建筑结构抗震设计概念及其他.pptx

一、选择抗震有利的地段选择建筑场地时，宜选择对建筑抗震有利的地段，避开对建筑抗震设计不利的地段。不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。图21房屋震害指数与局部地形的关系曲线图22地理位置的放大作用第1页/共321页1、选择抗震有利的建筑场地和地基时应注意以下几点：（1）选择选择薄的场地覆盖层。对于柔性建筑，厚土层上的震害重，薄土层上的震害轻，直接座落在基岩上的震害更轻。（2）选择坚实的场地土。震害表明，场地土刚度大，则房屋震害指数小，破坏轻；刚度小，则震害指数大，破坏重。故应选择具有较大平均剪切波速的坚硬场地土。二、选择抗震有利的建筑场地和地基第2页/共321页二、选择抗震有利的建筑场地和地基（3）将建筑物的自振周期与地震动的卓越周期错开，避免共振。震害表明，如果建筑物的自振周期与地震动的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。（4）采取基础隔震或消能减震措施。利用基础隔震或消能减震技术改变结构的动力特性，减少输入给上部结构的地震能量，从而达到减小主体结构地震反应的目的。第3页/共321页三、有利的房屋抗震体型1、选择对抗震有利的建筑平面和竖向不规则建筑主要根据体型（平面和立面）、刚度和质量沿平面、高度的不同等因素进行判别。第4页/共321页三、有利的房屋抗震体型平面规则性：平面偏心、平面凹角、刚性楼层、楼板突变、平面外水平断错、非平行结构体系立面规则性：刚度突变的柔性层、质量分布突变、立面形状突变、竖向抗侧力构件在其平面内的间断、承载力突变（薄弱层）第5页/共321页三、有利的房屋抗震体型（1）建筑抗震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；（2）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，结构的侧向刚度变化宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自上而下逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。（3）体型复杂、平立面特别不规则的建筑结构，可按实际需要在适当部位设置防震缝，形成多个较规则的抗侧力结构单元。第6页/共321页三、有利的房屋抗震体型2、合适的房屋高度房屋愈高，所受到的地震力和倾覆力矩就愈大，破坏的可能性也就愈大。不同结构体系的最大建筑高度的规定，综合考虑了结构的抗震性能、地基基础条件、震害经验、抗震设计经验和经济性等因素。第7页/共321页马那瓜中央银行大厦马那瓜美洲银行大厦第8页/共321页1）平面不规则4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙。4层以上的楼板仅为5cm厚，搁置在高45cm长14m小梁上。2）竖向不规则塔楼上部（4层楼面以上），北、东、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在4层楼板水平处的过渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根1m1.55m的柱子上（间距9.4m）。上下两部分严重不均匀，不连续。主要破坏：第4层与第5层之间(竖向刚度和承载力突变),周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈；横向裂缝贯穿3层以上的所有楼板(有的宽达1cm),直至电梯井东侧；塔楼西立面、其他立面窗下和电梯井处的空心砖填充墙及其它非结构构件均严重破坏或倒塌。震后计算分析结果:1.结构存在十分严重扭转效应;2.塔楼3层以上北面和南面大多数柱子抗剪能力大大不足,率先破坏；水平地震作用下,柔而长的楼板产生可观的竖向运动等。马那瓜中央银行大厦结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包括4个L形的桶体，对称地由连梁连接起来，这些连梁在地震时遭到剪切破坏，是整个结构能观察到的主要破坏。分析表明：1.对称的结构布置及相对刚强的联肢墙，有效地限制了侧向位移，并防止了明显的扭转效应；2.避免了长跨度楼板和砌体填充墙的非结构构件的损坏；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，位移量得到控制。美洲银行第9页/共321页 现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度(m)结构结构类型类型烈度烈度6789框架框架60554525框架框架-抗震墙抗震墙13012010050抗震抗震墙墙全部落地全部落地14012010060部分框支部分框支12010060不应采用不应采用筒体筒体框架框架-核心筒核心筒15013010070筒中筒筒中筒18015012080板柱板柱-抗震墙抗震墙403530不应采用不应采用第10页/共321页三、有利的房屋抗震体型结构类型结构类型6、7度度8度度9度度框架框架1109050框架框架支撑支撑220200140筒体和巨型框架筒体和巨型框架300260180钢结构房屋的最大高度(m)第11页/共321页三、有利的房屋抗震体型3、不大的房屋高宽比房屋的高宽比愈大，地震作用下结构的侧移和基底倾覆力矩就愈大。钢筋混凝土房屋的最大高宽比结构类型结构类型6度度7度度8度度9度度框架、板柱框架、板柱抗震墙抗震墙4432框架框架抗震墙抗震墙5543抗震墙抗震墙6654筒体筒体6654第12页/共321页三、有利的房屋抗震体型烈度烈度6度度7度度8度度9度度最大高宽比最大高宽比6.56.56.05.5钢结构房屋的最大高宽比第13页/共321页三、有利的房屋抗震体型4、防震缝的合理设置高层建筑宜通过调整平面形状和尺寸，在构造上和施工上采取措施，尽可能不设缝（伸缩缝、沉降缝和防震缝）。但体形复杂、平立面特别不规则的建筑结构，可按实际需要在适当部位设置防震缝，形成多个较规则的抗侧力结构单元。防震缝应留有足够的宽度，其两侧上部结构应完全脱开。当设置伸缩缝和沉降缝时，其宽度应符合防震缝的要求。第14页/共321页 在进行结构方案平面布置时，应使结构抗侧力体系对称布置，以避免扭转。为了把扭转效应降低到最低程度，应尽可能减小结构质量中心与刚度中心的距离。除结构平面布置要合理外，结构沿竖向的布置应等强。结构抗震性能的好坏，除取决于总的承载能力、变形和耗能能力外，避免局部的抗震薄弱部位是十分重要的。四、合理的抗震结构布置第15页/共321页第16页/共321页抗震结构的材料应满足下列要求：1、延性系数（表示极限变形与相应屈服变形之比）高；2、“强度/重力”比值大；3、匀质性好；4、正交各向同性；5、构件的连接具有整体性、连续性和较好的延性，并能充分发挥材料的强度。五、合理的结构材料第17页/共321页六、提高结构抗震性能的措施1、设置多道抗震防线 单一结构体系只有一道防线，一旦破坏就会造成建筑物倒塌。如果建筑物采用的是多重抗侧力体系，可保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌。（1）第一道防线的构件选择 第一道防线一般应优先选择不负担或少负担重力荷载的竖向支撑或填充墙，或选择轴压比值较小的抗震墙、实墙筒体之类的构件作为第一道防线的抗侧力构件。第18页/共321页六、提高结构抗震性能的措施（2）结构体系的多道设防框架抗震墙结构体系中，剪力墙是第一道防线，框架部分起到第二道防线的作用，单层厂房纵向体系中，柱间支撑是第一道防线，柱是第二道防线。第19页/共321页六、提高结构抗震性能的措施（3）结构构件的多道防线 联肢抗震墙中，连系梁是第一道防线。“强柱弱梁”型的延性框架，梁处于第一道防线。在超静定结构构件中，赘余构件为第一道防线第20页/共321页图23马那瓜市美洲银行大厦（a）平面；（b）剖面六、提高结构抗震性能的措施第21页/共321页六、提高结构抗震性能的措施2、提高结构延性结构延性这个术语有4层含义：（1）结构总体延性（2）结构楼层延性（3）构件延性（4）杆件延性第22页/共321页六、提高结构抗震性能的措施一般而言，在结构抗震设计中，对结构中重要构件的延性要求，高于对结构总体的廷性要求；对构件中关键杆件或部位的延性要求，又高于对整个构件的延性要求。第23页/共321页六、提高结构抗震性能的措施3、采用减震方法（1）提高结构阻尼结构的地震反应随结构阻尼比的增大而减小。提高结构阻尼能有效地削减地震反应的峰值。（2）采用高延性构件增加结构的延性，不仅能削弱地震反应，而且提高了结构抗御强烈地震的能力。（3）采用隔震和消能减震技术第24页/共321页六、提高结构抗震性能的措施4、优选耗能杆件 根据结构中选择主要耗能构件或杆件的原则，应选择构件中轴力较小的水平杆件为主要耗能构件，从而使整个结构具有较大的延性和耗能能力。（1）弯曲耗能优于剪切耗能（2）弯曲耗能优于轴变耗能图24竖向斜撑的变形耗能机制（a）轴交支撑；（b）偏交支撑第25页/共321页七、控制结构变形地震时建筑物的破坏程度，主要取决于主体结构变形的大小。结构变形可用层间位移和顶点位移两种方式表达。各层间位移之和即为结构顶点位移。第26页/共321页八、确保结构整体性 （1）结构应具有连续性（2）构件间的可靠连接（3）提高结构的竖向整体刚度 第27页/共321页九、减轻房屋的自重 震害表明，自重大的建筑比自重小的建筑更容易遭到破坏。减小房屋自重的途径：1、减小楼板厚度2、尽量减薄墙体3、高强混凝土的应用4、轻质材料的应用第28页/共321页十、妥善处理非结构部件非结构部件在抗震设计时若处理不当，在地震中易发生严重破坏或闪落，甚至造成主体结构破坏。1、考虑填充墙的影响2、玻璃幕墙的构造3、外墙板的连接第29页/共321页2混凝土结构房屋抗震设计多层和高层钢筋混凝土结构体系包括：1、框架结构；2、抗震墙结构；3、框架抗震墙结构；4、筒体结构；5、框架筒体结构等。第30页/共321页一、震害及其分析多高层钢筋混凝土建筑结构的主要震害特征：1、共振效应引起的震害；2、结构平面或竖向布置不当引起的震害第31页/共321页3、框架柱、梁和节点的震害 框架柱、梁和节点的破坏形态：（1）框架柱柱端弯剪破坏柱身剪切破坏角柱破坏短柱破坏柱牛腿破坏（2）框架梁剪切破坏第32页/共321页3、框架柱、梁和节点的震害与柱顶相似，由于箍筋较柱顶密，震害相对柱顶较轻第33页/共321页3、框架柱、梁和节点的震害 当柱高小于4倍柱截面高度（H/b303030303025框架四三三二二一一剧场、体育馆等大跨度公共建筑三二一一框架抗震墙结构高度/m60606060606050框架四三三二二一一抗震墙三二一一抗震墙结构高度/m80808080808060抗震墙四三三二二一一筒体结构框架核心筒框架三二一一核心筒二二一一筒中筒外筒三二一一内筒三二一一抗震等级的划分，应符合下列规定：1、设防类别为甲、乙、丁类的建筑应按第一章中抗震设防标准中抗震措施所要求的设防烈度，按表35确定抗震等级。2、框架抗震墙结构，在基本振型地震作用下，若框架部分承受的地震倾覆力矩大于结构总地震倾覆力矩的50%，其框架部分的抗震等级应按框架结构确定。第43页/共321页（一）抗震等级3、裙房与主楼相连，除应按裙房本身确定外，不应低于主楼抗震等级；裙房屋面部位的主楼上下各一层的抗震措施需要适当加强。裙房主楼之间设防震缝，在大震作用下可能发生碰撞，也需要采取加强措施。4、当地下室顶板作为上部结构嵌固部位时，地下一层的抗震等级应与上部结构相同，地下一层以下的抗震等级可根据具体情况采用三级或更低等级。第44页/共321页（二）结构选型和布置（1）合理地选择结构体系框架结构优点：建筑平面布置灵活、造型活泼，可以形成较大的使用空间，属于柔性结构，具有较好的延性。缺点：结构抗侧刚度较小，在地震作用下侧向位移较大，其建筑高度受到限制。适用范围：适用于非地震区，在地震区可用于12层（40m）以下、体型较简单、刚度较均匀的房屋。第45页/共321页（1 1）合理地选择结构体系抗震墙结构优点：结构整体性能好、抗侧刚度大和抗震性能好，可降低建筑层高，施工相对简便与快速。缺点：墙体较密，使建筑平面布置和空间受到限制;结构自重较大，地震作用较大。适用范围：适合2030层的多、高层居住建筑。第46页/共321页（1）合理地选择结构体系框架抗震墙结构优点：它即保留了框架结构建筑布置灵活、使用方便的优点，又具有剪力墙结构抗侧刚度大、抗震性能好的优点，同时还可充分发挥材料的强度作用，具有较好的技术经济指标。适用范围：使用范围很广，1020层的高层建筑均可采用。第47页/共321页（1）合理地选择结构体系选择结构体系时，应尽量使其基本周期错开地震动卓越周期，一般房屋的基本自振周期应比地震动卓越周期大1.54.0倍，以避免共振效应。选择结构体系时，应选择适宜的结构刚度。合理地处理结构的刚柔关系第48页/共321页（二）结构选型和布置（2）为抵抗不同方向的地震作用，框架结构、抗震墙结构和框架抗震墙结构中，框架或抗震墙均宜双向设置，梁与柱或柱与抗震墙的中线宜重合，框架的梁与柱中线之间的偏心距不宜大于柱宽的1/4。第49页/共321页（二）结构选型和布置（3）框架结构中，砌体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。砌体填充墙宜与梁柱轴线位于同一平面内，考虑抗震设防时，应与柱有可靠的拉结。第50页/共321页（二）结构选型和布置（4）为使框架抗震墙结构和抗震墙结构通过楼、屋盖有效地传递地震剪力给抗震墙，抗震规范要求抗震墙之间无大洞口的楼、屋盖的长宽比不宜超过表32的规定，符合该规定的楼盖可近似按刚性楼盖考虑；超过上述规定时，应考虑楼盖平面内变形的影响。第51页/共321页（二）结构选型和布置(5)抗震墙墙结构中的抗震墙设置，应符合下列要求：抗震墙的长度不宜过长，较长的抗震墙宜结合洞口设置弱连梁，将一道抗震墙分成较均匀的若干墙段，以避免抗震墙发生剪切破坏，并保证墙肢由受弯承载力控制，且靠近中和轴的竖向分布钢筋在破坏时能从分发挥其强度，提高结构的变形能力。第52页/共321页（二）结构选型和布置抗震墙有较大洞口时，洞口位置宜上下对齐，形成明确的墙肢与连梁，以保证受力合理、有良好的抗震性能。第53页/共321页（二）结构选型和布置如果部分抗震墙不落地而由框架支承，这种底部框支层是结构的薄弱层，应限制框支层刚度和承载力过大的削弱，以提高房屋整体的抗震能力。所以，抗震规范规定，房屋底部有框支层时，框支层的刚度不应小于相邻上层刚度的50；落地抗震墙数量不宜小于上部抗震墙数量的50，其间距不宜大于四开间和24m的较小值，且落地抗震墙之间楼盖长宽比不应超过上表52规定的数值。第54页/共321页（二）结构选型和布置（6）框架抗震墙结构中的抗震墙设置要求：抗震墙的一般布置原则是“均匀、分散、对称、周边”。宜贯通全高，且横向与纵向抗震墙宜相连；不应设置在墙面需开大洞口的位置；房屋较长时，纵向抗震墙不宜设置在端开间。第55页/共321页（二）结构选型和布置（7）加强楼盖的整体性在高烈度（9度）区，应采用现浇楼面结构。房屋高度超过50m时，宜采用现浇楼面结构；框架抗震墙结构应优先采用现浇楼面结构。房屋高度不超过50m时，也可采用装配整体式楼面。后浇面层厚度一般不小于50mm，内配双向钢 筋网46150250mm。房屋的顶层、结构的转换层、平面复杂或开洞过大的楼层均应采用现浇楼面结构。第56页/共321页（三）屈服机制 多高层钢筋混凝土房屋的屈服机制可分为总体机制（图5-4a）、楼层机制（图5-4b）及由这两种机制组合而成的混合机制。第57页/共321页（三）屈服机制合理的结构破坏机制应该是：1、较合理的框架破坏机制，应该是节点基本不破坏，梁比柱的屈服可能早发生、多发生，同一层中各柱两端的屈服历程越长越好，底层柱底的塑性铰宜最晚形成。总之，设计时应体现“强柱弱梁”，“强剪弱弯”的原则。通过控制柱的轴压比和剪压比，增加结构的延性。2、框架抗震墙结构和抗震墙结构中抗震墙塑性屈服宜产生在墙的底部。连梁宜在梁端塑性屈服。第58页/共321页（三）屈服机制 在抗震设计中，增强承载力要和刚度、延性要求相适应。不适当地将某一部分结构增强，可能造成结构另一部分相对薄弱。因此，不合理地任意加强配筋以及在施工中以高强钢筋代替原设计中主要钢筋的做法，都要慎重考虑。第59页/共321页（四）基础结构 基础结构的抗震设计要求是：在保证上部结构抗震耗能机制的条件下，基础结构能将上部结构屈服机制形成后的最大作用（包括弯矩、剪力及轴力）传到基础，此时基础结构仍处于弹性。第60页/共321页（四）基础结构 单独柱基础适用于层数不多、地基土质较好的框架结构。交叉梁带形基础以及筏式基础使用于层数较多的框架。第61页/共321页（四）基础结构 框架结构有下列情况之一时，宜沿两主轴方向设置基础系梁。（1）一级框架和类场地的二级框架；（2）各柱基承受的重力荷载代表值差别较大；（3）基础埋置较深，或各基础埋置深度差别较大；（4）地基主要受力层范围内存在软弱粘性土层、液化土层和严重不均匀土层。第62页/共321页（四）基础结构抗震墙结构以及框架抗震墙结构的抗震墙基础应具有足够的抗转动能力。（1）当按天然地基设计时，最好采用整体性较好的基础结构并有相应的埋置深度。（2）当上部结构的重量和刚度分布不均匀时，宜结合地下室采用箱形基础以加强结构的整体性。（3）当表层土质较差时，为了充分利用较深的坚实土层，减少基础嵌固程度，可以结合以上基础类型采用桩基。第63页/共321页三、框架内力和位移计算（一）水平地震作用的计算一般情况下，可在建筑结构的两个主轴方向分别考虑水平地震作用，各方向的水平地震作用应全部由该方向抗侧力框架结构来承担。第64页/共321页（一）水平地震作用的计算计算多层框架结构的水平地震作用时，一般应以防震缝所划分的结构单元作为计算单元，在计算单元各楼层重力荷载代表值的集中质点G设在楼屋盖标高处。对于高度不超过40m、质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结构，可采用底部剪力法分别求出计算单元的总水平地震作用标准值F、各层的水平地震作用标准值Fi和顶部附加水平地震作用标准值。第65页/共321页（一）水平地震作用的计算结构的基本周期可按下列公式计算：(31)式中，考虑非结构墙体刚度影响的周期折减系数，当采用实砌填充砖墙时取0.60.7；当采用轻质墙、外挂墙板时取0.8；结构顶点假想位移（m），即假想把集中在各层楼层处的重力荷载代表值 作为水平荷载，仅考虑计算单元全部柱的侧移刚度 ，按弹性方法所求得的结构顶点位移。第66页/共321页（一）水平地震作用的计算对于有突出于屋面的屋顶间（电梯间、水箱间）等的框架结构房屋，结构顶点假想位移指主体结构顶点的位移。因此，突出屋面的屋顶间的顶面不需设质点，而将其并入主体结构屋顶集中质点内。当已知第j层的水平地震作用标准值Fj和，第i层的地震剪力 按下式计算：（32）第67页/共321页（一）水平地震作用的计算按（32）求得第i层地震剪力后，再按个层各柱的侧移刚度求其分担的水平地震剪力标准值。抗震规范规定，为考虑扭转效应的影响，对于规则结构，横、纵向边框架柱的上述分配水平地震剪力标准值应分别乘以增大系数1.15、1.05。一般将砖填充墙仅作为非结构构件，不考虑其抗侧力作用。第68页/共321页（二）水平地震作用下框架内力的计算目前，再工程计算中，常采用反弯点法和D值法（改进反弯点法）。反弯点法适用于层数较少，梁柱线刚度比大于3的情况，计算比较简单。D值法近似地考虑了框架节点转动对侧移刚度和反弯点高度地影响，比较精确，得到广泛应用。第69页/共321页（三）竖向荷载作用下框架内力的计算 竖向荷载下框架内力近似计算可采用分层法和弯矩二次分配法。在竖向荷载下可以考虑适当降低梁端弯矩，进行调幅。对于现浇框架，调幅系数 可取0.80.9；装配整体式框架由于节点的附加变形，可取 0.70.8。第70页/共321页（三）竖向荷载作用下框架内力的计算 支座弯矩调幅降低后，梁跨中弯矩应相应增加，且调幅后的跨中弯矩不应小于简支情况下跨中弯矩的50。如图39，跨中弯矩为：图39竖向荷载下梁端弯距调幅第71页/共321页（三）竖向荷载作用下框架内力的计算 只有竖向荷载作用下的梁端弯矩可以调幅，水平荷载作用下的梁端弯矩不能考虑调幅。因此，必须先将竖向荷载作用下的梁端弯矩调幅后，再与水平荷载产生的弯矩进行组合。当活载不很大时，可按全部满载布置。这样，可不考虑框架的侧移，以简化计算。当活载较大时，可将跨中弯矩乘以1.11.2系数加以修正，以考虑活载不利布置对跨中弯矩的影响。第72页/共321页（四）内力组合 在框架抗震设计时，一般应考虑以下两种基本组合：（1）地震作用效应与重力荷载代表值效应的组合当只考虑水平地震作用与重力荷载代表值时，其内力组合设计值S可写成：（34）式中相应于水平地震作用下由重力荷载代表值效应的标准值；水平地震作用效应的标准值。第73页/共321页（四）内力组合 （2）竖向荷载效应，包括全部恒载与活载的组合 无地震作用时，结构受到全部恒载和活载的作用。正常竖向荷载作用下的内力组合有可能对某些截面设计起控制作用。对于这种组合，根据建筑结构荷载规范（GB500092001），其荷载效应组合的设计值S应从下列两种组合值中取最不利值：第74页/共321页（四）内力组合由活荷载效应控制的组合：S由恒荷载效应控制的组合：S式中由恒载产生的内力标准值；由活载产生的内力标准值；活荷载组合值系数，对楼屋盖均布活荷载一般取0.7。第75页/共321页（四）内力组合 在上述两种荷载组合中，取最不利情况作为截面设计用的内力设计值。当需要考虑竖向地震作用或风荷载作用时，其内力组合设计值可参照荷载规范有关规定。第76页/共321页（五）位移计算（1）多遇地震作用下层间弹性位移的计算多遇地震作用下，框架结构的层间弹性位移，应满足下式的要求：式中h层高；多遇地震作用标准值产生的层间弹性位移。求此值时，水平地震作用应采用多遇地震时的地震影响系数。各作用分项系数均应采用1.0。在计算构件刚度D值时，采用构件弹性刚度。层间弹性位移角限值，取1/550；第77页/共321页（五）位移计算 注意：对于装配整体式框架，考虑节点刚度降低对侧移的影响，应将计算所得的增加20。第78页/共321页（五）位移计算计算层间位移的一般步骤是：计算梁、柱线刚度；计算柱侧移刚度；确定结构的基本自振周期Ti；由表27查得设计反应谱特征周期Tg，确定；计算结构底部剪力；第79页/共321页（五）位移计算按式（32）计算楼层剪力；求层间弹性位移（36）验算是否满足第80页/共321页（五）位移计算（2）罕遇地震作用下层间弹塑性位移计算研究表明，结构进入弹塑性阶段后变形主要集中在薄弱层。因此，抗震规范规定，对于楼层屈服承载力系数小于0.5的框架结构，尚需进行罕遇地震作用下结构薄弱层的弹塑性变形计算。第81页/共321页（五）位移计算（1）结构薄弱层的确定 楼层屈服承载力系数 ，其定义是：按构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力与该层弹性地震剪力（按罕遇地震作用）之比。既（37）式中第i层的屈服承载力系数；第i层的楼层受剪承载力；罕遇地震作用下，第i层的弹性剪力。第82页/共321页（五）位移计算注意：此时要采用罕遇地震的地震影响系数来求。按式（37），可计算出各楼层的屈服承载力系数 。如 1，则表示该层处于或基本处于弹性状态。如 1，意味该楼层进入屈服愈深，破坏的可能性也愈大。而楼层屈服承载力系数最小者 即为结构薄弱层。第83页/共321页（五）位移计算（2）楼层屈服承载力的确定计算梁、柱的极限抗弯承载力。计算时，应采用构件实际配筋和材料的强度标准值，不应用材料强度设计值，并可近似地按下列公式计算：梁：（38）第84页/共321页（五）位移计算柱：当轴压比小于0.8或 时，（3-9）式中钢筋强度标准值；混凝土轴心抗压强度标准值；N考虑地震组合时相应于设计弯矩的轴力，一般可取重力荷载代表值作用下的轴力（分项系数取1.0）；、柱截面的宽度、高度、有效高度。第85页/共321页（五）位移计算计算柱端截面有效受弯承载力。A.当时，为强梁弱柱型（图310a），既（310）（311）图310框架节点破坏机制的几种情况第86页/共321页（五）位移计算B.当 时，为强柱弱梁型（图310b）。两者中较小值两者中较小值第87页/共321页（五）位移计算C.当时，而且柱的上端节点为弱柱型，下端节点为弱梁型（图310c)。即：两者中较小者第88页/共321页（五）位移计算D.当 时，而且柱的上端节点为弱梁型，下端节点为弱柱型（图310d)。即：两者中较小者第89页/共321页（五）位移计算式中梁端极限受弯承载力；柱端极限受弯承载力；节点左、右梁端反时针或顺时针方向截面极限受弯承载力之和；节点上、下柱端顺时针或反时针方向截面极限受弯承载力之和；第i层，i+1层，i1层柱顶截面有效受弯承载力；第i层，i+1层，i1层柱底截面有效受弯承载力；第i层，i+1层，i1层柱线刚度。第90页/共321页（五）位移计算计算第i层j根柱的受剪承载力式中 第i层的净高，可由层高H减去该层上、下梁高的1/2求得。第91页/共321页（五）位移计算计算第i层的楼层屈服承载力将第i层各柱的屈服承载力相加即得：第92页/共321页（五）位移计算（3）薄弱层的层间弹塑性位移计算统计表明，薄弱层的弹塑性位移一般不超过该结构顶点的弹塑性位移。而结构顶点的弹塑性位移与弹性位移之间有较为稳定的关系。经过大量分析表明，对于不超过12层且楼层刚度无突变的框架结构和填充墙框架结构可采用简化计算方法，即薄弱层的层间的弹塑性位移可用层间位移乘以弹塑性位移增大系数而得，其计算公式为：第93页/共321页（五）位移计算式中罕遇地震作用下按弹性分析的层间位移（计算方法同前）；弹塑性位移增大系数，与结构的均匀程度和层数有关；当薄弱层的屈服承载力系数不小于相邻层该系数平均值的80时，可视为沿高度分布均匀的结构，按表218采用。当0.5时，则视为不均匀结构，按表218内相应数值的1.5倍采用；其他情况可采用内插法取得。层间弹塑性位移。第94页/共321页（五）位移计算（4）层间弹塑性位移验算在罕遇地震作用下，根据试验及震害经验，多层框架及填充墙框架的层间弹塑性位移应符合下式要求：式中层间弹塑性位移角限值，取1/50；当框架柱的轴压比小于0.40时，可提高10；当柱沿全高加密箍筋并规范规定的体积配箍率的上限值时可提高20，但累计不超过25。h薄弱层的层高。第95页/共321页（五）位移计算 综上所述，按简化方法验算框架结构在罕遇地震作用下，层间弹塑性位移的一般步骤是：按梁、柱实际配筋计算各构件极限抗弯承载力，并确定楼层屈服承载力。按罕遇地震作用下的地震影响系数最大值，按图219确定，计算楼层的弹性地震剪力和层间弹性位移。计算楼层屈服承载力系数 ，并找出薄弱层。第96页/共321页（五）位移计算计算薄弱层的层间弹塑性位移。验算层间位移角，要求满足式2206：第97页/共321页四 框架柱抗震设计 柱是框架中最主要的承重构件，它是压弯、剪构件变形能力不如以弯曲作用为主的梁。为此，应遵循以下设计原则：（1）强柱弱梁，使柱尽量不出现塑性较。（2）在弯曲破坏之前不发生剪切破坏，使柱有足够的抗剪能力。（3）控制柱的轴压比不要太大。（4）加强约束，配置必要的约束箍筋。第98页/共321页四 框架柱抗震设计1强柱弱梁与柱端弯矩设计值的确定 在承载力方面，“强柱弱梁”就是要求同一节点上、下柱端截面极限受弯承载力之和应大于同一平面内节点左、右梁端截面的极限受弯承载力之和。第99页/共321页四 框架柱抗震设计图311强柱弱梁示意第100页/共321页四 框架柱抗震设计 抗震规范规定，一、二级框架的梁柱节点处，除顶层柱和轴压比小于0.15的柱外，有地震作用组合的柱端弯矩应分别符合下列公式要求：（319a)一级框架结构及9度时尚应符合：（319b）第101页/共321页四 框架柱抗震设计式中柱端弯矩增大系数，一级取1.40，二级取1.2，三级取1.0；节点上、下柱端顺时针或反时针方向截面组合的弯矩设计之和；上下柱端弯矩，一般情况可按弹性分析所得弯矩之比分配到上、下柱端；同一节点左、右梁端反时针或顺时针方向截面组合的弯矩设计值之和；第102页/共321页四 框架柱抗震设计 同一节点左、右梁端反时针或顺时针方向实配的正截面抗震受弯承载力所对应的弯矩之和，可根据相应的实际配筋面积和材料强度标准值所确定的正截面受弯承载力之和除以梁受弯承载力抗震调整系数 来求得，即（320）第103页/共321页四 框架柱抗震设计注意：（1）对于轴压比小于0.15的柱，包括顶层柱，因其具有与梁相近的变形能力，故可不必满足上述要求。（2）当柱的组合弯矩设计值不能满足式（519a）或式（519b）的要求时，则应按式（519a）或式（519b）取值进行柱正截面承载力计算。柱上、下端的弯矩值按原有组合弯矩设计值的比例进行分配。第104页/共321页四 框架柱抗震设计 国内外研究表明，要真正达到强柱弱梁的目的，柱与梁的极限受弯承载力之比要求在1.60以上。而按抗震规范设计的框架结构这个比值大约在1.25左右。因此，按式（519）设计时只能取得在同一楼层中部分为梁铰，部分为柱铰以及不致在柱上、下两端同时出现铰的混合机制。故对框架柱的抗震设计还应采取其他措施，如限制轴压比和剪压比，加强柱端约束箍筋等。第105页/共321页四 框架柱抗震设计 试验研究还表明，框架底层柱根部对整体框架延性起控制作用，柱脚过早出现塑性铰将影响整个结构的变形及耗能能力，故应当适当加强底层柱的抗弯能力。为此，抗震规范要求一、二、三级框架的底层柱底截面的组合弯矩设计值应分别乘以增大系数1.50、1.25和1.15。第106页/共321页四 框架柱抗震设计根据上述各项要求所确定的组合弯矩设计值，即可进行柱正截面承载力验算。此时，承载力设计值应按混凝土结构设计规范（GB500102002）计算，但应注意，其承载力设计值应除以承载力抗震调整系数。第107页/共321页四 框架柱抗震设计2在弯曲破坏之前不发生剪切破坏（1）柱剪力设计值 为了防止框架柱出现剪切破坏，一、二、三级抗震设计时应将柱的剪力设计值适当放大。框架柱端部截面组合的剪力设计值，可按下式计算（图312）：（321a）第108页/共321页四 框架柱抗震设计图312梁柱端部截面的受力第109页/共321页四 框架柱抗震设计 一级框架结构及9度时尚应符合(321b)式中柱剪力增大系数，一级取1.4，二级取1.2，三级取1.1；柱的净高；、分别为柱的上、下端顺时针或反时针方向截面组合的弯矩设计值；第110页/共321页四 框架柱抗震设计、分别为柱上、下端顺时针或反时针方向实配的正截面抗震承载力所对应的弯矩值，可根据实际配筋面积、材料强度标准值和轴向力等，按式（322）确定或经综合分析比较后确定。（322）第111页/共321页四 框架柱抗震设计 分别为柱截面宽度和高度；柱截面有效高度；单边纵向钢筋实配截面面积；有地震作用组合所得柱轴向压力设计值。考虑到地震扭转效应的影响明显，抗震规范规定，一、二、三级框架的角柱，经本书上述调整后的柱端组合弯矩值、剪力设计值尚应乘以不小于1.10的增大系数第112页/共321页四 框架柱抗震设计（2）剪压比限值 剪压比是截面上平均剪应力与混凝土轴心抗压强度设计值的比值，以表示，用以说明截面上承受名义剪应力的大小。考虑地震作用组合的矩形截面的框架柱（，为柱的剪跨比），其截面组合剪力设计值应符合下列要求：（323）第113页/共321页四 框架柱抗震设计 对于短柱（），应满足（324）（3）柱斜截面受剪承载力试验证明，在反复荷载下，框架柱的斜截面破坏，有斜拉、斜压和剪压等几种破坏形态。当配箍率能满足一定要求时，可防止斜拉破坏；当截面尺寸满足一定要求时，可防止斜压破坏。而对于剪压破坏，应通过配筋计算来防止。第114页/共321页四 框架柱抗震设计 混凝土结构设计规范规定，框架柱斜截面受剪承载力按下式计算：（325）式中混凝土轴心抗拉强度设计值；框架柱的计算剪跨比，取 ；此外，宜取柱上、下端组合弯矩设计值的较大者，V取与M对应的剪力设计值；当柱反弯点在层高范围内时，可取 ，当 3时，取 3；第115页/共321页四 框架柱抗震设计 考虑地震作用组合的柱轴向压力设计值；当时 ，取；承载力抗震调整系数，取0.85；同一截面内各肢水平箍筋的全部截面面积；箍筋间距。第116页/共321页四 框架柱抗震设计当考虑地震作用组合的框架柱出现拉力时，其余截面抗震受剪承载力应符合下式规定：（326）当式（326）右边括号内的计算值小于 时，取等于 ，且值不应小于 。式中N考虑地震作用组合的框架柱轴向拉力设计值。第117页/共321页四 框架柱抗震设计控制柱轴压比 轴压比 是指有地震作用组合的柱组合轴压力设计值与柱的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积的比值，以 表示。轴压比是影响柱子破坏形态和延性的主要因素之一。第118页/共321页四 框架柱抗震设计 轴压比的不同，柱将呈现两种破坏形态，即混凝土压碎而受拉钢筋并未屈服的小偏心受压破坏，和受拉钢筋首先屈服具有较好延性的大偏心受压破坏。框架柱的抗震设计一般应控制在大偏心受压破坏范围。因此，必须控制轴压比。第119页/共321页四 框架柱抗震设计由界限破坏可知（图313），此时受拉钢筋屈服，同时混凝土也达到极限压应变，则受压区相对高度系数为：（327）图59界限破坏时的受力情况第120页/共321页四 框架柱抗震设计对称配筋，且承受轴压力标准值的作用，利用平衡条件可得受压区高度：（328）由式（328），改写为按轴压力设计值和混凝土轴心受压强度设计值计算，则（329）第121页/共321页四 框架柱抗震设计 综合考虑不同抗震等级的延性要求，对于考虑地震作用组合的各种柱轴压比限值见表37。表37柱轴压比限值类别抗震等级一二三框架柱0.70.80.9短柱()0.650.750.85第122页/共321页四 框架柱抗震设计确定柱截面尺寸除了符合柱轴压比限值之外，抗震规范还提出下列规定：1）截面的宽度和高度均不宜小于300mm，圆柱直径不宜小于350mm；2）剪跨比宜大于2，避免采用短柱；3）截面长边与短边的边长不宜大于3。第123页/共321页四 框架柱抗震设计 4、加强柱端约束 根据震害调查，框架柱的破坏主要集中在柱端1.01.5倍柱截面高度范围内。因此，应采用加密箍筋的措施来约束柱端。加密箍筋可以有三方面作用：第一，承担柱子剪力；第二，约束混凝土，可提高混凝土抗压强度，更主要的是提高变形能力；第三，为纵向钢筋提供侧向支承，防止纵筋压曲。第124页/共321页四 框架柱抗震设计试验资料表明，在满足一定位移的条件下，约束箍筋的用量随轴压比的增大而增大，大致呈线性关系。为经济合理地反映箍筋含量对混凝土的约束作用，直接引用配箍特征值。为了避免配箍率过小还规定了最小体积配箍率。抗震规范规定，柱箍筋加密区的体积配箍率应符合下列要求：(330)第125页/共321页四 框架柱抗震设计式中柱箍筋加密区的体积配箍率，一级不应小于0.8，二级不应小于0.6，三、四级不应小于0.4；计算复合箍的体积配箍率时，应扣除重叠部分的箍筋体积；混凝土轴心抗压强度设计值；强度等级低于C35N/mm2时，应按C35计算；箍筋或拉筋抗拉强度设计值，超过360N/mm2时，应取360N/mm2计算；最小配箍特征值，宜按表38采用。第126页/共321页四 框架柱抗震设计 柱端箍筋加密区的加密区长度、箍筋最大间距、箍筋最小直径等项构造要求，列于表39。为了有效地约束混凝土以阻止其横向变形和防止纵筋压曲，柱加密区的箍筋肢距也做了相应的规定。第127页/共321页四 框架柱抗震设计 考虑到柱在其层高范围内剪力值不变及可能的扭转影响，为避免非加密区抗剪能力突然降低很多而造成柱中段剪切破坏，抗震规范还柱非加密区的箍筋量以及箍筋间距做了相应的规定。第128页/共321页四 框架柱抗震设计 为了避免地震作用下柱过早进入屈服，并获得较大的屈服变形，必须满足柱纵向钢筋的最小总配筋率。总配筋率按柱截面中全部纵向钢筋的面积余截面面积之比计算。同时，每一侧配筋率不应小于0.2。框架柱纵向钢筋的最大总配筋率也应受到控制。过大的配筋率容易产生粘结破坏并降低柱的延性。第129页/共321页四 框架柱抗震设计当采用搭接接头时，纵向受拉钢筋的抗震搭接长度应按下式确定：（331）式中纵向受拉钢筋的抗震锚固长度，按式（337）确定；纵向受拉钢筋搭