第4章 多層及高層混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院

前章主要內(nèi)容的回顧抗震計(jì)算原理

水平和豎向地震作用的計(jì)算方法振型分解法反應(yīng)譜法底部剪力法時程分析法(補(bǔ)充計(jì)算)簡化法

抗震驗(yàn)算原則及方法承載力樓層剪力彈性層間變形彈塑性層間變形第4章多層和高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑抗震設(shè)計(jì)

本章教學(xué)目標(biāo)與要求1.熟悉多層及高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑的震害特點(diǎn)及原因。2.理解和掌握多層及高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)的要求。3.掌握鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容和設(shè)計(jì)方法。4.了解抗震墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法，熟悉多層及高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施。

導(dǎo)入案例1972年尼加拉瓜首都馬那瓜發(fā)生的地震中，有兩幢鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的高層建筑，相隔不遠(yuǎn)，一幢是15層的中央銀行大廈，其結(jié)構(gòu)布置上下不連續(xù)、平面不對稱；另一幢是18層的美洲銀行大廈，其結(jié)構(gòu)布置均勻?qū)ΨQ。地震時前者發(fā)生了嚴(yán)重破壞，震后拆除；而后者只受輕微損壞，經(jīng)維修恢復(fù)使用。為什么兩幢混凝土結(jié)構(gòu)房屋會發(fā)生如此不同的破壞呢？我們可以通過本章的學(xué)習(xí)得到說明?？蚣芙Y(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容多層及高層鋼筋混凝土建筑的震害特點(diǎn)及原因多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震概念設(shè)計(jì)抗震墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)方法

抗震構(gòu)造措施

本章小節(jié)學(xué)習(xí)的主要內(nèi)容4.1震害特征及原因

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（reinforcedconcretestructure）具有較好的抗震性能，地震時所遭受的破壞比砌體結(jié)構(gòu)的震害輕得多。但如果設(shè)計(jì)不合理、施工質(zhì)量不良，多層和高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)建筑也會產(chǎn)生嚴(yán)重的震害。

從震害中汲取教訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)

失敗是成功之母馬那瓜美洲銀行大廈馬那瓜中央銀行大廈1．結(jié)構(gòu)布置不合理產(chǎn)生的震害（1）平面布置不當(dāng)產(chǎn)生的震害震前震后馬那瓜中央銀行結(jié)構(gòu)平面布置框架抗震墻填充墻馬那瓜美洲銀行結(jié)構(gòu)平面布置

12345678910111213(mm)層13567911134080120在強(qiáng)烈地震作用下，結(jié)構(gòu)的薄弱樓層率先屈服、發(fā)展彈塑性變形，并形成彈塑性變形集中的現(xiàn)象，不能發(fā)揮整體的抗震能力。1976年唐山大地震中，位于天津塘沽區(qū)的天津堿廠十三層蒸吸塔框架，該結(jié)構(gòu)樓層屈服強(qiáng)度分布不均勻，造成6層和11層的彈塑性變形集中，導(dǎo)致6層以上全部倒塌。天津堿廠輸入天津波的彈塑性分析結(jié)果（2）豎向不規(guī)則產(chǎn)生的震害(薄弱層)彰化縣員林鎮(zhèn)邦富貴名門大樓座落在中山路惠明街口，為16層鋼筋混凝土集合住宅大樓,底層柱子間距7至10米。地震時傾倒的原因是底層柱子數(shù)量少，間距大。2．防震縫處碰撞防震縫處碰撞破壞

防震縫寬度過小，地震時結(jié)構(gòu)相互碰撞造成震害。3．框架整體的震害框架的整體破壞形式按破壞性質(zhì)可分為延性破壞和脆性破壞，按破壞機(jī)制可分為梁鉸機(jī)制(強(qiáng)柱弱梁型)和柱鉸機(jī)制(強(qiáng)梁弱柱型)。(b)強(qiáng)柱弱梁型(a)強(qiáng)梁弱柱型框架的整體破壞形式4．框架梁的震害震害多發(fā)生于梁端。在地震作用下梁端縱向鋼筋屈服，出現(xiàn)上下貫通的垂直裂縫和交叉裂縫。破壞的主要原因是梁端屈服后產(chǎn)生的剪力較大，超過了梁的受剪承載力，梁內(nèi)箍筋配置較稀，以及反復(fù)荷載作用下混凝土抗剪強(qiáng)度降低等。5．框架柱的震害

梁柱變形能力不足，構(gòu)件過早發(fā)生破壞。一般是梁輕柱重，柱頂重于柱底，尤其是角柱和邊柱更易發(fā)生破壞。1)柱頂

柱頂周圍有水平裂縫、斜裂縫或交叉裂縫。重者混凝土壓碎崩落，柱內(nèi)箍筋拉斷，縱筋壓曲成燈籠狀。主要原因：節(jié)點(diǎn)處彎矩、剪力、軸力都較大，受力復(fù)雜，箍筋配置不足，錨固不好等。2)柱底與柱頂相似，由于箍筋較柱頂密，震害相對柱頂較輕。3)短柱當(dāng)柱凈高小于4倍柱截面高度（H/b<4)或剪跨比不大于2時,形成短柱。短柱剛度大，易產(chǎn)生剪切破壞。短柱4)角柱由于雙向受彎、受剪,加上扭轉(zhuǎn)作用，震害比內(nèi)柱重。角柱6、梁柱節(jié)點(diǎn)

節(jié)點(diǎn)核心區(qū)產(chǎn)生對角方向的斜裂縫或交叉斜裂縫，混凝土剪碎剝落。節(jié)點(diǎn)內(nèi)箍筋很少或無箍筋時，柱縱向鋼筋壓曲外鼓。

節(jié)點(diǎn)破壞的主要原因是節(jié)點(diǎn)的受剪承載力不足，約束箍筋太少，梁筋錨固長度不夠以及施工質(zhì)量差所引起。節(jié)點(diǎn)破壞將導(dǎo)致梁柱失去相互之間的聯(lián)系。梁柱節(jié)點(diǎn)破壞7．填充墻的震害砌體填充墻剛度大而承載力低，首先承受地震作用而遭破壞。一般7度即出現(xiàn)裂縫，8度和8度以上地震作用下，裂縫明顯增加，甚至部分倒塌，填充墻破壞填充墻破壞的主要原因是：墻體受剪承載力低，變形能力小，墻體與框架缺乏有效的拉結(jié)，在往復(fù)變形時墻體易發(fā)生剪切破壞和散落。8．抗震墻的震害在強(qiáng)震作用下，抗震墻在反復(fù)荷載作用下形成X型剪切裂縫?？拐饓ζ茐?交叉裂縫)9．抗震墻中的連梁震害在強(qiáng)震作用下還表現(xiàn)在連梁上，其跨度小，高度大形成深梁，在反復(fù)荷載作用下形成X型剪切裂縫，為剪切型脆性破壞，尤其是在房屋1/3高度處的連梁破壞更為明顯?？拐饓ζ茐?交叉裂縫)震害中的重要啟示抗震概念設(shè)計(jì)是非常重要的重視局部的加強(qiáng)措施問題何謂抗震概念設(shè)計(jì)？4.2結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)4.2.1結(jié)構(gòu)體系的選擇及相關(guān)要求①框架結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)是自重輕，地震作用小，但側(cè)向剛度較小，地震時水平位移較大，會造成非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的破壞?？蚣芙Y(jié)構(gòu)適用于高度不很大的建筑。②抗震墻結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)是自重大，側(cè)向剛度大，地震作用大。③框架-抗震墻結(jié)構(gòu)體系的特點(diǎn)是克服了純框架結(jié)構(gòu)剛度小和純抗震墻結(jié)構(gòu)自重大的缺點(diǎn)，發(fā)揮了各自的優(yōu)點(diǎn)長處。具有抗側(cè)剛度較大，自重較輕，結(jié)構(gòu)的水平位移較小的優(yōu)點(diǎn)，抗震性能較好。此外，還有筒體結(jié)構(gòu)、巨型框架結(jié)構(gòu)等。我國《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》（JGJ3-2002）（以下簡稱高層規(guī)程）將鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)按房屋高度劃分為A級和B級兩個級別。規(guī)定了各自的最大適用高度和高寬比的限制，提出了不同的抗震設(shè)計(jì)要求。。A級高度的建筑是目前應(yīng)用最廣泛的建筑，B級高度的建筑的最大適用高度和高寬比可較A級適當(dāng)放寬，但其結(jié)構(gòu)抗震等級、抗震計(jì)算及構(gòu)造措施等要求更加嚴(yán)格。參見相關(guān)表格。表4-1多層及A級高度鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)的最大適用高度注：1)房屋高度指室外地面至主要屋面高度，不包括局部突出屋面的電梯機(jī)房、水箱、構(gòu)架等高度。2)表中框架不含異形柱框架結(jié)構(gòu)。3)部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)指地面以上有部分框支抗震墻的抗震墻結(jié)構(gòu)。4)9度抗震設(shè)防、房屋高度超過本表數(shù)值時，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)有可靠依據(jù)，并采取有效措施。表4-2B級高度鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)的最大適用高度

注：1)房屋高度指室外地面至主要屋面高度，不包括局部突出屋面的電梯機(jī)房、水箱、構(gòu)架等高度。2)部分框支抗震墻結(jié)構(gòu)指地面以上有部分框支抗震墻的抗震墻結(jié)構(gòu)。3)當(dāng)房屋高度超過表中數(shù)值時，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)有可靠依據(jù)，并采取有效措施。A級高度和B級高度建筑的高寬比分別不宜超過表４．3和表４．4的規(guī)定限值。在確定結(jié)構(gòu)體系時還要考慮建筑物剛度與場地條件的關(guān)系，應(yīng)注意使房屋的自振周期與場地的特征周期Tg錯開，以減小地震作用。

表4-3

A級高度鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)的適用的最大高寬比表4-4B級高度鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)適用的最大高寬比抗震等級是多層和高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、構(gòu)件進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。同一結(jié)構(gòu)體系，不同的抗震等級，具有不同的抗震設(shè)計(jì)計(jì)算（抗彎、抗剪等）和構(gòu)造措施要求。4.2.2抗震等級的劃分*為此，我國抗震設(shè)計(jì)規(guī)范和高層規(guī)程綜合考慮建筑重要性類別、設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型及房屋高度等因素，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)劃分了不同的抗震等級。表4-5，表4-6。表4-5多層及A級高度的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震等級

注：1)接近或等于高度分界時，應(yīng)結(jié)合房屋不規(guī)則程度及場地、地基條件適當(dāng)確定抗震等級；2)底部帶轉(zhuǎn)換層的筒體結(jié)構(gòu)，其框支框架的抗震等級應(yīng)按表中框支抗震墻結(jié)構(gòu)的規(guī)定采用。3)板柱-抗震墻結(jié)構(gòu)中框架的抗震等級應(yīng)與表中板柱的柱相同

。表4-6B級高度的高層建筑結(jié)構(gòu)抗震等級

注：底部帶轉(zhuǎn)換層的筒體結(jié)構(gòu)，其框支和底部加強(qiáng)部位筒體的抗震等級應(yīng)按表中框支抗震墻結(jié)構(gòu)的規(guī)定采用。裙房與主樓的等級ccc1cc裙房頂部上下各一層應(yīng)提高抗震措施圖中c為抗震等級cc當(dāng)裙房與主樓相連時，除應(yīng)按裙房本身確定外，其抗震等級不應(yīng)低于主樓的抗震等級；當(dāng)裙房與主樓分離時（設(shè)有防震縫），應(yīng)按裙房本身確定抗震等級。4.2.3結(jié)構(gòu)布置1．結(jié)構(gòu)平面布置（1）結(jié)構(gòu)平面布置宜簡單、規(guī)則、對稱、減小偏心，盡量避免平面不規(guī)則情況，使剛度和承載力分布均勻。扭轉(zhuǎn)不規(guī)則凹凸角不規(guī)則平面不規(guī)則的類型局部不連續(xù)大開洞錯層（2）對于10層和10層以上或高度大于28m屬于A級高度的高層鋼筋混凝土建筑，平面布置如圖，限制見表4-7。表4-7Ｌ、l的限值

2．結(jié)構(gòu)豎向布置（1）高層建筑的豎向體型宜規(guī)則、均勻；結(jié)構(gòu)豎向抗側(cè)力構(gòu)件宜上下連續(xù)貫通。（2）結(jié)構(gòu)避免過大的外挑和內(nèi)收。H1/H2〉0.2時，B1/B≮0.75B1/B≮0.9，a≯4m（3）結(jié)構(gòu)的側(cè)移剛度宜下大上小逐漸均勻變化，樓層側(cè)移剛度不宜小于相鄰上部樓層側(cè)移剛度的70%或其上相鄰三個樓層側(cè)移剛度平均值的80%。應(yīng)避免側(cè)移剛度沿豎向變化不均勻3．防震縫的設(shè)置防震縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)類型不同時，宜按需要較寬防震縫的結(jié)構(gòu)類型采用，并按較低房屋高度確定縫寬。防震縫最小寬度要求當(dāng)設(shè)防烈度為8度、9度時的框架結(jié)構(gòu)房屋防震縫兩側(cè)結(jié)構(gòu)高度、剛度或?qū)痈呦嗖钶^大時，可在縫兩側(cè)房屋的盡端沿全高設(shè)置垂直于防震縫的抗撞墻，每側(cè)抗撞墻的數(shù)量不應(yīng)少于兩道，宜分別對稱布置，墻肢的長度可不大于一個柱距。層高不同高度、剛度相差較大

內(nèi)力應(yīng)按考慮和不考慮抗撞墻兩種情況進(jìn)行分析，按不利情況取值?？棺矇Φ亩酥涂蚣苓呏拷顟?yīng)沿房屋全高加密?？棺矇?.2.4結(jié)構(gòu)材料（1）混凝土的強(qiáng)度等級，框支梁、框支柱及抗震等級為一級的框架梁、柱、節(jié)點(diǎn)核心區(qū)，不應(yīng)低于C30；構(gòu)造柱、芯柱、圈梁及其他各類構(gòu)件不應(yīng)低于C20；8度、9度時分別不宜超過C70和C60。（3）抗震等級為一、二級的框架結(jié)構(gòu)，其縱向受力鋼筋采用普通鋼筋時，鋼筋的抗拉強(qiáng)度實(shí)測值與屈服強(qiáng)度實(shí)測值的比值不應(yīng)小于1.25；且鋼筋的屈服強(qiáng)度實(shí)測值與強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值的比值不應(yīng)大于1.3。（2）普通鋼筋宜優(yōu)先采用延性、韌性和可焊性較好的鋼筋；普通鋼筋的強(qiáng)度等級，縱向受力鋼筋宜選用HRB400級和HRB335級熱軋鋼筋，箍筋宜選用HRB335、HRB400和HPB235級熱軋鋼筋。回顧上節(jié)主要內(nèi)容1.震害特征1)結(jié)構(gòu)布置不合理產(chǎn)生的震害2)防震縫處碰撞3)框架整體的震害4)框架梁的震害5)框架柱的震害6)框架梁柱節(jié)點(diǎn)的震害7)填充墻的震害8)抗震墻的震害2.抗震概念設(shè)計(jì)框架抗震墻框架-抗震墻１）特點(diǎn)３）最大適用高寬比結(jié)構(gòu)體系的選擇*（一）（二）抗震等級的劃分*（三）結(jié)構(gòu)布置*（四）結(jié)構(gòu)材料的選擇*2）最大適用高度重要性類別、設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)類型及房屋高度結(jié)構(gòu)平面布置結(jié)構(gòu)豎向布置防震縫的設(shè)置4.3框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)4.3.1框架結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計(jì)

主要內(nèi)容1.柱網(wǎng)布置2.選擇框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型及承重方案3.確定框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的類別及設(shè)防烈度4.確定框架結(jié)構(gòu)的抗震等級5.防震縫及材料選擇1.柱網(wǎng)布置（c）對稱不等跨式（b）等跨式（a）內(nèi)廊式框架結(jié)構(gòu)的柱網(wǎng)布置既要滿足生產(chǎn)工藝和建筑平面的要求，又要使結(jié)構(gòu)受力合理，施工方便。（a）橫向框架承重方案（b）縱向框架承重方案（c）縱橫向框架承重方案（d）縱橫向框架承重方案2.選擇框架結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)類型及承重方案現(xiàn)澆樓板預(yù)制樓板3.確定框架結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的類別及設(shè)防烈度我國建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范根據(jù)建筑物重要性及受地震破壞后果的嚴(yán)重性，將建筑物的抗震設(shè)防分為四類：

甲類建筑、乙類建筑、丙類建筑、丁類建筑丙類建筑抗震等級宜按表４—5劃分；其他設(shè)防類別的建筑，則應(yīng)按前述抗震設(shè)防分類和設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定調(diào)整后再按表４-5劃分抗震等級。

抗震設(shè)防的烈度：是一個地區(qū)進(jìn)行抗震設(shè)防的依據(jù)。4.確定框架結(jié)構(gòu)的抗震等級多層及A級高度的框架結(jié)構(gòu)抗震等級5.防震縫及材料選擇4.3.2框架結(jié)構(gòu)抗震計(jì)算及驗(yàn)算計(jì)算手段

電算:采用振型分解反應(yīng)譜法或時程分析法計(jì)算地震作用時常采用電算方法（如PKPM、ETABS等）

。對計(jì)算結(jié)果應(yīng)作出正確的判斷，方可應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)；