结构抗震概念设计.ppt

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1、第4章 结构抗震概念设计,结构概念设计与结构抗震概念设计的区别与联系,结构概念设计： 是根据人们在学习和实践中所建立的正确概念，运用人的思维和判断力，正确和全面地把握结构的整体性能。即根据对结构品性的正确把握，合理地确定结构总体与局部设计，使结构自身具有好的品性。,结构抗震概念设计： 是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，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。,本章主要内容（4课时）,4.1 选择抗震有利的建筑场地、地段和地基,4.2 地基土的抗震验算与液化,4.3 设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置,4.4 合理的结构材料,4.5 提高结构抗震性能的措施,4

2、.7 减轻房屋的自重和妥善处理非结构构件,4.6 控制结构变形,学习目标,从场地、建筑体型、材料等方面熟练掌握结构抗震的概念设计。 重难点：场地土的液化判别与建筑体型的选择,4.1 选择抗震有利的建筑场地、地段和地基,4.1.1 选择抗震有利的地段 选择建筑场地时，宜选择对建筑抗震有利的地段，避开对建筑抗震设计不利的地段。严禁在危险地段建造甲、乙类建筑、不应建造丙类建筑。,4.1.2 选择抗震有利的建筑场地和地基,1. 选择抗震有利的建筑场地和地基时应注意以下几点： （1）选择薄的场地覆盖层。 对于柔性建筑，厚土层上的震害重，薄土层上的震害轻，直接坐落在基岩上的震害更轻。 （2）选择坚实的场地

3、土。 震害表明，场地土刚度大，则房屋震害指数小，破坏轻；刚度小，则震害指数大，破坏重。故应选择具有较大平均剪切波速的坚硬场地土。,4.1 选择抗震有利的建筑场地、地段和地基,（3）将建筑物的自振周期与地震动的卓越周期错开，避免共振。 震害表明，如果建筑物的自振周期与地震动的卓越周期相等或相近，建筑物的破坏程度就会因共振而加重。 (4) 采取基础隔震或消能减震措施. 利用基础隔震或消能减震技术改变结构的动力特性，减少输入给上部结构的地震能量，从而达到减小主体结构地震反应的目的. 此外，为确保天然地基和基础的抗震承载力，应按抗震规范的要求对基础进行抗震验算，同时也要防止地基土的液化。,4.1 选择

4、抗震有利的建筑场地、地段和地基,地基：建筑物基础下面受力层范围内的土层。,松软土地基和不均匀地基：,4.2.1 地基抗震设计原则与抗震验算,处理方法：,饱和的淤泥和淤泥质土 冲填土和杂填土 不均匀地基土,不能不加处理地直接 用作建筑物的天然地基,在地震区,地基处理措施：置换、加密、强夯等,消除土的动力不稳定性,桩基等深基础,避开可能失效的地基对上部建筑的不利影响,上部结构的处理措施,4.2 地基土的抗震验算与液化,一、地基抗震设计原则,一般土地基：,建造于一般土质天然地基上的房屋遭遇地震时 极少有因地基强度不足或较大沉陷导致的上部结构破坏,可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算的地基：,（1）

5、 地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的下列建筑： 1）一般的单层厂房和单层空旷房屋； 2）砌体房屋 ； 3）不超过8层且高度在24m以下的一般民用框架房屋； 4）基础荷载与3）项相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房屋。,（2）规范中规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。,4.2.1 地基抗震设计原则与抗震验算,二、地基土抗震承载力,天然地基抗震验算时，地基土的抗震承载力按下式计算 ：,调整后的地基土抗震承载力； 地基土抗震调整系数，按下表采用； 深宽修正后的地基土静承载力特征值，按现行建筑地基基础设计规范采用,步骤：,1.根据静力设计的要求确定基础尺寸 对地基进行强度和沉降量的核算,2.地

6、基抗震强度验算 ：,（荷载组合；基础底面的压力取为直线分布 ）,基础底面地震作用效应标准组合的平均压力值,基础边缘地震作用效应标准组合的最大压力值,4.2.2 地基土液化及其防治,饱和松散的砂土或粉土（不含黄土），地震时易发生液化现象，地基承载力丧失或减弱，甚至喷水冒砂，这种现象一般称为砂土液化或地基土液化。1964年美国Alaska和日本新澙地震中大量出现。,一、 地基土液化及其危害,定义：砂土液化（地基土液化）,液化的宏观标志是在地表出现喷砂冒水,唐山地震时，严重液化地区喷水高度可达8米，厂房沉降可达1米。 天津地震时，海河故道及新近沉积土地区有近3000个喷水冒砂口成群出现，一般冒砂量0

7、.1-1立方米，最多可达5立方米。有时地面运动停止后，喷水现象可持续30分钟。,砂土液化机理,地震,饱和砂土、粉土颗粒在强烈振动下发生相对位移,颗粒结构趋于压密,颗粒间孔隙水来不及排泄而受到挤压 孔隙水压力急剧增加,孔隙水压力 = 土颗粒所受到的总的正压应力 土粒之间因摩擦产生的抗剪能力消失,砂土液化的危害,使土体的抗震强度丧失，引起地基不均匀沉陷,引发建筑物的破坏甚至倒塌,土颗粒处于悬浮状态 形成液化现象,彰化县社头乡三幢三层楼透天住宅，中间一幢有地下室，前后二幢皆无，液化使前后两幢相对下沉4070cm,南投埔里镇民富一街路面因土壤液化而导致开裂及下陷,砂土液化的危害(图),图 发生时间为1

8、999年9月21日凌晨1时47分，位于台湾南投县集集镇发生里氏规模达7.3级的大地震。,南投市公所社会科办公大楼前之大草坪产生土壤液化情形,砂土液化的危害(图),液化喷砂现象,图 发生时间为1999年9月21日凌晨1时47分，位于台湾南投县集集镇发生里氏规模达7.3级的大地震。,二、液化的判别,二、液化的判别,两大步骤：1.初步判别；2.细判（标准贯入试验判别）,初步判别,以地质年代、粘粒含量、地下水位及上覆非液化土层厚度等作为判断条件，凡经初判为不液化或不考虑液化影响，可不进行细判，以减少勘察工作量。,（1）地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及以前时，7、8度可判为不液化；,（2）当粉土的粘粒

9、（粒径小于0.005mm的颗粒)含量百分率在烈度为7、8和9度时分别大于10、13和16可判为不液化；,（3）采用天然地基的建筑，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时，可不考虑液化影响。,地下水位深度（m），按建筑使用期内年平均最高水位采用，也可按近期内年最高水位采用,液化土特征深度，按右表采用,上覆非液化土层厚度（m），计算时应注意将淤泥和淤泥质土层扣除, 基础埋置深度（m），小于2m时应采用2m,上面判别式（db=2) 亦可用右图表示：,db2时，在du 、 dw中减去（db-2) 后再查图确定。,例题1,例题2,标准贯入试验判别,初判条件均不能满足时，地基土存在液化可能,

10、采用标准贯入试验进一步判别其是否液化,标准贯入试验设备：由穿心锤、触探杆、 贯入器等组成,试验时，先钻至测试土层标高以上15cm，再将贯入器放至该土层处，在锤落距为76cm的条件下，连续打入土层30cm，所得锤击数为,N63.5Ncr时，应判为液化土，否则为不液化土,例题3,三、液化地基的评价,液化等级与相应的震害,例题4,四、液化地基的抗震措施,4.3 设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置 1、选择对抗震有利的建筑平面和竖向规则建筑： 不规则建筑-主要根据体型 (平面和立面)、刚度和质量沿平面、高度的不同等因素进行判别。,平面不规则性： 平面偏心、平面凹角、刚性楼层、楼板突变、平面外水

11、平断错、非平行结构体系 立面不规则性： 刚度突变的柔性层、质量分布突变、立面形状突变、竖向抗侧力构件在其平面内的间断、承载力突变 (薄弱层),(1)建筑抗震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； （2）建筑及其抗侧力结构平面布置宜规则、对称，并具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度变化宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自上而下逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。 （3）体型复杂、平立面特别不规则的建筑结构，可按实际需要在适当部位设置防震缝，形成多余较规则的抗侧力结构单元。,4.3 设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置,

12、2、合适的房屋高度 房屋愈高，所受到的地震力和倾覆力矩就愈大，破坏的可能性也就愈大。 不同结构体系的最大建筑高度的规定，综合考虑了结构的抗震性能，地基基础条件、震害经验、抗震设计经验和经济性等因素。,4.3 设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置,现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度（m),钢结构房屋的最大高度（m),4.3 设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置,3、不大的房屋高宽比 房屋的高宽比愈大，地震作用下的侧移和基底倾覆力矩就愈大。 钢筋混凝土房屋的最大高宽比,钢结构房屋的最大高宽比,4.3 设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置,4、防震缝的合理设置 高层建筑宜通过调整平面

13、形状和尺寸，在构造上和施工上采取措施，尽可能不设缝（伸缩缝、沉降缝和防震缝）。但体型复杂、平立面特别不规则的建筑结构，可按实际需要设置防震缝，形成多个较规则的抗侧力结构单元。防震缝应留有足够的宽度，其两侧上部结构应完全脱开。 当设置伸缩缝和沉降缝时，其宽度应符合防震缝的要求。,4.3 设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置,5、合理的抗震结构布置 在进行结构方案平面布置时，应使结构抗侧力体系对称布置，以避免扭转。为了把扭转效应降低到最低程度，应尽可能减小结构质量中心与刚度中心的距离。 除结构平面布置要合理外，结构沿竖向的布置应等强。结构抗震性能的好坏，取决于总的承载能力、变形和耗能能力外，

14、避免局部的抗震薄弱部位是十分重要的。,4.3 设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置,4.4 合理的结构材料 抗震结构的材料应满足下列要求： 1、延性系数（表示极限变形与相应屈服变形之比）高； 2、“强度/重力”比值大； 3、匀质性好； 4、正交各向同性； 5、构件的连接具有整体性、连续性和较好的延性，并能充分发挥材料的强度。,4.5 提高结构抗震性能的措施 1、设置多道抗震防线 单一结构体系只有一道防线，一旦破坏就会造成建筑物倒塌。如果建筑物采用的是多重抗侧力体系，可保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌。 （1）第一道防线的构件选择 第一道防线一般应优先选择不负担或少负担重力荷载的竖向支撑

15、或填充墙，或选择轴压比较小的抗震墙，实墙筒体之类的构件作为第一道防线的抗侧力构件。,（2）结构体系的多道设防 框架抗震墙结构体系中，剪力墙是第一道防线，框架部分起到第二道防线的作用， 单层厂房纵向体系中，柱间支撑是第一道防线，柱是第二道防线。,（3）结构构件的多道防线 联肢抗震墙中，连系梁是第一道防线。 “强柱弱梁”型的延性框架，梁处于第一道防线。 在超静定结构构件中，赘余构件为第一道防线,4.5 提高结构抗震性能的措施,2、提高结构延性 结构延性有4层含义： （1）结构总体延性 （2）结构楼层延性 （3）构件延性 （4）杆件延性,一般而言，在结构抗震设计中，对结构中重要构件的延性要求，高于对

16、结构总体的延性要求，对构件中关键杆件或部位的延性要求，又高于对整个构件的延性要求。,4.5 提高结构抗震性能的措施,3、采用减震方法 （1）提高结构阻尼 结构的地震反应随结构阻尼比的增大而减小。提高结构阻尼能有效地削减地震反应的峰值。 （2）采用高延性构件 增加结构的延性，不仅能削减地震反应，而且提高了结构抗御强烈地震的能力 （3）采用隔震和消能减震技术,4.5 提高结构抗震性能的措施,4、优选耗能杆件 根据结构中选择主要耗能构件或杆件的原则，应选择构件中轴力较小的水平杆件为主要耗能构件，从而使整个结构具有较大的延性和耗能能力。 （1）弯曲耗能优于剪切耗能 （2）弯曲耗能优于轴变耗能,4.5

17、提高结构抗震性能的措施,4.6 控制结构变形 1、控制结构变形 地震时建筑物的破坏程度，主要取决于主体结构变形的大小。 结构变形可用层间位移和顶点位移两种方式表达。各层间位移之和即为结构顶点位移。,2、确保结构整体性 （1）结构应具有连续性 （2）构件间的可靠连接 （3）提高结构的竖向整体刚度,4.7、减轻房屋的自重和妥善处理非结构构件 （1）减轻房屋自重 震害表明，自重大的建筑比自重小的建筑更容易遭到破坏。 减小房屋自重的途径： 1、减小楼板厚度 2、尽量减薄墙体 3、高强混凝土的应用 4、轻质材料的应用,（2）妥善处理非结构部件 非结构部件在抗震设计时若处理不当，在地震中易发生严重破坏或闪落，甚至造成主体结构破坏。 1、考虑填充墙的影响 2、玻璃幕墙的构造 3、外墙板的连接,4.7、减轻房屋的自重和妥善处理非结构构件,