《鋼筋混凝土結構》課件-9.鋼筋混凝土結構抗震設計

鋼筋混凝土結構學習目標（1）了解單向板肋梁樓蓋的結構布置方案及設計步驟。（2）理解塑性內力重分布的基本原理及塑性鉸、彎矩調幅、內力包絡圖等基本概念。（3）掌握單向板樓蓋主梁、次梁、板的內力計算、截面設計方法及配筋構造要求。（4）了解雙向板按彈性理論的內力計算方法和配筋構造要求。（5）了解板式樓梯、梁式樓梯的應用范圍及受力特點，掌握板式樓梯的計算方法和配筋構造。（6）熟悉雨篷這種懸挑構件的截面設計特點及構造要求。模塊9鋼筋混凝土結構抗震設計模塊9鋼筋混凝土結構抗震設計9.1地震概述9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施9.1地震概述9.1.1地震的基礎知識如圖9-1所示，地震發(fā)生的地方叫震源，震源正上方的地面位置叫震中；震中附近地面振動最厲害，也是破壞最嚴重的地區(qū)，稱為震中區(qū)。地面某處到震中的水平距離稱為震中距。把地面上破壞程度相近的點連成的曲線稱為等震線。震源至地面的垂直距離稱為震源深度。圖9-1常用地震術語示意圖地震按其成因可分為三種主要類型，即火山地震、塌陷地震和構造地震。構造地震按震源的深度不同，又可分為淺源地震(震源深度小于60km)、中源地震（震源深度在60～300km）和深源地震（震源深度大于300km）。地震時，巖層中積累的能量以波的形式從震源向外傳播至地面，這就是地震波。9.1地震概述體波有縱波和橫波兩種形式?？v波是由震源向四周傳播的壓縮波，又稱P波，其質點振動的方向與波的前進方向一致，這種波周期短、振幅小、傳播速度快，能引起地面上下顛簸（豎向振動）。橫波是由震源向四周傳播的剪切波，其質點振動的方向與波的前進方向垂直，其特點是周期長、振幅大、傳播速度較慢，能引起地面水平搖晃（水平振動）。面波是體波經地層界面多次反射、折射形成的次生波。面波的特點是周期長、振幅比體波大，能引起地面建筑的水平振動。9.1地震概述1.地震的震級衡量地震大小的等級稱為震級。它表示一次地震釋放能量的多少，一次地震只有一個震級。地震的震級用符號M表示，通常稱為里氏震級。9.1地震概述2.地震烈度地震烈度是指一次地震對某一地區(qū)的地表和建筑物影響的強弱程度。地震烈度不僅與震級大小有關，同時與震源深度、震中距、地質條件等因素有關。一次地震，只有一個震級，但卻有好多個烈度區(qū)，對不同地區(qū)的影響也不同，隨著距離震中遠近的不同會出現多種不同的地震烈度。一般來說，距震中越近，地震烈度越高。目前，我國地震烈度采用《中國地震烈度表》（GB/T17742—2008）分成12度。9.1地震概述3.抗震設防烈度抗震設防烈度是作為一個地區(qū)建筑抗震設防依據的地震烈度，必須按國家規(guī)定的權限審批、頒發(fā)的文件（圖件）確定?！督ㄖ拐鹪O計規(guī)范》（GB50011—2010）（以下簡稱《抗震規(guī)范》）給出了我國主要城鎮(zhèn)抗震設防烈度，表9-1給出了全國主要城市抗震設防烈度。9.1地震概述9.1.2抗震設防目標與設防標準1.抗震設防的目標及抗震設計方法（1）（2）（3）第一水準：小震不壞。第二水準：中震可修。第三水準：大震不倒。9.1地震概述2.建筑抗震設防分類（1）特殊設防類建筑。（2）重點設防類建筑。（3）標準設防類建筑。（4）適度設防類建筑。9.1地震概述3.建筑抗震設防標準（1）甲類建筑，應按高于本地區(qū)抗震設防烈度提高一度的要求加強其抗震措施；但抗震設防烈度為9度時應按比9度更高的要求采取抗震措施。（2）乙類建筑，應按高于本地區(qū)抗震設防烈度提高一度的要求加強其抗震措施；但抗震設防烈度為9度時應按比9度更高的要求采取抗震措施。（3）丙類建筑，應按本地區(qū)抗震設防烈度確定其抗震措施和地震作用，達到在遭遇高于當地抗震設防烈度的預估罕遇地震影響時不致倒塌或發(fā)生危及生命安全的嚴重破壞的抗震設防目標。（4）丁類建筑，允許比本地區(qū)抗震設防烈度的要求適當降低其抗震措施，但抗震設防烈度為6度時不應降低。9.1地震概述9.1.3抗震設計的基本要求1.選擇對抗震有利的場地和地基確定建筑場地時，應選擇有利地段，避開不利地段。對危險地段，嚴禁建造甲、乙類建筑，不應建造丙類建筑。有利、一般、不利和危險地段的劃分見表9-2。9.1地震概述2.選擇有利于抗震的平面和立面布置建筑設計應符合抗震概念設計的要求，不規(guī)則的建筑方案應按規(guī)定采取加強措施。不應采用嚴重不規(guī)則的建筑結構設計方案。建筑及其抗側力構件的平面布置宜規(guī)則、對稱，并應具有良好的整體性；建筑的立面和豎向剖面宜規(guī)則，結構的側向剛度宜均勻變化，豎向抗側力構件的截面尺寸和材料強度宜自下而上逐漸減小，避免抗側力結構的側向剛度和承載力突變。樓層不宜錯層。9.1地震概述3.選擇合理的抗震結構體系（1）結構體系應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。（2）結構體系應避免因部分結構或結構構件破壞而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力。（3）結構體系應具備必要的抗震承載力，良好的變形能力和消耗地震能量的能力。（4）結構體系對可能出現的薄弱部位，應采取措施提高其抗震能力。9.1地震概述（5）結構體系宜有多道抗震防線。（6）結構體系宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部削弱或突變形成薄弱部位，產生過大的應力集中或塑性變形集中。（7）結構在兩個主軸方向的動力特性宜相近。9.1地震概述4.結構構件應有利于抗震結構構件應符合下列要求：對砌體結構，應按規(guī)定設置鋼筋混凝土圈梁和構造柱、芯柱，或采用約束砌體、配筋砌體等；對混凝土結構構件，應控制截面尺寸和受力鋼筋、箍筋的設置，防止剪切破壞先于彎曲破壞、混凝土的壓潰先于鋼筋的屈服、鋼筋的錨固黏結破壞先于鋼筋破壞；對預應力混凝土結構構件，應配有足夠的非預應力鋼筋；多、高層的混凝土樓、屋蓋宜優(yōu)先采用現澆混凝土板。當采用預制裝配式混凝土樓、屋蓋時，應從樓蓋體系和構造上采取措施確保各預制板之間連接的整體性。加強結構各構件之間的連接，使連接節(jié)點的破壞不應先于其連接的構件破壞，以保證結構的整體性。9.1地震概述5.處理好非結構構件非結構構件包括建筑非承重結構構件（如女兒墻、圍護墻、隔墻、幕墻、裝飾貼面等）和建筑附屬機電設備。附著于樓、屋面結構上的非結構構件，以及樓梯間的非承重墻體，應與主體結構有可靠的連接或錨固，避免發(fā)生地震時倒塌傷人或砸壞重要設備，例如，框架結構的圍護墻和隔墻應避免不合理設置而導致主體結構的破壞；幕墻、裝飾貼面等與主體結構要有可靠連接；建筑附屬機電設備等，其自身及其與主體結構的連接，應進行抗震設計。9.1地震概述6.合理選用材料，確保施工質量抗震等級為一級的框架梁、柱和節(jié)點核心區(qū)，混凝土強度等級不應低于C30，其他各類構件以及抗震等級為二、三級的框架不應低于C20；抗震墻不宜超過C60；其他構件，9度時不宜超過C60，8度時不宜超過C70。1）混凝土強度等級9.1地震概述2）鋼筋種類及性能要求（2）鋼筋的屈服強度實測值與屈服強度標準值的比值不應大于1.3。（1）鋼筋的抗拉強度實測值與屈服強度實測值的比值（強屈比）不應小于1.25。（3）鋼筋在最大拉力下的總伸長率實測值不應小于9%。9.1地震概述9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施9.2.1震害特點1.框架結構的震害1）框架結構整體框架結構的整體破壞形式一般可分為延性破壞和脆性破壞。當塑性鉸出現在梁端，形成梁鉸機制（強柱弱梁）時，結構仍能承受較大的整體變形，發(fā)生延性破壞。當塑性鉸出現在柱端，形成柱鉸機制（強梁弱柱）時，結構的變形往往集中在某一薄弱層，整體變形較小，結構發(fā)生脆性破壞。2）框架梁震害多發(fā)生在梁端。在強烈地震作用下，梁端縱向鋼筋屈服，出現上下貫通的垂直裂縫和交叉斜裂縫。當抗剪鋼筋配置不足時發(fā)生脆性剪切破壞，當抗彎鋼筋配置不足時發(fā)生彎曲破壞。此外，當梁縱筋在節(jié)點內錨固不足時發(fā)生錨固失效（拔出）。9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施3）框架柱框架柱的破壞主要發(fā)生在接近節(jié)點處，柱上、下兩端，以柱上端的破壞更為常見。其表現形式為柱頂周圍有水平裂縫或交叉的X形裂縫，嚴重時混凝土被壓碎，縱筋受壓屈曲呈燈籠狀；箍筋崩斷，柱斷裂?？蚣艿慕侵捎谑请p向偏心受壓構件，再加上扭轉的作用，而其所受的約束又比其他柱少，強震作用時更容易被破壞。當有錯層、夾層或有半高的填充墻，或不適當地設置某些連系梁時，容易形成H/b<4(H為柱高，b為柱截面短邊邊長)的短柱。由于短柱的抗側移剛度很大，所以能吸收的地震剪力也大，易導致剪切破壞，形成交叉裂縫乃至脆斷。9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施4）框架節(jié)點在強震作用下，框架梁、柱節(jié)點的破壞機理很復雜。梁、柱節(jié)點的震害主要是節(jié)點核心區(qū)抗剪強度不足引起的破壞，會在節(jié)點處出現斜向的X形裂縫，此類破壞后果往往較嚴重。當節(jié)點區(qū)剪壓比較大時，箍筋可能尚未屈服，混凝土就被剪壓破壞。當節(jié)點區(qū)箍筋過少或由于節(jié)點區(qū)鋼筋過密而影響混凝土澆筑質量時，都會引起節(jié)點區(qū)的破壞。9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施5）填充墻框架結構中的砌體填充墻與框架共同工作，可增加結構的剛度。但填充墻本身的抗剪強度低、變形能力小，如果墻體與框架柱缺乏有效的拉結會產生豎向裂縫，在強震作用下易發(fā)生剪切破壞，出現交叉斜裂縫甚至外傾或倒塌。9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施2.抗震墻的震害在《抗震規(guī)范》中，“抗震墻”就是指結構抗側力體系中的鋼筋混凝土剪力墻，不包括只承擔重力荷載的混凝土墻。相對于框架結構而言，抗震墻結構和框架-抗震墻結構房屋的抗震性能較好，震害一般較輕。高層結構抗震墻的震害主要表現為：墻肢之間的連梁產生剪切破壞，墻肢之間是抗震墻結構的變形集中處，由于連梁跨度小、高度大而形成深梁，在地震反復作用下形成X形剪切裂縫，其破壞為脆性破壞；狹而高的墻肢的工作性能與懸臂梁類似，地震破壞常出現在墻的底部。9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施9.2.2框架結構的抗震構造措施1.抗震等級抗震等級的劃分，是為了體現對不同抗震設防類別、不同結構類型、不同場地條件、不同烈度或同一烈度但不同高度的鋼筋混凝土建筑結構采取不同的延性設計要求以及采取不同的抗震構造措施，以利于做到經濟而有效地設計?！犊拐鹨?guī)范》根據設防類別、設防烈度、結構類型和房屋高度等因素，將現澆鋼筋混凝土框架、抗震墻結構劃分為四個抗震等級，見表9-3，一級抗震要求最高，四級抗震要求最低，它是確定結構和構件抗震計算與采取抗震措施的標準。9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施2.設計原則強剪弱彎強柱弱梁。強節(jié)點、強錨固。（1）（2）（3）9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施3.抗震構造措施1）框架梁Eye-CatchingVisual（1）梁的截面尺寸。（2）梁內縱向鋼筋。（3）梁的箍筋。9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施2）框架柱（1）柱的截面尺寸。柱的截面寬度和高度，四級或不超過2層時不宜小于300mm，一、二、三級且超過2層時不宜小于400mm；剪跨比宜大于2；截面長邊與短邊之比不宜大于3。（2）柱內縱向鋼筋。柱內縱向鋼筋的配置應符合下列要求9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施（3）柱的箍筋。①柱的箍筋形式如圖9-2所示。圖9-2柱的箍筋形式9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施②框架柱的上、下兩端需設置箍筋加密區(qū)。一般情況下，柱箍筋加密區(qū)的范圍、加密區(qū)的箍筋最大間距和最小直徑應按表9-6取用。9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施③柱箍筋加密區(qū)的箍筋肢距，一級不宜大于200mm，二、三級不宜大于250mm，四級不宜大于300mm。至少每隔一根縱筋宜在兩個方向有箍筋或拉筋約束；采用拉筋復合箍時，拉筋宜緊靠縱筋并鉤住受扭箍筋。9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施3）框架節(jié)點框架梁、柱鋼筋在節(jié)點內的錨固構造參見模塊8，縱向受拉鋼筋的錨固長度應采用抗震錨固長度laE。為保證框架節(jié)點核芯區(qū)的抗剪承載力，使框架梁、柱縱向鋼筋有可靠的錨固條件，對節(jié)點核芯區(qū)混凝土應進行有效約束?？蚣芄?jié)點核芯區(qū)箍筋的最大間距和最小直徑宜按柱箍筋加密區(qū)要求采用，一、二、三級框架節(jié)點核芯區(qū)配箍特征值分別不宜小于0.12、0.10、0.08，且箍筋體積配箍率分別不宜小于0.6%、0.5%、0.4%。9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施9.2.3抗震墻結構的抗震構造措施1.抗震墻的厚度抗震墻的厚度，一、二級不應小于160mm，且不宜小于層高或無支長度的1/20，三、四級不應小于140mm，且不宜小于層高或無支長度的1/25；無端柱或翼墻時，一、二級不宜小于層高或無支長度的1/16，三、四級不宜小于層高或無支長度的1/20。底部加強部位的墻厚，一、二級不應小于200mm，且不宜小于層高或無支長度的1/16，三、四級不應小于160mm，且不宜小于層高或無支長度的1/20；無端柱或翼墻時，一、二級不宜小于層高或無支長度的1/12，三、四級不宜小于層高或無支長度的1/16。9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施2.抗震墻的邊緣構件1）構造邊緣構件的設置與配筋構造影響壓彎構件的延性或屈服后變形能力的因素有截面尺寸、混凝土強度等級、縱向配筋、軸壓比、箍筋量等，其主要因素是軸壓比和配箍特征值?？拐饓χ脑囼炑芯勘砻?，軸壓比超過一定值時，很難成為延性抗震墻。對于抗震墻結構，底層墻肢底截面的軸壓比不大于表9-7規(guī)定的一、二、三級抗震墻及四級抗震墻，墻肢兩端可設置構造邊緣構件。9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施構造邊緣構件的設置范圍可按圖9-3取用。構造邊緣構件范圍內縱向鋼筋的配筋量除應滿足受彎承載力要求外，還應符合表9-8的要求。9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施圖9-3抗震墻的構造邊緣構件9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施2）約束邊緣構件的設置與配筋構造約束邊緣構件的形式可以是暗柱（矩形端）、端柱和翼墻。約束邊緣構件縱筋的配筋范圍不應小于圖9-4中的陰影面積，一、二級抗震墻在其范圍內的縱筋截面面積，分別不應少于圖中陰影面積的1.2%和1.0%，并分別不應小于6根直徑16mm和6根直徑14mm的鋼筋；縱筋宜采用HRB335級或HRB400級鋼筋。圖9-4抗震墻的約束邊緣構件1—配箍特征值為λv的區(qū)域；2—配箍特征值為λv/2的區(qū)域9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施約束邊緣構件沿墻肢方向的長度lc和配箍特征值λv宜符合表9-9的要求，箍筋的配筋范圍如圖9-4中的陰影面積所示。9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施3.抗震墻的分布鋼筋1）分布鋼筋的布置抗震墻分布鋼筋的配筋方式有單排及多排配筋。當剪力墻厚度大于140mm時，其豎向和水平方向分布鋼筋應雙排布置；當剪力墻厚度大于400mm，但不大于700mm時，宜采用三排配筋；當厚度大于700mm時，宜采用四排配筋。為固定各排分布鋼筋網的位置，應采用拉筋連接，拉筋應與外皮鋼筋鉤牢，墻身拉筋布置有矩形和梅花形兩種，一般多采用梅花形排布。9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施2）分布鋼筋的配筋構造抗震墻中豎向和水平方向分布鋼筋的最小配筋率均不應小于0.25%（一、二、三級）和0.20%（四級）；部分框支抗震墻結構的落地抗震墻底部加強部位，豎向和水平方向分布鋼筋配筋率均不應小于0.3%。抗震墻在邊緣構件之外的第一道豎向分布鋼筋距邊緣構件的距離為豎向分布鋼筋間距的1/2。豎向和水平分布鋼筋的間距不宜大于300mm，直徑不宜大于墻厚的1/10，且不應小于8mm；為保證施工時鋼筋網的剛度，豎向分布鋼筋直徑不宜小于10mm。拉筋直徑不應小于6mm，間距不應大于600mm，拉筋應與外皮鋼筋鉤牢。在底部加強部位，約束邊緣構件以外的拉筋間距應適當加密。9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施3）分布鋼筋的錨固抗震墻水平分布鋼筋應伸至墻端。當抗震墻端部無翼墻、無端柱時，分布鋼筋應伸至墻端并向內彎折10d后截斷［見圖9-5（a）］，其中d為水平分布鋼筋的直徑；當墻厚度較小時，也可采用在墻端附近搭接的做法［見圖9-5（b）］；當剪力墻端部有暗柱時，分布鋼筋應伸至墻端暗柱豎向鋼筋的外側［見圖9-5（c）］。圖9-5抗震墻端部無翼墻、無端柱時水平分布筋構造9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施當抗震墻端部有翼墻或轉角墻時，內墻兩側的水平分布鋼筋和外墻內側的水平分布鋼筋應伸至翼墻或轉角墻外邊，并分別向兩側水平彎折不小于15d后截斷，如圖9-6所示。在轉角墻部位，沿剪力墻外側的水平分布鋼筋應沿外墻邊在翼墻內連續(xù)通過轉彎。當需要在縱、橫墻轉角處設置搭接接頭時，沿外墻的水平分布鋼筋應在墻端外角處彎入翼墻，并與翼墻外側水平分布鋼筋搭接，搭接長度不應小于1.2laE，如圖9-6（a）所示。圖9-6轉角墻和翼墻的水平分布筋構造9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施當抗震墻有端柱時，內墻兩側水平分布鋼筋和外墻內側水平分布鋼筋應貫穿端柱并錨固在端柱內，其錨固長度不應小于laE，且必須伸至端柱對邊；當伸至端柱對邊的長度不滿足laE時，應伸至端柱對邊后分別向兩側水平彎折不小于15d，其中柱內彎前平直段長度不應小于0.6laE，如圖9-7所示。圖9-7抗震墻有端柱時水平分布筋錨固構造9.2多層及高層鋼筋混凝土建筑的抗震措施4）分布鋼筋的連接抗震墻洞口連梁應沿全長配置箍筋，其構造應按框架梁梁端加密區(qū)箍筋的構造采用；在頂層連梁縱向鋼筋伸入墻內的錨固長度范圍內，應配置間距不大于150mm的構造箍筋，箍筋直徑應與該連梁跨內的箍筋直徑相同，如圖9-8所示。