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1、建筑物典型震害及 抗震规范 修编情况(下),荣盛设计总师办,8.钢筋砼柱的破坏及延性问题,在框架设计中我们虽然强调应符合“强柱弱梁”的设计原则,尽可能使柱子处于弹性阶段,但是实际上地震作用具有很大不确定性,同时也不可能绝对防止在柱中出现塑性铰。为了使柱子具有安全贮备,还是要保证柱子也有一定的延性。在国内外历次大地震中,由钢筋混凝土柱破坏造成的震害是很多的,房屋是否能够坏而不倒,很大程度上与柱的延性好坏有关。近年来国内外对钢筋混凝土柱的抗震性能作了大量试验研究,提出了保证柱子延性的设计方法及一些构造措施。 柱子的破坏形态有弯曲破坏、剪切破坏、粘结破坏三种类型,具体有:,8.钢筋砼柱的破坏及延性问
2、题,弯曲破坏。通常发生在柱顶或柱底截面。破坏时压区混凝土压碎、主筋压屈。受拉钢筋有时能达到屈服,有时则达不到屈服。 剪切受压破坏。在荷载作用下,水平弯曲裂缝向斜向发展,形成斜裂缝。当箍筋配置较多时,斜裂缝不会迅速开展,而是剪压区混凝土在弯、剪的共同作用下压碎。 剪切受拉破坏。当剪跨比较小且配箍率较低时,在主筋受拉屈服后,随着反复荷载的作用,会产生一条较宽大的斜裂缝,导致箍筋屈服、柱子剪坏。 剪切斜拉破坏。一般发生在短柱中。斜裂缝往往沿柱子对角出现,箍筋达到屈服甚至被拉断,柱子被剪坏。,8.钢筋砼柱的破坏及延性问题,粘结开裂破坏。粘结破坏有两种类型,一是由于钢筋锚固不足被拔出而破坏;另一种是在柱
3、子弯曲裂缝或剪切裂缝出现后,在反复荷载作用下,沿主筋出现粘结裂缝,使混凝土沿主筋酥裂脱落导致柱子破坏。 以上破坏形式不同,其对应的极限变形能力也不一样。比较而言,剪切斜拉破坏和剪切受拉破坏属于脆性破坏,设计中应该避免;粘结破坏延性较差,也应当避免;弯曲破坏和剪切受压破坏属于延性破坏,其延性受到许多因素的影响。 在实际工程中,柱子的破坏常常是几种破坏形态的综合反映。只是有时某一种破坏形态表现的突出一些。,影响框架柱延性的几个重要参数,1)剪跨比 剪跨比是影响钢筋混凝土柱破坏形态的最重要的因素。剪跨比较小的柱子会出现斜裂缝而导致剪切破坏。由试验研究有如下规律: 剪跨比2时,称为长柱,多数发生弯曲破
4、坏,但仍然需要配置足够的抗剪箍筋。 剪跨比2时,称为短柱,多数会出现剪切破坏,但当提高混凝土等级并配有足够的抗剪箍筋后,可能出现稍有延性的剪切受压破坏。 剪跨比15时,称为极短柱,一般都会发生剪切斜拉破坏,几乎没有延性。 抗震规范中规定,框架柱的净高与截面高度比宜大于4。所以,抗震结构中,在确定方案和结构布置时,就应避免短柱,特别是应避免在同一层中同时存在长柱和短柱的情况,否则需要采取特殊措施,慎重设计。,影响框架柱延性的几个重要参数,2)轴压比 轴压比是影响钢筋混凝土柱承载力和延性的另一个重要参数。大量试验表明,随着轴压比的增大,柱的极限抗弯承载力提高,但极限变形能力、耗散地震能量的能力都降
5、低。而且轴压比对短柱的影响更大。 大量试验表明,在长柱中,轴压比愈大,混凝土压区高度愈大,受拉钢筋屈服的可能性越小,柱子的延性越低。压弯构件会从大偏压破坏状态向小偏压破坏过渡,小偏压破坏延性很小或者没有延性。在短柱中,轴压比加大也会改变柱的破坏形态,会从剪压破坏变成脆性的剪拉破坏,破坏时承载能力突然丧失。长柱及短柱的试验结果显示,轴压比愈大,塑性变形段愈短,承载能力下降愈快,即延性减小。,影响框架柱延性的几个重要参数,影响框架柱延性的几个重要参数,3)剪压比 剪压比是指截面平均剪应力与混凝土轴心抗压强度的比值,表达式为V/fc*bc*hc 当构件的截面尺寸太小或混凝土强度太低时,按抗剪承载力公
6、式计算的箍筋数量会很多,则箍筋在充分发挥作用之前,构件将过早呈现脆性斜压破坏,这时再增加箍筋用量已没有意义因此,设计中应限制剪压比,使箍筋数量不至于太多,同时,也可有效地防止斜裂缝过早出现,减轻混凝土碎裂程度。这实质上也是对构件最小截面尺寸的要求。 剪压比越大,斜裂缝出现的越早,要求配置的箍筋量也就越多。但是试验表明,当配箍率过高时,有可能混凝土已经破碎而箍筋尚未屈服,箍筋难以发挥作用。在设计中应当避免这种情况。,9.钢筋砼短柱的问题,9.钢筋砼短柱的问题,9.钢筋砼短柱的问题,9.钢筋砼短柱的问题,9.钢筋砼短柱的问题,9.钢筋砼短柱的问题,9.钢筋砼短柱的问题,9.钢筋砼短柱的问题,9.钢
7、筋砼短柱的问题,9.钢筋砼短柱的问题,9.钢筋砼短柱的问题,9.钢筋砼短柱的问题,建筑抗震设计规范 专门要求:,短柱定义:钢筋混凝土结构中按内力计算值得到的剪跨比Mc/(Vch0)不大于2、反弯点在柱子高度中部、柱净高与柱截面高度之比Hn/h不大于4。 注意事项:由于实心砖填充墙对框架柱的约束,如:框架柱间砌筑不到顶的隔墙、窗间墙以及楼梯间休息平台使框架柱变成短柱。计算时是否短柱时沿填充墙平面内和平面外的柱子净高不同,柱子的截面高度选取对应方向截面尺寸,而不是选取柱子截面尺寸最大值。 地震破坏特征:剪切型、脆性破坏。,建筑抗震设计规范 专门要求:,截面验算:轴压比限值应比一般柱降低0.05,截
8、面组合的剪力设计值应满足规范要求。 构造要求:抗震等级为一级时每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%;箍筋沿柱子全高加密,间距不应大于100mm,宜采用复合螺旋箍或井字复合箍,其体积配箍率在68度时不应小于1.2%,9度时不应小于1.5%;梁柱节点核芯区的体积配箍率不应小于上下柱端的较大值(体积配筋率计算时,可以计入在节点有效宽度范围内梁的纵向钢筋)。 超短柱:剪跨比小于1.5的要专门研究,如采取增设交叉斜筋、外包钢板箍、设置型钢或将抗震薄弱层转移到相邻的一般楼层。,建筑抗震设计规范 专门要求:,条文3.7.4条明确规定: 框架结构的围护墙和隔 墙,应估计其设置对结构抗震的不利影响,避免不合理设置
9、而导致主体结构的破坏。围护墙和隔墙的不利 影响,主要表现为两种:其一,上下楼层的墙体数量 相差很大,导致上刚下柔,采用普通砖、空心砖的砌 体填充墙尤其明显;其二,填充墙不到柱顶,形成短 柱剪切破坏。08版修订时本条新增为强制性条文,以加强围护墙、隔墙等建筑非结构构件的抗震安全性, 提高对生命的保护。同时,条文13.3.3条明确规定:填充墙在平面和竖向的布置,宜均匀对称,避免形成薄 弱层或短柱。,10 、强柱弱梁的问题,当结构反应进入非线性阶段后,强度不再是控制设计的唯一指标,变形能力变得与强度同等重要。作为抗震设计的指标,应是双控制条件,使结构能同时满足极限强度和极限变形。这是因为一般结构并不
10、具备足以抵抗强烈地震的强度储备,而是利用结构的弹塑性性能吸收地震能量,以达到抗御强震的目的。 钢筋混凝土材料具有双重性,如果设计合理,尽量消除或减少混凝土脆性性质的危害,充分发挥钢筋塑性性能,可以实现延性结构。 延性框架设计的基本原则之一是“强柱弱梁”。从抗弯角度来讲,要求柱端截面的屈服弯矩要大于梁端截面的屈服弯矩,使塑性铰尽可能出现在梁的端部,从而形成强柱弱梁。在梁端出现塑性铰,一方面框架结构不会变成机构,而且塑性铰的数目多,消耗地震能的能力强;另一方面,受弯构件具有较高的延性,结构的延性有保障。,“强柱弱梁”设计原则实质是控制塑性铰在框架中出现的位置。不会引起结构局部或整体破坏的耗能的塑性
11、铰应早出,多出。 在地震作用下,框架中塑性铰可能出现在梁上,也可能出现在柱上,但是不允许在梁的跨中出铰。梁的跨中出铰将导致局部破坏。在梁端和柱端的塑性铰,都必须具有延性,才能使结构在形成机构之前,结构可以抵抗外荷载并具有延性。,在框架结构中,塑性铰出现的位置或顺序不同,将使框架结构产生不同的破坏形式。对于强梁弱柱型结构,塑性铰首先出现在柱中,当某薄弱层柱的上下端均出现塑性铰时,该层就成为几何可变体系,而引起上部结构的倒塌。这种结构破坏时只跟最薄弱层柱的强度和延性性能有关,而其它各层梁柱的承载能力和耗能能力均没有发挥作用。对于强柱弱梁型结构,塑性铰首先出现在梁中,当部分梁端甚至全部梁端均出现塑性
12、铰时,结构仍能继续承受外荷载,而只有当柱子底部也出现塑性铰时,结构才达到破坏。 由此可知,柱中出现塑性铰,不易修复而且容易引起结构倒塌;而塑性铰出现在梁端,却可以使结构在破坏前有较大的变形,吸收和耗散较多的地震能量,因而具有较好的抗震性能。,此外,梁的延性远大于柱的延性。这是因为柱是压弯构件,较大的轴压比将使柱的延性下降,而梁是受弯构件,比较容易实现高延性比要求。 震害调查发现:凡是具有现浇楼板的框架,由于现浇楼板大大加强了梁的强度和刚度,地震破坏大多发生在柱中,破坏较严重;而没有楼板的构架式框架,裂缝大多出在梁中,破坏较轻,从而也证实强梁弱柱引起的结构震害比较严重。,建筑抗震设计规范 专门要
13、求:,建筑抗震设计规范 专门要求:,1、一级框架和9度区结构,规范提高用梁实配钢筋面积和材料强度标准值计算的抗震受弯承载力所对应的弯矩值的办法来保证强柱弱梁 2、轴压比小于0.15的柱,包括顶层柱在内,因其具有与梁相近的变形能力,可不满足上述要求 3、当框架底部若干层的反弯点不在柱的层高范围内,说明这几层层的框架梁相对较弱,为避免在竖向荷载和地震共同作用下变形集中,压曲失稳,柱端弯矩也应乘以增大系数,建筑抗震设计规范 专门要求:,建筑抗震设计规范 专门要求:,现阶段做法: 国外的抗震规范多以设计承载力衡量或 将钢筋抗拉强度乘以超强系数。我国抗震规范的规定 只在一定程度上减缓柱端的屈服。一般采用
14、适当增大 柱端弯矩设计值的方法。在梁端实配钢筋不超过计算 配筋 10% 的前提下 ,. 将承载力不等式转化为内力设计 值的关系式 并使不同抗震等级的柱端弯矩设计值有 不同程度的差异 存在的问题: 地震的复杂性;楼板参与工作;钢筋屈 服强度的超强及超配筋;柱子的斜向屈服等。这种概 念设计难以通过精确的计算真正实现。,建筑抗震设计规范 专门要求:,本次修订内容: 1)明确补充规定了四级框架的相关要求。 2)提高了框架结构的柱端弯矩增大系数,而其它结构中框架的柱端弯矩增大系数不变;(一级取1.7,二级取1.5,三级取1.3,四级取1.2;其他结构类型中的框架,一级1.4,二级1.2,三、四级1.1
15、) 对于一级框架结构和9度时的一级框架,明确只需按梁端实配抗震受弯承载力确定柱端弯矩设计值;即使按增大系数的方法 比实配方法保守,也可不采用增大系数的方法。对于二、三级框 架结构,有条件时也可按梁端实配抗震受弯承载力确定柱端弯矩 设计值 即使按“强柱弱梁”设计的框架,在强震作用下柱端仍有可能出现塑性铰,保证柱的抗地震倒塌能力是框架抗震设计的关 键。规范通过柱的抗震构造措施,使柱具有大的弹塑性变形能力 和耗能能力,达到在大震作用下,即使柱端出铰,也不会引起框 架倒塌的目标。,11 、非结构构件的问题,非结构构件,一般不属于主体结构的一部分,非承重结构构件在抗震设计时往往容易被忽略,但从震害调查来
16、看,非结构构件处理不好往往在地震时倒塌伤人,砸坏设备财产,破坏主体结构,特别是现代建筑,装修造价占总投资的比例很大。因此,非结构构件的抗震问题应该引起重视。 非结构构件一般包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备。 第一类是附属构件,如女儿墙、厂房高低跨封墙、雨篷等。这类构件的抗震问题是防止倒塌,采取的抗震措施是加强非结构构件本身的整体性,并与主体结构加强锚固连接。 第二类是装饰物,如建筑贴面、装饰、顶棚和悬吊重物等,这类构件的抗震问题是防止脱落和装饰的破坏,采取的抗震措施是同主体结构可靠连接。对重要的贴面和装饰,也可采用柔性连接,即使主体结构在地震作用下有较大变形,也不致影响到贴面和装饰的损坏(
17、如玻璃幕墙)。,11 、非结构构件的问题,第三类是非结构的墙体,如围护墙、内隔墙、框架填充墙等,根据材料的不同和同主体结构的连接条件,它们可能对结构产生不同程度的影响,如:减小主体结构的自振周期,增大结构的地震作用。改变主体结构的侧向刚度分布,从而改变地震作用在各结构构件之间的内力分布状态。处理不好,反而引起主体结构的破坏,如局部高度的填充墙形成短柱,地震时发生柱的脆性破坏。 第四类是建筑附属机电设备及支架等,这些设备通过支架与建筑物连接,因此,设备的支架应有足够的刚度和强度,与建筑物应有可靠的连接和锚固,并应使设备在遭遇设防烈度的地震影响后能迅速恢复运行。建筑附属机电设备的设置部位要适当,支
18、架设计时要防止设备系统和建筑结构发生谐振现象。尽量避免发生次生灾害。,震害17、大量非结构构件(填充墙、围护墙)破坏。填充墙或围护墙与框架柱、梁无拉结或拉接不够、多孔空心砖大量劈裂导致拉接筋失效等原因造成墙体大量开裂,甚至倒塌伤人,严重影响居民生活,经济损失较大。,紧密砌筑的填充墙改变框架结构的传力途径,地震时导致梁柱节点的撞击破坏,都江堰市宁江集团学校教学楼,六层框架结构,填充墙与主体无拉结,填充墙倒塌伤人,绵竹市工商银行,圆弧墙破坏,都江堰市金叶宾馆,角部楼梯间圆弧型外墙破坏塌落,都江堰公安局大楼,十一层框架剪力墙结构,建于1995年. 填充墙与主体结构无拉结,地震时填充墙倒塌,堵塞了疏散
19、通道,建筑抗震设计规范 有关的专门要求:,规范第3.7节和第13章对非结构构件的抗震措施给予了明确的规定.要求砌体墙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,同时要求应能适应主体结构不同方向的层间位移. 规范第13.3.3规定,钢筋混凝土结构中的砌体填充墙, 宜与柱脱开或采用柔性连接.填充墙应沿框架柱全高每间隔500mm设置26拉筋.墙长大于5m时,墙顶与梁要有拉接.墙高大于4m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. 按相关规定严格执行可有效避免非结构构件倒塌伤人。,建筑抗震设计规范 有关的专门要求:,实际工程的技术
20、处理方法: 柔性拉结:填充墙与框架柱留2cm的空隙并用柔性材料填充。这种做法和结构的计算方法相一致,但建筑处理困难。当填充墙与框架柱柔性连接时,须按规定设置拉接筋、水平系梁等构造措施,避免填充墙出平面倒塌。 刚性拉结:填充墙与框架柱紧密砌筑。目前这种做法占主导。震害轻重与结构层间位移角有关。当填充墙嵌砌与框架刚性连接时,须按规定采取构造措施,并对计算的结构自振周期予以折减,并按折减后的周期值确定水平地震作用。同时还要考虑填充墙不满砌时,由于墙体的约束使框架柱有效长度减小,可能出现短柱,造成剪切破坏。 拉结钢筋的施工:埋L形钢筋拆模后扳直;预埋件焊接方法;锚筋方法;凿开保护层与箍筋焊接。,建筑抗
21、震设计规范 有关的专门要求:,本次修订内容: 1) 非结构构件应根据所属建筑的抗震设防类别和非结构地震破坏的后果及其对整个建筑结构影响的范围,采取不 同的抗震措施,达到相应的性能化设计目标。 非结构构件的抗震设防目标列于本规范附录M.2。与主体结构三水准设防目标相协调,容许建筑非结构构件的损坏程度略大于主体结构,但不得危及生命。 建筑非结构构件和建筑附属机电设备支架的抗震设防分类,各国的抗震规范、标准有不同的规定,分为高、中、低三个层次。 高要求时,外观可能损坏而不影响使用功能和防火能力,安全玻璃可能裂缝,可经受相连结构构件出现1.4 倍以上设计挠度的变形,即功能系数取1.4,建筑抗震设计规范
22、 有关的专门要求:,中等要求时使用功能基本正常或可很快恢复,耐火时间减 少1/4,强化玻璃破碎,其他玻璃无下落。可经受相连结构构件出现设计挠度的变形,功能系数取1.0 一般要求多数构件基本处于原位,但系统可能损坏,需 修理才能恢复功能;耐火时间明显降低,容许玻璃破碎下落, 只能经受相连结构构件出现0.6倍设计挠度的变形,功能系数取0.6 世界各国的抗震规范规定中,要求对非结构的地震作用进行计算的有60%,而仅有28%对非结构的构造做出规定。考虑到我国设计人员的习惯,首先要求采取抗震措施,对于抗震计 算的范围由相关标准规定。一般情况下 除了本规范第5 章有明确规定的非结构构件,如出屋面女儿墙、长
23、悬臂构件(雨篷等) 外,尽量减少非结构构件地震作用计算和构件抗震验算的范围,建筑抗震设计规范 有关的专门要求:,本次修订内容: 2) 填充墙应沿框架柱全高每隔500600mm 设26拉筋, 拉筋伸入墙内的长度,6、7度时宜沿墙全长贯通(原规定为墙长的1/5且不小于700),8、9度时应全长贯通。 3) 楼梯间和人流通道的填充墙,尚应采用钢丝网砂浆面层加强。 4) 砌体女儿墙在人流出入口和通道处应与主体结构锚固; 非出入口无锚固的女儿墙高度,68度时不宜超过0.5m,9度时应有锚固。防震缝处女儿墙应留有足够的宽度,缝两侧的自由端应予以加强。 5)砌体的砂浆强度等级不应低于M5;实心块体的强度等级
24、不宜低于MU2.5,空心块体的强度等级不宜低于MU3.5;墙顶应与框架梁密切结合;,12 、毗邻建筑及防震缝的问题,以往抗震设计者多主张将复杂、不规则的钢筋混凝土结构房屋用防震缝划分成较规则的单元。防震缝的设置主要是为了避免在地震作用下体形复杂的结构产生过大的扭转、应力集中、局部严重破坏等。为防止建筑物在地震中相碰,防震缝必须留有足够的宽度。实际工程中,由于防震缝的宽度受到建筑装饰、贴建等要求限制,往往难以满足强烈地震时实际侧移量,从而造成相邻单元碰撞而产生震害,12 、毗邻建筑及防震缝的问题,在国内外历次地震中,一再发生相邻建筑物碰撞的事例。究其原因,主要是相邻建筑物之间或一座建筑物相邻单元
25、之间的缝隙,不符合防震缝的要求。或是未考虑抗震,或是构造不当,或是对地震时的实际位移估计不足,防震缝宽度偏小。 天津友谊宾馆,东段为8层,高37.4m,西段为11层,高47.3m,东西段之间防震缝的宽度为150mm。1976年唐山地震时,该宾馆位于8度区内,东西段发生相互碰撞,防震缝顶部的砖墙震坏后,一些砖块落入缝内,卡在东西段上部设备层大梁之间,导致大梁在持续的振动中被挤断。l985年墨西哥地震,相邻建筑物发生互撞的情况占40%,其中因碰撞而造成倒塌的占15%。2008年汶川地震中,相邻建筑的碰撞破坏现象也是随处可见。,震害18、防震缝宽度不够,相当比例的抗震缝宽度不足50mm,有些建筑物由
26、于施工误差或因未拆除模板甚至连接在一起,地震中导致两侧碰撞破坏。,防震缝宽度不够,相邻两栋建筑地震时相互碰撞,导致其中一栋建筑的填充墙倒塌,防震缝宽度不够,相邻两栋高层建筑地震时相互碰撞,绵竹市太极机械有限公司办公楼,防震缝宽度不够,高低建筑相互碰撞造成墙体破坏,阿尔及利亚地震中,抗震缝两侧建筑物碰撞导致结构倾斜,建筑抗震设计规范 专门要求:,规范第3.4.5、3.4.6条规定“体形复杂,平立面特别不规则的建筑结构,应根据不规则程度、地基基础条件和技术经济等因素的比较分析,确定是否设置防震缝。当不设置防震缝时,应采用符合 实际的计算模型,分析判明其应力集中、变形集中或地震扭转效 应等导致的易损
27、部位,采取相应的加强措施。 当在适当部位设置防震缝时,宜形成多个较规则的抗侧力结构单元。防震缝应根据抗震设防烈度、结构材料种类、结构类型、结构单元的高度和高差以及可能的地震扭转效应的情况,留有足够的宽度,其两侧的上部结构应完全分开。” 本次修订提高了设置防震缝的最小宽度(70 mm100 mm),对策:保证足够的防震缝宽度,必要时设置抗撞墙。 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 1/2层高,抗震等级可同框架结构;框架构件的内力
28、应按设置和不设置抗撞墙两种计算模型的不利情况取值。结构单元较长时,抗撞墙可能引起较大温度内力,也可能有较大扭转效应,故设置时应综合分析。,13 、经过抗震加固的房屋的震害,汉旺东风气轮机厂采用后加圈梁构造柱加固过的某三层办公楼震后基本完好,同一地点,未经加固的四层砖混办公楼破坏严重,局部倒塌,14 、单跨框架的问题,单跨的混凝土框架结构对于抗震有明显的不利因素,抗震设计的框架结构不宜采用单跨框架结构。这是因为单跨框架的抗侧刚度小,耗能能力弱,结构超静定次数少(赘余度小),一旦柱子出现塑性铰(在强地震作用下不可避免),出现连续倒塌的可能性很大。在历次地震及本次中国汶川地震中有许多震害实例,但也有
29、低层的大跨度单跨框架结构破坏较轻,台湾集集地震中,彰化县林镇龙邦富贵名门大楼倒塌.该建筑物为16层单跨框架结构, 赘余度不够,地震中下部8层被压缩成两层,并陷入地下.建筑物倒塌,台湾集集地震中,彰化县林镇龙邦富贵名门大楼倒塌.,台湾集集地震中,南投县某两层具有单边悬挑走廊的单跨框架结构教学楼倒塌破坏,台湾集集地震中,南投县某有外廊柱框架结构教学楼破坏较轻,汶川地震中,都江堰中学有外廊柱框架结构教学楼填充墙破坏,主体轻微破坏,建筑抗震设计规范 有关的专门要求:,本次修订在6.1.5条补充规定,“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
30、框架结构。”。震害经验表明,混凝土框架的学校建筑遭遇强烈地震, 采用单跨悬挑走廊的建筑物倒塌,而在走廊的外侧设置框架柱的建筑物则损坏轻微。这是值得借鉴的。 框架结构中某个主轴方向均为单跨,也属于单跨框架结构;某个主轴方向有局部的单跨框架,可不作为单跨框架结构对待。一、二层的连廊采用单跨框架时,需要注意加强。框-墙结构中的框架,可以是单跨。,16 、具有抗震墙的钢筋混凝土结构的震害,具有抗震墙的钢筋混凝土结构一般是指钢筋混凝土框架-剪力墙结构和钢筋混凝土剪力墙结构。历次地震震害表明,具有抗震墙的钢筋混凝土结构房屋具有较好的抗震性能,其震害一般比较轻。中国汶川8.0级大地震中,具有抗震墙的钢筋混凝
31、土结构房屋无一例倒塌,绝大部分结构主体基本完好或轻微损坏,小部分中等程度破坏。填充墙等非结构构件破坏较为普遍。,、连梁的破坏较为普遍,开洞剪力墙中,由于洞口应力集中,连系梁端部极为敏感,在约束弯矩作用下,很容易在连系梁的端部形成垂直方向的弯曲裂缝。当连系梁的跨高比较大时(跨度与梁高之比大于5),梁以受弯为主,可能出现弯曲破坏。 在大多数情况下,剪力墙往往具有跨高比较小的高梁(跨高比小于5),除了端部很容易出现垂直的弯曲裂缝外,还很容易出现斜向的剪切裂缝。当连系梁的剪力过大或抗剪箍筋不足时,有可能很早就出现剪切破坏,使墙肢间丧失联系,剪力墙承载能力降低,都江堰市公安局大楼,十一层框架剪力墙结构,
32、剪力墙连梁跨高比小,剪切破坏,剪力墙连梁“X”形裂缝,其他结构构件基本完好.,地震中,跨高比很小的剪力墙连梁剪切破坏,设计剪力墙连梁时,宜使多数连梁的屈服发生在墙肢底部屈服之前。连梁是有抗震设计剪力 墙结构体系的耗能构件,为了使连梁能耗散较多 的地震能量,应使连梁能向墙肢传递较大的轴向 力,在地震作用下,使连梁达到弯曲屈服而不致 引起剪切破坏。高层建筑混凝土结构技术规 程中规定了剪力墙开洞形成的跨高比小于5的连梁的相关设计规定及构造措施,目的是实现连 梁的强剪弱弯,推迟剪切破坏,提高延性。,、在强烈地震作用下剪力墙墙肢破坏,开口剪力墙的底部墙肢内力最大,容易在墙肢底部出现裂缝及破坏。在水平荷载
33、作用下受拉的墙肢往往轴压力较小,有的在强地震作用下甚至出现拉力,墙肢底部很容易出现水平裂缝。对于层高小而宽度较大的墙肢,也容易出现剪切斜裂缝。墙肢的破坏有以下几种情况: 当剪力墙的高宽比比较小,导致墙肢的总剪跨比较小时,墙肢中的斜向裂缝可能贯穿成大的斜向裂缝而出现剪切破坏。 如果某个剪力墙局部墙肢的剪跨比比较小,也可能出现局部墙肢的剪坏。对于框架-剪力墙或框支剪力墙结构体系,由于框架和剪力墙协同工作,不同的变形特征通过楼板等水平构件位移协调,框架部分(或框支剪力墙部分)在底层卸载,通过楼板将水平荷载传到落地剪力墙上,从而导致这些落地剪力墙底层剪力加大,剪跨比减小,在底层墙肢中出现剪切破坏。 当
34、剪跨比较大,并采取措施加强墙肢的抗剪能力时,剪力墙以弯曲变形为主,则出现墙肢弯曲破坏,通常导致底部受压区混凝土压碎剥落,钢筋压屈等。,都江堰市中国移动电信大楼,九层(局部十一层)框架剪力墙结构,剪力墙和高连梁的剪切破坏形态,”X”形裂缝明显,都江堰市岷江国际大厦,十八层框架剪力墙结构,建于2008年.剪力墙底部混凝土压碎,主筋压屈。在复杂应力作用下,个别剪力墙混凝土酥碎剥落。,建筑抗震设计规范 有关的专门要求:,总之,具有抗震墙的钢筋混凝土结构具有良好的抗震性能,其合理设计结构破坏机制为:抗震墙的各墙段(包括小开洞墙和联肢墙肢)的高 宽比不宜小于2,使其呈弯剪破坏模式,且塑性屈服也宜产生在墙的
35、底部。连梁宜在梁端塑性屈 服,并有足够的变形能力,在墙段充分发挥抗震 作用前不失效。,都江堰市国堰宾馆主楼,十三层框架结构,承重结构基本完好,填充墙中等程度破坏,总之,具有抗震墙的钢筋混凝土结构具有良好的抗震性能,其合理设计结构破坏机制为:抗震墙的各墙段(包括小开洞墙和联肢墙肢)的高 宽比不宜小于2,使其呈弯剪破坏模式,且塑性屈服也宜产生在墙的底部。连梁宜在梁端塑性屈 服,并有足够的变形能力,在墙段充分发挥抗震 作用前不失效。,成都的高层建筑震后主体结构 基本完好,延性剪力墙结构设计概念 1)强墙肢,弱连梁,弹性阶段,剪力墙的性能与整体系数有关。整体系数为连梁刚度与墙肢刚度的比值。弹性分析表明
36、:连 梁刚度小、1时,连梁对墙肢的约束弯矩很小,可以忽略连梁对墙肢的约束,把连梁看成铰接连杆,只传 递水平力,墙肢各自承担水平力,剪力墙的刚度、承载 力为各墙肢刚度、承载力之和;连梁刚度大、10 时,连梁对墙肢的约束大,在水平力作用下,剪力墙的截面应力分布接近直线,剪力墙接近整体墙,剪力墙的 刚度、承载力大;110时,为联肢剪力墙,工程中的剪力墙大部分为联肢墙;剪力墙洞口加宽,墙肢截 面长度减小,而连梁与墙肢的刚度比增大,10 时,剪力墙逐步变化为框架。,延性剪力墙结构设计概念 1)强墙肢,弱连梁,对于联肢墙,整体系数值愈大,连梁对墙肢的约束愈大,墙的抗侧刚度也愈大。双肢墙只有一排连梁,是最简
37、单的一种联肢墙,其剪力最大的连梁在约墙高度的中部,值愈大,剪力最大的连梁的位置愈接近底截面:值增大,连梁剪力增大,墙肢轴力也增大,而墙肢弯矩减小。 整体系数位1的剪力墙,其延性和耗能能力取决于各墙肢的延性和耗能能力;整体系数10的剪力墙,可以将其视为整体,其延性和耗能能力取决于墙整体的破坏形态、延性和耗能能力;影响110的联肢墙的延性和耗能能力的因素,要复杂得多,主要与联肢墙的整体破坏形态、连梁和墙肢的破坏形态、连梁和墙肢的延性和耗能能力等有关。,延性剪力墙结构设计概念 1)强墙肢,弱连梁,联肢墙可能的破坏形态为:连梁的承载力大,连梁不屈服,联肢墙作为整体斜截面剪切破坏或正截面压弯破坏;连梁的
38、承载力小,连梁屈服,墙肢承载力大,墙肢不屈服;连梁的承载力小,连梁屈服,墙肢也屈服。第一种破坏形态的联肢墙类似于整体系数10的剪力墙,应避免整体斜截面剪切破坏、实现整体弯曲破坏,但剪力墙的塑性变形集中在其底部,必须通过抗震构造措施,使墙的底部具有大的延性和耗能能力,才能避免结构倒塌。第二种破坏形态可以保证结构不倒塌,但由于仅连梁屈服耗能,对连梁的延性和耗能能力的要求高,连梁应采取措施,避免剪切破坏、实现弯曲破坏,连梁是否有能力提供大震所要求的延性和耗能,与连梁的抗震构造措施有关。第三种破坏形态是联肢墙比较普遍的破坏形态,连梁可能剪切破坏或弯曲破坏,墙肢底部弯曲破坏,通过抗震构造措施使墙肢具有大
39、的延性和耗能能力,即使连梁剪切破坏,也可以避免结构倒塌。,延性剪力墙结构设计概念 1)强墙肢,弱连梁,与框架的强柱弱梁类似,联肢墙的破坏形态以强墙肢弱连梁为好,即连梁先于墙肢屈服,使塑性变形和耗能分散于连梁中,但允许墙肢屈服,降低对连梁延性和耗能能力的要求。 实现强墙肢弱连梁的方法不同于实现强柱弱梁的方法,规范通过弹性计算时连梁的刚度折减,从而减小连梁的内力设计值、降低连梁的承载力。,延性剪力墙结构设计概念 2)强剪弱弯,墙肢可能出现的破坏形态为:底部受拉钢筋屈服的弯曲破坏,剪拉破坏,剪压破坏,剪切滑移破坏,平面外错断破坏,施工界面上的滑移破坏。除弯曲破坏为延性耗能破坏外,其他都是脆性破坏,应
40、在设计中避免。剪拉破坏的原因是抗剪分布钢筋不足,通过配置不小于一定数量的分布钢筋,可以避免剪拉破坏;通过强剪弱弯设计可以避免剪压破坏。平面外错断的主要原因是墙肢端部的纵向钢筋少,通过设置边缘构件或端部配置一定量的纵筋可以避免平面外错断。通过剪力墙施工缝截面抗滑移验算、配置抗滑移钢筋防止滑移破坏。 在弯矩和剪力的作用下,连梁可能出现的破坏形态为:弯曲破坏,剪切滑移破坏和剪切破坏。连梁的延性和耗能能力来源于两端的弯曲屈服,应避免脆性剪切破坏。 工程设计中,采用剪力增大系数调整墙肢底部加强部位截面的剪力计算值和连梁梁端截面组合的剪力计算值,使墙肢和连梁实现强剪弱弯。,延性剪力墙结构设计概念 3)限制
41、剪压比,墙肢、连梁截面的剪压比超过一定值时,将过早出现斜裂缝,当增加横向钢筋或箍筋不能提高其受剪承载力,抗剪钢筋不能充分发挥其抗剪作用,抗剪钢筋未屈服的情况下,墙肢或连梁混凝土发生斜压破坏。为了避免这种破坏,应限制墙肢和连梁截面的平均剪应力与混凝土轴心抗压强度的比值,即限制剪压比,也就是限制剪力设计值。,延性剪力墙结构设计概念 4)限制墙肢轴压比,随着建筑高度的增加,剪力墙墙肢的轴压力也增加。与钢筋混凝土柱相同,轴压比是影响墙肢延性的主要因素之一。下图为轴压比试验值为0.2和0.4的两片剪力墙的水平力位移滞回曲线。,延性剪力墙结构设计概念 4)限制墙肢轴压比,大偏心受压的高轴压比墙与低轴压比墙
42、的受力性能的主要区别有: 1)破坏形态不同。低轴压比墙出现受拉裂缝在前,压区混凝土压碎在后,有比较多的斜裂缝,开展充分;高轴压比墙先是压区混凝土压碎剥落,破坏前才出现受拉裂缝,但没有开展。 2)端部纵筋屈服情况不同。低轴压比墙受拉端纵筋先屈服,高轴压比墙受压端纵筋先屈服。 3)塑性变形能力不同。低轴压比墙屈服后的力-位移骨架线的水平段长、稳定,位移延性系数大;高轴压比墙达到峰值承载力后,承载力迅速下降,骨架线没有水平段,位移延性系数小。 4)耗能能力不同。低轴压比墙有较好的耗能能力,而高轴压比墙的耗能能力较差。 对于一定高宽比的剪力墙,为了达到要求的位移延性系数,应限制相对受压区高度;为了工程
43、应用方便,在一定条件下,限制相对受压区高度可以转换为限制轴压比。一般情况下,墙肢底部是最有可能屈服、形成塑性铰的部位,也是限制轴压比的部位。,建筑抗震设计规范 的专门要求:,本次修订内容: 1)跨高比较小的高连梁,设水平缝形成双连梁、多连梁或采取其它加强受剪承载力的构造。使其破坏形态从 剪切破坏变为弯曲破坏。 2)墙体轴压比控制范围,由一、二级扩大到三级,由底部加强部位扩大到全高。 3)增加了“洞边暗柱”作为边框,并明确其截面和配筋的构造。 4)新增,墙体支承出平面的抗侧力楼面大梁的基本要求,17 、楼层最小地震剪力系数的问题,由于地震影响系数在长周期段下降较快,对于基本周期大于3.5s的结构
44、,由此计算所得的水平地震作用下的结构效应可能太小。而对于长周期结构,地震 动作用中地面运动速度和位移可能对结构的破坏具有 更大影响,但是目前抗震规范所采用的振型分解 反应谱法尚无法对此作出估计。出于结构安全的考 虑,增加了对各楼层水平地震剪力最小值的要求,规 定了不同烈度下的剪力系数,不考虑阻尼比的不同, 结构水平地震作用效应应据此进行相应调整。为此, 抗震规范GB50011-2001第5.2.5条(强制性条文)规定,抗震验算时,结构任一楼层的水平地震剪力应符 合下式要求:,17 、楼层最小地震剪力系数的问题,17 、楼层最小地震剪力系数的问题,18 、抗震规范的作用与发展,1966年,位于6
45、度区不设防的邢台发生震中烈度10 度的地震,倒塌的房屋近120万间;1976年,位于6度区不设防的唐山发生震中烈度11度的大地震,倒塌的房屋320万间;2008年位于7度设防的汶川发生震中烈度1011度的地震,倒塌的房屋796.7万间;再一次证实我国基本烈度地震有很大不确定性的事实。 “将不成熟的地震预报技术作为防震减灾的主要手段,必然使防震减灾工作缺乏坚实的基础”。因此,减轻地震灾害的根本对策是提高各类建设工程的抗震能 力。中外地震经验无不表明:土木工程方法必然是防 震减灾最有效的方法。,18 、抗震规范的作用与发展,1976年唐山大地震后,建设行政主管部门做出了6度开始抗震设防和所有房屋建
46、筑按“大震不倒”的抗震设防标准进行设计的决策,明确要求在遭遇高于当地设防烈度大约一度的“大震”影响时,建筑不致倒塌和发生危及生命安全的严重破坏。汶川地震表明上述决策是正确的:除了危险地段山体滑坡造成的灾害外,总体上城镇倒塌和严重破坏需要拆除的房屋约10%,凡是严格按照89抗震规范或2001抗震规范的规定进行设计、施工和使用的各类房屋建筑,在遭遇到比当地设防烈度高一度的地震作用下均经受了考验,没有出现倒塌破坏,有效地保护了人民的生命安全,这个经验应充分肯定。,凡是按抗震规范进行正规设计、且施工质量有保障的房屋,在高烈度地区大部分做到了开裂而不倒塌,在低烈度地区震害程度大部分较轻,说明抗震规范经受
47、住了这次大地震的考验。,19 、重视抗震概念设计和构造措施,建筑抗震概念设计指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想,进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程,是从事抗震设计的注册建筑师、注册结构工程师需要具备的最基本的设计技能。为保证建筑在强烈地震下的安全,工程界许多院士、设计大师特别强调:“建筑应按抗震规范概念设计的要求,采用体系合理、具有多道抗震防线、楼屋盖整体性强的结构”。 根据现场调查,此次地震灾区破坏的房屋有一定比例是由于抗震概念设计和构造措施方面存在缺陷造成的。例如:平面布局不规则、抗侧力构件竖向不连续、强梁弱柱、结构整体没有二道防线、砖混结构不设圈梁和构造柱、
48、预制空心楼板端部无连接、出屋面女儿墙无构造柱和压顶梁、填充墙与主体结构拉接不足、抗震缝处置不合理、对局部突出屋面的楼电梯间等小结构的鞭梢效应考虑不足,未进行局部加强设计等。因此,对于灾后重建,一定要重视概念设计和构造措施,从概念上去把握结构的整体抗震能力。,20 、特别加强对未成年人在地震突发事件中的保护,对于中、小学生和幼儿等未成年人在突发地震时的保护措施,国际上随着经济、技术发展的情况呈日益增加的趋势。 在美国,1985年的UBC85,并没有提高学校建筑抗震设计要求的明确规定;1997年的UBC97,明确规定学生人数多于300人的初级、中级学校和日托幼儿建筑,主体结构与一般建筑的要求相同,
49、而可能危及生命的机械部件的锚固要提高要求;在2001年的IBC2001及以后的版本,明确规定人数多于250人的中、小学和日托幼儿建筑,结构的地震作用增加.25%。 我国在GBJ11-89抗震规范中,明确规定采用砌体结构的教学楼,尤其是外廊和单边走廊的砌体房屋,应严格降低总高度并提高设置构造柱的要求,并在2000年列为强制性条文。一些甲级设计单位严格按规范要求设计的学校建筑,在汶川地震中虽遭遇到高于当地设防烈度一度的地震影响,没有一栋倒塌,这个经验应充分肯定。,20 、特别加强对未成年人在地震突发事件中的保护,2004年版的抗震设防分类标准中,为保护地震时自救能力较弱的人群,明确规定人数较多的幼儿园以及小学教学楼提高抗震设防类别的要求。 汶川地震时,虽然倒塌的学校建筑的比例略低于其他房屋,但伤亡人数的比例明显大于其他房屋。本次分类标准修订征求意见时,大多数意见是:为在发生地震灾害时特别加强对未成年人的保护,在我国经济有较大发展的条件下,2004年版“人数较多”的规定应予以修改,所有幼儿园以及小学、
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