多层砌体结构房屋的抗震设计.ppt
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1、6 多层砌体结构房屋的抗震设计 6.1 概述 多层砌体房屋:由粘土砖、烧结多孔粘土砖、粉 煤灰中型实心砌块和混凝土中小型砌块砌体通过 砂浆砌筑而成的房屋。 多层砌体房屋是我国当前建筑业中使用最广泛的 一种建筑形式。在民用建筑中约占90%以上,在 整个建筑业中约占80%。 传统的砌体结构多采用粘土实心砖和混合砂浆砌 筑,通过内外墙的咬砌达到具有一定整体性连接 。楼板多采用预制钢筋混凝土空心板,梁和其他 构件亦多用预制装配构件。 大量震害表明传统的砌体结构抗震性能较差 l1923年日本关东大地震,东京约有砖石结构房屋 7000栋,几乎全部遭到不同程度的破坏。 l1948年原苏联阿什哈巴德地震,砖石
2、结构房屋的 破坏和倒塌率达到70%-80%。 l1976年唐山地震,对烈度为10度、11度区的123栋 2-8层砖混结构房屋调查,倒塌率为63.2%,严重 破坏为23.6%,尚能修复使用的4.2%,实际破坏 率达95.8%。 抗震性能差的原因 l刚度大、自重大,地震作用也大; l砌体材料质脆,抗剪、抗拉、抗弯强度低,地震作用 下极易出现裂缝; l受施工质量的影响较大;如砂浆不饱满,易出现裂 缝,减弱抗震性能。 若能针对砌体结构的弱点进行合理设计,采用适 当的构造措施,确保施工质量,砌体结构的抗震 性能是能够得到改善的。 从震害调查可见:经抗震设防可减轻砌体结构的 震害,减少严重破坏和倒塌率。
3、0.00.09.819.570.7 倒塌严重破坏中等破坏轻微破坏基本完好 0.023.529.435.311.8 倒塌严重破坏中等破坏轻微破坏基本完好 天津市8度区经7度设防的74年通用住宅震害统计(%) 唐山地区8度区多层砖房的震害统计(%) 1.房屋倒塌 l房屋整体性好,而底层强度不足时,易整体倒塌 ;上部墙体整体性差、强度不足时,易造成上部 墙体倒塌;当房屋局部强度不足时易造成局部倒 塌。 震害及其分析震害及其分析 开滦煤矿医院,砖混五层(局部七层),大部分倒塌 2.墙体裂缝 (1)“X”形裂缝:在竖向压力和反复水平剪力作用 产生的裂缝。 l常出现“X”形裂缝的位置:与主震方向平行的墙
4、体;在横向,房屋两端的山墙;在纵向,窗间墙 。 1999年9月21日九二一大地震中台湾的台 中县一实验室学生室墙壁出现交叉裂缝 都江堰一住宅墙体裂缝 (2)水平裂缝 当房屋纵向承重,横墙间距大而屋盖刚度弱时, 纵墙出平面受弯产生水平裂缝。或受垂直方向地 震力的作用,墙体会因受拉出现水平裂缝。 高宽比小时水平裂缝;高宽比大时水平偏斜 (3)竖向裂缝 大都发生于横纵墙交接处或变化较大的两部体系 的交接处。 3.墙角破坏 在扭转地震力的作用下,房屋的端部、尤其是墙 墙角处易于产生严重的震害。 4.纵横墙连接破坏 施工时咬槎不好,加之两个方向的地震作用使连 接处受力复杂,应力集中。 缺乏圈梁拉结,纵墙
5、外甩、楼板脱落 北川商住楼整体性不够,缺少抗震构 造措施, 局部坍塌 5.楼梯间破坏 楼梯自身在水平方向刚度大且为混凝土构件,不 易破坏,但墙体空间刚度差、高厚比大、截面被 削弱而容易破坏。 6.楼盖、屋盖破坏 主要是预制构件搁置长度不足,引起局部倒塌。 楼板和屋盖是传递水平地震作用的主要构件。对 于预制板楼板、楼盖,由于整体性较差、板缝偏 小混凝土灌缝不够密实,地震时易于拉裂。9度以 上地区,由于墙体开裂、错位、倒塌引起楼板、 楼盖掉落。 7.附属构件破坏 出屋面的小构件如女儿墙、烟囱、挑檐等由于鞭 端效应而破坏。 刚性楼盖房屋,上层破坏轻、下层破坏重;柔性 楼盖房屋,上层破坏重、下层破坏轻
6、; 横墙承重房屋的震害轻于纵墙承重房屋; 坚实地基上的房屋震害轻于软弱地基和非均匀地 基上的震害; 预制楼板结构比现浇楼板结构破坏重; 外廊式房屋往往地震破坏较重; 房屋两端、转角、楼梯间、附属结构震害较重。 砌体结构房屋的震害规律 楼梯间的破坏 房屋尽端的破坏 附属构件的破坏 唐山地区多层砖房的震害统计(%) 81.868.025.10.0倒塌 11.719.932.523.5严重破坏 4.76.534.329.4中等破坏 1.55.06.835.3轻微破坏 0.30.61.311.8基本完好 11 10 9 8 破坏程度 烈 度 未经抗震设防的多层砖房在高烈度区的倒塌率非 常高。 不同烈度
7、时砌体房屋的震害 不同用途多层砖房的震害 0.00.00.0倒塌 19.017.00.0严重破坏 19.027.09.8中等破坏 22.010.019.5轻微破坏 40.046.070.7基本完好 中小学教学楼医 院住 宅 破坏程度 建 筑 用 途 天津市8度区住宅、医院、中小学教学楼震害统计(%) 横墙间距大震害严重。 6.2 结构方案与结构布置 6.2.1规范7.1.7平立面及结构布置 1.应优先采用横墙承重或纵横墙共同承重的结构体 系; 2.纵横向砌体抗震墙的布置应符合下列要求: 1)宜均匀对称,沿平面内宜对齐,沿竖向应上下 连续;且纵横向墙体的数量不宜相差过大; 2)平面轮廓凹凸尺寸,
8、不应超过典型尺寸的50% ;当超过典型尺寸的25%时,房屋转角处应采取 加强措施; 3)楼板局部大洞口的尺寸不宜超过楼板宽度的 30%,且不应在墙体两侧同时开洞; 4)房屋错层的楼板高差超过500mm时,应按两 层计算;错层部位的墙体应采取加强措施; 5)网一轴线上的窗间墙宽度宜均匀;墙面洞口的 面积,6、7度时不宜大于墙面总面积的55%,8 、9度时不宜大于50%; 6)在房屋宽度方向的中部应设置内纵墙,其累计 长度不宜小于房屋总长度的60%(高宽比大于4的 墙段不计入)。 墙体均匀、等厚布置墙体单向布置墙体不均匀布置 墙体上下连续均匀墙体不连续墙体不均匀 3 房屋有下列情况之一时宜设置防震
9、缝,缝两侧均 应设置墙体,缝宽应根据烈度和房屋高度确定, 可采用70mm100mm: 1)房屋立面高差在6m以上; 2)房屋有错层,且楼板高差大于层高的l/4; 3)各部分结构刚度、质量截然不同。 4 楼梯间不宜设置在房屋的尽端或转角处。 5 不应在房屋转角处设置转角窗。 6 横墙较少、跨度较大的房屋,宜采用现浇钢筋混 凝土楼、屋盖。 6.2.2.规范7.1.2房屋高度、层数、层高限值 1.一般情况下,层数和总高度不应超过下表 房屋类型最小 抗震 墙厚 度 (mm) 烈度和设计基本地震加速度 6789 0.05g0.10g0.15g0.20g0.30g0.40g 高 度 层 数 高 度 层 数
10、 高 度 层 数 高 度 层 数 高 度 层 数 高 度 层 数 多层 砌体 房屋 普通砖240217217217186155124 多孔砖24021721718618615593 多孔砖190217186155155124 小砌块19021721718618615593 底部 框架 -抗 震墙 房屋 普通砖 、多孔 砖 240227227196165 多孔砖190227196165134 小砌块190227227196165 注:1 房屋的总高度指室外地面到主要屋面板板顶或檐口 的高度,半地下室从地下室室内地面算起,全地下室和嵌 固条件好的半地下室应允许从室外地面算起;对带阁楼的 坡屋面应算
11、到山尖墙的1/2高度处; 2 室内外高差大于0.6m时,房屋总高度应允许比表中的 数据适当增加,但增加量应少于1.0m; 3 乙类的多层砌体房屋仍按本地区设防烈度查表,其层 数应减少一层且总高度应降低3m;不应采用底部框架-抗震 墙砌体房屋; 4 本表小砌块砌体房屋不包括配筋混凝土小型空心砌块 砌体房屋。 2 横墙较少的多层砌体房屋,总高度应比表7.1.2的 规定降低3m,层数相应减少一层;各层横墙很少 的多层砌体房屋,还应再减少一层。 注:横墙较少是指同一楼层内开间大于4.2m的房间占该层 总面积的40%以上;其中,开间不大于4.2m的房问占该层 总面积不到20%且开间大于4.8m的房间占该
12、层总面积的 50%以上为横墙很少。 3 6、7度时,横墙较少的丙类多层砌体房屋,当按 规定采取加强措施并满足抗震承载力要求时,其 高度和层数应允许仍按表7.1.2的规定采用。 4 采用蒸压灰砂砖和蒸压粉煤灰砖的砌体的房屋, 当砌体的抗剪强度仅达到普通黏土砖砌体的70% 时,房屋的层数应比普通砖房减少一层,总高度 应减少3m;当砌体的抗剪强度达到普通黏土砖砌 体的取值时,房屋层数和总高度的要求同普通砖 房屋。 l总高度一般从室外地面计算至房屋的檐口,平屋 顶时不计入超出屋面的女儿墙高度,不计入局部 突出屋面楼梯间等的高度;高度限值以米计算, 小数位四舍五入,室内外高差大于0.6m 时总高度 允许
13、多1.0m。 l控制层数与总高度的计算方法,与结构抗震分析 时层数和计算高度的取法不同。有半地下室时, 按地面下的嵌固条件区别对待:例如,半地下室 的顶板高出地面不多,地下窗井墙为每道内横墙 的延伸而形成了扩大的基础底盘,且周围土体的 约束作用显著,此时,半地下室不计入层数,总 高度仍可从室外地面算起。 l阁楼层的高度和层数计算,应具体分析。一般的 阁楼应当作一层计算,房屋高度计算到山尖墙的 一半;当阁楼的平面面积较小,或仅供储藏少量 物品、无固定楼梯的阁楼,符合建筑抗震设计 规范GB50011-2001 第5.2.4 条关于突出屋面屋 顶间的有关要求时,可不计入层数和高度。 l砌体房屋有较大
14、错层时,其层数应按两倍计算。 不超过圈梁或大梁高度的错层,结构计算时可作 为下一个楼层看待,但这类圈梁和大梁应考虑两 侧楼板高差导致的扭转,设置相应的抗扭钢筋, 还要注意符合无障碍设计的相关强制性要求。 6.2.3规范7.1.3多层砌体承重房屋的层高,不应超过 3.6m。 底部框架-抗震墙砌体房屋的底部,层高不应超过 4.5m;当底层采用约束砌体抗震墙时,底层的层高 不应超过4.2m。 注:当使用功能确有需要时,采用约束砌体等加强措施的 普通砖房屋,层高不应超过3.9m。 6.2.4规范7.1.4房屋高宽比的限制 为了使多层砌体房屋有足够的稳定性和整体抗弯 能力,房屋的高宽比应满足下表: 房屋
15、高宽比:房屋总高度与总宽度的最大比值。 烈度6 789 最大高宽比2.52.52.01.5 注:1 单面走廊房屋的总宽度不包括走廊宽度; 2 建筑平面接近正方形时,其高宽比宜适当减小。 6.2.5规范7.1.5抗震横墙间距的限制 横向地震作用主要由横墙承受。横墙间距较大时 ,楼盖水平刚度变小,不能将横向水平地震作用 有效传递到横墙,致使纵墙发生较大出平面弯曲 变形,造成纵墙倒塌。 房屋类型 烈 度 6789 多层砌体房屋现浇或装配整体式钢筋混凝土楼、屋 盖 1515117 装配式钢筋混凝土楼、屋盖111194 木屋盖994 底部框架-抗震墙房屋 上部各层同多层砌体房屋 底层或底部两层18151
16、1 注:1 多层砌体房屋的顶层,除木屋盖外的最大横墙间距应 允许适当放宽,但应采取相应加强措施; 2 多孔砖抗震横墙厚度为190mm时,最大横墙间距应 比表中数值减少3m。 6.2.6规范7.1.6房屋局部尺寸的限制 1.5 1.5 1.0 2.0 0.0 1.2 1.2 1.0 1.5 0.5 1.0 1.0 1.0 1.0 0.5 1.0 1.0 1.0 1.0 0.5 承重窗间墙最小宽度 承重外墙尽端至门窗洞边的最小距离 非承重外墙尽端至门窗洞边的最小距离 内墙阳角至门窗洞边的最小距离 无锚固女儿墙(非出入口处)的最大高度 9876 烈度 部位 表6.4 房屋局部尺寸限值(m) 注:l
17、局部尺寸不足时,应采取局部加强措施弥补,且最 小宽度不宜小于1/4层高和表列数据的80%; 2 出人口处的女儿墙应有锚固。 6.3 多层砌体房屋抗震计算 多层砌体房屋,一般验算房屋在横、纵向水平地 震力作用下,横、纵墙在其自身平面内的抗剪承 载力。 截面验算时可选择承载范围较大或竖向应力较小 的不利墙段进行抗剪承载力验算。 三个基本步骤:确立计算简图;分配地震剪力; 对不利墙段进行抗震验算。 6.3.1 计算简图 将水平地震作用在建筑物两个主轴方向分别进行 抗震验算; 地震作用下结构的变形为剪切型; 房屋各层楼盖水平刚度无限大,仅做平移运动, 因此各抗侧力构件在同一楼层标高处侧移相同 。 应以
18、防震缝所划分的结构单元作为计算单元。 在计算单元中,各楼层的重量集中到楼、屋盖标 高处。各楼层重力荷载应包括:楼、屋盖自重, 活荷载组合值及上、下各半层的墙体、构造柱重 量之和。 计算简图中底部固定端的确定: l当基础埋置较浅时,取为基础顶面; l当基础埋置较深时,可取为室外地坪下0.5m处; l当设有整体刚度很大的全地下室时,则取为地下 室顶板顶部; l当地下室整体刚度较小或为半地下室时,则应取 为地下室室内地坪处。 6.3.2 地震作用 采用底部剪力法: 1.水平地震作用 H1 G1 Gj Hj 注意:砌体房屋自振周期短,可忽略顶部附加地 震作用的影响,即顶部附加地震作用系数为零。 2.楼
19、层地震剪力 注意:对突出屋面的小建筑,其地震作用效应仍 乘以增大系数3,但不向下传递。 Gi 6.3.3 楼层地震剪力在墙体中的分配 楼层地震剪力 Vi ,在同一层各墙体间的分配主要 取决于楼盖的水平刚度及各墙体的侧移刚度。 1.墙体侧移刚度 (1)无洞墙体 弯曲变形为: 剪切变形为: 为剪应力分布不均匀系数,对矩形截面取1.2。 总变形为: 由材料力学得: l当h/b4时,墙体的剪切变形可忽略不计,即: (2)有洞墙体 l对小开口墙段按毛面积墙面计算的刚度乘以洞口 影响系数。系数见表6.5。 开洞率0.100.200.30 影响系数0.980.940.88 表6.5 墙段洞口影响系数 l开洞
20、率按洞口面积与墙段毛面积之比。 l窗洞高度大于层高的50时,按门洞对待。 2.楼层地震剪力 的分配原则 横向地震作用全部由横墙承担,而不考虑纵墙的 作用。 同样,纵向地震作用全部由纵墙承担,而不考虑 横墙的作用。 3.横向楼层地震剪力 的分配 楼层地震剪力在各抗侧力墙体间的分配,不仅取 决于每片墙体的层间抗侧移刚度,而且取决于楼 盖的整体水平刚度。楼盖的水平刚度取决于楼盖 的结构类型和其宽长比。 (1)刚性楼盖房屋 刚性楼盖房屋:现浇及装配整体式钢筋砼楼(屋) 盖等。 把楼盖在其平面内视为绝对刚性的连续梁,各横 墙看作是该梁的弹性支座,各支座反力即为各抗 震墙所承受的地震剪力。当结构和荷载都对
21、称时 ,各横墙的水平位移相等。 第i层第m片墙上的剪力:按墙体的抗侧刚度分配 。 因为 带入得: 再带回得: 在计算侧移刚度时,由于横墙的 1.0,可仅 考虑剪切变形的影响,即: 若各墙体高度相等、材料相同 (2)柔性楼盖房屋 柔性楼盖:以木结构等柔性材料为楼盖。 可认为楼盖如同一多跨简支梁,横墙为各跨简支 梁的弹性支座 即横墙净截面面 积之比 第m道横墙所分配的地震剪力,按第m道横墙从 属面积上重力荷载代表值的比例分配。即: 从属面积:第i层楼盖上、第m道墙与左右两侧相 邻横墙之间各一半楼盖面积。 当当楼层单位面积上的重力荷载代表值相等时, 可进一步简化为按各墙片所承担的地震作用的面 积比进
22、行分配: (3)中等刚度楼盖房屋 中等刚度楼盖:介于刚性楼盖和柔性楼盖之间的 楼(屋)盖,如装配式钢筋混凝土楼盖。 各横墙所分配的地震剪力,按刚性楼盖和柔性楼 盖结果的平均值确定。 4.纵向楼层地震剪力的分配 纵向比横向长,且纵墙间距小,水平刚度大,楼盖 变形小。对各种楼盖均按刚性楼盖考虑,即纵向地 震剪力按纵墙的刚度比例进行分配。 5.同一道墙上各墙段间地震剪力的分配 在同一道墙上,门窗洞口之间墙段所承担的地震剪 力可按墙段的侧移刚度进行分配。 洞口高度的取法: l窗间墙取窗洞高; l门间墙取门洞高; l门窗之间的墙取窗洞高; l尽端墙取紧靠尽端的门洞或窗洞高。 计算各墙段的地震剪力时,按下
23、列原则进行: l各墙段的 均小于1时,仅考虑剪切变形,即: 第r墙段分配的地震剪力为: 第i层第m道 墙体第r墙段 第i层第m道 墙体第r墙段 当材料、高度相同时: l当各墙段的高宽比相差较大时,地震剪力的分配 应按墙段的侧移刚度进行。 对需同时考虑弯曲和剪切变形影响的墙段: 对仅需考虑剪切变形影响的墙段: 6.3.4 墙体抗震承载力验算 1.规范7.2.6砌体沿阶梯形截面破坏的抗震抗剪强度设 计值 砌体强度正应力影响系数,按下表确定: 为对应与重力荷载代表值的砌体截面平均压应力。 砌体类别 0/fV 0.01.03.05.07.010.012.016.0 普通砖,多孔砖0.800.991.2
24、51.471.651.902.05 小砌块1.231.692.152.573.023.323.92 2.规范7.2.7截面抗震验算 (1)粘土砖、多孔砖砌体 承载力抗震调整系数,对于两端均有构造 柱、芯柱的承重墙为0.9,其它承重墙为1,自承 重墙取0.75; (2) 采用水平配筋的墙体,应按下式验算: 水平钢筋抗拉强度设计值; 层间墙体竖向截面的总水平钢筋面积,其 配筋率应不小于0.07%且不大于0.17%; 钢筋参与工作系数,可按表7.2.7采用。 表7.2.7钢筋参与工作系数 (3)当按上二式验算不满足要求时,可计入基本均 匀设置于墙段中部、截面不小于 240mm240mm(墙厚190m
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