zA建筑结构抗震设计.ppt
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1、建筑结构抗震设计 Seismic design of buildings,主讲:张美霞 中国地质大学(武汉)工程学院土木系,第4章 建筑抗震概念设计,4.1 场地选择 4.2 建筑的平立面布置 4.3 结构选型与结构布置 4.4 多道抗震防线 4.5 刚度、承载力和延性的匹配 4.6 确保结构的整体性 4.7 非结构部件处理,基本概念,1、抗震设计:对地震区的工程结构进行的一种专业设计,一般包括抗震概念设计、结构抗震计算和抗震构造措施三个方面。 2、计算设计(Numerical design):荷载计算、内力分析及组合、强度计算 、构造措施等称为计算设计。 “计算设计”不能完全依赖! 地震方面
2、地震是一种随机振动,具有复杂性、不确定性,因此很难准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数。地震在时间和空间上都具有很大的随机性。 结构分析未能充分考虑结构的空间作用、非弹性性质、材料时效、阻尼变化等多种因素,也存在不准确性。,基本概念续,2、概念设计(Conceptual design) :立足于工程抗震基本理论及长期工程抗震经验总结的工程抗震基本概念的抗震设计,包括工程结构的总体布置和细部构造。是构造良好结构性能的决定因素, 即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,正确地解决建筑和结构的总体方案、结构布置、材料使用和细部构造等,以便达到合理抗震设计的目的。 概念设计是构造良好
3、结构性能的决定因素,有助于掌握明确的设计思想,灵活、恰当地运用抗震设计原则,使设计人员不致陷入盲目的计算工作,从而做到比较合理的抗震设计。 抗震概念设计是目前工程设计高度自动化的背景下唯一具有能动性和创造性的设计过程。,基本概念续,抗震概念设计的思路: 在工程设计一开始,把握好能量输入、房屋体型、结构 体系、刚度分布、构件延性等几个主要方面,从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节。 辅以必要的计算和构造措施,有可能使房屋建筑具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。 由于对地震作用及结构性能的了解还远远不够,在某种 意义上,概念设计比计算设计更重要。,4.1 场地选择,不同的场地上的建筑震害不同。选择建
4、筑场地时,应 根据工程需要,掌握地震活动情况和工程地质的有关资 料,对建筑场地作出综合评价。 宜选择对建筑抗震有利的地段,如开阔平坦的坚硬场地土或密实均匀的中硬场地土等地段。 宜避开对建筑抗震不利的地段,当无法避开时,应采取适当的抗震措施。 不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。,4.1.1 场地选择,1、避开抗震危险地段 1)概念 建筑抗震危险的地段:指地震时可能发生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流等地段以及震中烈度为8度以上的发震断裂带在地震时可能发生地表错位的地段。 非发震断层:与当地的地震活动性没有成因上联系的一般断层,在地震作用下一般不会发生新的错动。 发震断层:具有潜在地震活动的断层,
5、在过去三万五千年以内曾活动过一次,或者在五万年内活动过两次的断层。,实例 1976年唐山地震,在极震区内,一条北东走向的地表断裂,长8km,水平错位达1.45m。 1932年云南东川地震,大量山石崩塌。 1966年再次发生的6. 7级地震,震中附近的 一个山头,一侧山体就崩塌了近8105m3。 1971年云南通海地震,丘陵地区山脚下的一个土质缓坡,连同上面有几十户人家的 一座村庄,向下滑移了100多米,土体破裂变形,房屋大量倒塌。,4.1.1 场地选择续,4.1.1 场地选择续,2、选择有利于抗震的场地 概念 对建筑抗震有利的地段:指位于开阔平坦地的坚硬场地上或密实均匀中硬场地土。 对建筑抗震
6、不利的地段:就地形而言,一般是指条状突出的山嘴,孤立的山包和山梁的顶部,高差较大的台地边缘,非岩质的陡坡, 河岸和边坡的边缘;就场地土质而言,一般是指软弱土、易液化土,故河道、断层破碎带、暗埋塘滨沟谷或半挖半填地基等,以及在平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的地段。,4.1.2 地基基础,关于地基基础设计,抗震规范有如下规定: a、避开危险地带(如断裂带等): 河岸上的房屋,常因切面不均匀沉降或地面裂隙穿过而裂成数段。一般情况下宜采取避开的方案。必须在岸边建房时,应采取可靠措施,完全消除下卧土层的液化性,提高灵敏粘土层的抗剪强度,以增强边坡稳定性。 b、同一结构单元的基础不宜设置 在性质截然
7、不同的地基上:不同类 别的土壤,具有不同的动力特性, 地震反应也随之出现差异。无法避 开时,除考虑不同土层差异运动的 影响外,还应采用局部深基础,使 整个建筑物的基础落在同一土层上。,4.1.2 地基基础续,c、地基为软弱粘性土、液化土、新近填土或严重不均匀时,应估计地震时地基不均匀沉降或液化的不利影响,并采取相应措施,完全消除或部分消除土层液化的可能性,并应对上部结构相关部位适当加强,基础应加强其整体性和刚性。 d、同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基;(可设沉降缝,成为两个单元) e、淤泥和淤泥质土等软土,是一种高压缩性土,抗剪强度很低。软土在强烈地震作用下,土体受到扰动,絮状结构
8、遭到破坏, 强度显著降低,土体向基础两侧挤出,造成建筑物急剧沉降和倾斜。,4.1.2 地基基础续,f、此外,在选择高层建筑的场地时,应尽量建在基岩或薄土层上,或应建在具有较大“平均剪切波速”的坚硬场地土上,以减少输人建筑物的地震能量,从根本上减轻地震对建筑物的破坏作用。 另外,当建筑场地为I类时,甲、乙类建筑可按本地区 设防烈度采用抗震构造措施,丙类建筑可按本地区设防烈度 降低一度采用抗震构造措施,但6度时构造措施不应降低, 地震作用仍按原规定计算。,4.2 建筑的平立面布置,一幢房屋的动力性能基本上取决于它的建筑布局和结 构布置。建筑布局简单合理,结构布置符合抗震原则, 就能从根本上保证房屋
9、具有良好的耐震性能。 抗震规范3.4.1条规定:建筑设计应符合抗震概念设计的要求,不应采用严重不规则的设计方案。 3.4.2条规定:建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称,并应具有良好的整体性;建筑的立面和竖向剖面宜规则,结构的侧向刚度宜均匀变化,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少,避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。,4.2.1 建筑平面布置,1、建筑平面形状 1)建筑物的平、立面布置宜规则、对称,质量和刚度变化均匀,避免楼层错层; 2)地震区的高层建筑,平面以方形、矩形、圆形为好;正六边形、正八边形、椭圆形、扇形也可以。 3)有较长翼缘的L形、T形、十字形、U形、H形
10、、Y形平面也不宜采用。这些平面的较长翼缘,地震时容易因发生差异侧移而加重震害。,4.2.1 建筑平面布置续,2、平面不规则的类型: 规范3.4.2规定: 1)扭转不规则:楼层的最大弹性水平位移(或层间位移)大于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.2倍。 2)凹凸不规则:结构平面凹进的一侧尺寸,大于相应投影方向总尺寸的30%。 3)楼板局部不连续:楼板的尺寸和平面刚度急剧变化。例如:开洞面积大于该楼层面积的30%,或较大的楼层错层,或有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%。,平面不规则的类型,平面不规则的类型,项目信息 项目名称: The Absolute Tower 项目地址:
11、The Absolute Tower, 密西沙加市, 加拿大 项目建筑面积:第四期 45,000 ;第五期 40,000 项目性质:高层住宅 项目完工日期 : 国际公开竞赛中标,2009年建成 建筑高度 : 第四期 56层, 170米;第五期 50层, 150米 设计单位:麦德 (北京) 建筑设计咨询有限公司( MAD 事务所 )马岩松的设计 多数初识 The Absolute Tower的人都会感到惊奇,而且这种惊奇的范围是国际性的。在现代主义仍根深蒂固,“建筑是居住的机器”余音未了的今天。The Absolute Tower为人们展示了建筑的更多内容及理解建筑的更多的可能性。 与北美其它迅
12、速发展的近郊城市一样,加拿大多伦多地区的密西沙加市也一直在努力寻找着自己的性格和定位。 The Absolute Tower正是这种努力的结果。它的设计没有屈服于现代主义的简化原则,而是表达出一种更高层次的复杂性,从而更多元地接近当代社会和生活的多样化、多层模糊的需求,用这样一种特殊的方式回应了日益膨胀的城市需求。高塔的设计作为对地理和社会环境的一种有力的陈述,The Absolute Tower很好的反映和强调了当地的自然与环境。它位于密西沙加市最重要的Hurontario 街和 Burmhamthope 路交汇处,她的重要性和标志性将使这片区域成为这个低密度近郊城市的中心。设计师运用连续的
13、水平阳台环绕整栋建筑,消除了传统高层建筑中用来强调高度的垂直线。整个建筑在不同高度进行着不同角度的逆转,来对应不同高度的景观文脉。The Absolute Tower将唤醒大城市里的人对自然的憧憬,从而感受到阳光和风对自己生活的影响。 可以和玛丽莲梦露婀娜的姿态相媲美的 The Absolute Tower,被当地民众和媒体称为玛丽莲梦露大厦。梦露大厦 开盘后的一周就全部卖光了,于是发展商又找 MAD 事务所进行了二期工程的设计“ 梦露 ”的“妹妹”。 P,4.2.1 建筑平面布置续,3、高层建筑平面尺寸限值 我国钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程)(JGJ391) (简称高层规程),对地震
14、区高层建筑的平面形状作了明 确规定,如下图和表所示,并提出对这些平面的凹角处,应采 取加强措施。,4.2.2 建筑立面布置,1、建筑立面形状 地震区高层建筑的立面应采用矩形、梯形、三角形等均 匀变化的几何形状,尽量避免采用带有突然变化的阶梯 形立面。 因为立面形状的突然变化,会引起质量和抗侧移刚度突变,地震时容易因剧烈振动或塑性变形集中(薄弱层)而加重破坏。,4.2.2 建筑立面布置续,2、竖向不规则的类型 1)侧向刚度不规则:该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%,或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%;除顶层外,局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%。 2)竖向抗侧力构件不连续:竖
15、向抗侧力构件(柱、抗震墙、抗震支撑)的内力由水平转换构件(梁、桁架)向下传递。 3)楼层承载力突变:抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%。,竖向不规则的类型,沿竖向的侧向刚度不规则(有柔软层),竖向抗侧力构件不连续,竖向不规则的类型,4.2.2 建筑立面布置续,3、高层建筑立面尺寸限值 高层规程规定:对于有抗震设防要求的建筑物,建筑的竖向体形宜规则、均匀,避免有过大的外挑和内收。 结构的侧向刚度宜下大上小,逐渐均匀变化,不应采用竖向布置严重不规则的结构。并要求抗震设计的高层建筑结构,其楼层侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的 70或其上相邻三层侧向刚度平均值的80。 按高层规程
16、,高层建筑的高度限值分A、B两级,A级规定较严,是目前应用最广泛的高层建筑高度,B级规定较宽,但应采取更严格的计算和构造措施。 楼层层间抗侧力结构的受剪承载能力: A级高度:宜上一层的80%,应上一层的65% ;B级高度:应上一层的75%。,4.2.2 建筑立面布置续,收进和外挑尺寸要求(宜): 当结构上部楼层收进部位到室外地面的高度H1与房屋高度H之比大于0.2时,上部楼层收进后的水平尺寸B1不宜小于下部楼层水平尺寸B的0.75倍,即应符合B1/B0.75的要求。 当上部结构楼层相对于下部楼层外挑时,下部楼层的水平尺寸B不宜小于上部楼层水平尺寸B1的0.9倍,且水平外挑尺寸a不宜大于4m。,
17、4.2.3 房屋的高度,一般而言,房屋愈高,所受到的地震力和倾覆力矩愈大,破坏的可能性也愈大。 但“房屋愈高愈危险”的概念不是绝对的,是有条件的。于1956年建造的高181m的42层拉丁美洲大厦,经受住了3次大地震的考验,几乎无损坏。 抗震规范和高层规程,根据我国当前科研成果和工程实际情况,对各种结构体系适用范围内建筑物的最大高度均作出了规定。超出该规定的,要进行专门研究。抗震规范尚规定:对不规则结构、有框支层抗震墙结构或类场地上的结构,适用的最大高度应适当降低。,4.2.4 房屋的高宽比,建筑物的高宽比例,比起其绝对高度来说更为重要。因为建筑物的高宽比值愈大,即建筑愈瘦高,地震作用下的侧移愈
18、大,地震引起的倾覆作用愈严重。巨大的倾覆力矩在柱(墙)和基础中所引起的压力和拉力比较难于处理。 我国对房屋高宽比的要求是按结构体系和地震烈度区分的。,4.2.5 防震缝的合理设置,1、防震缝设置原因 由于建筑平面和体型的多样化、结构的不规则性有时难以避免,为将不规则结构变为若干规则结构,合理地设置防震缝进行结构分段,从而降低抗震设计的难度及提高抗震设计的可靠度。 在国内外历次地震中,曾一再发生相邻建筑物或同幢建筑物相邻单元之间相撞的震例,究其原因,主要是防震缝宽度偏小或构造不当所致。,4.2.5 防震缝的合理设置续,2、防震缝设置原则 彻底分离或者牢固连接:忌连又连不牢、分又分不清。 “三缝合
19、一”的设置原则:伸缩缝、沉降缝、防震缝三缝合一,对于抗震设防烈度为6度以上的房屋,所有伸缩缝、 沉降缝均应符合防震缝的宽度要求。 3、 必须设置抗震缝的情况 平面形状、局部尺寸或者立面形状不符合规范的有关规定,而又未在计算和构造上采取相应措施时; 房屋长度超过规范规定的伸缩缝最大间距,又无条件采取特殊措施而必需设置伸缩缝时; 地基土质不均匀,房屋各部分的预计沉降(包括地震时的沉陷)相差过大,必须设置沉降缝时; 房屋各部分的质量或结构抗侧移刚度大小悬殊时。,4.2.5 防震缝的合理设置续,4、防震缝宽度 缝宽不足会发生碰撞破坏; 由于设缝后造成部分结构段过柔,碰撞造成失稳破坏。 必须根据具体情况
20、认真处理设缝位置及设缝宽度。 确定防震缝宽度,除考虑结构变形外,还应考虑由于地基变形引起基础转动的影响。 5、防震缝最小宽度良好地基条件下一般结构的最小缝宽。 为防止相邻建筑物在地震中发生碰撞,防震缝的宽度不宜小于两侧建筑物在较低建筑物屋顶高度处的垂直防震缝方向的侧移之和。,4.2.5 防震缝的合理设置续,对于钢筋混凝土结构房屋的防震缝最小宽度,一般情况下应符合抗震规范所作的规定: 框架房屋,当高度不超过l5m时,可采用70mm;当高度超过l5m时,6度、7度、8度和9度相应每增高5m、4m、3m和2m,宜加宽20mm; 框架抗震墙房屋的防震缝宽度,可采用第条数值的70,抗震墙房屋可采用第条数
21、值的50,且均不宜小于70mm。 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。,4.2.5 防震缝的合理设置续,对于多层砌体结构房屋,在8度和9度且有下列情况之一时宜设置防震缝,缝两侧均应设置墙体,缝宽可采用50I00mm; 房屋立面高差在6m以上; 房屋有错层,且楼板高差较大; 各部分结构刚度、质量截然不同。 需要说明,对于抗震设防烈度为6度以上的房屋,所有伸缩缝和沉降缝,均应符合防震缝的要求。,4.2.5 防震缝的合理设置续,例1:某高层建筑为框架剪力墙结构,抗震设防烈度为7度,高45米,其群房为框架结构,高20米,主楼和群房间设防震缝,其最小缝宽应为多少
22、? 解:防震缝最小宽度应根据群房框架结构及其高度确定: 例2:6度地区、框架结构、建筑高度35m,若需设防震缝,其缝宽应为多少?若高为35m剪力墙结构,其缝宽?,4.2.5 防震缝的合理设置续,6、一般尽可能不设置抗震缝 满足规定的防震缝宽度在强烈地震作用下由于地面运动变化,结构扭转、 地基变形等复杂因素,相邻结构仍可能局部碰撞而损坏; 防震缝宽度过大,建筑立面效果、防水处理较难; 设置不当反倒会引起相邻建筑物碰撞、失稳、加大破坏。 房屋伸缩缝的最大间距(见课本表) 注:如有充分依据或可靠措施(例如每隔3040m,沿房屋全宽留出宽800mm,60d后再浇灌的后浇带)表中数值可以适当加大,4.2
23、.5 防震缝的合理设置续,7、不设置抗震缝处理办法高层建筑宜选用合理的建筑结构方案,不设抗震缝,但要做到: 采取措施避免设置防震缝调整平面形状和尺 寸、并在构造以及设计、施工时采取措施。 不规则房屋不设防震缝时必须沿高度和从平面上 考虑相对薄弱及应力集中部位的加强及提高延性 措施,在这些部位应尽量避免设置楼梯间及在楼 板上开较大洞口。 对体型复杂的建筑物不设抗震缝时,应对建筑物进行比 较精确的结构抗震分析,解决不设缝带来的不利影响, 如差异沉降、偏心扭转、温度变形等,估计其局部应力 和变形集中及扭转效应影响,判明其易损部位,采取加 强措施或提高变形能力的措施。,4.3 结构选型与结构布置 4.
24、3.1 结构选型,结构选型涉及的内容较多,应根据建筑的重要性、设防 烈度、房屋高度、场地、地基、基础、材料和施工等因素, 通过技术、经济条件比较综合确定。 1、结构材料的选择 单从抗震角度考虑,作为一种好的结构形式,应具备下列性能: 延性系数高; “强度重力”比值大; 匀质性好; 正交各向同性; 构件的连接具有整体性、连续性和较好的延性,并能发挥材料的全部强度。,4.3.1 结构选型续,常见建筑结构类型,依其抗震性能优劣而排列的顺序是: 钢结构; 型钢混凝土结构; 混凝土钢混合结构; 现浇钢筋混凝土结构; 预应力混凝土结构; 装配式钢筋混凝土结构; 配筋砌体结构; 砌体结构等。,4.3.1 结
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