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1、zA建筑结构抗震设计 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望第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w1、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。R2、计算设计（Numerical design）：荷载计算、内力分析及组合、强度计算、构造

2、措施等称为计算设计。w “计算设计”不能完全依赖！w地震方面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。w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w2、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，w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

3、构造等，以便达到合理抗震设计的目的。w概念设计是构造良好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。w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w抗震概念设计的思路：w在工程设计一开始，把握好能量输入、房屋体型、结构w 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。w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。w 由于对地震作用及结构性能的了解还远远不够，在某种w意义上，概念设计比计算设计更重

4、要。4.1 场地选择w 不同的场地上的建筑震害不同。选择建筑场地时，应w根据工程需要，掌握地震活动情况和工程地质的有关资w料，对建筑场地作出综合评价。w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。w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。w不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。4.1.1 场地选择w1、避开抗震危险地段 w1）概念w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。w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

5、一般不会发生新的错动。w发震断层：具有潜在地震活动的断层，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w2、选择有利于抗震的场地w概念 w对建筑抗震有利的地段：指位于开阔平坦地的

6、坚硬场地上或密实均匀中硬场地土。w对建筑抗震不利的地段：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w关于地基基础设计，抗震规范有如下规定：wa、避开危险地带（如断裂带等）:w 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。w

7、b、同一结构单元的基础不宜设置w在性质截然不同的地基上:不同类w别的土壤，具有不同的动力特性，w地震反应也随之出现差异。无法避w开时，除考虑不同土层差异运动的w影响外，还应采用局部深基础，使w整个建筑物的基础落在同一土层上。4.1.2 地基基础续wc、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。wd、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）we、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

8、在强烈地震作用下，土体受到扰动，絮状结构遭到破坏，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wf、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。w 另外，当建筑场地为I类时，甲、乙类建筑可按本地区w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w降低一度采用抗震构造措施，但6度时构造措施不应降低，w地震作用仍按原规定计算。4.2 建筑的平立面布置w 一幢房屋的动力性能基本上取决于它的建筑布局和结w构布置。建筑布局简单合理，结构布

9、置符合抗震原则，w就能从根本上保证房屋具有良好的耐震性能。w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。w3.4.2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w1、建筑平面形状w1）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；w2）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。w3）有较长

10、翼缘的L形、T形、十字形、U形、H形、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w2、平面不规则的类型：w规范3.4.2规定：w1）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。w2）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%。w3）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%。不规则类型 定义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

11、端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍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%楼板局部不连续楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%,或开洞面积大于该层楼面面积的30%，或较大的楼层错层平面不规则的类型平面不规则的类型扭转不规则扭转不规则凹凸角不规则凹凸角不规则局部不连续局部不连续大开洞大开洞错层错层不规则类型 定义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%楼板局部不连续楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如

12、，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%,或开洞面积大于该层楼面面积的30%，或较大的楼层错层平面不规则的类型平面不规则的类型w项目信息 w项目名称：The Absolute Tower 项目地址：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 w多数初识 The Absolute Tower的人都会感到惊奇，而且这种惊奇的

13、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。w与北美其它迅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

14、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。w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

15、的设计“梦露”的“妹妹”。P4.2.1 建筑平面布置续w3、高层建筑平面尺寸限值 w我国钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程）（JGJ391）w（简称高层规程），对地震区高层建筑的平面形状作了明w确规定，如下图和表所示，并提出对这些平面的凹角处，应采w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w 匀变化的几何形状，尽量避免采用带有突然变化的阶梯 w 形立面。w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w2、竖向不规则的类型 1）侧向刚度不规则：

16、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%。不规则类型 定义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%竖向抗侧力构件不连续竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架等向下传递楼层承载力突变抗侧力

17、结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%竖向不规则的类型竖向不规则的类型沿竖向的侧向刚度不规则（有柔软层）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抗侧力构件不连续竖向抗侧力结构屈服抗剪强度不均匀竖向抗侧力结构屈服抗剪强度不均匀 （有薄弱层）（有薄弱层）严重不规则严重不规则是指体型复杂，多是指体型复杂，多项不规则指标超过表中指标或某一项不规则指标超过表中指标或某一项大大超过规定值，具有严重的抗项大大超过规定值，具有严重的抗震薄弱环节，将会导致地震破坏的震薄弱环节，将会导致地震破坏的严重后果者。严重后果者。注：以上规定主要针对钢筋混凝土注：以上规定主要针对钢筋混凝土和钢结构的

18、多层和高层建筑。和钢结构的多层和高层建筑。不规则类型 定义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%竖向抗侧力构件不连续竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架等向下传递)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%竖向不规则的类型竖向不规则的类型4.2.2 建筑立面布置续w3、高层建筑立面尺寸限值w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。w结构的侧向刚度宜下大上小，逐渐均匀变化，不应采

19、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w 70或其上相邻三层侧向刚度平均值的80。w按高层规程，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。w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w收进和外挑尺寸要求（宜）：w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B

20、1/B0.75的要求。w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。4.2.3 房屋的高度w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。w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

21、高度应适当降低。4.2.4 房屋的高宽比w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。w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w1、防震缝设置原因w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。w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

22、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w2、防震缝设置原则w 彻底分离或者牢固连接：忌连又连不牢、分又分不清。w“三缝合一”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。w3、必须设置抗震缝的情况w 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；w 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；w 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；w 房屋各部分的质量或结构抗侧移刚度大小悬

23、殊时。4.2.5 防震缝的合理设置续w4、防震缝宽度 w缝宽不足会发生碰撞破坏；w由于设缝后造成部分结构段过柔，碰撞造成失稳破坏。w必须根据具体情况认真处理设缝位置及设缝宽度。w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。w5、防震缝最小宽度良好地基条件下一般结构的最小缝宽。w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w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：w框架房屋，当高度不超过l5m时，可采用70mm；当高度超过l5m时，

24、6度、7度、8度和9度相应每增高5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm；w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值的50，且均不宜小于70mm。w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w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；w 房屋立面高差在6m以上；w 房屋有错层，且楼板高差较大；w 各部分结构刚度、质量截然不同。w 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

25、震缝的合理设置续w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？w解：防震缝最小宽度应根据群房框架结构及其高度确定：w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w6、一般尽可能不设置抗震缝 w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；w防震缝宽度过大，建筑立面效果、防水处理较难；w设置不当反倒会引起相邻建筑物碰撞、失稳、加大破坏。w 房屋伸缩缝的

26、最大间距（见课本表）w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4.2.5 防震缝的合理设置续w7、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：w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。w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。w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

27、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4.3.1 结构选型 w 结构选型涉及的内容较多，应根据建筑的重要性、设防w烈度、房屋高度、场地、地基、基础、材料和施工等因素，w通过技术、经济条件比较综合确定。w1、结构材料的选择w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：w延性系数高；w“强度重力”比值大；w匀质性好；w正交各向同性；w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w常见建筑结构类型，依其抗震性能优劣而排列的顺序是：w钢结构；w型钢

28、混凝土结构；w混凝土钢混合结构；w现浇钢筋混凝土结构；w预应力混凝土结构；w装配式钢筋混凝土结构；w配筋砌体结构；w砌体结构等。4.3.1 结构选型续w2、抗震结构体系的确定w 抗震结构体系是抗震设计应考虑的关键问题，结构方案w的选取是否合理，对安全性和经济性起决定性作用。w 抗震规范关于抗震结构体系，有下列要求：w 结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。受力明确、传力合理、传力路线不间断、抗震分析与w 实际表现相符合。4.3.1 结构选型续w 宜有多道抗震防线，应避免因部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力或对重力的承载能力；由于柱子的数量较少或承载能力较由于柱子的数量

29、较少或承载能力较弱，部分柱子退出工作后，整个结构系弱，部分柱子退出工作后，整个结构系统丧失了对竖向荷载的承载能力。统丧失了对竖向荷载的承载能力。抗震设计的一个重要原则是结构应抗震设计的一个重要原则是结构应有必要的赘余度和内力重分配的功能。有必要的赘余度和内力重分配的功能。4.3.1 结构选型续w 结构体系应具备必要的承载能力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。w 足够的承载力和变形能力是需要同时满足的。有较大的有较大的变形能力而缺变形能力而缺少较高的抗侧少较高的抗侧向力的能力如向力的能力如钢或钢筋混凝钢或钢筋混凝土纯框架，由土纯框架，由于在不大的地于在不大的地震作用下会产震作用下会产生较大的

30、变形，生较大的变形，导致非结构构导致非结构构件的破坏或结件的破坏或结构本身的失稳。构本身的失稳。有较高有较高的承载能力的承载能力而缺少较大而缺少较大变形能力变形能力.如如不加约束的不加约束的砌体结构，砌体结构，很容易引起很容易引起脆性破坏而脆性破坏而倒塌。倒塌。必要的承载能力和良好的变形能力的结合便是结构在地必要的承载能力和良好的变形能力的结合便是结构在地震作用下具有的耗能能力。震作用下具有的耗能能力。4.3.1 结构选型续4.3.1 结构选型续w 宜具有合理的刚度和强度分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中；对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。w3

31、.在设计房屋之前，一般应首先了解场地和地基上及其卓越周期，调整结构刚度，避开共振周期。w4.选择结构体系时，要注意选择合理的基础形式。w 对于软弱地基宜选用桩基、筏片基础或箱形基础。w 岩层高低起伏不均匀或有液化土层时最好采用桩基等。4.3.2 结构布置的一般原则w1、平面布置力求对称（质量、刚度、强度）w对称结构在地面平动作用下，水平地震力按构件刚度分配，因而各构件受力比较均匀。而非对称结构，由于刚心偏在一边，质心与刚心不重合，远离刚心的刚度较小构件，由于侧移量很大，所分担的水平地震剪力也显著增大，甚至导致整个结构因一侧构件失效而倒塌。刚度中心刚度中心质量中心质量中心4.3.2 结构布置的一

32、般原则续w典型案例w1972年2月23日南美洲的马那瓜地震。w 马那瓜有相距不远的两幢高层建筑，一幢为十五层高的中央银行大厦，平面不规则，4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙，破坏严重，震后拆除；另一幢为18层高的美洲银行大厦，结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包括4个L形的筒体，对称地由连梁连接起来，轻微损坏，稍加修理便恢复使用。当地地震烈度估计为8度。马那瓜中央银行大厦试问：那一幢破坏严重呢？马那瓜美洲银行大厦 1）平面不规则）平面不规则4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙。个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙。2）竖向不规则）竖向不规则4层以上的楼板仅为层以上的楼板仅为5cm厚，搁置在高厚

33、，搁置在高45cm长长14m小梁上。小梁上。塔楼上部（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，支承在根，支承在4层楼板水平层楼板水平处的过渡大梁上，大梁又支承在其下面的处的过渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根根1m 1.55m的柱子上（间距的柱子上（间距9.4m）。上下两部分严重）。上下两部分严重不均匀，不连续。不均匀，不连续。主要破坏：第主要破坏：第4层与第层与第5层之间层之间(竖向刚度和承载力突变竖向刚度和承载力突变),周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈；周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈；横向裂缝贯穿横向裂缝贯穿3层以

34、上的所有楼板层以上的所有楼板(有的宽达有的宽达1cm),直至电梯井东侧；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。严重破坏或倒塌。震后计算分析结果震后计算分析结果:1.结构存在十分严重扭转效应结构存在十分严重扭转效应;2.塔楼塔楼3层以上北面和南面大多数柱子抗剪能层以上北面和南面大多数柱子抗剪能力大大不足力大大不足,率先破坏；率先破坏；3.水平地震作用下水平地震作用下,柔而长的楼板产生可观的竖向运动等。柔而长的楼板产生可观的竖向运动等。马那瓜马那瓜中央银行大厦中央银行大厦

35、 结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包括括4个个L形的筒体，对称地由连梁连接起来，形的筒体，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。构能观察到的主要破坏。分析表明：分析表明：1.对称的结构布置及相对刚强的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，并防止了联肢墙，有效地限制了侧向位移，并防止了明显的扭转效应；明显的扭转效应；2.避免了长跨度楼板和砌避免了长跨度楼板和砌体填充墙的非结构构件的损坏；体填充墙的非结构构件的损坏；3.当连梁剪当连梁剪切破坏后，结构体系的位移虽

36、有明显增加，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，位移但由于抗震墙提供了较大的侧向刚度，位移量得到控制。量得到控制。美洲美洲银行银行注意：虚假的对称注意：虚假的对称伸缩缝伸缩缝4.3.2 结构布置的一般原则续4.3.2 结构布置的一般原则续w当建筑层数很多时，上面各层偏心引起的扭转效应对下层的积累，对下面几层更不利。所以，进行结构布置时，除了要求各向对称外，还希望能具有较大的抗扭刚度。因此，下图（a）、（b）所示的抗震墙沿房屋周边布置的方案，就优于（c）、（d）所示在房屋内部布置的方案。4.3.2 结构布置的一般原则续w对于多层砌体房屋，应优先采用横墙承重的结

37、构布置方案，其次采用纵横墙混合承重的结构布置方案。w2、竖向布置力求均匀 w 结构竖向布置的关键在于：尽可能使其竖向刚度、强度变w化均匀，避免出现薄弱层，并应尽可能降低房屋的重心。w注意上刚下柔的结构的处理w 由于商业的需要，结构底部几层往往需要设置大空间，上部各层为全墙体系或框架一抗震墙体系，而底层或底部两三层则为框架体系，整个结构属“框托墙”体系。这便是工程上称之为“框支剪力墙”或“底部框架”的结构。这种体系很不利于抗震，应保证下部结构的抗侧刚度不能小于上部抗侧刚度的一定比例。4.3.2 结构布置的一般原则续w框支剪力墙：底层或底部两三层为框架体系，上部各层为抗震墙或框架抗震墙体系。w应保

38、证下部结构的抗侧刚度不能小于上部抗侧刚度的一定比例。4.3.2 结构布置的一般原则续w柔性底层：用变形能力大的延性框架代替房屋底层的抗震墙，以减少地震震动向上部各层传递的一种抗震设计思想。w要改善带有柔弱底层的建筑的抗震性能，应对柔弱底 层采取补强措施：w 使底层的抗侧移刚度，不小于2层抗侧移刚度的13（6度）或12（7度或8度），并使基本烈度下的底层屈服强度系数y 不小于0.5；w 加厚转换层的现浇楼板，使其在传力过程中不产生较大的水平变形。w 9度时，不宜再采用“框托墙”体系，宜将所有抗震墙直接到基础。4.3.2 结构布置的一般原则续w同一楼层的框架柱，应该具有大致相同的刚度、强度和延性，

39、否则，地震时很容易因受力大小悬殊而被各个击破。有利有利不利不利w在采用纯框架结构的高层建筑中，如果将楼梯踏步斜梁和平台梁直接与框架柱相连，就会使该柱变成短柱，地震时容易发生剪切破坏，应予避免或采取相关措施。4.4 多道抗震防线4.4.1 多道抗震防线的必要性w1、多道抗震防线的定义 A、一个抗震结构体系，应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作，即分体系间的连接部件应有适当强度、较好延性和稳定的滞回性能。B、抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部赘余度（相当于超静定次数，利用塑性变形的前提），有意识地建立起一系列分布的屈服区（塑性铰区），以使结构能够吸收和耗散大

40、量的地震能量，一旦破坏也易于修复。4.4.1 多道抗震防线的必要性续w2、多道抗震防线的必要性：w多道抗震防线对抗震结构是必要的。强烈地震往往有一定的持续时间（几秒几十秒），并且往往伴随多次余震，结构在首次破坏后再遭余震，将会引起损伤累积，当第一道防线的抗侧力构件在强烈地震袭击下遭到破坏后，后备的第二道至第三道防线的抗侧力构件立即接替，抵挡住后续的地震动的冲击，可保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌。w在遇到建筑物基本周期与地震动卓越周期相同或接近的情况时，当第一道抗侧力防线因共振而破坏，第二道防线接替后，建筑物自振周期将出现较大幅度的变动，与地震动卓越周期错开，使建筑物的共振现象得以缓解，减轻

41、地震的破坏作用。w适当处理构件的强弱关系，将使其在强震作用下形成多道防线、是提高结构抗震性能、避免倒塌的有效措施。多道防线举例：多道防线举例：多道防线举例：多道防线举例：框架抗震墙体系框架抗震墙体系：由延性框架和抗震墙两个系统组成；由延性框架和抗震墙两个系统组成；纯框架结构的刚度较小，纯框架结构的刚度较小，可以增设部分抗震墙，形成框架可以增设部分抗震墙，形成框架-抗震墙体系。抗震墙的主要抗震墙体系。抗震墙的主要作用是提高结构的抗侧刚度，增加结构的抗震能力。作用是提高结构的抗侧刚度，增加结构的抗震能力。4.4.1 多道抗震防线的必要性续=+第一道防线第一道防线第二道防线第二道防线竖向荷载：主要由

42、框架承担竖向荷载：主要由框架承担水平地震荷载：主要由抗震墙承担，保护框架承担竖向荷载水平地震荷载：主要由抗震墙承担，保护框架承担竖向荷载4.4.1 多道抗震防线的必要性续框架抗震墙体系框架抗震墙体系双肢剪力墙结构第二道防线第二道防线第一道防线，连梁屈服第一道防线，连梁屈服双肢剪力墙整体的刚度大，双肢剪力墙整体的刚度大，联梁起约束作用，在地震联梁起约束作用，在地震作用下变形小。作用下变形小。联梁屈服后，结构为两联梁屈服后，结构为两个并联的单肢墙，刚度个并联的单肢墙，刚度减小，继续抵抗地震。减小，继续抵抗地震。4.4.1 多道抗震防线的必要性续框架-筒体结构第一道防线：大筒第一道防线：大筒第二道防

43、线：小筒第二道防线：小筒第三道防线：框架第三道防线：框架4.4.1 多道抗震防线的必要性续框架结构第一道防线：梁第一道防线：梁第二道防线：柱第二道防线：柱梁首先屈服，保护结构不倒塌。梁首先屈服，保护结构不倒塌。4.4.1 多道抗震防线的必要性续框架-支撑结构 框架-消能支撑结构第一道防线：支撑第一道防线：支撑第二道防线：框架第二道防线：框架4.4.1 多道抗震防线的必要性续4.4.2 第一道防线的构件选择原则w 地震的往复水平作用使结构遭到严重破坏、但结构的w最后倒塌是因为结构丧失了承受竖向荷载的能力，即倒塌w主要取决于竖向荷载。因此，原则上说w1、应优先选择不负担或少负担重力荷载的竖向支撑或

44、填充墙，或选用轴压比值较小的抗震墙、实体筒体之类构件，作为第一道抗震防线的抗侧力构件；一般情况，不宜采用轴压比很大的框架柱兼作第一道防线的抗侧力构件。不会发生结构倒塌。w2、如因条件有限，只能采用单一的框架体系，框架就成为整个体系中唯一的抗侧力构件，此时应采用“强柱弱梁”型延性框架（即梁为第一道，柱为第二道）。4.4.2 第一道防线的构件选择原则续框架破坏机制w 强柱型框架如下图左，在水平地震作用下，梁端首先出现塑性铰，梁的屈服先于柱的屈服，行成梁铰破坏机制。弱柱型框架如下图右，在水平地震作用下，柱端首先出现塑性铰，柱的屈服先于柱的屈服，行成柱铰破坏机制。作业：哪种破坏机制作业：哪种破坏机制有

45、利于抗震？为什么有利于抗震？为什么？你认为怎样才能保？你认为怎样才能保证该破坏机制。证该破坏机制。4.4.2 第一道防线的构件选择原则续w“强柱弱梁”延性框架w由于梁只承受一层或局部重力荷载，柱承受其上多层的总重力荷载；钢筋端部锚固使梁具有悬索作用，只要钢筋端部锚固未失效，悬索作用能维持楼面不立即坍塌。w在强烈地震作用下，结构发生较大侧移进入非弹性阶段时，为使框架保持足够的竖向承载能力而免于倒塌，要求实现梁铰破坏机制，即塑性铰应首先在梁上形成，尽可能避免在破坏后危害更大的柱上出现塑性铰，实现“强柱弱梁”延性框架的抗震设计，利用梁的变形、破坏来消耗地震能量。4.4.3 利用赘余构件增多抗震防线

46、高层建筑采用的框架抗震墙、框架支撑、芯筒框架、内墙筒外框筒等双重抗侧力体系，在水平地震等侧力作用下，通过各层楼盖进行协同工作。这种体系在抵御地震时，具有两道防线，一道是支撑或墙体，一道是框架。为了进一步增加这种双重体系的抗震防线，可以 在位于同一轴线上置设一根具有较好的延性抗弯梁，利用这些连系梁首先承担地震前期脉冲的冲击，以达到保护主体结构的目的。带赘带赘余杆件的耗能余杆件的耗能结结构构(a)(a)双肢墙；双肢墙；(b)(b)墙和框架；墙和框架；(c)(c)并列斜撑；并列斜撑；(d)(d)芯筒和框架柱芯筒和框架柱 4.4.3 利用赘余构件增多抗震防线续赘余构件的作用赘余构件的作用耗能：利用结构

47、中增设的赘余杆件的屈服和变形，来耗散耗能：利用结构中增设的赘余杆件的屈服和变形，来耗散输入的地震能量；输入的地震能量；避开共振：利用赘余杆件的破坏和退出工作，使整个结构避开共振：利用赘余杆件的破坏和退出工作，使整个结构从一种稳定体系过渡到另一种稳定体系，实现结构周期从一种稳定体系过渡到另一种稳定体系，实现结构周期的变化，避开地震动卓越周期长时间持续作用所引起的的变化，避开地震动卓越周期长时间持续作用所引起的共振效应；共振效应；对结构动力特性的适当控制，来减轻建对结构动力特性的适当控制，来减轻建筑物的破坏程度，经济。筑物的破坏程度，经济。但要注意：太被动、而且不一定有效。但要注意：太被动、而且不

48、一定有效。4.5 刚度、承载力和延性的匹配w基本概念w1、刚度 结构刚度是影响结构在设计地震作用下非结构构件性能、结构强度需求、以及弹塑性变形需求的一个关键设计参数。设计过程中的早期工作将是确定一个合理的刚度值，检查典型楼层的层间位移和合理的结构周期。w结构刚度的分布关系到结构的内力分配，某些部位刚度过大会导致该处的内力（或应力）集中。w参数K值、D值与EI、GA、EA、L有关。w刚度大自振周期T小，结构地震剪力大。（反应谱）w 刚度小结构弹性变形大、超过弹性变形限值。4.5 刚度、承载力和延性的匹配续w2、强度 结构的强度应该以设防目标相符。合适的强度应该能够避免结构在小震下产生破坏和在大震

49、下出现超出结构变形能力的过大非线性变形。w在大地震下结构不存在强度的储备，设计者要作的是保证结构的强度分布均匀，即结构实际强度的分布与地震作用的分布相一致，否则就会出现薄弱层。w参数R：Mu、Vu、Nu。承载能力验算。w3、延性所谓延性，即结构、构件或材料承载能力无明显降低前提下（不低于其极限承载力的85%）结构发生非弹性变形的能力，即屈服后能够基本维持其屈服强度的非线性变形能力。延性是抗震设计中的一个无比重要的参数。w参数u/y。弹塑性变形验算。4.5 刚度、承载力和延性的匹配续w抗震设计中没有哪一个单一的设计参数可以控制不同部件抗震性能目标的要求。为了满足不同部件的性能目标，甚至会产生不同

50、设计参数之间的冲突。如结构的强度需求（地震产生的惯性力）和器物的加速度反应主要受结构构件的刚度所影响，为了满足对应的性能要求往往希望结构具备较小的刚度，而为了控制非结构的破坏又往往希望有较大的刚度。w为满足某一性能水平下建筑中的不同部件（结构、非结构和器物）对不同设计控制 参数的需求，抗震设计往往是一个不断迭代、相互妥协的过程，以寻找为满足不同性能水平下不同建筑部件的性能目标对强度、刚度、延性需求的合理统一。必要的承载能力和良好的变形能力w 的结合便使结构在地震作用下具有的耗能能力。4.5.1 刚度与承载力 w提高结构刚度：w优点可以减小结构侧移、减轻地震灾害损失；w缺点结构刚度大、自振周期小