抗震概念设计的一般原则
选择对抗震有利的建筑场地
减少地震能量输入
重视建筑结构的布局对抗震性能的影响
抗震结构体系及构件的设计原则
重视非结构构件的影响
选择对抗震有利的建筑场地
在建筑设计的早期阶段应考虑到地震危险性,包括场址和场地土条件等因素在内对建筑物地震安全性的不利影响,以使结构方案达到可接受的造价之内,满足抗震设计的基本要求,以期取得较好的经济效益。
F不良地质条件震灾举例
1971, San Fernando(圣费尔南多), California
减少地震能量输入
地震对建筑的作用不是定值,而是随着建筑动力特性、场地条件和地震动参数作较大幅度的变动。因此,在设计中,应该运用多次地震经验总结出来的规律,采取恰当对策,减少地震能量输入,从根本上减轻地震对建筑物的破坏作用。
o 认识覆盖层厚度、场地土刚度对震害的影响。
o 合理估计和错开地震动卓越周期。
o 采用基础隔震等减少和耗散地震能量的技术措施。
重视建筑结构的布局对抗震性能的影响
缘起-结构平面和竖向布置直接确定结构刚度分布
建筑结构平面和竖向布置主要包括以下内容:
o 平面布置——跨度、进深、剪力墙位置、形式与数量;
o 竖向布置——层高、竖向构件截面变化、剪力墙中断;
构件截面尺寸——梁、柱截面尺寸;剪力墙厚度。
o 结构平面和竖向布置直接确定结构的刚度分布
构件刚度——EI、EA、GA;
结构整体刚度和刚度分布——K、D值及分布;
F震例表明——房屋体型不规则,平面上凹进凸出,立面上高低错落,破坏程度均较为严重;房屋体型简单整齐的,震害比较轻。
ü 震害分析——从震害中研究结构布置与结构抗震性能关系
o 结构平面刚度不均匀引起的震害实例
①案例一:1972,尼加拉瓜马拉瓜地震两个银行;
②案例二:1978,日本宫成冲地震3层RC房屋;
③案例三:1976,唐山地震754厂房。
o 结构双向刚度相差较大引起的震害实例
①案例一:1999,台湾地震-台湾民居“透天厝”震害;
②案例二:1999,台湾地震-学校建筑,纵墙开大窗;
③案例三:2008,汶川地震-学校建筑,纵墙开大窗。
o 结构竖向刚度不均匀引起的震害实例
①案例一:1972,美国圣菲南多地震,Olive-View医院(橄榄景医院)
②案例二:1976,罗马尼亚地震,普鲁斯蒂咖啡馆
③案例三:1995,阪神地震中间层薄弱层
o 结构顶部刚度突然减小引起的震害实例
①案例一:1976,唐山地震南开大学主楼;
②案例二:2009年,意大利中部发生6.3级地震,一教堂的顶部遭到地震破坏。
ü 抗震结构要求?
o 建筑形状力求简单、规则
o 平面上质量和刚度的分布力求均匀对称
o 沿竖向质量和刚度变化均匀,避免错层
建筑形状力求简单、规则。
p 避免体形复杂、不规则,平面上凸出凹进,立面上高低错落(震害较重)。
p 简单性可以保证结构具有明确而直接的传力途径
p 简单性可使计算模型更容易接近实际受力状态,结构的地震反应容易分析
p 容易采取构造措施和进行细部处理
J 这是我们结构设计师最乐意接受的方案,但实际设计中建筑处理追求多元化,但变化的幅度应力求符合规范对规则建筑所作的限制。
v平面上质量和刚度的分布力求均匀、对称,避免因质心和刚心的较大偏离使结构在地震下产生附加扭转作用而导致结构倒塌。
ü 抗震设计规范的相关规定—对不规则建筑的判定
p 平面不规则的类型
说明:1.扭转不规则可以采用结构的平面偏心率是否超过0.2来判定。偏心率定义为质量中心与刚度中心的距离与相应宽度之比。2.凹凸不规则可以根据图4.9所示的限值来判定。v3.当楼板局部不连续出现,楼板平面内刚度无穷大假定不再成立,必须考虑楼板变形对抗侧构件间内力分配的影响。
简单及规则平面形状界定
p 竖向不规则的类型
说明:1.立面形状局部收进不规则的判定可以参考下图的限制。2.一般情况下竖向抗侧力构件在其平面内断缩的尺寸不大于该构件的平面长度。超出此范围,必须通过水平转换构件传递,为竖向构件不联系。3.按照楼层屈服承载力系数xy的差值来判定更加合理。
p 复杂体形立面形状规则性的界定
《高规》:建筑的竖向体形宜规则、均匀,避免由过大的外挑和内收。结构的侧向刚度宜下大上小,逐渐均匀变化,不应采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,其侧向刚度不宜小于相邻上部楼层侧向刚度的70%或其上相邻三层侧向刚度平均值的80%。
p 对不规则建筑的抗震计算和设计要求
不同规则性的结构允许采用的简化计算模型和分析方法
对不规则的建筑结构,应按规范要求进行水平地震作用计算和内力调整,并对薄弱部位采取抗震构造措施。
ü 防震缝的设置
(1)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,用设置防震缝进行结构分段是有效的办法。
(2)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,主要是防震缝宽度偏小或构造不当所致。
1985年墨西哥地震的震害调查资料表明,相邻建筑物发生互撞现象高达 40%,其中国碰撞而造成倒塌要占 15%。
必须设置抗震缝的情况:
p 平面形状、局部尺寸或者立面形状不符合规范的规定,而又没有在构造和计算上采取相应措施;
p 必须设置伸缩缝或必须设置沉降缝;
p 房屋各部分质量或侧移刚度大小悬殊时、裙房等。
条件许可,尽可能不设置抗震缝
p 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。
p 设置不当会引起变形加大、相邻建筑物碰撞、失稳,加大破坏。
p 防震缝宽度过大,影响建筑立面效果,增加建筑立面处理和防水处理难度。
不设防震缝的处理办法
p 采取措施避免设置防震缝——调整平面形状和尺寸、并在抗震构造、设计计算、施工时采取措施。
p 不规则房屋不设防震缝时,对可能存在的相对薄弱和应力集中部位,应尽量避免设置楼梯间及在楼板上开较大洞口。
p 不规则房屋不设防震缝时,对可能存在的相对薄弱和应力集中部位,应尽量避免设置楼梯间及在楼板上开较大洞口。
不设缝时高层建筑主体与裙房的处理
p 当裙房范围较大,地基条件较好,高层建筑与连的裙房之间亦可不设缝,此时在施工方法上可采取后浇带的方法以减少早期沉降影响;但必须进行仔细的沉降分析考虑后期沉降对相连结构的影响,并在设计构造方面采取相应措施。
o 措施——对裙房与高层相连的框架梁两端采用适应后期差异沉降的半刚性框架结点,可以控制由于差异沉降引起梁端塑性变形范围,加强梁端约束及纵筋锚固,并考虑内力重分布的不利影响。
p 高层建筑的裙房伸出长度不大于底部长度的50%时,可以利用基础刚度连成整体,不必设置变形缝,但应注意由于不对称带来的基础偏心影响。
p 当裙房与主体结构相连时,在抗震设计方面应考虑裙房布置不对称带来的扭转影响。裙房的刚度应采用比主体结构较柔的结构,尽量减少由于刚度突变对主体结构带来的不利影响。
p 高层建筑当有多层地下室形成大底盘,上部结构为带裙房的单塔或多塔结构时,可将裙房用防震缝自地下室以上分隔,地下室顶板应有良好的整体性和刚度,能将上部结构地震作用分布到地下室结构。
ü 防震缝的设置原则
(1) 设置抗震缝必须保证足够缝宽,也可不设缝但须保证整体性和空间作用——忌连又连不牢、分又分不清。
(2)“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。
(3) 必须根据具体情况认真考虑设缝位置和合理抗震缝宽度。
p 防震缝最小宽度——良好地基条件下一般结构的最小缝宽。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
p 确定防震缝宽度,除考虑结构变形外,还应考虑可能由于地基变形引起基础转动的影响。
p 防震缝最小宽度
抗震设计规范规定的RC结构的防震缝最小宽度:
o 框架的防震缝宽度,当高度不超过 15m时,不应小于100mm;当高度超过 15m时,6度、7度、8度和9度相应每增加高度 5m、4m、3m和2m,宜加宽20mm;
o 框架一剪力墙房屋的防震缝宽度,不小于上述规定值的 70%;剪力墙结构的防震缝宽度,不小于上述规定的 50%,且均不宜小于100mm。
抗震结构体系及构件的设计原则
应有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径
宜具有多道抗震防线
质量、刚度、强度和延性沿竖向分布应规则
构件间强度,刚度,延性必须相互协调、匹配,其能力与地震需求也须匹配
必须充分考虑非结构构件对整体结构抗震性能的影响
结构必须具备良好的整体性
尽量采用轻质材料,降低重心,并剔除不必要重量
v 宜具有多道抗震防线,避免因部分结构和构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。
p 一个抗震体系应由若干个延性较好的分体系组成,且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。—— 多重抗侧力体系(举例…)
p 应有最大可能数量的内外部赘余度(超静定次数,超静定是利用塑性变形的前提) l结构系统的吸能、耗能能力,主要依靠结构构件预定部位产生塑性铰,但如果……
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结构的平面刚度应均匀以及质量、刚度、强度和延性沿竖向分布应规则、连续,避免竖向强度、刚度因局部削弱或突变形成薄弱部位(软弱层和薄弱层),产生过大的应力集中或塑性变形集中。
结构构件间强度、刚度、延性必须相匹配,结构构件的能力与可能的地震需求也必须相匹配。应具备必要的强度、刚度,良好的变形能力和耗能能力。
ü 同时,主要结构构件、节点的强度必须相互协调、匹配,并遵守强柱弱梁、强剪弱弯、强节点强锚固等设计原则。
必须充分考虑非结构构件和附属结构构件的设置对整体结构抗震性能的影响。特别是填充墙的布置问题。
结构必须具备良好的整体性。
尽量采用轻质材料,降低重心,并剔除不必要重量。