般规定,四、建筑结构布置宜规则,2、沿房屋高度的层间刚度和层间屈服强度的分布宜均匀 水平地震作用下，结构处于弹性阶段时，其层间弹性位移分布主要取决于层间刚度分布；在弹塑性阶段，层间刚度分布同样有影响，但层间弹塑性位移分布主要取决于层间屈服强度相对值，即层间屈服强度系y。y分布越不均匀，y的最小值越小，层间弹塑性变形集中现象越严重。 结构的层间刚度不小于其相邻上层刚度70，且不小于其上部相邻三层刚度平均值80；层间屈服强度系数不小于其相邻层屈服强度系数平均值的80，可认为是较均匀的结构。（如下图）,
