最新多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计讲义教学课件

多层及高层钢筋混凝土房屋抗震设计讲义.ppt 5.1震害及其分析1、多高层建筑的结构形式框架、抗震墙、框架－抗震墙及筒体结构等结构体系框架：平面布置灵活、易于满足室内大空间要求；侧向刚度小、水平位移大。抗震墙：侧向刚度大，平面布置不灵活。框架－抗震墙：抗侧刚度得到提高，可以获得较大使用空间。筒体：筒中筒结构、框筒结构、成束筒结构。空间刚度大、抗扭抗侧刚度大，平面布置也较灵活。2、震害及分析平面布置不当——刚心质心不重合，扭转效应明显，导致角柱严重破坏。竖向不规则——质量或刚度有过大突变，在薄弱层处产生过大塑性变形，甚至引起倒塌。如上刚下柔结构、填充墙设置不当等。防震缝处碰撞——防震缝宽度不够或构造不当，导致两侧建筑发生碰撞。 当地下室顶层作为上部结构的嵌固端时，地下一层的抗震等级应按上部结构采用，地下一层以下结构的抗震等级可根据具体情况采用三级或四级，地下室柱截面每侧的纵向钢筋面积除应符合计算要求外，不应少于地上一层对应柱每侧纵向钢筋面积的1.1倍；地下室中超出上部主楼范围且无上部结构的部分，其抗震等级可根据具体情况采用三级或四级。9度抗震设计时，地下室结构的抗震等级不应低于二级。与主楼连为整体的裙楼的抗震等级不应低于主楼的抗震等级；主楼结构在裙房顶部上、下各一层应适当加强抗震构造措施。框架－抗震墙结构中，在基本烈度下，如果框架部分承担的地震倾覆力矩大于结构总倾覆力矩的50％，则该部分已不能视作次要抗侧力部件，其抗震等级应按框架结构确定，最大使用高度可比框架结构适当提高。 4、结构布置结构平面布置的基本原则是：抗震设计的A级高度钢筋混凝土高层建筑，其平面布置宜符合下列要求：1）平面宜简单、规则、对称，减少偏心；2）平面长度不宜过长，突出部分长度不宜过大；3）不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面图形。另外，应避免楼板遭到较大程度的削弱，否则应采取加强措施。抗震设计时，高层建筑宜调整平面形状和结构布置，避免结构不规则，不设防震缝。当建筑物平面形状复杂而又无法调整其平面形状和结构布置使之成为较规则的结构时，宜设置防震缝将其划分为较简单的几个结构单元。刚度中心质量中心 防震缝最小宽度应符合下列要求：1）框架结构房屋，高度不超过15m的部分，可取70mm；超过15m的部分，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；2）框架-剪力墙结构房屋可按第一项规定数值的70％采用，剪力墙结构房屋可按第一项规定数值的50％采用，但二者均不宜小于70mm。防震缝两侧结构体系不同时，防震缝宽度应按不利的结构类型确定；防震缝两侧的房屋高度不同时，防震缝宽度应按较低的房屋高度确定；当相邻结构的基础存在较大沉降差时，宜增大防震缝的宽度；防震缝宜沿房屋全高设置；地下室、基础可不设防震缝，但在与上部防震缝对应处应加强构造和连接；结构单元之间或主楼与裙房之间如无可靠措施，不应采用牛腿托梁的做法设置防震缝。抗震设计时，伸缩缝、沉降缝的宽度均应符合防震缝最小宽度的要求。 注：1）框架-剪力墙的伸缩缝间距可根据结构的具体布置情况取表中框架结构与剪力墙结构之间的数值；2）当屋面无保温或隔热措施、混凝土的收缩较大或室内结构因施工外露时间较长时，伸缩缝间距应适当减小；3）位于气候干燥地区、夏季炎热且暴雨频繁地区的结构，伸缩缝的间距宜适当减小。 当采用下列构造措施和施工措施减少温度和混凝土收缩对结构的影响时，可适当放宽伸缩缝的间距。1）顶层、底层、山墙和纵墙端开间等温度变化影响较大的部位提高配筋率；2）顶层加强保温隔热措施，外墙设置外保温层；3）每30～40m间距留出施工后浇带，带宽800～1000mm，钢筋采用搭接接头，后浇带混凝土宜在两个月后浇灌；4）顶部楼层改用刚度较小的结构形式或顶部设局部温度缝，将结构划分为长度较短的区段；5）采用收缩小的水泥、减少水泥用量、在混凝土中加入适宜的外加剂；6)提高每层楼板的构造配筋率或采用部分预应力结构。 结构的竖向布置，应使其质量沿高度均匀分布，避免突变，并应尽可能降低建筑物的重心，以利结构的整体稳定性。 5、一般规定楼盖——加强楼盖的整体性，合理确定抗震墙间距，保证楼盖有足够的刚度。框架结构——应设计为双向抗侧力体系；梁柱中线的偏心不超过柱宽的1/4，否则，应进行具体分析并采取有效措施；非承重墙体优先采用轻质材料，并有可靠拉结；楼、电梯间及局部突出屋面应由框架承重，而非砌体墙承重。框剪结构——抗震墙应沿主轴方向设置，与柱的偏心距不宜超过柱宽的1/4；应遵循均匀对称原则，宜布置在薄弱和应力集中严重部位，宜增加剪力墙片数量而减小每片墙的刚度。基础——宜采用筏基，必要时采用箱型基础以增强结构的整体性和稳定性；基础埋深应根据土质、烈度、建筑物的体形和高度等合理确定，一般可取房屋总高的1/18～1/15；地下室顶板作为上部结构的嵌固部位时，地下室不宜少于两层，顶板不宜有较大洞口，应能承受上部结构屈服超强及地下室自身的地震作用。 框架结构设计的过程及内容：结构布置及构件截面尺寸确定——计算简图——荷载计算——重力荷载代表值计算——水平（地震）作用计算——内力计算（竖向、水平向）——内力组合——截面强度计算——变形验算——构造措施等5.3框架结构抗震计算 水平地震作用的计算1、计算简图横向框架；纵向框架跨度，层高，荷载作用位置和大小 2、水平地震作用的计算采用合适的计算方法，符合条件时可用底部剪力法各楼层地震作用标准值顶层附加地震作用周期计算可采用顶点位移法非承重墙体影响系数水平最小地震剪力 3、水平地震作用下框架内力计算反弯点法——反弯点法适用条件：层数较少，梁柱线刚度比大于3。计算时，假定楼板刚性，梁刚度无穷大，梁端无转角，仅发生水平位移反弯点位置：上部0.5h，底层2/3h 内力计算步骤：层间剪力分配到柱——计算柱弯矩——根据节点平衡计算梁弯矩。j层i根柱侧移刚度j层i根柱分配到的地震剪力上层j层i根柱弯矩底层i根柱上端弯矩底层i根柱下端弯矩梁端弯矩 D值法（改进反弯点法）——考虑节点转动对反弯点法进行修正，包括抗侧刚度和反弯点位置的修正。影响抗侧刚度的因素有柱本身线刚度、上下梁线刚度、上下层柱的线刚度以及其它影响柱端约束的因素。计算步骤如下：①计算各层柱的侧移刚度Da——修正系数柱线刚度影响柱两端约束的因素：结构总层数及该层所在位置；梁柱线刚度比；荷载形式；上、下层梁刚度；上、下层柱刚度；上下层层高变化 α取值边柱中柱一般层底层 ②计算各柱分配剪力③确定反弯点高度y查附表4.2～4.4确定④计算柱端弯矩上端下端 ⑥梁端剪力⑦计算地震作用下柱轴力N⑤计算梁端弯矩 竖向荷载作用下框架内力计算1、分层法和弯矩二次分配法分层法（弯矩分配法） 特点：底层其它层柱线刚度不变0.9传递系数1/21/3将各层计算结果叠加。对于不平衡弯矩较大节点再分配一次（不再传递）。2、弯矩二次分配法过程：计算各节点固端弯矩（不平衡弯矩）——分配（第一次）和传递同时进行——再分配（第二次）。3、活载最不利布置当活荷载不太大时，活荷载不利布置对结构内力影响不大，可只按满布活荷载进行内力分析，以利手算。计算的跨中弯距偏小，视情况乘以1.1～1.2的系数。 4、弯矩调幅考虑塑性内力重分布，可将梁端弯矩调幅，减小梁端弯矩。调整系数：现浇框架0.8～0.9装配整体式0.7～0.8调幅后的跨中弯矩计算注意：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调幅。 内力组合通过内力计算，获得了在不同荷载作用下产生的构件内力标准值。根据可能出现的最不利情况进行构件的内力组合获得内力设计值，据此进行截面设计。一般应考虑两种组合：（1）地震作用效应与重力荷载代表值效应的组合（2）非抗震组合，即竖向荷载效应与可变荷载效应的组合 框架梁的内力组合——梁端一般是地震作用组合时出现最不利内力；跨间则都有可能出现最不利内力。梁端负弯距设计值：－M=-(1.2MGE+1.3MEhk)梁端正弯距设计值：－M=1.3MEhk－MGE梁端剪力设计值：V=1.2VGE+1.3VEhk 跨间正弯距设计值应比较：+M=GMGk+QMQk和+M=MEGEMGE、VGE——重力荷载代表值作用下的梁端弯距和剪力MEhk、VEhk——水平地震作用下的梁端弯距和剪力标准值MGk、MQk——永久荷载、活荷载作用下的梁跨间最大正弯距标准值MEGE——水平地震作用和重力荷载代表值共同作用下的梁跨间最大正弯距组合设计值 用平衡求出RA或RB关于MEGE的求法： 框架柱内力组合——柱上下端为控制截面，仅考虑沿某一主轴偏心受压的情况 5.4钢筋混凝土框架结构构件设计1、框架梁抗震设计设计要求及计算要点：⑴梁形成塑性铰后仍有足够的受剪承载力(强剪弱弯）——设计剪力的取值⑵梁筋屈服后，塑性铰区段应有较好的延性和耗能能力——延性设计问题⑶解决好梁筋的锚固问题（强锚固）框架梁受剪承载力验算⑴梁剪力设计值 一、二、三级框架梁：vb——梁端剪力增大系数，对于一、二、三级框架分别取1.3、1.2、1.1。VGb——考虑地震作用组合的重力荷载代表值（9度时尚应包含竖向地震作用标准值）作用下，按简支梁分析的梁端截面剪力设计值。一级框架结构及9度时，vb取1.1且弯距值为按实配钢筋及其强度标准值计算的抗弯承载力。——梁左右端反时针或顺时针组合的弯距设计值，一级框架梁当两端均为负弯距时，绝对值较小的一个取0 ⑶梁斜截面受剪承载力（考虑反复荷载作用下混凝土抗剪承载力的降低）⑵剪压比限值（梁最小截面尺寸要求） 提高梁延性的措施主要影响因素：截面尺寸、纵筋配筋率、剪压比、配箍率、钢筋及砼的强度。⑴截面：b200mm,hln/4,h/b4⑵纵筋配筋率：（通过受压区高度控制）一级框架0.25，二、三级框架0.35梁端受拉筋配筋率小于2.5％最小配筋率见P125表4.6 ⑷梁端加密箍筋（P126）抗震等级加密区长度最大间距（取小）最小直径一2hb,500mm6d,hb/4,100mmφ10二1.5hb,500mm8d,hb/4,100mmφ8三1.5hb,500mm8d,hb/4,150mmφ8四1.5hb,500mm8d,hb/4,150mmφ6⑶梁端受压纵筋与受拉纵筋的比率一级框架二、三级框架 ⑸通长纵筋考虑地震作用下反弯点可能变动，一、二级框架不小于214，且不小于受力纵筋最大面积的1/4；三四级框架不少于212。梁筋锚固：防止锚固破坏⑴梁筋锚固方式：直线型和弯折型 ⑵反复荷载下砼粘结强度退化率为0.75，抗震所需的锚固长度应在原锚固长度上有所增加。一、二级laE=1.15la三级laE=1.05la四级laE=la另外，对纵向钢筋的连接规范也作了规定。⑶弯折筋的弯折段不能太小。 控制塑性铰位置通过合理配筋方式使梁的预期塑性铰离开柱边不小于梁高也不小于500mm处。方法：附加短纵筋、短腰筋、弯筋。要求柱边截面比塑性铰处受弯承载力提高25%以上。 2、框架柱抗震设计设计原则及要点：⑴强柱弱梁，使柱尽量不出现塑性铰——柱设计弯矩的取值及计算⑵在弯曲破坏之前不发生剪切破坏，使柱有足够的抗剪能力——柱设计剪力的取值及计算⑶控制柱的轴压比不要太大——轴压比的限值⑷加强约束，配置必要的约束箍筋——构造要求 轴压比轴压比是名义轴向压应力与砼抗压强度之比。轴压比是影响柱子破坏形态和延性的主要因素之一。轴压比越大，柱子的延性越差。柱子的破坏形态也随轴压比的增大，由大偏心破坏转向小偏心破坏。抗震结构要求柱子有足够的延性且为大偏心破坏，故控制轴压比的限值。采取适当措施时，允许提高轴压比。组合轴压力设计值抗震等级一二三框架0.70.80.9部分框支抗震墙0.60.7－框-墙、板柱墙及筒体0.750.850.95强柱弱梁--柱设计弯矩的取值要求：塑性铰出现在梁上(如何设计？） ⑴节点上、下柱端的弯矩设计值一、二、三级框架柱c分别为1.4、1.2、1.1；对一级框架结构及9度时，尚不小于梁左右截面相同弯曲方向上按实配钢筋计算的极限承载力之和的1.2倍。对反弯点不在层高范围内的柱允许直接将柱端弯矩乘以扩大系数；对顶层柱、轴压比小于0.15的柱以及四级抗震等级的柱，可以直接取弯矩组合值。 ⑵底层柱、角柱内力：一、二、三级框架底层柱底截面的组合弯矩设计值应分别乘以1.5、1.25和1.15的增大系数，按双偏压计算的角柱内力在上述调整基础上进一步放大10%。⑴柱剪力设计值ηｖｃ——柱剪力增大系数，一、二、三级框架分别取1.4、1.2、1.1。一级框架结构及9度时，柱端弯矩取实际值，扩大系数取1.2。强剪弱弯——调整剪力设计值取值，保证弯曲破坏前不发生剪切破坏⑵剪压比限值，柱截面尺寸不能太小 短柱⑶柱斜截面受剪承载力 加强柱端约束：在柱端一定范围内加密箍筋。加密箍筋的作用有承担剪力、约束砼、提高抗压强度、提高变形能力、防止纵筋压曲。⑴加密范围为hc、Hn/6、500中的最大值；底层刚性地面上下各500mm；剪跨比不大于2的柱、框支柱、一二级框架的角柱、梁柱中线不重合且偏心矩大于柱宽的1/8时应全高加密。⑵箍筋的最大间距抗震等级最大间距（取较小值）最小直径一级6d，100mmφ10二级8d，100mmφ8三级8d，150mmφ8四级8d，150mmφ8（3）箍筋最小体积配筋率（4）箍筋型式：普通箍、复合箍、螺旋箍 （5）肢距：加密区，一级≤200，二、三级≤250或20倍d，四级≤300每隔一根纵筋应有箍筋约束。非加密区的箍筋量不少于加密区的50%（6）柱纵向钢筋应满足最小、最大配筋率要求。注意防止粘结失效。纵向钢筋间距不宜大于200mm。3、框架节点抗震设计（以下主要针对一、二级框架）节点的基本要求：节点承载力不应低于连接构件；在多遇烈度下，节点处于弹性工作范围；罕遇烈度下，节点承载力的降低不能危及荷载的传递；不应使施工过分困难。节点核心区受剪承载力验算⑴节点的受力和剪力设计值 中节点核心区组合剪力计算 9度和一级框架结构尚应满足顶层：中间层：Vj——梁柱节点核心区组合的剪力设计值Hc——柱的计算高度，可取上、下柱反弯点之间的距离hb0——梁截面的有效高度b——节点剪力增大系数，一级取1.35，二级取1.2Mb——左右梁端截面组合弯距设计值；一级框架左右梁端均为负值时，绝对值较小的取0Mbua——左右梁端截面同方向按实配钢筋及其强度标准值计算的受弯承载力 ⑵剪压比限值j——节点约束影响系数，节点四边有梁，梁宽不小于该侧柱宽的1/2，且正交梁高度不小于框架梁高度的3/4时，取1.5,9度时宜取1.25，其他情况均取1.0⑶节点受剪承载力由砼和箍筋共同承担，经验公式为 当N0.5fcbchc时，取N=0.5fcbchchj——节点核心区截面高度,可采用验算方向的柱截面高度Asvj——节点有效面积内的受剪箍筋全部截面面积⑷节点截面有效宽度a、当梁柱轴线重合，且梁宽不小于该侧柱宽的1/2时，bj=bcb、当梁柱轴线重合，但梁宽小于该侧柱宽1/2时，取下列较小者c、当梁柱轴线不重合且偏心距不应大于柱宽的1/4时下列较小值 （5）节点构造箍筋最大间距和最小直径同柱内箍筋要求配箍特征值一、二、三级不宜小于0.12、0.1、0.08，体积配箍率分别不宜小于0.6％、0.5％、0.4％ 5.5位移验算1、多遇烈度下，层间弹性位移应满足2、罕遇地震作用下层间弹塑性位移计算对于y大于0.5的框架，只要弹性位移满足要求，可不进行弹塑性位移计算。 当y<0.5时，进行薄弱层弹塑性位移验算验算步骤：①楼层屈服强度y的确定②薄弱层确定，一般在底层和y较小层。③薄弱层的层间弹塑性位移验算楼层屈服强度根据梁柱的实际配筋及材料的强度标准值结合框架结构的屈服机制计算得到。梁:柱:屈服机制 当Mcu<Mbu时，为强梁弱柱型，一般柱先屈服，梁后屈服。当Mcu>Mbu时，为强柱弱梁型，一般梁首先屈服。柱端截面有效受弯承载力由节点的弯矩平衡得出，且不大于柱的极限弯矩。 当Mcu>Mbu且一柱端先达到屈服，此时，另一端的受弯承载力按刚度求得。上柱下端屈服 下柱上端屈服接着计算第i层第j根柱的受剪承载力 于是第i层各柱总的屈服强度再计算薄弱层的层间弹塑性位移最后验算层间弹塑性位移 框架结构设计例题某综合服务楼，主体为8层钢筋混凝土框架结构，局部9层，空心砖填充墙，梁板柱均为现浇。柱网布置、建筑层高及横剖面简图见后，底层柱截面尺寸：中柱650mm×650mm，边柱550×550mm。柱混凝土1～3层C40，4～9层C30。楼板采用双向连续板。纵横向框架梁截面400×650mm，梁混凝土C30。设防烈度8度，设计基本地震加速度为0.20g，I类场地土，设计地震分组为二组，抗震等级为二级。要求进行横向框架设计。 计算步骤：重力荷载代表值计算刚度计算：梁，柱，楼层自振周期计算地震作用计算地震作用的分配地震作用下的内力计算竖向荷载下的内力计算内力组合强度、变形计算计算简图结构布置及确定尺寸 （1）重力荷载代表值计算恒荷载取全部，活荷载取50％，各层重力荷载集中于楼屋盖标高处，其代表值为：9层1800kN，8层11570kN，2～7层9597kN，底层9623kN。 （2）梁柱刚度计算（为计算框架的自振周期）①梁的线刚度如表5．14。现浇砼框架梁考虑板的影响，边柱Ib=1.5I0中柱：Ib=2.0I0 ②柱的侧移刚度D值如表5.15及表5.16。 各层柱总刚度汇总 （3）自振周期计算按顶点位移法计算，考虑填充墙对框架刚度的影响，取基本周期调整系数a0=0.6。计算公式为将各层的重力荷载代表值看作水平荷载，计算其产生的框架顶点位移。 （4）横向地震作用计算设计基本地震加速度0.2g，Ⅰ类场地，设计地震分组按二组，则Tg=0.3s，amax=0.16，采用底部剪力法计算，由于T=0.715＞1.4Tg=0.425，故应考虑顶点附加地震作用，取 顶点附加地震作用各层地震作用分配： 注意：第9层考虑鞭梢作用，第8层考虑顶点附加地震作用。 （5）弹性层间变形验算 （6）地震作用下框架的内力分析以横向框架KJ－4为例，KJ－4柱端弯矩计算结果详见表5.20。 y为反弯点高度柱剪力分配 地震作用下框架梁端弯矩：将柱端弯矩在梁端分配，使梁端弯矩与柱端弯矩相等。 地震作用下，梁端剪力及柱轴力：梁端剪力的合力为柱轴力 （7）竖向荷载作用下框架内力分析内力分析采用弯矩分配法。在竖向荷载作用下梁端可以考虑塑性内力重分布，取弯矩调幅系数0.8，楼面竖向荷载分别按恒荷载及全部活荷载计算。 竖向荷载下梁端剪力和柱轴力计算(8)内力组合(9)截面配筋设计及验算注意内力调整（强柱弱梁、强剪弱弯、强节点） 第5章课程设计某实验楼为三层钢筋混凝土框架结构，外围护墙为240mm砖墙，平均重量为（含双面粉刷及窗户的重量）3.59KN/m，中间为实验大厅（无隔墙）。梁截面尺寸为300*600mm，砼为C20；柱截面尺寸为500*500，砼为C30，均为现浇。楼盖为空心板，上浇40mm厚叠合层，Ⅱ类场地，设防烈度7度近震。试设计该结构（验算结构横向层间位移，计算一榀框架的内力并配筋）。 屋面及楼面的荷载（KN/m2）屋面荷载楼面荷载活载使用荷载0.53.0雪荷载0.3--恒载屋面保温等2.52.0叠合层重1.01.0予制板重2.62.66m6m6X4.5m6m6m4.7m3.9m3.9m 结束语谢谢大家聆听！！！83