建筑结构抗震设计第5章教学课件.ppt
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1、建筑结构抗震设计第5章教学课件建筑结构抗震设计 PPT模板下载: 5章章 砌体结构抗震设计砌体结构抗震设计5.1砌体结构震害及其分析5.2抗震设计的一般规定5.3砌体房屋的抗震设计5.4底部框架-抗震墙砌体房屋的抗震设计第第5 5章章 砌体结构抗震设计砌体结构抗震设计由于砌体结构的材料性质和砌筑方式决定了其在抵御水平地震作用时的脆弱与缺乏延性,以致造成在国内外的历次地震中,砌体结构房屋损坏甚至倒塌最为严重,同时也是造成人员伤亡和财产损失的主要原因与直接原因,因而在人们的意识里砌体结构属于抗震性能较差的结构形式之一。在我国,砌体结构是使用广泛的一种建筑结构形式,砌体结构房屋的抗震设计具有十分重要
2、的意义。5.1 5.1 砌体结构震害及其分析砌体结构震害及其分析震害举例震害举例1.我国20世纪80年代以来的地震大多发生在城镇乡村,各类砌体结构房屋都遭到严重的破坏和倒塌。1996年2月3日,云南丽江发生了里氏7.0级地震,震中烈度达到9度,房屋建筑破坏比例为77%,其中砌体结构房屋占最大比重;1996年5月3日,内蒙古包头发生了里氏6.4级地震,房屋建筑破坏比例为70%,其中砌体结构房屋也是占多数。5.1 5.1 砌体结构震害及其分析砌体结构震害及其分析此后发生在新疆伽师、河北张北、甘肃景泰、河北古冶、山东菏泽等地的地震,虽然震级不大,烈度不高,但却都出现了大量房屋建筑破坏倒塌的现象,其中
3、也不乏砖砌体结构的建筑。1999年9月21日,发生在台湾南投县集集镇的大地震,除了少数中高层钢筋混凝土框架或剪力墙结构有倒塌之外,相当多的砌体结构(如住宅、学校等建筑)也遭到严重破坏,损失惨重。5.1 5.1 砌体结构震害及其分析砌体结构震害及其分析同样,在国外的历次地震中,无筋砌体结构房屋的破坏也是十分严重的。例如,1923年日本关东地震中,东京约有7000幢砌体结构房屋遭到不同程度的破坏,灾后仅有1000多幢平房能够修复使用。1906年美国旧金山地震中,砌体结构房屋的破坏特别严重,如典型的市政府大厦全部倒塌。1948年苏联阿什巴哈地震中,砌体结构房屋的倒塌和破坏占70%80%。1993年印
4、度德干高原凯拉里镇的里氏6.4级地震,1995年日本阪神地震和1999年土耳其伊兹米特地震,也都有大量的砌体结构房屋倒塌破坏。5.1 5.1 砌体结构震害及其分析砌体结构震害及其分析震害分析震害分析2.1976年7月28日的唐山地震中砌体结构的倒塌和破坏最为严重,是造成人民生命财产巨大损失的主要原因。在地震现场的调查中发现了部分砌体结构中因设有钢筋混凝土柱而使房屋开裂而不倒,从而启发科研工作者对砌体房屋的抗震性能进行了大量的试验和理论研究,深入探讨了砌体房屋的抗震性能,提出了改善这类房屋抗震性能和增加抗震能力的有效措施,形成了多层砌体房屋“小震不坏、中震可修、大震不倒”的抗震设计方法。5.1
5、5.1 砌体结构震害及其分析砌体结构震害及其分析唐山地震后的40多年来,我国发生多次破坏性地震。各地的调查报告显示,严格按照规范进行设计计算并设置有构造柱的砌体结构房屋,在遭遇比当地设防烈度高一度的地震作用下,均无倒塌,实践证明了来自唐山地震的这一重要经验对砌体结构的防倒塌作用是可靠和行之有效的。5.1 5.1 砌体结构震害及其分析砌体结构震害及其分析2008年5月12日,四川省汶川县发生了里氏8.0级特大地震,除极震区外,人口相对密集的绵阳市、德阳市、都江堰市等地倒塌和破坏严重的房屋以砌体结构为主。从20世纪60年代至21世纪初的建造年代角度看,未倒塌可以使用或加固后可以使用的砌体房屋占总体
6、房屋的比例呈上升势态,应立即拆除的房屋比例明显下降;就砌体房屋总体而言,破坏程度也随建造年代的推移明显减轻,完好率明显增强。这说明随着抗震规范的实施及不断完善,按照抗震规范设计的房屋基本达到甚至超过了规范规定的抗震设防目标。5.1 5.1 砌体结构震害及其分析砌体结构震害及其分析实践证明,对于砌体结构房屋只要牢牢把握住抗震概念设计的基本原则,做到合理设计、措施得当、精心施工,在地震区是可以实现“大震不倒”的抗震设防目标的。5.2 5.2 抗震设计的一般规定抗震设计的一般规定5.2.15.2.1 多多层砌体房屋的砌体房屋的结构布置构布置多层砌体房屋的建筑布置和结构体系,应符合下列要求:(1)应优
7、先采用横墙承重或纵横墙共同承重的结构体系,不应采用砌体墙和混凝土墙混合承重的结构体系。根据邢台、东川、阳江、乌鲁木齐、海城及唐山地震调查统计,单纯采用纵墙承重的结构布置方案,因横向支承较少,纵墙较易受弯曲破坏而导致倒塌,因此,对于多层砌体结构,推荐采用横墙承重的结构方案,也可采用纵横墙混合承重的结构方案,避免采用单纯纵墙承重的结构方案。5.2 5.2 抗震设计的一般规定抗震设计的一般规定(2)纵横向砌体抗震墙的布置应符合下列要求:宜均匀对称,沿平面内宜对齐,沿竖向应上下连续;且纵横向墙体的数量不宜相差过大。均匀布置是为了各主轴上的地震作用均匀分配到各墙段,不致出现应力集中,进而导致各个击破的现
8、象。对称布置是为了避免扭转造成某些墙段受力过大而破坏。平面轮廓凹凸尺寸不应超过典型尺寸的50%;当超过典型尺寸的25%时,房屋转角处应采取加强措施。大量的震害表明,多层砌体房屋结构平面布置简单规则的各部位受力比较均匀,薄弱环节比较少,震害程度要轻一些,因此,房屋的平面布置应避免较大的凹进或凸出,避免转角处因应力集中而破坏。5.2 5.2 抗震设计的一般规定抗震设计的一般规定楼板局部大洞口的尺寸不宜超过楼板宽度的30%,且不应在墙体两侧同时开洞。房屋错层的楼板高差超过500mm时,应按两层计算;错层部位的墙体应采取加强措施。同一轴线上的窗间墙宽度宜均匀;墙面洞口的面积,6,7度时不宜大于墙面总面
9、积的55%,8,9度时不宜大于墙面总面积的50%。在房屋宽度方向的中部应设置内纵墙,其累计长度不宜小于房屋总长度的60%(高宽比大于4的墙段不计入)。5.2 5.2 抗震设计的一般规定抗震设计的一般规定(3)房屋有下列情况之一时宜设置防震缝,缝两侧均应设置墙体,缝宽应根据烈度和房屋高度确定,可采用70100mm:房屋立面高差在6m以上。房屋有错层,且楼板高差大于层高的1/4。各部分结构刚度、质量截然不同。5.2 5.2 抗震设计的一般规定抗震设计的一般规定(4)楼梯间不宜设置在房屋的尽端或转角处。楼梯间墙体缺少各层楼板的侧向支承,有时还因为楼梯踏步削弱楼梯间的墙体,尤其是楼梯间顶层,墙体有一层
10、半楼层的高度,震害加重。因此,在建筑布置时,楼梯间尽量不设在尽端,或对尽端开间采取特殊措施。(5)不应在房屋转角处设置转角窗。(6)横墙较少、跨度较大的房屋,宜采用现浇钢筋混凝土楼(屋)盖。5.2 5.2 抗震设计的一般规定抗震设计的一般规定5.2.25.2.2 房屋的房屋的总高度和高度和层数限数限值(1)砌体结构墙体由于具有脆性性质,因而地震时易产生裂缝。开裂墙体在地震动作用下极易出现平面错动,从而大幅度降低墙体的竖向承载力。如果房屋层数多、重量大,破裂和错位的墙体就可能被压垮。历次地震的宏观调查资料说明,二、三层砖房在不同烈度区的震害比四、五层砖房的震害轻得多,六层及六层以上的砖房在地震时
11、的震害明显加重。海城和唐山地震中,相邻的砖房,四、五层的比二、三层的破坏严重,倒塌的百分比亦高得多。因此,对于砌体结构,限制其层数和高度是主要的抗震措施。一般情况下,房屋的层数和总高度不应超过表5-1的规定。5.2 5.2 抗震设计的一般规定抗震设计的一般规定5.2 5.2 抗震设计的一般规定抗震设计的一般规定注1:房屋的总高度指室外地面到主要屋面板板顶或檐口的高度,半地下室从地下室室内地面算起,全地下室和嵌固条件好的半地下室应允许从室外地面算起;对带阁楼的坡屋面应算到山尖墙的1/2高度处。注2:室内外高差大于0.6m时,房屋总高度应允许比表中的数据适当增加,但增加量应少于1.0m。注3:乙类
12、的多层砌体房屋仍按本地区设防烈度查表,其层数应减少一层且总高度应降低3m;不应采用底部框架抗震墙砌体房屋。注4:本表小砌块砌体房屋不包括配筋混凝土小型空心砌块砌体房屋。5.2 5.2 抗震设计的一般规定抗震设计的一般规定(2)横墙较少的多层砌体房屋,总高度应比表5-1的规定降低3m,层数相应减少一层;各层横墙很少的多层砌体房屋,还应再减少一层。注意:横墙较少是指同一楼层内开间大于4.2m的房间占该层总面积的40以上;其中,开间不大于4.2m的房间占该层总面积不到20且开间大于4.8m的房间占该层总面积的50以上为横墙很少。5.2 5.2 抗震设计的一般规定抗震设计的一般规定(3)6,7度时,横
13、墙较少的丙类多层砌体房屋,当按规定采取加强措施并满足抗震承载力要求时,其高度和层数应允许仍按表5-1的规定采用。(4)采用蒸压灰砂砖和蒸压粉煤灰砖的砌体的房屋,当砌体的抗剪强度仅达到普通黏土砖砌体的70%时,房屋的层数应比普通砖房减少一层,总高度应减少3m;当砌体的抗剪强度达到普通黏土砖砌体的取值时,房屋层数和总高度的要求同普通砖房屋。5.2 5.2 抗震设计的一般规定抗震设计的一般规定5.2.35.2.3 房屋高房屋高宽比限比限值及抗震及抗震墙间距限距限值房屋高宽比限值房屋高宽比限值1.为了保证房屋的稳定性,多层砌体房屋总高度与总宽度的最大比值,宜符合表5-2的要求。注1:单面走廊房屋的总宽
14、度不包括走廊宽度。注2:建筑平面接近正方形时,其高宽比宜适当减小。5.2 5.2 抗震设计的一般规定抗震设计的一般规定房屋抗震墙间距限值房屋抗震墙间距限值2.抗震横墙的多少直接影响房屋的空间刚度。横墙数量多、间距小,结构的空间刚度就大,抗震性能就好;反之,结构的抗震性能就差。同时,横墙间距的大小还与楼盖传递水平地震作用的需求相联系。横墙间距过大时,楼盖刚度可能不足以传递水平地震作用到相邻墙体,房屋的相当一部分地震作用通过纵墙传至横墙,纵向砖墙就会产生平面的弯曲破坏。因此,多层砖房应按所在地区的地震烈度与房屋楼(屋)盖的类型来限制横墙的最大间距,以满足楼盖传递水平地震作用所需的刚度要求。多层砌体
15、房屋抗震横墙的间距,不应超过表5-3的要求。5.2 5.2 抗震设计的一般规定抗震设计的一般规定注1:多层砌体房屋的顶层,除木屋盖外的最大横墙间距应允许适当放宽,但应采取相应加强措施。注2:多孔砖抗震横墙厚度为190mm时,最大横墙间距应比表中数值减少3m。5.2 5.2 抗震设计的一般规定抗震设计的一般规定5.2.45.2.4 房屋局部尺寸限房屋局部尺寸限值多层砌体房屋局部尺寸的限制,在于防止这些局部的破坏影响房屋的整体抗震能力,甚至造成整幢房屋的破坏甚至倒塌。多层砌体房屋中砌体墙段的局部尺寸限值,宜符合表5-4的要求。5.2 5.2 抗震设计的一般规定抗震设计的一般规定注1:局部尺寸不足时
16、,应采取局部加强措施弥补,且最小宽度不宜小于1/4层高和表列数据的80%。注2:出入口处的女儿墙应有锚固。5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计5.3.15.3.1 砌体房屋抗震砌体房屋抗震设计概述概述在进行砌体房屋的抗震设计时,其地震作用应按建筑抗震设计规范(GB500112011)的规定计算,结构的截面抗震验算应符合下列规定:(1)抗震设防烈度为6度时,规则的砌体结构房屋构件应允许不进行抗震验算,但应有符合建筑抗震设计规范(GB500112011)和砌体结构设计规范(GB500032011)规定的抗震措施。5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计(2)抗震设防烈度
17、为7度和7度以上的建筑结构,应进行多遇地震作用下的截面抗震验算。6度时,下列多层砌体结构房屋的构件应进行多遇地震作用下的截面抗震验算:平面不规则的建筑、总层数超过三层的底部框架抗震墙砌体房屋、外廊式和单面走廊式底部框架抗震墙砌体房屋、托梁等转换构件。5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计砌体房屋由于层数不多,刚度沿高度分布一般比较均匀,并且以剪切变形为主,因此,一般采用底部剪力法计算地震作用;通过承载力抗震调整系数,选择从属面积较大或竖向应力较小的墙段进行截面抗震承载力验算,如承担地震作用较大的、竖向压应力较小的、局部截面较小的墙段。抗震验算的本质就是对薄弱区段的墙体进行抗剪强度
18、的复核。多层砌体结构的抗震验算一般包括五个基本步骤:确定计算简图;计算地震作用;楼层地震剪力在墙体中的分配;对不利墙段进行墙体抗震承载力验算;满足抗震构造措施。5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计5.3.25.3.2 计算算简图满足结构布置要求的多层砌体结构房屋在地震作用下的变形形式以层间剪切变形为主,因此,对图5-1(a)所示的一般多层砌体结构房屋,可以采用图5-1(b)所示的计算简图。图5-1 一般多层砌体结构房屋的计算简图5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计在确定上述计算简图时,应以防震缝所划分的结构单元作为计算单元。在计算单元中,各楼层的重量集中到楼、屋
19、盖标高处。各楼层重力荷载应包括楼、屋盖自重,活荷载组合值及上、下各半层的墙体、构造柱重量之和。计算简图中的底部固定端按下述规定确定:当基础埋置较浅时,取为基础顶面;当基础埋置较深时,取为室外地坪下0.5m处;当设有整体刚度很大的全地下室时,取为地下室顶板顶部;当地下室整体刚度较小或为半地下室时,取为地下室室内地坪处,此时,地下室顶板也算一层楼面。5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计5.3.35.3.3 地震作用地震作用多层砌体结构房屋的质量与刚度沿高度分布一般比较均匀,且以剪切变形为主,故可以按本书第4章所述底部剪力法计算地震作用。大量实际砌体结构的现场动力测试表明,多层砌体结
20、构房屋的基本周期一般处于建筑抗震设计规范(GB500112011)所规定的设计反应谱的最短平台阶所覆盖的周期范围内。因此,可取结构底部的地震剪力为FEk=maxGeq(5-1)5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计此外,考虑到多层砌体结构房屋在线弹性变形阶段的地震作用基本上按倒三角形分布,如图5-2所示,并取顶部附加地震影响系数n=0。图5-2 多层砌体结构房屋的地震作用5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计这样,任一质点i的水平地震作用标准值Fi为(5-2)作用于第i层的楼层地震剪力标准值Vi为i层以上的地震作用标准值之和,即(5-3)对于突出屋面的屋顶间、女儿墙
21、、烟囱等,其地震作用应乘以地震增大系数3,以考虑鞭梢效应。但增大的两倍不应往下传递,即计算房屋下层层间地震剪力时不考虑上述地震作用增大部分的影响。5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计【例例5-15-1】某四层砖砌体房屋的尺寸如图5-3所示,结构设防烈度为7度,楼盖及屋盖均采用预应力混凝土空心板,横墙承重,楼梯间突出屋顶。除图中注明者外,窗口的尺寸均为1.5m2.1m,门洞的尺寸均为1.0m2.5m。试计算该楼房楼层地震剪力。5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计解:(1)计算楼层重力荷载代表值。恒荷载(楼层及墙重)取100%,楼屋面活荷载取50%,经计算得:屋顶层
22、G5=210kN,四层G4=3760kN,三层G3=4410kN,二层G2=4410kN,一层G1=4840kN。(2)计算结构总的地震作用标准值。设防烈度为7度,max=0.08,故(3)计算楼层地震剪力(见表5-5)。5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计图5-3 例5-1用图5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计5.3.45.3.4 楼楼层地震剪力在地震剪力在墙体中的分配体中的分配墙体的抗侧移刚度计算墙体的抗侧移刚度计算1.假定墙体下端固定、上端嵌固,则在墙体顶端加一单位力(P=1)所产生的侧移即为墙体的侧移
23、柔度,如图5-4所示。图5-4 墙体的侧移5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计墙体在侧向力作用下一般包括弯曲变形和剪切变形两部分。(1)弯曲变形。(5-4)(2)剪切变形。(5-5)式中,b为墙体的弯曲变形;s为墙体的剪切变形;h为墙体高度;b,t分别为墙体的宽度和厚度;I为墙体水平截面惯性矩;E为砌体弹性模量;A为墙体水平截面面积;为截面剪应力不均匀系数,对矩形截面取=1.2;G为砌体剪切弹性模量,一般取G=0.4E。5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计侧移柔度的倒数即为墙体的侧移刚度。因此,对于同时考虑弯曲变形和剪切变形的构件,其侧移刚度K为(5-6)而对于
24、仅考虑剪切变形的墙体,其侧移刚度为(5-7)5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计楼层地震剪力在各墙体间的分配楼层地震剪力在各墙体间的分配2.一般假定楼层地震剪力Vi由各层与Vi方向一致的各抗震墙体共同承担,即横向地震作用全部由横墙承担,纵向地震作用全部由纵墙承担。Vi在各墙体间的分配主要取决于楼盖的水平刚度和各墙体的抗侧移刚度。5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计1 1)横向楼层地震剪力的分配)横向楼层地震剪力的分配横向楼层地震剪力分配时要考虑楼盖的刚度。(1)刚性楼盖。对于抗震横墙最大间距满足表5-3的现浇或装配整体式钢筋混凝土楼盖房屋,当其受到横向水平地震作
25、用时,可以认为楼盖在其平面内没有变形。因此,可把楼盖在其平面内视为绝对刚性的连续梁,而将各横墙看作该梁的弹性支座,各支座反力即为各抗震墙所承受的地震剪力。当结构和荷载都对称时,各横墙的水平侧移相等,如图5-5所示。5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计图5-5 横墙的水平侧移5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计设第i层共有m道横墙,其中第j道横墙承受的地震剪力为Vij,则5.3 5.3 砌体房屋的抗震设计砌体房屋的抗震设计式(5-11)说明,刚性楼盖房屋的楼层地震剪力可按照各抗震横墙的侧移刚度比例分配于各墙体。当计算墙体侧移刚度时,可以只考虑剪切变形,按式(5-7
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