现代建筑结构抗震设计理论概述.pptx

建筑(jinzh)结构抗震设计理论与实例第一章地震及结构抗震基本知识第二章场地、地基、基础第三章单自由度体系结构的地震反应第四章多自由度体系结构的地震反应第五章地震作用和结构抗震设计(shj)要点第六章多高层钢筋混凝土结构房屋抗震设计(shj)第七章多层砌体房屋和底部框架、内框架砌体房屋抗震设计(shj)第八章钢结构房屋抗震设计(shj)第九章单层厂房及单层空旷房屋抗震设计(shj)第十章非结构构件抗震设计(shj)第一页，共95页。第一章 地震及结构(jigu)抗震的基本知识1.1 地震成因(chngyn)及地震类型地壳：地球外表面的一层薄壳。最薄处约5km，地震(dzhn)多发于此。1.1.1 地球的构造第二页，共95页。1.1.2 地震的发生(fshng)过程地球(dqi)内部由于某种原因发生振动，并以波的形式传递到地表引起地面震动。内部发生振动的地方称之为震源。震源在地表的投影叫震中。震源至地面的垂直距离叫震源深度。根据震源深度以60m，300m为限将地震划分为：浅源地震、中源地震、深源地震。浅源地震危害大。1.1.3 地震的成因(chngyn)与类型根据地震成因来分：构造地震：火山地震；塌陷地震；水库引发地震：第三页，共95页。1.2 地震波以及(yj)传播地震以波的形式由震源(zhnyun)传递到地表。地震波分为：体波和面波。1.2.1 体波体波是指通过地球本体内(t ni)传播的波，包含纵波、横波。纵波：质点振动方向与波的传递方向一致的波。横波：质点振动方向与波的传递方向垂直的波。纵波为压缩波，无论是在固体内还是液体内均能传播。横波为剪切波，只能在固体内传播。第四页，共95页。波速(b s)可以按下式计算：式中Vp 纵波波速Vs 横波波速E 介质的弹性模量(tn xn m lin)介质的泊松比；介质的密度；G 介质的剪切模量；拉梅常数通过两种波速的比较可见：纵波(zn b)的传播速度快于横波，即纵波(zn b)先到达地面第五页，共95页。1.2.2 面波瑞雷波振动轨迹剖面(a)和射线(b)第六页，共95页。面波是指介质表面或地球表面及其附近传播的波，一般认为是体波经地层界面多次反射形成的次生波，包含瑞雷波和乐普波。乐普波的传播是质点在与波的传播方向相垂直的水平方向的剪切型运动。质点在水平方向振动(zhndng)与波行进方向耦合后会产生水平扭转分量。第七页，共95页。1.2.3 地震波的主要特新及其在工程(gngchng)中的应用1、地震(dzhn)加速度波形的频谱特性及持续时间的影响软土地基上地震(dzhn)加速度波形中长周期的分量比较显著，而硬土地基上加速度波形则包含多种频谱成分，一般短周期的分量比较显著。长时间持续的地震(dzhn)冲击作用下，结构物的破坏与静载作用下的破坏值相差较大。第八页，共95页。1.3 地震震级(dzhn zhnj)与地震烈度1.3.1 地震震级(dzhn zhnj)地震震级(dzhn zhnj)是表征地震强弱的指标，是地震释放多少能量的尺度。小于2级的地震人们感觉不到；5级以上的地震就要引起不同程度的破坏，统称为破坏性地震；7级以上地震称为强烈地震。地震烈度：是地震对地面影响的强烈程度，主要依据宏观的地震影响和破坏现象等方面来判断。地震烈度是表示某一区域范围内地面和各种建筑物受到一次地震影响的平均强弱程度的一个指标。根据1999年颁布的中国地震烈度表划分地震烈度。第九页，共95页。1.4 地震灾害(zihi)与抗震设防地震(dzhn)灾害：1、地表破坏(phui)2、建筑物破坏(phui)3、次生灾害结构抗震设防：三水准的设防目标：小震不坏、设防烈度可修、大震不到。抗震设防目标的实现：第一水准：按弹性计算结构在多遇地震下的内力进行强度计算可保证小震不坏的设防目标；第二水准：主要通过概念设计以及构造措施来保证；第三水准：对脆性结构主要从抗震措施上加强；对延性结构则进行弹塑性变形验算加以保证。第十页，共95页。第二章 场地(chngd)、地基、和基础2.1 建筑(jinzh)场地一.建筑地段的选择(地质构造和地形)1.地段类别的划分：(1)有利地段：基岩、坚硬土或密实均匀的中硬土。(2)不利地段：软土、液化土、不均匀土(河道、暗浜等)。(3)危险地段：地震时可能发生滑坡、崩陷、地裂、泥石流等及发展断裂带。2.发展断裂带的震害和避让：(1)震害：断裂带是地质构造上的薄弱环节，在地震时可能产生新的错动，使地面建筑物遭受较大的破坏。所以对于这种危险地段选择建筑场地时应予以避开。(2)影响断裂带错动的因素：地震裂度、覆盖土层厚度：8度60m，9度90m时，可不考虑其影响。(3)避让：不满足(mnz)上述条件时，应避开发震地带，避开距离应大于200-300。第十一页，共95页。2.1 建筑(jinzh)场地二.场地土的分类：地震时，地震波经过土层多次的反射、折射、传入建筑物振动后，又将一部分能量回输到地基、滤波？放大？很复杂(fz)。但场地土的影响是明显的。如1976年委内瑞拉地震-P19。软弱地基上，柔性结构易破坏，刚性结构相应表现 较好。坚硬地基上，柔性结构表现较好，刚性结构表现不一，如74年宁海、76年唐山地震。深厚覆盖土层上建筑物的震害较重，而浅层土上建筑物的震害则相对要轻些。第十二页，共95页。2.1 建筑(jinzh)场地 1)影响因素 覆盖土层类型：*坚硬土成岩石：Vs500m/s。*中硬土：250m/sVs=500m/s。*中软土：140m/s=250m/s。*软弱土：Vs500m/s)顶面的距离。第十三页，共95页。2.1 建筑(jinzh)场地 覆盖土层厚度：覆盖土层至坚硬层(Vs500m/s)顶面的距离。2).特殊情况：当无实测剪切波速时，也可由载荷试验参考按P20表2.1来划分土的类型(lixng)。当由若干层土层组成的场地土，可用土层的等效剪切波速来划分土的类型(lixng)。等效剪切波速计算公式：P20式(2.1)(2.2)。3).抗震规范场地类别划分：抗震规范按照表层土的剪切波速和场地覆盖层厚度两个因素，将建筑物场地分为I-IV四种类别，见表2.2所示；P21。第十四页，共95页。例题(lt)2.1：已知某建筑场地的地质钻探资料如表2.3，试确定该建筑场地的类别(libi)。P21 层底深度(m)土层厚度(m)土层名称 土层剪切波速(m/s)9.5 9.5 砂 37.8 28.3 淤泥质粘土 86.5 18.5 第十五页，共95页。解：(1)确定地面(dmin)下20m范围内土的类型 剪切波从地表到20m深度范围的传播(chunb)时间：所以(suy)表层土属中软土。(2).确定覆盖层厚度：68m以下土层为砾石夹砂、土层剪切波速500m/s.覆盖层厚度应是为68m。(3).确保类别：据表层土属于中软层和覆盖层厚度在9m-80m之间两个条件，查表2.2得 类场地土。第十六页，共95页。2.2 地基(dj)的抗震验祘一.天然地基破坏极少.二.可不进行抗震验祘的天然地基：1.为了简化和减少抗震设计(shj)-P22。三.天然地基的抗震验算：考虑到地震作用下土的动强度比静强度高和可靠度应该以静力荷载下有所降低，地基抗震承载力设计(shj)值采用静力承载力设计(shj)值乘以调整系数。地基和基础的抗震验算：一般采用 是所谓的拟静力法计算(j sun)。另外，还需限制地震作用下过大的基础偏心荷载。第十七页，共95页。2.2 地基(dj)的抗震验祘四.桩基的抗震验算：1.可不进行桩基抗震验算的范围：P24。2.当需要进行桩基础抗震验算时：1).单桩的竖向和水平向抗震承载力特征值：-见下节的讨论P24。2).当考虑桩基承受水平向地震(dzhn)荷载效应的验算时，应根据具体情况确定桩和承台(包括地下室)荷载分担此问题。P24。五.液化地基的判别与处理：(1).地基土的液化：地基土液化，在地震作用下，饱和砂土或粉土颗粒间急剧上升的孔隙水压力来不及消散，使有效压力降低，当有效压力完全(wnqun)消失时，土体抗剪强度为0，形成有如液体的现象，即称为液化。第十八页，共95页。2.2 地基(dj)的抗震验祘 (2).液化危害 1).地面：喷水、冒砂、地陷等。2).建筑物：下沉、倾斜，如唐山地震时，天津办公楼半层沉地下；上部结构(jigu)破坏；室内地坪破坏等。2.决定地基液化的主要因素有：(1)土层的地质年代。(2).土的组成和密实饱度。(3).液化土层的埋深。(4).地下水位深度。(4).地震烈度和持续时间。3.液化的初步判别：初步判别为不液化或可不考虑(kol)液化影响的条件：P27。第十九页，共95页。2.2 地基(dj)的抗震验祘4.试验(shyn)判别：*标准贯入试验(shyn)的判别公式为：锤重：(63.5kg)、落地：(76cm)、打入土层(t cn)深度：(30cm)。*计算液化指数：P30。5.地基抗液化措施：P31。第二十页，共95页。思考题1.为什么抗震设计时要考虑场地影响?怎样考虑?分4类、分类依据。P20。P19。设防烈度。2.影响土层液化的主要因素(yn s)是什么?怎样判别?土层液化会造成那些后果?3.根据表中数值计算场地等效剪切波速，并判断场地类别。Vs(m/s)180 200 260 420 530第二十一页，共95页。第三章 单自由度体系结构的地震(dzhn)反应 3.1 概述(i sh)一.建筑结构的地震反应：*地震反应：地面运动作用于房屋,在房屋结构中产生的内力、变形、位移速度和加速度。*影响地震反应的因素：房屋结构的动力特性、地面运动特性(幅值、频谱特性、持续时间)等。*需求解一亇动力学问题，很复杂。分析中需要进行简化。二.建筑结构的动力计算简图：P36 图3.1,3.2。房屋结构的简化：一般将一单层房屋集中为一个质的，将竖向构件质量集中至上下两端(lin dun)，忽略质量的扭转效应，按单自由度考虑。三.地震反应分析的目的：计算地震作用下结构的内力，进行结构抗震设计。第二十二页，共95页。3.2 单自由(zyu)度体系的自由(zyu)振动 一.力学模型(mxng)及运动方程：*质奌所受的力：弹性(tnxng)恢复力：Fs=-kx,惯性力：阻尼力：外力:P(t)*达郎贝尔原理：*运动方程：第二十三页，共95页。3.2 单自由度体系(tx)的自由振动 -无阻尼(zn)自振圆频率阻尼比 c 阻尼(zn)系数第二十四页，共95页。3.2 单自由(zyu)度体系的自由(zyu)振动 2.地面(dmin)运动作用下运动方程：地面(dmin)运动加速度：质奌绝对加速度：质奌相对地面加速度：惯性力：质奌的阻尼力：恢复力：第二十五页，共95页。3.2 单自由(zyu)度体系的自由(zyu)振动*达朗贝尔原理(yunl)：*运动(yndng)方程(公式)二.运动方程的解：1.单自由度体系的无阻尼自由振动：一般解:第二十六页，共95页。3.2 单自由(zyu)度体系的自由(zyu)振动给定(i dn)初始条件t=0时,初位移则 振幅(zhnf)-A,圆频率-周期 频率 即 加速度 惯性力 初速度第二十七页，共95页。3.2 单自由度体系(tx)的自由振动2.单自由度体系(tx)的有阻尼自由振动：结构中存在一种耗能的因素(yn s)-阻尼。一般采用粘滞阻尼理论，粘滞阻尼理论假定：阻尼力与速度成正比、但方向与速度相反。第二十八页，共95页。3.2 单自由(zyu)度体系的自由(zyu)振动,初速度为 初始条件t=0时,初位移(wiy)为 第二十九页，共95页。3.2 单自由度体系(tx)的自由振动例3.1:一单自由度体系(tx):m=204t,k=8048.6kN/m,阻尼比取为0.05,求体系(tx)的自振特性.解:第三十页，共95页。单自由度体系(tx)在任意荷载作用下的受迫振动：1)瞬时荷载作用(zuyng)下的自由振动：代入初始条件:t=0,位移(wiy)x=0,初速度 得 2)一般动力荷载作用下的动力反应：在方程解中：第三十一页，共95页。单自由度体系在任意荷载作用(zuyng)下的受迫振动：2)一般动力荷载(hzi)作用下的动力反应：杜哈美积分(jfn)3)地面运动作用情况：第三十二页，共95页。3.4 单自由度体系地震反应(fnyng)的数值计算：一.地面(dmin)运动作用下的位移反应，代入 二.运动方程数值(shz)计算：1.分析方法：将时段0,T划分为n个时间段:当 杜哈美积分中用 第三十三页，共95页。3.4 单自由度体系(tx)地震反应的数值计算：将时段0,T划分(hu fn)为n个时间段:当 时 在tk,tk+1内设定某种变化规律,从而根据tk时刻(shk)值,求得tk+1时刻(shk)的值.2.线性加速度法：假定tk,tk+1 内的加速度满足下式:在区间 tk,tk+1内对上式进行积分,得:第三十四页，共95页。3.4 单自由度体系地震反应的数值(shz)计算：在区间 tk,tk+1内对上式进行(jnxng)积分,得:第三十五页，共95页。3.4 单自由度体系地震(dzhn)反应的数值计算：在区间 tk,tk+1 对(3.1 6)式进行(jnxng)积分,得:第三十六页，共95页。3.4 单自由度体系(tx)地震反应的数值计算：将上两项代入运动(yndng)方程第三十七页，共95页。3.5 抗震(kngzhn)设计反应谱求解地震作用下结构内力的方法：1.比较精确的方法：建立结构体系的动力学模型，根据在地震作用下的位移反应(fnyng)，利用刚度方程，直到求觧内力。适用情况：理论分析。2.近似方法：根据地震作用下结构的加速度反应(fnyng)，求出该结构体系的惯性力，将此惯性力视作为一种反映地震影响的等效力，即地震作用，再进行结构静力计算，求出各构件内力。适用于结构设计。抗震规范近似方法 一.水平地震作用的基本公式：对于某一特定的地面运动体系(tx)的加速度反应质点的绝对加速度为 第三十八页，共95页。3.5 抗震设计(shj)反应谱质点(zhdin)的最大绝对加速度:地震时结构经受(jngshu)的最大地震作用 二.地震影响系数：地震影响系数不包含地面运动强烈程度和结构反应大小地震系数:第三十九页，共95页。3.5 抗震设计(shj)反应谱 动力系数(放大(fngd)倍数)反应(fnyng)单质奌-多少倍 P49.三.水平地震作用的计算：关键要确定影响因素,设防 烈度，场区的地震动特性和场地条件。第四十页，共95页。3.5 抗震设计(shj)反应谱四.地震反应谱：1.影响结构地震反应的因素：地面(dmin)运动(加速度波)；场地特征(特征周期)；结构动力特性(周期和阻尼)。2.反应谱曲线的绘制：(1).反应谱曲线：单质奌结构反应(加速度、速度、位移)与结构自振周期的关系曲线。(2)反应谱曲线的确定 已知结构的阻尼(一般变化不大)，场地特征，对某一特定的地面(dmin)运动、地震加速度反应只与结构的周期有关，因此可求出加速度(速度、位移)。a与周期T的-对应关系，这样给定任一地面(dmin)运动、即可做出一条a-T曲线、称作加速度反应谱曲线。第四十一页，共95页。3.5 抗震(kngzhn)设计反应谱3.反应谱曲线的特点：1).多峰值，2).阻尼影响大，3)随周期变化规律显著。地面运动无规律，包含了不同频率的分量，不同结构放大频率不同。4.标准地震加速度反应谱曲线：1).地震动力反应谱是某一个地震记录的，同时有很多峰值。不同地震记录的反应谱之间的差别很大。需对大量的地震反应谱进行标准化、平均化处理，得到设计反应谱。2).场地地面运动的选取：根据建筑(jinzh)特征选择数条合适的地面加速度波，绘制几条a-T曲线进行统计拟合确定出一条适合该建筑(jinzh)场地的反应谱曲线，称为标准反应谱曲线。3).标准反应谱曲线的应用：已知结构的周期、即可由标准反应谱曲线直接查出加速度反应。第四十二页，共95页。3.5 抗震(kngzhn)设计反应谱五.抗震规范设计反应谱：1.我国抗震规范中的设计反应谱、即为地震影响(yngxing)系数曲线 2.地震影响系数曲线的确定：1).选用国内、外近300条地震记录，按场地类别归类(u li)、统计拟合出标准地震影响系数曲线。：取决于设防烈度和阻尼。3)谱曲线-的形状了：*场地条件：场地类型和地震分组(分第一组、第二组、第三组)2).谱曲线的峰值：第四十三页，共95页。3.5 抗震(kngzhn)设计反应谱六.设防烈度地震(dzhn)有关参数的确定：表3.2 设防烈度和地震(dzhn)加速度值的关系 设防烈度 6 7 8 9 (0.15)g (0.30)g 第四十四页，共95页。3.5 抗震设计(shj)反应谱3.6 单自由度体系的非线性地震反应与计算(了解)本章将考虑结构变形时的材料非线性状，阻尼仍采用瑞利阻尼假定。思考题：1.结构抗震计算有几种方法？分别在什么情况下应用？P118 2.解释地震反应谱和设计反应谱之间的关系?3.6.1 材料的非线性.3.6.2 单自由度非线性体系的运动(yndng)方程.3.6.3 非线性运动(yndng)方程的求觧.3.6.4 恢复力模型.3.6.5 单自由度体系地震及应计祘程序 第四十五页，共95页。3.5 抗震设计(shj)反应谱一.材料的非线性：当应力较小时，建筑结构中常用的钢砼和砌体(q t)这两种材料，应力和应变基本上呈线性关系，反映在宏观上，构件所受的力或其恢复力和构件变形或位移成线性关系，在力学模型中，构件可理想化为一根线忙弹簧。当变形增大，特别是材料出现裂缝后，应力和应变之间已不再具有线性关系，有部分变形不能恢复，在宏观上、构件的恢复力和变形之间不再具有线性关系。二.单自由度非线性体系的运动方程：第四十六页，共95页。3.5 抗震设计(shj)反应谱当体系(tx)变形较大，质奌所受到的恢复力fs和质奌变形之间的非线性关系与质奌的变形有关：体系的运动(yndng)方程为:非线性运动方程的求解：时刻和时刻均成立，即-P51 恢复力模型 体系的恢复力模型反映了体系恢复力fs在体系整个振动过程中的变化规则-P53 半退化三线型恢复力模型 运动方程在第四十七页，共95页。第四章 多自由度体系结构的地震(dzhn)反应 4.1 多自由度体系的自由振动 1.实际房屋的自由度：无限个。简化(jinhu)：有限自由度模型。2.常用分析模型：层间模型：每个楼面、屋面可作用一个质点，墙柱质量则分别向上下质点集中。二.两自由度无阻尼运动方程的建以立：以两个自由度为例：1.质点的运动：第四十八页，共95页。4.1 多自由度体系(tx)的自由振动 地面(dmin)运动加速度：质点(zhdin)相对加速度：质点绝对加速度：2.质点1的运动方程：惯性力：恢复力：第四十九页，共95页。4.1 多自由度体系(tx)的自由振动平衡(pnghng)方程：质点(zhdin)1运动方程：3.质点2的运动方程：惯性力：恢复力：平衡方程：第五十页，共95页。4.1 多自由度体系(tx)的自由振动质点2运动(yndng)方程：合并式(4.2)和(4.3)写成矩阵(j zhn)形式考虑阻尼时：第五十一页，共95页。4.1 多自由度体系(tx)的自由振动采用(ciyng)端雷阻尼假定：三.多自由度体系的自振频率(pnl)：无阻尼振动方程：考虑两自由度情况，假定位移矢量：代入 第五十二页，共95页。4.1 多自由(zyu)度体系的自由(zyu)振动 频率(pnl)方程:或 展开(zhn ki):第五十三页，共95页。4.1 多自由(zyu)度体系的自由(zyu)振动-第一(dy)自振圆频率 (较小)-第二(d r)自振圆频率 (较大)-较大的为第一自振周期-较小的为第二自振周期-较小的为第一自振频率-较大的为第二自振频率第五十四页，共95页。四.多自由度体系(tx)的振型 振型的概念：对应某一自振频率各质点(zhdin)位移向的关系：1.对应某一自振频率各质点(zhdin)位移的比值：频率方程：特点：位移幅值的比值(bzh)为常数。第五十五页，共95页。2.对应某一自振频率、各质点任意时刻位移(wiy)的关系：位移(wiy)比值仍为常数。第五十六页，共95页。3.体系运动的组成(z chn)：包含所有的频率和振型。(以第一频率振动的位移)(以第二频率振动的位移1)多自由度运动方程的特点-耦联的微分方程。2)质点的运动包括(boku)所有振型频率。3).各主振型之间具有关系？第五十七页，共95页。4.振型的正交性：任意两个(lin)不同频率的主振型之间有在互相正交的性质。频率方程:转置(zhun zh)变换:第五十八页，共95页。振型关于质量(zhling)矩阵正交性同样(tngyng)可得:振型于刚度矩阵正交性 进一步可得:振判型规格化:第五十九页，共95页。五.结构周期(zhuq)的计算(一).基本周期的实用近似计算：1.能量(nngling)法 P70 1)体系的最大变形能：2)体系(tx)的最大动能：3)能量守恒原理:第六十页，共95页。对应第一(dy)振型,假定:第六十一页，共95页。2.等效质量法：基本思想：用一个等效单质点体系、代替(dit)原来的多质点体系。原则为：1)等效单质点体系与原多质点体系的基本自振效率相等。2).两者的最大动能相等。3）多质点体系、第一振型约束条件和刚度与原体系相等等效单质点(zhdin)体系的最大动能：第六十二页，共95页。连续质量体系弯曲型悬臂(xunb)构件，剪切型悬臂(xunb)构件弯剪型悬臂结构介于前两者之间。等效单质点(zhdin)体系的频率：-体系在等效质奌处,受单位水平力所产生所水平位移 第六十三页，共95页。基本思想：将悬臂结构的基本周期，用顶点位移表示，而该顶点位移为将结构重力荷载作为水平荷载作用在结构顶点所产生的假想顶点位移。对质量沿高度(god)均匀分布的等截面弯曲型悬臂杆:将重力(zhngl)荷载作为水平荷载产生的顶点位移为：第六十四页，共95页。4.2 多自由度体系(tx)的振型分觧法 一.振型分解法基本概念：1).坐标(zubio)变换：坐标(zubio)变换 将振型和组合系数再叠加2).振型乘以组合系数叠加：将实际位移按振型加以分觧、故称为振型分解法。第六十五页，共95页。4.2 多自由度体系(tx)的振型分觧法二.多自由度体系(tx)振型分觧：振型分解式：将质点地震作用下任一时刻的位移用其振型的线性组合表示，其中假定阻尼(zn)矩阵C可表示为:三.多自由度体系地震反应振型分觧法的求解步骤：1.求体系自振效率和振型.3.求解 的各阶单自由度体系的广义坐标：4.按振型叠加原理计算各质点的位移.第六十六页，共95页。4.3 受自由度体系的水平地震作用(zuyng)及效应*适合于工程抗震设计的方法：简单、实用。*需要的关键参数：各质点反应的最大值。*简化分析方法：在振型分解法的基础上，结合适用单自由度体系的反应谱理论，推导出实用的振型分解反应谱法。*在某些特定的条件下，还可推得更为简单的底部剪力法。一.振型分觧反应谱法：多自由度体系的水平地震作用、可用各质点所受的惯性力来代表。-P77 *振型的地震组合时振型反应的确定(qudng)：结构的总地震反应应以底阶振型为主，高阶振型的影响较小。1).一般情况下、可取结构前2-3振型进行组合、但不多于结构自由度。2).当结构基本周期大于1.5s或高宽比大于5时，可适当增加。第六十七页，共95页。4.3 多自由度体系的水平地震作用(zuyng)及效应 总底层(d cn)剪力的分配：根据第一振型近仍为直线(zhxin)的假定，误差分析：1).顶点的水平地震作用为：鞭梢效应：突出屋面的小建筑，由于刚度和质量突然变小，局中地震反应有可能加剧，计算作用在小建筑上的地震作用需乘以增大系数，抗震规范规定为3，向主体结构传递时不乘增大系数 第六十八页，共95页。第五章 地震(dzhn)作用和结构抗震设计要点 各类建筑抗震设防(shfng)的目标.“三水准”,“两阶段”抗震设计目标,即小震不坏、中震可修、大震不倒“,分别按弹性和弹塑性两阶段设计。一.地震作用计算的一般规定.抗震规范规定的计算原则.1).一般情况下,应在建筑结构的两个主轴方向分别考虑水平地震作用并进行抗震验祘.如房屋角部.2).不同方向抗侧力结构的共同构件,应考虑双向水平地震作用的影响。第六十九页，共95页。第五章 地震作用和结构抗震设计(shj)要点 地震作用计算方法的选用情况：根据不同的结构、不同的设计要求区别对待。1).底层剪力法适用(shyng)情况：高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质体系的结构。2).振型分解反应谱法适用(shyng)情况：P96 3).时程分析法适用(shyng)情况：P96第七十页，共95页。第五章 地震(dzhn)作用和结构抗震设计要点釆用时程分析法进行计算应注意以下问题：*满足地震动三要素：频谱特性、有效峰值和持续时间均要符合规定，频谱特性可根据地震影响系数曲线所处的场地类别和设计地震分组确定。*输入加速度时程曲线的持续时间，不论实际的地震记录还是人工摸似的波形，一般为结构周期(zhuq)的5-10倍。*最小地震波数：不少于二组实际地震波记录和一组人工模似的加速度时程曲线，其平均地震影响系数曲线应与振型分解反应谱法所采用的地震影响系数曲线在统计意义上相符.第七十一页，共95页。第五章 地震作用和结构抗震(kngzhn)设计要点三.重力荷载代表值的计算(j sun)：进行结构抗震设计时考虑的重力荷载称为重力荷载代表值，重力荷载包括恒载和活载。由于地震发生时，活载往往达不到标准值，因此，在计算(j sun)顶点的重力荷载可对活载进行折减。四、水平地震(dzhn)作用的有关规定：2、平面规则的建筑结构，可以不考虑扭转耦联计算时，但应增大边榀结构地震(dzhn)内力第七十二页，共95页。第五章 地震(dzhn)作用和结构抗震设计要点 结构抗震验算内容 (小震不坏)1.多遇地震下结构允许弹性(tnxng)变形验算，防止非结构构件破坏。2.多遇地震下强度验算，防止结构构件破坏。(大震不倒)3.罕遇地震下结构的弹塑性变形验算，防止结构倒塌。中震可修(非计算、通过构造保证)。第七十三页，共95页。第五章 地震作用(zuyng)和结构抗震设计要点*结构构件的地震作用效应和其它荷载效应组合(zh)，可按下式计算：罕遇地震作用下结构弹塑性变形验算(yn sun)。结构的弹塑性变形控制目标：保证结构不致倒塌。验算(yn sun)方法：应对结构的薄弱层(变形大)进行弹塑性验算(yn sun)，一般在强震作用下使其小于某限值，以保证结构不致倒塌。第七十四页，共95页。第六章 钢砼多高层结构抗震(kngzhn)设计 6.1 结构(jigu)震害分析 一.框架结构震害.1.结构层间屈服强度有明显薄弱楼层.强烈(qin li)地震作用下，结构的薄弱层将率先屈服，并且形成塑性变形集中的现象。2.柱端破坏：框架结构破坏一般是梁轻柱重，柱顶重于柱底，尤其是角柱和边柱更易发生破坏。一般发生柱端弯曲破坏、轻者发生水平或斜向裂缝，重者砼压酥、主筋外露、压屈和箍筋崩脱。3.节点破坏.当节点核心区无箍筋约束时、节点与柱端合并加重。4.砌体填充墙破坏严重.8度和8度以上地区，填充墙裂缝明显加重，其至部分倒塌，震害规律一般是上轻下重。第七十五页，共95页。6.1 结构(jigu)震害分析 二.抗震墙(相当于剪力墙)结构的震害.1.连梁震害：开洞抗震墙，因洞口应力集中，在约束弯矩作用下连梁端部很容易形成(xngchng)垂直裂缝，连梁常是高梁、跨高比小于2，还易形成(xngchng)斜向的剪切裂缝。2.墙肢破坏：底层详肢内力最大易出现裂缝和破坏。水平荷载下受拉的墙肢轴压力较小，甚至会出现拉力，墙肢底部容易出现水平裂缝。*墙肢总高度和总宽度之比较小时，使总剪跨比较小，墙肢中的斜向裂缝可能贯通发生剪切破坏。*某个抗震墙肢剪跨比较小时，可能出现局部墙肢的破坏。第七十六页，共95页。6.2 钢筋砼结构抗震(kngzhn)设计的基本要求 1.地震作用越大，房屋抗震要求越高。*震害表明、未经抗震设计的钢筋砼结构，在7度区只有个别构件破坏，7度、9度破坏增多，所以、对不同设防烈度和场地、可以有明显差别。2.结构的抗震能力主要取决于主要抗侧力构件的性能，主、次要抗侧力构件的要求可以有区别。3.房屋越高，地震反应越大，其抗震要求越高。4.抗震等级划分：综合考虑地震作用、结构类型和房屋高度等因素、划分抗震等级进行抗震设计，可以对同一设防烈度的不同高度的房屋采用(ciyng)不同抗震等级设计；对同一建 二.钢筋砼结构体系要求.P114筑物中结构部分采用(ciyng)不同的抗震等级。第七十七页，共95页。6.2 钢筋(gngjn)砼结构抗震设计的基本要求二.结构宜有多道抗震防线：1.框架-填充墙结构是性能较差的多道抗震防线结构。第一道防线：砌体填充墙、刚度大、承载力低、实际上是与框架共同工作，但抗震性能差；第二道防浅：框架结构、一旦填充墙达到承载力，刚度退化快，地震作用转化(zhunhu)给框架。2.框架-抗震详结构是具有良好性能的多道抗震防线结构。其中抗震墙既是主要抗侧力构件又是第一道防线。因此抗震墙应有足够的数量。第七十八页，共95页。6.2 钢筋砼结构抗震设计的基本(jbn)要求三.合理设计结构破坏机制.1.框架结构的破坏机制.1).节点基本(jbn)不坏，梁比柱的屈服早发生、多发生。2).同一层中各柱两端的屈服历程越长越好，底层柱的塑性铰较晚形成。3).概念设计理念：强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件。2.框架-抗震墙结构的破坏机制.*破坏形态为弯剪破坏，且塑性屈服宜发生在柱底，连梁应在梁端塑性屈服。*条件：控制各墙段高宽比不宜小街2。第七十九页，共95页。6.2 钢筋砼结构抗震设计(shj)的基本要求五.控制构件在极限(jxin)破坏前不发生明显的脆性破坏：1.轴压比限制：2.剪压比限制(xinzh)：1).剪压比影响：*配筋率过大时、不能充分发挥箍筋强度，发生斜压破坏。*剪压比对截面变形有影响。*实际上是限制(xinzh)最小截面尺寸。剪跨比不大街2的矩形框架：第八十页，共95页。6.3 钢筋砼框架结构抗震设计内力(nil)组合 一.结构抗震(kngzhn)设计内力组合情况 1.需考虑(kol)的内力组合项。2.承载力验算式：第八十一页，共95页。6.4 钢筋(gngjn)砼框架结构抗震验算 2.控制构件的破坏形态，正截面适筋破坏，提高变形能力。3.体现能力控制的概念，并区别不同的抗震(kngzhn)等级，在一定程度上实现强柱弱梁、强节点弱杆件、强剪弱弯的破坏规则。4.在安全、经济、合理的前提下转换为承载力设计表达式 第八十二页，共95页。6.4 钢筋砼框架结构抗震(kngzhn)验算二.抗震设计构件(gujin)内力设计值调整：1.根据(gnj)强柱弱梁原则进行柱弯矩值调整：9度和一级框框尚应符合：2.根据强剪弱弯原则进行剪力设计值调整.框架梁剪力设计值调整 框架柱剪力设计值的调整 第八十三页，共95页。6.4 钢筋砼框架结构抗震(kngzhn)验算三.截面(jimin)抗震验算：1.梁截面(jimin)验算：截面限制条件：第八十四页，共95页。6.4 钢筋砼框架结构抗震(kngzhn)验算2)斜截面(jimin)验算：截面限制(xinzh)条件 第八十五页，共95页。6.4 钢筋砼框架结构抗震(kngzhn)验算2.柱截面(jimin)验算：1).正截面(jimin)验算 2).轴压比的限制：3).斜截面的验祘 第八十六页，共95页。6.4 钢筋(gngjn)砼框架结构抗震验算3.框架(kun ji)节点抗剪设计 1.层间弹性位移(wiy)验算：3).层间屈服剪力计算4).层间弹塑性水平位移(wiy)计算第八十七页，共95页。6.5 抗震(kngzhn)墙结构设计 1.基本概念：抗震(kngzhn)墙结构就是抵抗侧向力的钢筋砼剪力墙结构，它可以是单独的由抗震(kngzhn)墙组成的结构；也可以和框架共同抵抗侧向力、形成框架-剪力墙结构，筒体结构中的实腹筒也由剪力墙组成。剪力墙承受水平力中的绝大部分，但并非只是抗剪或以剪切破坏为主，在高宽比大于2的抗震(kngzhn)墙中，破坏往往由弯曲破坏控制。第八十八页，共95页。6.5 抗震(kngzhn)墙结构设计2.类型：1).悬臂剪力墙：压、弯、剪共同作用的构件，墙平面内进行配筋计算(j sun)，平面外稳定依赖各层楼板作为支撑及构造措施、或进行必要的验算加以保证。可能出现弯曲破坏或剪切破坏。2).开洞抗震墙：将抗震墙分成墙肢或連系梁两类构件。連系梁一般跨高比较小，抗剪承载力较突出。墙肢则和悬臂抗震墙类似，承受轴力、弯矩和剪力。水平荷载下，受拉墙肢压力可能较小，甚至可能是轴向拉力。3).带边框剪力墙：稳定性提高、如剪力墙周围有柱子。4).井筒。5).框支剪力墙。第八十九页，共95页。6.5 抗震(kngzhn)墙结构设计3.抗震墙抗震性能。1).悬臂(xunb)抗震墙：2).开洞抗震墙性能比悬臂(xunb)抗震墙好，高宽比大、弯曲破坏。*影响因素：墙肢宽度，连梁刚度和承载力。*墙肢高宽比大于2为弯曲破坏，小于1为脆性破坏。*连梁脆性破坏(剪切破坏)会使墙肢失去约束而称为单独墙肢，墙肢抗侧刚度大大降低，承载力也将降低。第九十页，共95页。6.5 抗震(kngzhn)墙结构设计*墙肢和连梁可能(knng)出现弯曲破坏的情况：連梁不屈服，墙肢弯曲破坏后丧失承载力，一般连梁刚度及承载力大、墙整体好；连梁先屈服、然后墙肢弯曲破坏丧失承载力，当連梁钢筋屈服并具有延性时，可以吸收大量地震能量，又能继续传递弯矩和剪力，对墙肢有一定的约束作用，这种破坏形式最理想。*开洞抗震墙抗震性能优于悬臂抗震墙。第一.开洞抗震墙中，连梁端部钢筋屈服，可以形成数量众多的塑性铰，具有较好的变形能力和耗能能力。第二.具有多道抗震防线，通过连梁的塑性破坏吸收地震能量，从而保证墙肢安全。可按照强墙弱梁原则设计。*震害表明抗震墙结构具有良好的抗震性能。唐山地震，天津市友谊宾馆主楼7度设防，东段8层框架结构，破坏严重，西段为11层框架-抗震墙结构，破坏较轻。第九十一页，共95页。6.5 抗震(kngzhn)墙结构设计三.抗震墙结构布置：1.抗震墙结构平面布置：*沿结构平面主轴线方向布置，一般情况下，矩形、L形、T形平面，沿两个正交的主轴方向布置；三角形及Y形平面可沿三个方向布置；正多边形、圆形等沿径向和环向布置。*单片抗震墙长度不宜过大，长度过大周期过短，地震作用增大，抗震墙高细呈受弯工作状态，具有足够延性，而低矮墙由受剪承载力控制，破坏呈脆性。*当同一轴线上抗震墙过大时，应用連梁或楼板分成若干墙段。*抗震墙数量要合理，可用基本周期近似(jn s)公式：第九十二页，共95页。6.5 抗震(kngzhn)墙结构设计2.抗震墙结构的竖向布置：*抗震墙沿结构竖向应連续、不中断。当顶层取消部分抗震墙而设大开间时，其余应在抗震上加强；*抗震墙刚度均匀連续，厚度(hud)应按阶段变化，砼强度及配筋的变化宜错开楼层。*抗震墙洞口宜上下对齐，呈列布置，形成明确的墙肢和連梁。*抗震墙洞口之间及洞口与墙边缘之间要避免小墙肢。3.抗震墙的厚度(hud)：*抗震墙厚度(hud)与层高的相对关系，根据墙体在重力荷载作用下不产生屈曲的要求决定。第九十三页，共95页。6.5 抗震(kngzhn)墙结构设计四.抗震墙地震(dzhn)作用的计算：1.开洞抗震(kngzhn)墙的主要参数：*整体系数：第九十四页，共95页。6.5 抗震(kngzhn)墙结构设计2.根据开洞情况抗震墙分类：(1).整体小开口墙.(2).小开口墙.(3).壁式框架 (4).双肢墙、联肢墙.(5).大开口墙.3.抗震墙的钢筋.一、二、三级抗震时，抗震墙竖向、横向分布(fnb)筋最小配筋率均不应小于0.25%、四级不应小于0.2%。2).钢筋直径和间距：*最大间距不应大于300mm.其小直径为8mm.且不宜大