第四章-结构抗震概念设计-课件

第第4 4章章 结构抗震概念设计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与结构抗震概念设计的区别与联系结构概念设计结构概念设计：是根据人们在学习和实践中所建立的正确概念，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，使结构自身具有理地确定结构总体与局部设计，使结构自身具有好的品性。好的品性。结构抗震概念设计结构抗震概念设计：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。定细部构造的过程。本章主要内容本章主要内容（4 4课时）课时）4.1 4.1 选择抗震有利的建筑场地、地段和地基选择抗震有利的建筑场地、地段和地基4.2 4.2 地基土的抗震验算与液化地基土的抗震验算与液化4.3 4.3 设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置4.4 4.4 合理的结构材料合理的结构材料4.5 4.5 提高结构抗震性能的措施提高结构抗震性能的措施4.7 4.7 减轻房屋的自重和妥善处理非结构构件减轻房屋的自重和妥善处理非结构构件4.6 4.6 控制结构变形控制结构变形学习目标学习目标 从场地、建筑体型、材料等方面从场地、建筑体型、材料等方面熟练掌握熟练掌握结构抗结构抗震的概念设计。震的概念设计。重难点：重难点：场地土的液化判别与建筑体型的选择场地土的液化判别与建筑体型的选择4.1 4.1 选择抗震有利的建筑场地、地段和地基选择抗震有利的建筑场地、地段和地基4.1.1 4.1.1 选择抗震有利的地段选择抗震有利的地段 选择建筑场地时，宜选择对选择建筑场地时，宜选择对建筑抗震有利的地段建筑抗震有利的地段，避开对，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、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。不应建造丙类建筑。4.1.2 4.1.2 选择抗震有利的建筑场地和地基选择抗震有利的建筑场地和地基 1.1.选择抗震有利的建筑场地和地基时应注意以下几点：选择抗震有利的建筑场地和地基时应注意以下几点：（1 1）选择薄的场地覆盖层。）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。接坐落在基岩上的震害更轻。（2 2）选择坚实的场地土。）选择坚实的场地土。震害表明，场地土刚度大，则房屋震害指数小，破坏轻；刚度震害表明，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。的坚硬场地土。4.1 4.1 选择抗震有利的建筑场地、地段和地基选择抗震有利的建筑场地、地段和地基（3 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。）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。相近，建筑物的破坏程度就会因共振而加重。(4)(4)采取基础隔震或消能减震措施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，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。也要防止地基土的液化。4.1 4.1 选择抗震有利的建筑场地、地段和地基选择抗震有利的建筑场地、地段和地基地基地基：建筑物基础下面受力层范围内的土层。：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：松软土地基和不均匀地基：4.2.1 4.2.1 地基抗震设计原则与抗震验算地基抗震设计原则与抗震验算 处理方法：处理方法：饱和的淤泥和淤泥质土饱和的淤泥和淤泥质土冲填土和杂填土冲填土和杂填土不均匀地基土不均匀地基土不能不加处理地直接不能不加处理地直接用作建筑物的天然地基用作建筑物的天然地基在地震区在地震区地基处理措施：置换、加密、强夯等地基处理措施：置换、加密、强夯等消除土的动力不稳定性消除土的动力不稳定性 桩基等深基础桩基等深基础 避开可能失效的地基对上部建筑的不利影响避开可能失效的地基对上部建筑的不利影响 上上部结构的处理措施部结构的处理措施4.2 4.2 地基土的抗震验算与液化地基土的抗震验算与液化一一、地基抗震设计原则、地基抗震设计原则 一般土地基：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：可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算的地基：（1 1）地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的下列建筑：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 1）一般的单层厂房和单层空旷房屋；）一般的单层厂房和单层空旷房屋；2 2）砌体房屋）砌体房屋 ；3 3）不超过）不超过8 8层且高度在层且高度在24m24m以下的一般民用框架房屋；以下的一般民用框架房屋；4 4）基础荷载与）基础荷载与3 3）项相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震）项相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房屋。墙房屋。（2 2）规范中规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。）规范中规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。4.2.1 4.2.1 地基抗震设计原则与抗震验算地基抗震设计原则与抗震验算 二、地基土抗震承载力二、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；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；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岩土名称和性状岩土名称和性状 岩石，密实的碎石土，密实的砾，粗、中砂，岩石，密实的碎石土，密实的砾，粗、中砂，300kPa 300kPa的粘性的粘性土和粉土土和粉土 1.51.5中密、稍密的碎石土，中密和稍密的砾、粗、中砂，密实和中密中密、稍密的碎石土，中密和稍密的砾、粗、中砂，密实和中密的细、粉砂，的细、粉砂，150kPa 300kPa150kPa 300kPa的粘性土和粉土，坚硬黄土的粘性土和粉土，坚硬黄土 1.31.3稍密的细、粉砂，稍密的细、粉砂，100kPa 150kPa 100kPa 22时，在时，在d du u 、d dw w中减去（中减去（d db b-2)-2)后再查图确定。后再查图确定。例题例题1例题例题2标准贯入试验判别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初判条件均不能满足时，地基土存在液化可能采用标准贯入试验进一步判别其是否液化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：由标准贯入试验设备：由穿心锤、触探杆、穿心锤、触探杆、贯贯入入器等组成器等组成 试验时，先钻至测试土层标高以上试验时，先钻至测试土层标高以上15cm15cm，再将贯入器放至该土层处，在锤落距为，再将贯入器放至该土层处，在锤落距为76cm76cm的条件下，连续打入土层的条件下，连续打入土层30cm30cm，所得锤，所得锤击数为击数为 N63.5Ncr时，应判为液化土，否则为不时，应判为液化土，否则为不液化土液化土例题例题3三、液化地基的评价三、液化地基的评价液化等级与相应的震害液化等级与相应的震害液化液化等级等级 地面喷水冒砂情况地面喷水冒砂情况 对建筑物的危害情况对建筑物的危害情况轻微轻微地面无喷水冒砂，或地面无喷水冒砂，或仅在洼地、诃边有零仅在洼地、诃边有零星的喷水冒砂点星的喷水冒砂点危害性小，一般不致引起明危害性小，一般不致引起明显的震害显的震害中等中等喷水冒砂可能性大，喷水冒砂可能性大，从轻微到严重均有，从轻微到严重均有，多数属中等多数属中等危害性较大，可造成不均匀危害性较大，可造成不均匀沉陷和开裂，有时不均匀沉沉陷和开裂，有时不均匀沉陷可达陷可达200mm严重严重一般喷水冒砂都很严一般喷水冒砂都很严重，地面变形很明显重，地面变形很明显危害性大，不均匀沉陷可能危害性大，不均匀沉陷可能大于大于200mm，高重心结构，高重心结构可能产生不允许的倾斜可能产生不允许的倾斜例题例题4四、液化地基的抗震措施四、液化地基的抗震措施建筑建筑类别地基的液化等地基的液化等级轻微微中等中等严重重乙乙类部分消除液化沉陷，部分消除液化沉陷，或或对基基础和上部和上部结构构进行行处理理全部消除液化沉陷，或全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷部分消除液化沉陷且且对基基础和上部和上部结构构进行行处理理全部消除液化沉陷全部消除液化沉陷丙丙类对基基础和上部和上部结构构进行行处理，亦可不理，亦可不采取措施采取措施对基基础和上部和上部结构构进行行处理，或采用更高理，或采用更高要求的措施要求的措施全部消除液化沉陷，全部消除液化沉陷，或部分消除液化或部分消除液化沉陷且沉陷且对基基础和和上部上部结构构进行行处理理丁丁类可不采取措施可不采取措施可不采取措施可不采取措施对基基础和上部和上部结构构进行行处理，或采用理，或采用其他其他经济的措施的措施4.3 4.3 设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置1 1、选择对抗震有利的建筑平面和竖向规则建筑：、选择对抗震有利的建筑平面和竖向规则建筑：不规则建筑不规则建筑-主要根据体型主要根据体型(平面和立面平面和立面)、刚度和、刚度和质量沿平面、高度的不同等因素进行判别。质量沿平面、高度的不同等因素进行判别。平面不规则性：平面不规则性：平面偏心、平面凹角、刚性楼层、楼板突变、平面外水平断错、平面偏心、平面凹角、刚性楼层、楼板突变、平面外水平断错、非平行结构体系非平行结构体系立面不规则性：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、承载力突变力构件在其平面内的间断、承载力突变(薄弱层薄弱层)(1)(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；的设计方案；（2 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）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。减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。（3 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）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。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 4.3 设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置2 2、合适的房屋高度、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。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。素。4.3 4.3 设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置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（现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度（m)m)钢结构房屋的最大高度（钢结构房屋的最大高度（m)m)4.3 4.3 设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置3 3、不大的房屋高宽比、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。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筋混凝土房屋的最大高宽比钢结构房屋的最大高宽比钢结构房屋的最大高宽比4.3 4.3 设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置4 4、防震缝的合理设置、防震缝的合理设置 高层建筑宜通过调整平面形状和尺寸，在构造上和施工上采取高层建筑宜通过调整平面形状和尺寸，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、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。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。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 4.3 设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置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、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，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。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，避免震性能的好坏，取决于总的承载能力、变形和耗能能力外，避免局部的抗震薄弱部位是十分重要的。局部的抗震薄弱部位是十分重要的。4.3 4.3 设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置设计有利的房屋抗震体型、进行合理的结构布置 4.4 4.4 合理的结构材料合理的结构材料抗震结构的材料应满足下列要求：抗震结构的材料应满足下列要求：1 1、延性系数（表示极限变形与相应屈服变形之比）高；、延性系数（表示极限变形与相应屈服变形之比）高；2 2、“强度强度/重力重力”比值大；比值大；3 3、匀质性好；、匀质性好；4 4、正交各向同性；、正交各向同性；5 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、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。料的强度。4.5 4.5 提高结构抗震性能的措施提高结构抗震性能的措施1 1、设置多道抗震防线、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。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。安全，免于倒塌。（1 1）第一道防线的构件选择）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撑或填充墙，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。作为第一道防线的抗侧力构件。（2 2）结构体系的多道设防）结构体系的多道设防 框架框架抗震墙结构体系中，剪力墙是第一道防线，框架部分抗震墙结构体系中，剪力墙是第一道防线，框架部分起到第二道防线的作用，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。线。（3 3）结构构件的多道防线）结构构件的多道防线 联肢抗震墙中，连系梁是第一道防线。联肢抗震墙中，连系梁是第一道防线。“强柱弱梁强柱弱梁”型的延性框架，梁处于第一道防线。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在超静定结构构件中，赘余构件为第一道防线4.5 4.5 提高结构抗震性能的措施提高结构抗震性能的措施2 2、提高结构延性、提高结构延性结构延性有结构延性有4 4层含义：层含义：（1 1）结构总体延性）结构总体延性（2 2）结构楼层延性）结构楼层延性（3 3）构件延性）构件延性（4 4）杆件延性）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，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，高于对结构总体的延性要求，对构件中关键杆件或部位的延性要高于对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。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提高结构抗震性能的措施3 3、采用减震方法、采用减震方法（1 1）提高结构阻尼）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。有效地削减地震反应的峰值。（2 2）采用高延性构件）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强烈地震的能力 （3 3）采用隔震和消能减震技术）采用隔震和消能减震技术4.5 4.5 提高结构抗震性能的措施提高结构抗震性能的措施4 4、优选耗能杆件、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。延性和耗能能力。（1 1）弯曲耗能优于剪切耗能）弯曲耗能优于剪切耗能（2 2）弯曲耗能优于轴变耗能）弯曲耗能优于轴变耗能4.5 4.5 提高结构抗震性能的措施提高结构抗震性能的措施 4.6 4.6 控制结构变形控制结构变形1 1、控制结构变形、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。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。移之和即为结构顶点位移。2 2、确保结构整体性、确保结构整体性（1 1）结构应具有连续性）结构应具有连续性（2 2）构件间的可靠连接）构件间的可靠连接（3 3）提高结构的竖向整体刚度）提高结构的竖向整体刚度4.74.7、减轻房屋的自重和妥善处理非结构构件、减轻房屋的自重和妥善处理非结构构件 （1 1）减轻房屋自重）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。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：减小房屋自重的途径：1 1、减小楼板厚度、减小楼板厚度 2 2、尽量减薄墙体、尽量减薄墙体 3 3、高强混凝土的应用、高强混凝土的应用 4 4、轻质材料的应用、轻质材料的应用