建筑概念设计之抗震设计内容.pptx
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建筑概念设计之抗震设计内容.pptx
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建筑抗震概念设计,建筑概念设计之抗震设计内容,二O一五年四月十八日,讲授内容,建筑概念设计之抗震设计内容,一、建筑抗震设防目标;二、抗震概念设计主要内容:
三、地震震害分析与启示。
二抗震概念设计主要内容,建筑概念设计之抗震设计内容,
(一)工程结构的场地选择
(二)建筑物的平立面布置(三)结构选型与结构布置(四)设置多道抗震防线(五)保证结构的整体性等,(五)抗震结构整体计算,建筑概念设计之抗震设计内容,1轴压比:
主要为控制结构的延性,规范对墙肢和柱均有相应限值要求。
2周期比:
主要为控制结构扭转效应,减小扭转对结构产生的不利影响。
3剪重比:
主要为控制各楼层最小地震剪力,确保结构安全性。
4刚度比:
主要为控制结构竖向规则性,以免竖向刚度突变,形成薄弱层。
5位移比:
主要为控制结构平面规则性,以免形成扭转,对结构产生不利影响。
6刚重比:
主要为控制结构的稳定性,以免结构产生滑移和倾覆。
1、轴压比,建筑概念设计之抗震设计内容,结构体系中,柱及剪力墙都是最主要的承重构件,为了使结构具有较好的抗侧力性能,结构设计时,应该保证柱及剪力墙有足够的承载力和必要的延性。
控制柱及剪力墙构件的轴压比就是保证其有足够延性的关键性指标。
柱轴压比规范条文,建筑概念设计之抗震设计内容,柱轴压比是影响柱子竖向构件破坏形态和延性的主要因素之一。
试验表明,柱的位移延性随轴压比增大而急剧下降。
尤其在高轴压比条件下,箍筋对柱的变形能力的影响越来越不明显。
随轴压比的大小,柱将呈两种破坏形态,即混凝土压碎而受拉钢筋并未屈服的小偏心受压破坏,和受拉钢筋首先屈服具有较好延性的大偏心受压破坏。
框架柱的抗侧力设计一般应控制在大偏心受压破坏范围。
所以,结构设计时我们应该控制柱的轴压比。
抗震规范第637条,建造于类场地且较高的高层建筑,柱轴压比限值应适当减小;高规第642条;混凝土规范第11416条。
柱轴压比,建筑概念设计之抗震设计内容,估算柱截面,建筑概念设计之抗震设计内容,1)、估算公式:
Ac=Nc/(u*fc)其中:
a-轴压比(一级0.65、二级0.75、三级0.85,短柱减0.05)fc-砼轴心抗压强度设计值Nc-估算柱轴力设计值2)、柱轴力设计值:
Nc=1.25CN其中:
N-竖向荷载作用下柱轴力标准值(已包含活载)-水平力作用对柱轴力的放大系数七度抗震:
=1.05、八度抗震:
=1.10C-中柱C1、边柱C1.1、角柱C1.2,估算柱截面,建筑概念设计之抗震设计内容,3)、竖向荷载作用下柱轴力标准值:
N=nAq其中:
n-柱承受楼层数A-柱子从属面积q-竖向荷载标准值(已包含活载)框架结构:
1012(轻质砖)、1214(机制砖)框剪结构:
1214(轻质砖)、1416(机制砖)筒体、剪力墙结构:
1518单位:
KN/(M*M)4)、适用范围轴压比控制小偏心受压或轴心受压柱的破坏,因此适用于高层建筑中的底部楼层柱截面的估算。
普通钢筋混凝土柱,建筑概念设计之抗震设计内容,钢筋混凝土柱的设计,一般首先根据规范有关规定确定柱子的轴压比,由此初选柱子截面尺寸,再进行整体结构分析、构件内力组合和配筋计算、构造设计等。
对多层及小高层建筑的底层柱,应首选普通钢筋混凝土柱,由于柱子轴向力不是很大,多数情况下柱子既可满足规范规定的轴压比限值,截面尺寸又不致很大。
很多层数为2030层的高层建筑,采用C50C60级混凝土,也能很好地满足设计要求。
普通钢筋混凝土柱是目前高层建筑中使用最多的柱子类型。
由于大家都比较熟悉,这里不再赘述。
高强钢筋混凝土柱,建筑概念设计之抗震设计内容,由柱轴压比计算公式可知,当N(轴压力)、(轴压比)一定时,要减小A(截面尺寸),可加大fc(混凝土强度等级),即采用高强钢筋混凝土柱。
其设计方法和普通钢筋混凝土柱完全一致。
据分析采用C60C80高强度混凝土可以减小柱截面面积约30%左右(与C40相比),目前不少高层建筑底部柱多采用C60混凝土,效果较好。
但高强混凝土延性差,容易造成柱子的脆性破坏,混凝土强度越高,其延性越差,须配置较多的箍筋约束混凝土,方可使其具有较好的延性和抗震性能。
高规表6.4.2注2规定:
当混凝土强度等级为C65C70时,轴压比限值应比表中数值减小0.05,当混凝土强度等级为C75C80时,轴压比限值应比表中数值减小0.10。
这就不同程度地降低了采用高强混凝土减小柱截面尺寸的效果。
同时,在长期荷载下柱子的徐变也较大,故建议少用或不用。
目前国内采用C65以上高强混凝土柱的高层建筑尚很少见。
配有螺旋箍筋的钢筋混凝土柱,建筑概念设计之抗震设计内容,混凝土处于三向受压状态,不仅可提高其强度,还可提高其延性。
配有螺旋箍筋的钢筋混凝土柱正是利用了混凝土的这个性质。
现行规范虽未给出柱的承载力计算方法和设计方法,但对其延性的提高有规定(高规表6.4.2注4):
当沿柱全高采用井字复合箍且箍筋肢距不大于200mm,间距不大于100mm,直径不小于12mm,轴压比限值可增加0.10;当沿柱全高采用复合螺旋箍筋,箍筋肢距不大于200mm,螺距不大于100mm,直径不小于12mm,或沿柱全高采用连续复合螺旋箍筋,箍筋肢距不大于200mm,螺距不大于80mm,直径不小于10mm,轴压比限值可增加0.10。
显然,按增大后的轴压比也可以减小柱子截面尺寸。
但须注意:
1).柱长细比L0/h应8(此条一般均可满足);2).柱端箍筋加密区最小配箍特征值应按增大后的轴压比确定,即要加大配箍率,以便有效约束混凝土。
配有螺旋箍筋的钢筋混凝土柱的缺点是螺旋箍筋制作较为麻烦,施工不太方便。
方柱的约束效果不如圆柱好。
这些都影响了配有螺旋箍筋的钢筋混凝土柱的实际应用。
型钢混凝土柱,在钢筋混凝土柱内配置型钢(含钢率一般为4%10%),使型钢骨架和钢筋混凝土形成整体,协同工作,共同受力,这就是型钢混凝土柱(图1)。
型钢混凝土柱既具有钢筋混凝土结构的特点,又具有钢结构的特点,其承载力高、刚度大,且具有良好的延性和抗震性能,同时防火性能也很好。
=N/(fcAc+faAa),增设芯柱的钢筋混凝土柱,如果用纵向钢筋代替型钢,配置在柱子的核心部位(图2),试验表明:
与普通钢筋混凝土柱相比,核心部位配置钢筋柱的承载力变化不大(试验表明:
对轴心受力、小偏心受力柱能适当提高承载力,但不能提高大偏心受力柱的承载力),但具有良好的耗能能力,延性大大提高。
核心部位配置钢筋可减小柱截面尺寸,改善高轴压比下框架柱的抗震性能。
高规表6.4.2注5规定:
当柱截面中部设置由附加纵向钢筋形成的芯柱,且附加纵向钢筋的截面面积不小于柱子截面面积的0.8%时,轴压比限值可比表中数值增加0.05,当本项措施与注4的措施共同采用时,轴压比限值可比表中数值增加0.15,但仍按轴压比增加0.10的要求确定。
钢管混凝土柱,在钢管柱内浇灌混凝土,使钢管和管内混凝土形成整体,协同工作,共同受力,这就是钢管混凝土柱(图5)。
钢管混凝土柱可使钢管内的混凝土处于有效侧向约束下,形成三向应力状态,因而能大大提高柱的抗压承载力,同时抗剪强度和抗扭承载力也几乎提高一倍。
研究还表明:
钢管内的混凝土受压破坏为延性破坏,即具有良好的延性和抗震性能。
同时钢管混凝土柱刚度大、截面小,其防火性能也比钢结构要好。
建筑概念设计之抗震设计内容,剪跨比(),,,定义:
截面弯矩与剪力和有效高度乘积的比值即=M/(Vh0),建筑概念设计之抗震设计内容,剪跨比与破坏形式,建筑概念设计之抗震设计内容,一般而言,剪跨比主要是用来判别长柱、短柱、极短柱。
长柱:
2;短柱:
1.52;极短柱:
1.5判别长短柱,主要的原因:
试验表明:
长柱一般发生弯曲破坏;短柱多数发生剪切破坏;极短柱发生剪切斜拉破坏,这种破坏属于脆性破坏。
抗震设计的框架结构柱,柱端剪力一般较大,从而剪跨比较小,易形成短柱或极短柱,产生斜裂缝导致剪切破坏。
柱的剪切受拉和剪切斜拉破坏属于脆性破坏,在设计中应特别注意避免发生这类破坏。
通常要注意比如说:
剪跨比不大于2的一级框架柱,为每侧纵向钢筋配筋率不宜大于1.2%;短柱的箍筋要全高加密;短柱的轴压比取值要注意降低0.05等。
柱剪压比,建筑概念设计之抗震设计内容,定义:
截面上平均剪应力与混凝土轴心抗压强度设计值的比值,用于说明截面上承受名义剪应力的大小。
控制剪压比的原因:
剪压比主要是控制名义剪力。
梁柱截面上的名义剪应力V/BH0与混凝土轴心抗压强度设计值的比值:
梁塑性铰区的截面剪压比对梁的延性、耗能能力及保持梁的强度、刚度有明显的影响,当剪压比大于0.15的时候,梁的强度和刚度有明显的退化现象,此时再增加箍筋用量,也不能发挥作用,因此对梁柱的截面尺寸有所要求。
在这种情况下,必须控制截面上的名义剪力,先阻止它发生剪压破坏,再然后配钢筋,阻止它剪拉破坏。
所以你看剪切计算公式都有两个,里面一个是只和混凝土有关的,一个是和混凝土与钢筋同时有关的,就是一个在阻止剪压破坏,一个在阻止剪拉破坏。
因此这里的三个比都是为了控制不出现脆性破坏。
只有保证各个重要构件不出现脆性破坏,才能保证整个结构体系不出现脆性破坏。
剪力墙轴压比,建筑概念设计之抗震设计内容,试验表明,抗震墙在周期反复荷载作用下的塑性变形能力,与截面纵向钢筋的配筋、端部边缘构件范围、端部边缘构件内纵向钢筋及箍筋的配置,以及截面形状、截面轴压比等因素有关,而墙肢的轴压比是更重要的影响因素。
当轴压比较小时,即使在墙端部不设约束边缘构件,抗震墙也具有较好的延性和耗能能力:
而当轴压比超过一定值时,不设约束边缘构件的抗震墙,其延性和耗能能力降低。
因此,结构设计时我们应该控制剪力墙的轴压比。
规范条文,建筑概念设计之抗震设计内容,抗震规范第645条、高规第7214条和混凝土规范第11713条,规定了剪力墙轴压比的限值。
如高规第72。
14条抗震设计时,一、二级抗震等级的剪力墙底部加强部位,其重力荷载代表值作用下墙肢的轴压比不宜超过表4的限值。
高规第725条规定:
矩形截面独立墙肢的截面高度hw不宜小于截面厚度bw的5倍;当h、Vbw小于5时,其在重力荷载代表值作用下的轴压力设计值的轴压比,一、二级时不宜大于高规表7214的限值减01,三级是不宜大于0.6,剪力墙轴压比,建筑概念设计之抗震设计内容,2、周期比,建筑概念设计之抗震设计内容,周期比是控制结构扭转效应的重要指标。
它的目的是使抗侧力构件的平面布置更有效、更合理,使结构不至于出现过大的扭转。
也就是说,周期比不是要求结构足够结实,而是要求结构承载布局合理。
JGJ3-2010第345条对结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比的要求给出规定。
结构扭转为主的第一自振周期Tt与平动为主的第一自振周期T1之比,A级高度高层建筑不应大于09,B级高度高层建筑、混合结构高层建筑及复杂高层建筑不应大于085。
周期比不满足时的调整方法:
程序调整:
SATWE程序不能实现。
人工调整:
只能通过人工调整改变结构布置,提高结构的扭转刚度;总的调整原则是加强结构外围墙、柱或梁的刚度,适当削弱结构中间墙、柱的刚度。
周期比调整方法,建筑概念设计之抗震设计内容,第一或第二振型为扭转时的调整方法:
SATWE程序中的振型是以其周期的长短排序的。
结构的第一、第二振型宜为平动,扭转周期宜出现在第三振型及以后。
见抗规第3.5.3条3款及条文说明“结构在两个主轴方向的动力特性(周期和振型)宜相近”。
3)当第一振型为扭转时,说明结构的扭转刚度相对于其两个主轴(第二振型转角方向和第三振型转角方向,一般都靠近X轴和Y轴)方向的侧移刚度过小,此时宜沿两主轴适当加强结构外围的刚度,并适当削弱结构内部的刚度。
4)当第二振型为扭转时,说明结构沿两个主轴方向的侧移刚度相差较大,结构的扭转刚度相对其中一主轴(第一振型转角方向)的侧移刚度是合理的;但相对于另一主轴(第三振型转角方向)的侧移刚度则过小,此时宜适当削弱结构内部沿“第三振型转角方向”的刚度,并适
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