【土木建筑】02建筑抗震概念设计.ppt

第2章 建筑抗震概念设计,返回总目录,教学提示：地震及其影响有其不确定性，结构计算也有其不准确性。建筑结构的抗震问题不可能完全依赖“计算设计”，而必须强调“概念设计”。 教学要求：本章让学生了解建筑抗震设计的主要概念，包括场地选择、建筑平立面的确定、结构及体系等。,地震是一种随机振动，以现有的科技水平，难以预估实际地震的发生时间、空间和强度。抗震设防的依据是一个地区的设防烈度，而由于统计分析的历史地震资料数量有限，以及地震地质背景不够清楚，在一个地区发生超过设防烈度的地震是完全可能的。同一个建筑场地的地面运动的性质，随着震源机制、震级大小、震中距和传播路径中土层性质的不同，也不是恒定不变的；不同性质的地面运动对建筑物的破坏作用也不同。因此，地震及其影响有其不确定性。在结构分析方面，由于不可能完全、充分考虑结构的空间作用、结构材料的性质、特别是结构进入弹塑性以后材料的非弹性性质、阻尼变化等因素，结构计算也有其不准确性。所以，建筑结构的抗震问题不可能完全依赖“计算设计”而必须强调“概念设计”。所谓建筑抗震概念设计(Seismic Concept Design of Buildings)，是指根据地震灾害和工程经验等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。概念设计的依据是震害和工程经验所形成的基本设计原则和思想，设计内容包括建筑体形、结构体系布置和抗震构造设计等，也就是除了“计算设计”以外的所有抗震设计内容均属于“概念设计”的范畴。 概念设计强调根据抗震设计的基本原则，在建筑场地选择、建筑体形(平、立面)、结构体系、刚度分布、构件延性等方面综合考虑，在总体上消除建筑中的薄弱环节，再加上必要的计算和抗震构造措施，使得所设计出的建筑具有良好的抗震性能。, 2.1 场地的选择 2.2 建筑和结构的规则性 2.3 抗震结构体系 2.4 非结构构件 2.5 结构材料与施工 2.6 习 题,本章内容,2.1 场地的选择,地震灾害表明，建筑的破坏，不仅与建筑本身的抗震性能有关，还与建筑物所在场地条件有关。最直观的经验是，每次地震后震害往往有高烈度地震区出现低烈度震害异常区，而低烈度地震区出现高烈度震害异常区。1967年委内瑞拉加拉加斯地震，不同覆盖土厚度地区，不同高度的房屋倒塌率有很大差异；1985年墨西哥地震距离震中400多千米的墨西哥城中房屋的破坏，比震中区的破坏更严重。如图2.1所示为唐山地震等烈度线，图中8度区中出现了7度和9度异常区。出现这种现象的原因，主要是与该区域的地形、工程地质和水文条件有关。,2.1 场地的选择,相应地，我们在选择建筑场地时，就应该根据工程需要，掌握地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料、对抗震有利、不利和危险地段作出综合评价。对抗震有利的地段，指的是稳定基岩、坚硬土，开阔、密实、均匀的中硬土等。对抗震不利的地段，为软弱土、液化土，条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘，非岩质的陡坡，河岸和边坡的边缘，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层(如故河道、疏松的断层破碎带、暗埋的塘浜沟谷和半挖半填地基)等。抗震危险地段，是指地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发震断裂带上可能发生地表位错的部位。,2.1 场地的选择,图2.1 唐山地震等烈度线,一般认为，当局部地形(如条状突出的山嘴、孤立的山丘等)高差大于30 m50 m时，位于高处的建筑的震害会加重。如1920年海原地震中，位于渭河谷地的姚庄烈度为7度，而2 km以外的牛家庄因处于高于百米的黄土梁上，烈度竟达到9度；海城地震，在大石桥盘龙山高差58 m的两个测点上收到的强余震加速度记录表明，孤立突出地形上的地面最大加速度，比坡脚平地上的加速度平均大1.84倍。 依据宏观震害调查的结果和对不同地形条件和岩土构成的形体所进行的二维地震反应分析结果所反映的总趋势，大致可以归纳为以下几点： 高突地形距离基准面的高度愈大，高处的反应愈强烈； 离陡坎和边坡顶部边缘的距离愈大，反应相对减小； 从岩土构成方面看，在同样地形条件下，土质结构的反应比岩 质结构大； 高突地形顶面愈开阔，远离边缘的中心部位的反应明显减小；边坡愈陡，其顶部的放大效应相应加大。,2.1 场地的选择,基于以上变化趋势，以突出地形的高差H和与之相对应的平均坡降H/L，以及场址距突出地形边缘的相对距离L1与相对高度H的比值L1/H为参数，归纳出各种地形的地震力放大作用如下。 (2-1) 式中： 局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数； 局部突出地形地震动参数的增大幅度，按表2-1采用; 附加调整系数，与建筑场地离突出台地边缘的距离 L1与相对高差H的比值有关。当L1/H2.5时， 可取1.0；当2.5L1/H5时， 可取0.6；当L1/H5时， 可取0.3。L、L1均按距离场地的最近点考虑。,2.1.1 地形的影响,2.1 场地的选择,表2-1 局部突出地形地震影响系数的增大幅度,当需要在条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩石的陡坡、河岸和边坡边缘等不利地段建造丙类及丙类以上建筑时，除保证其在地震作用下的稳定性外，尚应估计不利地段对设计地震动参数可能产生的放大作用，其地震影响系数最大值应乘以上述增大系数。其值可根据不利地段的具体情况确定，但不宜大于1.6。,2.1 场地的选择,2.1.2 工程地质和水文条件的影响,工程地质和水文条件的影响主要体现在场地土坚硬程度、覆盖层厚度(土层的性质、厚度)、场地自振周期和粉、砂土的液化等方面。 场地覆盖层厚度一般情况下是指地面至剪切波速大于500 m/s的坚硬土顶面的距离。国内外多次大地震的经验表明：柔性建筑，厚土层上的震害重，薄土层上的震害轻。如委内瑞拉1967年加拉加斯6.4级地震，调查统计数据表明：当土层厚度超过160 m时，10层以上房屋的破坏率显著增高，1014层房屋的破坏率，约为薄土层的3倍，14层以上房屋，破坏率的相对比值更上升到8倍。强震记录的分析结果，更给出地震剪力与土层厚度关系的定量数据。如图2.3所示为1967年加拉加斯地震的房屋底部地震剪力与土层厚度的分析结果，图2.3中N为房屋层数，从图中可以看出，房屋基底最大地震剪力FE随土层厚度的增大而急剧上升。,2.1 场地的选择,场地土是指场地范围内的地基土，深度一般为地面以下15 m。地震时建筑物的破坏，主要使地震剪切波(横波)向地表传递巨大能量引起地面振动所造成。震害调查结果表明，场地土刚性(坚硬程度)大小不同，使其上建筑的震害程度出现很大差异。一般来说，地基土刚性大，房屋破坏轻，反之，破坏重。从地震记录也可以看出，不同刚性的场地土的地震动强度，差异也很大。表2-2为1985年墨西哥地震不同场地土上记录到的地震动参数。表中可以看出，古湖床软土上的地震动参数，与硬土的相比较，加速度约增加4倍，速度增加5倍，位移增加1.3倍，结构反应加速度增加9倍。,2.1 场地的选择,图2.2 结构破坏率与覆盖土层厚度的关系 图2.3 底部剪力与土层厚度的关系,2.1 场地的选择,表2-2 墨西哥市区不同场地土的地震动参数,2.1 场地的选择,从地震记录可以清楚地看出，一个场地的地面运动，一般存在一个破坏性最强的主振周期，如果建筑物的自振周期与这个卓越周期相等或相近，建筑物的破坏程度就会因共振而加重。地震动的卓越周期又称地震动主导周期，它相当于根据地震时某一地区地面运动记录计算出来的反应谱的主峰位置所对应的周期。一个地区的地震动的卓越周期是地震震源特性、传播介质和该地区场地条件的综合产物，对于未来可能发生的地震，要正确预测它的波形是很难做到的，然而对于某一工程场址的地震动卓越周期，尽管随震级大小和震中距远近而变化，却因与该场址的场地土性质存在着某种相关性，是可以大致估计的，一般可以利用场地的自振周期来估计地震动卓越周期，即认为场地的自振周期约为地震动的卓越周期。,2.1 场地的选择,场地自振周期可以通过对地震剪切波在场地土中的传播分析来确定。当基岩内有振幅为1、频率为 的正弦剪切波向上传来时，可以得到如图2.4所示的结果。 图中各参数如下。 ，其中 分别为覆盖层土的密度和剪切波速， 分别为基岩的密度和剪切波速；dov为覆盖层土的厚度， 为覆盖层振幅放大系数，其值等于地面振幅与基岩入射波之比。 从图2.4中可以看出，当地震波从地下传来时，如果上层土质比下层土软(k1)，软土将对地震波的振幅有放大作用，并且不同厚度的软土层和土层的软硬程度不同，对频率不同的地震波的放大作用是不同的。,图2.4 振幅放大系数与土层性质的关系,2.1 场地的选择,当 时，即 (2-2) 此时，振幅放大系数 将达到最大值。亦即地震波的某个谐波分量的周期恰好是该波穿过土层所需时间的4倍时，地面震动将最显著，该周期即为场地的自振周期。当场地土为多层土时，场地自振周期为 (2-3) 式中： 为土层的等效剪切波速； 式(2-2)及式(2-3)中土层的总厚度取覆盖层厚度和20 m的较小值。 从公式可见，基岩上的覆盖层越厚，则场地的自振周期越长。 场地的自振周期是场地的重要动力特性之一，在抗震设计时，应使建筑物的自振周期避开场地的自振周期，以避免发生共振现象。,2.1 场地的选择,共振破坏，实质上是建筑物在持续振动下结构变形的多次放大。因此，是否会发生共振破坏，除了建筑周期与地震动卓越周期相近这一基本条件外，还取决于地震动的循环次数，也就是强震的持续时间。所以，描述一次强震的地面运动，一般认为可以用加速度峰值、地震动主要周期、持续时间三个特性参数来表示。震级愈大，峰值加速度就高，持续时间就长；场地覆盖层愈厚、土质愈软、震中距愈远，地震动主要周期(或称特征周期)愈长。 从上述结果也可以看出，不同类别的土质，具有不同的动力特性，地震反应亦随之出现差异。因此，同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上，并且同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基。当不可避免时，可以采用设置变形缝将建筑分为不同的结构单元，或者仔细分析不同地基在地震下变形的差异以及上部结构各部分地震反应差异的影响，采取相应的抗震措施。,2.1 场地的选择,对于饱和松散的粉土和砂土，在强烈地震作用下，土颗粒有挤密的趋势，孔隙水压力急剧上升，而使土颗粒处于悬浮状态，这样，地基土就丧失了剪承载力，并出现喷水冒砂现象。其后果就是建筑物下沉或整体倾斜(如图2.5所示)，房屋基础的钢筋混凝土桩折断，地坪下沉或隆 起，地下水池或油罐等地下结构浮起。所以，当建筑地基内存在液化土层时，要根据建筑物的重要性和液化程度的不同，采取有效措施，完全消除或部分液化沉陷的影响。 淤泥、淤泥质土和软弱黏性土等高压缩性土，抗剪强度很低，在强烈地震作用下，絮状结构遭到破坏，不仅压缩变形增加，还会发生一定程度的剪切破坏，土体向两侧挤出，造成建筑物急剧沉降和倾斜。因 此，对于软弱黏性土、液化土、新近填土或严重不均匀土等地基，应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响，并采取相应的措施。,2.1 场地的选择,图2.5 地基失效引起结构整体倾斜,2.1 场地的选择,2.1.3 避开抗震危险地段,抗震的危险地段与不利地段的主要差异体现在危险地段在地震时场地、地基的稳定性可能遭到破坏，建造在这类地段上的建筑物破坏是不易用工程措施加以解决的，或者所花代价极为昂贵。 断层是地质构造上的薄弱环节，从对建筑物危害的角度来看，断层可以分为发震断层和非发震断层。工程上的发震断裂主要为可能产生M5以上的地震断裂，对一般建筑只考虑1.0万年(全新世)以来的活动过的断裂，在此以前活动过的断裂不予考虑；对水电、核电等工程则考虑10万年(晚更新世)以来的活动过的断裂，晚更新世以前活动过的断裂亦不予考虑。断裂对工程上的影响主要指地震时老断裂重新错动直通地表，在地面产生位错。因为国内外多次地震中的破坏现象均说明，在小于8度区的地震区地面一般不产生断裂错动，故在地震设防烈度小于8度的地区可不考虑断裂对工程的影响。,2.1 场地的选择,如果基岩上覆盖土层的厚度较大时，虽然地震时基岩老断裂产生重新错动，但由于覆盖土层较厚，基岩错动不会直通地表，此时也可以忽略发震断裂错动对地表建筑物的影响。根据对国内外地震宏观地表地裂考察和北京市勘察设计研究院对发震断裂上覆土层厚度对工程影响的专项研究，GB 500112001建筑抗震设计规范规定：抗震设防烈度为8度和9度时，前第四纪基岩隐伏断裂的土层覆盖厚度分别大于60 m和90 m时，可忽略发震断裂错动对地表建筑物的影响。 对不符合上述条件的情况，则建筑物应避开主断裂带，其避让距离不宜小于表2-3对发震断裂最小避让距离的规定。,2.1 场地的选择,陡峭的山区，在强烈地震的震撼下，常发生巨石滚落、山体崩塌。1970年5月秘鲁北部地震发生了一次特大塌方，塌体以每小时20 km40 km的速度滑移了18 km，一个市镇全部被塌方掩埋，约2万人丧生。所以在山区选址时，若发现有山体崩塌、巨石滚落等潜在危险时，不能建房。,表2-3 发震断裂的最小避让距离 单位：m,2.1 场地的选择,1964年美国阿拉斯加地震，岸边含有薄砂层透镜体的黏土沉积层斜坡，因薄砂层的液化而发生大面积滑坡，土体支离破 碎，地面起伏不平，如图2.6所示。1968年日本十胜冲地震，一些位于光滑、湿润黏土薄层上面的斜坡土体，也发生了较大面积的滑移。因此，对于那些存在液化或润滑夹层的坡地，也应视为抗震危险地段。,黏土层 0 10 20m,标高/m 10 0 -10,20 10 0 -10,砂透镜体,(a) 地震前土层剖面,图2.6 薄砂夹层液化引起的岸边滑坡,2.1 场地的选择,总之，在选择建筑场地时，宜选择对抗震的有利地段，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；而不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。,(c) 滑坡发生后,20 10 0 -10,液化砂,20 10 0 -10,(b) 地震期间,原地面,破坏面,滑坡后地面,20 10 0 -10,20 10 0 -10,2.1 场地的选择,建筑结构的平、立面是否规则，对结构的抗震性能具有最重要的影响，也是建筑设计首先遇到的问题。建筑物的平、立面布置的基本原则是：平面形状规则、对称，竖向质量、刚度连续、均匀，避免楼板错层。这里的“规则”，包含了对建筑的平、立面外形尺寸，抗侧力构件布置、质量分布，直至承载力分布等诸多要求。国内外多次地震中均有不少震例表明，房屋体形不规则、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。道理很清楚，简单、对称的结构由于工程实际情况与结构的计算假定符合程度较好，这样计算结果就能够较准确地反映建筑在地震时的情况，相应地容易估计其地震时的反应，并可根据建筑的地震反应，采取相应的抗震构造措施和进行细部处理。,2.2 建筑和结构的规则性,地震区的建筑，平面形状以正方形、矩形、圆形为好，正多边形、椭圆形也是较好的平面形状。但是在实际工程中，由于建筑用地、城市规划、建筑艺术和使用功能等多方面要求，建筑物不可能都设计成正方形、圆形，必然会出现L形、T形、U形、H形等各种各样的平面形状。对于非方形、非圆形的建筑平面，也不一定就是不规则的建筑，只要不满足表2-4规定的建筑物，就可以认为是平面规则的建筑。,表2-4 平面不规则类型,2.2 建筑和结构的规则性,对于结构平面扭转不规则，按刚性楼盖计算，当最大层间位移与其平均值的比值为1.2时，相当于一端为1.0，另一端为1.45；当比值为1.5时，相当于一端为1.0，另一端为3.0。当变形小的一端满足规范的变形限值时，如果变形大的一端为小端的三倍，则不满足要求，导致破坏，如图2.7所示。,图2.7 建筑结构平面的扭转不规则示例,y,，则属扭转 不规则，但应使 ,x,O,水平地震作用,2.2 建筑和结构的规则性,为了保证楼板在平面内有很大的刚度，同时为了防止建筑各部分之间振动不同步，建筑平面的外伸段长度应尽可能小。局部外伸的尺寸过大，地震时容易造成局部破坏，如图2.8所示。,图2.8 建筑结构平面的凹角和凸角不规则示例,2.2.1 建筑平面规则性,2.2 建筑和结构的规则性,楼板开洞口过大，与刚性楼盖的计算假定不符。若计算时不考虑楼盖本身平面内的变形，则开洞的薄弱部位抗侧力构件的受力计算值偏小，导致结构的不安全。错层部位的短柱、矮墙均属于不利于抗震的构件，地震时很容易发生较严重的破坏，而且同一楼层内竖向构件的侧向参差不齐，地震剪力的分配复杂变化，难以合理控制。这些都将引起抗震计算结果的不可靠性，使得抗震设计复杂化，如图2.9所示。,B,B,b0.5B,A00.3A A=B·L,(b),(c),图2.9 建筑结构平面的局部不连续示例 (大开洞和错层),2.2 建筑和结构的规则性,此外，平面的长宽比不宜过大，平面长度与宽度之比一般宜小于6，以避免两端相距太远振动不同步，由于复杂的振动形态而使得结构受到损坏。 由于建筑平面是在建筑方案设计阶段就已经确定了，因此为了使得建筑有较好的抗震性能，结构工程师应在方案阶段密切与建筑师配合，适当调整建筑平面，也可能在满足使用功能和建筑艺术的前提下，使结构布置更合理。如图2.10所示的平面，由于两端楼电梯井斜放，整个建筑物没有一个对称轴，如图2.10(a)所示；如果调整一端筒的方向，则有一条对称轴，较为合理，如图2.10(b)所示；进一步调整两个端筒的方向，则可得到双轴对称的平面布置，如图2.10(c)所示，更为理想。同理，如图2.11所示的鱼形平面的办公楼也可调整。,2.2 建筑和结构的规则性,图2.10 平面布局的调整例一,图2.11 平面布局的调整例二,2.2 建筑和结构的规则性,地震区建筑物的立面和竖向剖面同样要求规则，外形几何尺寸和建筑的侧向刚度等沿竖向变化均匀。建筑的立面外形最好采用矩形、梯形等均匀变化的几何形状，尽量避免出现过大的内收或外挑的立面，如图2.12所示。因为立面形状的突然变化，必然带来质量和侧向刚度的剧烈变化，突变部位就会塑性变形集中效应而加重破坏。,图2.12 悬臂式建筑,2.2 建筑和结构的规则性,除了建筑立面外形几何尺寸的变化外，工程中经常会由于要求大的室内空间、层高变化等建筑使用功能的要求，而出现取消部分抗震墙或结构柱的现象，这常出现在底部大空间剪力墙结构或框筒的下部大柱距楼层，或顶层设置空旷的大房间而取消部分抗震墙或内柱。这样，就会产生结构在竖向的不规则。竖向的不规则的类型见表2-5。,表2-5 竖向不规则类型,2.2.2 建筑竖向的规则性,2.2 建筑和结构的规则性,侧向刚度不规则就是指侧向刚度沿竖向产生突变，包括几何尺寸突变，形成软弱层，地震下的弹性位移有集中现象，在大震下弹塑性位移更显著增大，如图2.13所示。这里，侧向刚度计算取楼层剪力除以层间位移。,ui-i层层间位移,Vi-i层剪力,Ki=,Vi,ui,Ki+1,Ki,图2.13 沿竖向的侧向刚度不规则示例(有软弱层),2.2.2 建筑竖向的规则性,2.2 建筑和结构的规则性,结构抽柱、抽梁、抗震墙不落地，竖向构件承担的地震作用不能直接传给基础，相当于结构坐落在软硬差异极大的地基上，一旦水平转换构件稍有破坏，则后果严重，如图2.14所示。 楼层的水平承载力沿高度突变，形成薄弱层，地震中首先破坏，刚度降低，变形增大并继续发展，产生明显的弹塑性变形集中，一旦超过结构的所有的变形能力，则整个结构倒塌，如图2.15所示。,图2.14 竖向抗侧力构件不连续示例 图2.15 结构出现薄弱层,2.2 建筑和结构的规则性,由于工程实际情况千变万化，在建筑设计中出现不规则的建筑体系也是不可完全避免的，相应地，建筑和结构体系按不规则的程度，分为不规则、特别不规则和严重不规则。不规则，指超过表2-3和表2-4一项及以上的不规则指标；特别不规则，指多项超过表2-3、表2-4的不规则指标或某项超过不规则指标较多；严重不规则，指体形复杂、多项不规则指标超过表2-3、表2-4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者。在地震区，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。 在进行建筑的抗震设计时，对于不规则的建筑结构，应从结构计算、内力调整、采取必要的加强措施等多方面加以仔细考 虑，并对薄弱部位采取有效的抗震构造措施以保证建筑的整体抗震性能。,2.2.3 不规则类型及处理方法,2.2 建筑和结构的规则性,对于平面不规则而竖向规则的建筑结构，在结构计算时应采用空间结构计算模型；当属于扭转不规则时，计算时应计及扭转影响，且楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的1.5倍；当属于凸凹不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型而不能采用刚性楼板的计算假定，在建筑平面不对称时结构计算中尚应计及扭转影响。 对于平面规则而竖向不规则的建筑结构，在结构计算时同样应采用空间结构计算模型，其薄弱层的地震剪力应乘以1.15的增大系数，并应按GB 500112001建筑抗震设计规范的有关规定进行弹塑性变形分析。当竖向抗侧力构件不连续时，该构件传递给水平转换构件的地震内力应乘以1.251.5的增大系数；在楼层承载力突变时，薄弱层抗侧力结构的受剪承载力不应小于相邻上一楼层的65%。 平面不规则且竖向不规则的建筑结构，应同时满足上述两种情况的要求。,2.2 建筑和结构的规则性,合理地设置防震缝，可以将体形复杂的建筑物划分成“规则”的结构单元。如图2.16所示，通过防震缝将平面凸凹不规则的L形建筑划分为两个规则的矩形结构单元。设置防震缝，可以降低结构 抗震设计的难度，提高各结构单元的抗震性能，但同 时也会带来许多新的问题。如由于缝的两侧均须设置 墙体或框架柱而使得结构复杂，特别会使基础处理较 为困难，并可能使得建筑使用不便，建筑立面处理困 难。更为突出问题的是：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。1976年的唐山地震中，京津塘地区设缝的高层建筑(缝宽50 mm150 mm)，除北京饭店东楼(18层，框架-剪力墙结构，缝宽600 mm)外，均发生程度不等的碰撞。轻者外装修、女儿墙、檐口损坏，重者主体结构破坏。1985年墨西哥地震，由于地震而使顶部楼层破坏的震害相当多。,图2.16 防震缝的设置,2.2 建筑和结构的规则性,所以，体形复杂的建筑并不一概提倡设置防震缝。近年来的结构设计和施工的经验表明，建筑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；不设防震缝时，应按2.2.3节中的要求进行抗震分析，并采取加强延性的构造措施。如果没有采取措施或必须设缝时，则必须保证有必要的缝宽以防止震害。 在遇到下列情况时，还是应设置防震缝，将整个建筑划分为若干个规则的独立结构单元。 (1) 平面形状属于表2-4的不规则类型，或竖向属于表2-5的不规则 类型而又在计算和构造上采取有效措施时。 (2) 房屋长度超过表2-6(a)及表2-6(b)中规定的伸缩缝最大间距， 又没有条件采取特殊措施而必须设置伸缩缝时。 (3) 地基土质不均匀或上部结构荷载相差较大，房屋各部分的预计沉降过大，必须设置沉降缝时。 (4) 房屋各部分的结构体系截然不同，质量或侧移刚度大小悬殊时。,2.2.4 防震缝的设置,2.2 建筑和结构的规则性,表2-6(a) 钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距,单位：m,2.2 建筑和结构的规则性,表2-6(b) 砌体房屋伸缩缝的最大间距,单位：m,2.2 建筑和结构的规则性,在设置防震缝时，应满足GB 500112001建筑抗震设计规范中最小缝宽的要求。钢筋混凝土房屋的最小缝宽应满足下列要求。 (1) 框架结构房屋的防震缝宽度，当高度不超过15 m时可采用70 mm；超过15 m时，6度、7度、8度和9度相应每增加高度5 m、4 m、3 m和2 m，宜加宽20 mm。 (2) 框架-抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用要求(1)项规定数值的70%，抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用要求(1)项规定数值的50%；且均不宜小于70 mm。 (3) 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。,2.2 建筑和结构的规则性,多层砌体结构房屋有下列情况之一时宜设置防震缝，缝两侧均应设置墙体，缝宽应根据烈度和房屋高度确定，可采用50 mm100 mm。 (1) 房屋立面高差在6 m以上； (2) 房屋有错层，且楼板高差较大； (3) 各部分结构刚度、质量截然不同。 防震缝应该在地面以上沿全高设置，缝中不能有填充物。当不作为沉降缝时，基础可以不设防震缝，但在防震缝处基础要加强构造和连接。在建筑中凡是设缝的，就要分得彻底；凡是不设缝的，就要连接牢固，保证其整体性。绝对不要将各部分设计的似分不分，似连不连，“藕断丝连”，否则连接处在地震中很容易破坏。,2.2 建筑和结构的规则性,抗震结构体系是抗震设计应考虑的最关键问题，结构方案的选取是否合理，对建筑安全性和经济性起决定性的作用。抗震结构体系的确定，与设计项目的经济和技术条件(地震性质、场地条件等)有关系，是综合的系统决策，需要从多方面加以仔细考虑。,2.3 抗震结构体系,建筑抗震概念设计的依据是地震灾害的经验，因此这里先从若干典型的地震灾害的讨论开始。 1. 马那瓜地震中两幢高层建筑的震害比较 1972年12月23日南美洲马那瓜地震，在马那瓜有两幢钢筋混凝土高层建筑，相隔不远，一幢是15层的中央银行大厦，地震时遭严重破坏，震后拆除；另一幢是18层的美洲银行大厦，地震时只受轻微损坏，稍加修理便恢复使用。原因是两者在建筑布置和结构系统方面，有许多不同。 1) 中央银行大厦 结构体系的主要特点是：主塔楼在4层楼面以上，北、东、南三面布置了64根0.20 m宽的小柱子(净距1.2 m)，支承在4层楼板的过渡大梁上，大梁又支承在其下的10根l m×l.55 m的柱子上(柱子的中距9.8 m)，形成上下两部分严重不均匀、不连续的结构系统；4个楼梯间，偏置主楼西端，再加上西端有填充墙，地震时产生极大的扭转效应力，如图2.17所示；4层以上的楼板仅5 cm厚，搁置在长14 m、高45 cm的小梁上，楼面体系十分柔弱，抗侧力的刚度很差，在水平地震作用下产生很大的楼板水平变形和竖向变形。,2.3 抗震结构体系,由于这样的结构布置，该建筑在这次地震中主要遭受以下破坏：5层周围柱子严重开裂，钢筋压屈；电梯井的墙开裂、混凝土剥落；横向裂缝贯穿3层以上的所有楼板，直至电梯井的东侧，有的宽达10 mm；主楼西立面、其他立面的窗下和电梯井处的空心砖填充墙及其他非结构构件均严重破坏或倒塌；地震时，不仅电梯不能使用，楼梯也被碎片堵塞，影响人员疏散。 美国加州大学伯克利分校对这幢建筑进行了计算分析，包括三维的线弹性分析，结果表明：结构存在十分严重的扭转效应；填充墙降低了弹性阶段的基本周期20%，显著强化了地震作用；主塔楼3层以上北面和南面的大多数柱子抗剪能力严重不足，率先破坏；由于余下的未开裂柱子的相对刚度影响，在主塔楼的东面产生附加地震力，传递到电梯井的墙壁，使电梯井墙壁开裂；在水平地震作用下，柔而长的楼板产生可观的竖向运动，引起支承在楼板上的非结构构件的损坏。,2.3 抗震结构体系,图2.17 马那瓜中央银行大厦,2.3 抗震结构体系,2) 美洲银行大厦 该结构系统是均匀对称的，基本抗侧力的系统，包括四个L形的筒体，对称地由连梁连结起来，如图2.18所示；由于管道口在连梁中心，连梁的抗剪能力只有抗弯能力的35%，这些连梁在地震时遭到破坏，是整个结构能观察到的主要震害。 同中央银行大厦相同，美洲银行大厦地震时电梯也不能起动，但楼梯间是畅通的，墙仅有很小的裂缝。 对整个建筑的三维线弹性分析和耦联墙非弹性二维分析表明，对称的结构布置以及相对刚强的连肢墙有效地限制了侧向位移，并防止了任何明显的扭转效应；避免了长跨度楼板和砌体填充墙等非结构构件的损坏；当连梁剪切破坏后，结构体系的位移虽有明显增加。但由于抗震墙提供了较大的侧向刚度，位移量得到限制。 马那瓜地震中两幢现代化的钢筋混凝土高层建筑的抗震性差 异，生动地表明了建筑布局和结构体系的合理选择，在抗震设计中占有首要的地位。,2.3 抗震结构体系,平面图 剖面图 图2.18 马那瓜美洲银行大厦,2.3 抗震结构体系,2. 新华旅馆 唐山新华路中段属10度震灾区，沿街建筑均倒塌，唯独新华旅馆的8层主楼裂而未倒。建筑的主楼为8层内框架结构，西配楼为5层单排柱内框架，东配楼为7层砖混结构，如图2.19所示。原设计未考虑抗震，但1975年2月地下室完工时，发生了海城地震，为增强抗震能力，在主楼的砖墙中增加了一些钢筋混凝土构造柱，主楼同配楼之间设有沉降缝，每层均设圈梁，楼板为非预应力预制圆孔板。为加强整体性，各段均有若干层现浇混凝土板。,图2.19 新华旅馆平面图,2.3.1 典型震害的启示,2.3 抗震结构体系,地震后，西配楼仅残存2层；东配楼仅残存3层和4层的中间过道。主楼主要破坏为：窗间墙、窗下墙和无窗洞的墙，均出现典型的交叉剪切裂缝，各层砖墙内的构造柱基本完好；内框架柱子：1层柱子完整；2层中柱顶角混凝土脱落，主筋露出并稍弯曲；3、4层柱子出现竖缝，柱脚上、下主筋交接处混凝土局部脱落；5层柱子破坏最重，柱顶部混凝土酥碎脱落，主筋呈灯笼形，箍筋被撑断；由于5层柱子的破坏，以上各层的楼板下陷，致使68层柱顶部和梁端均有断裂裂缝。此外，圈梁下周围水平裂缝，墙角裂缝，梁下砖墙裂缝以及雨篷等非结构构件破坏倒塌等。 新华旅馆主楼遭受10度强烈地震能裂而未倒，有一种看法认为，该建筑的中部地下深处有一条30 m50 m宽的开滦煤矿采空区通过，这个地下空间对地震波的向上传递起了屏蔽作用，减小了地震对建筑的影响。这是需要进一步研究的问题。但从结构抗震体系上，则认为值得从中吸取以下几点符合抗震原则的有益经验：新华旅馆主楼同配楼用沉降缝分隔开，使结构布局简单、对称、变化基本均匀，房屋平面大致呈方形(17 m×18 m)，高宽比适当(高28.2 m，宽l7 m)；,2.3 抗震结构体系,结构抗侧力体系为圈梁和构造柱约束的砖墙筒体，有一定的强度和变形能力。特别是外墙角和梁柱轴线处设置了构造柱，使砖墙在地震时发生裂缝而不散落，仍具有一定的抗侧力承载力和竖向的承载能力。表明砖房的抗震能力可以提高，而且在烈度很高的地震区还能做到裂而不倒。 同时，从这幢建筑的震害中可以注意以下几点：主楼和配楼间虽有沉降缝分开，但并不符合抗震缝的要求，致使主楼在5层产生应力和变形集中，梁柱破坏特别严重；梁柱节点及其附近的箍筋配置，没有达到抗震的要求，致使各层梁柱产生各种不同程度的破坏；主楼房屋内部空旷，侧向刚度较差，否则，震害还可能减轻。,2.3 抗震结构体系,3. 罗马尼亚地震中布加勒斯特计算中心的破坏 布加勒斯特计算中心主楼的建筑平面为30×30 m，3层，两端服务塔同主楼分离。结构体系为无梁楼板并由9根柱子支承，如图2.20所示，外墙为预制混凝土板，窗户为周边连续，把上下层的外墙完全分离，没有抗震墙，唯一能抵抗侧向力的是柱子。,图2.20 罗马尼亚布加勒斯特计算中心,2.3 抗震结构体系,这幢房屋是按照罗马尼亚建筑规范设计的，设计底部剪力为建筑物重力的6%，底层用带槽的锥形柱子，箍筋构造薄弱，柱子抗剪能力较差。1977年3月地震使柱子破坏，由于柱子遭破坏后没有继续抵抗地震侧力和支承上部竖向荷载的构件，房屋倒塌。 显然，布加勒斯特计算中心的倒塌，原因在于抗侧力系统单薄，缺乏赘余的抗震防线，违反了多道抗震设防的原则。 4. 圣费尔南多地震中橄榄景医疗中心的破坏 美国1971年圣费尔南多地震中，现代化的橄榄景医疗中心(在19641966年按照洛杉矶城市建筑规范设计)刚建成不久，尚未投入使用，即遭地震严重破坏，以致无法修复。 这一幢建筑是建筑群的主楼，6层，上部4层为抗震墙结构，下部2层为框架结构其剖面图如图2.21所示。整个房屋的上下刚度、强度及延性突然变化，上部的刚度比下部大10倍。柱子一部分为普通箍，另一部分为螺旋箍的钢筋混凝土柱。,2.3 抗震结构体系,图2.21 Olive-View医院主楼剖面,砌体填充墙,钢筋混凝土墙,2.3 抗震结构体系,结构的地震破坏主要集中在12层，大部分普通箍的柱子严重破 坏，有的混凝土碎裂，钢筋压曲，螺旋箍柱子的保护层混凝土剥落。结构产生很大的非弹性变形，整个房屋侧移60 cm，而且1层与2层的相对位移达30 cm。 破坏的原因有两个方面：刚性抗震墙支承在柔性框架上，没有限制大变形的措施。据分析，l层及2层受到的地震剪力比设计大4倍(加速度达0.30 g和0.4 g)；同一楼层的柱子的刚度及强度不均匀，普通箍的柱子箍筋不足，抗剪能力差，产生脆性破坏，螺旋箍柱子有较大的抗剪能力而处于很大的变形状态。分析表明，普通箍柱子的破坏发生在早期地面运动加速度达到0.13 g时，相应的层间位移约为0.5 cm，而螺旋箍的柱子则承受了位移为30 cm的变形。由于底层150根普通箍的柱子在初始阶段便突然破坏并退出工作，底层减少了抗侧力的能力达5×104 kN，这个侧向力突然加到其余160根螺旋箍的柱子上，使这些柱子过度超载，加剧变形及至破坏。由于这些螺旋箍柱子的支撑，上部结构未遭倒塌。,2.3 抗震结构体系,抗震结构体系要通过综合分析，采用合理而经济的结构类型。结构体系应根据建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地 条件、地基、结构材料和施工等因素，经技术、经济和使用条件综合比较确定。 结构的地震反应同场地的特性有密切关系，场地的地面运动特性又同地震震源机制、震级大小、震中的远近有关；建筑的重要性、装修的水准对结构的侧向变形大小有所限制，从而对结构选型提出要求；结构的选型又受结构材料和施工条件的制约以及经济条件的许可等。这是一个综合的技术经济问题。 从结构材料的抗震性能方面分析，钢结构由于具有良好的延性、可靠的节点，在低周往复荷载下饱满稳定的滞回曲线，结构变形能力和耗能能力强，历次地震中，钢结构建筑的表现都很好，但也有个别建筑因设计不良或竖向支撑失效而破坏。总的情况来看，钢结构的抗震性能优于其他各类结构。当然，其材料也是较昂贵的。,2.3.2 结构选型,2.3 抗震结构体系,现浇钢筋混凝土结构在历次地震中也有一定数量遭到严重破坏，但多数是因为设计不良及施工质量较差造成的。事实说明，经过合理的抗震设计和较好的施工质量的保证，现浇混凝土结构是有足够的抗震可靠度的。由于它可以通过现场浇筑，形成具有整体性节点的连续性结构；有较大的侧移刚度，可以减少结构的侧移量，从而减少非结构构件的破坏；经过良好的设计使结构有相当的延性并且造价较低，使得现浇