城市災(zāi)害學(xué)課件-地震災(zāi)害(3)課件VIP

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地震災(zāi)災(zāi)害第8章地震概述第9章抗震概念設(shè)計的總體原則2006.3*第9章抗震概念設(shè)計的總體原則9.1建筑物場地的選擇9.2建筑物體型的確定9.3結(jié)構(gòu)抗震體系的選取9.4結(jié)構(gòu)延性的實現(xiàn)9.5多道抗震防線的設(shè)置9.6非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的處理9.7建筑材料的選擇和施工2006.3*第9章抗震概念設(shè)計的總體原則建筑抗震設(shè)計應(yīng)包括三個層次的內(nèi)容和要求：抗震概念設(shè)計、抗震計算和抗震構(gòu)造措施。結(jié)構(gòu)抗震概念設(shè)計就是根據(jù)地震震害的經(jīng)驗和教訓(xùn)所形成的關(guān)于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本原則和設(shè)計思想，在建筑結(jié)構(gòu)的總體布局并在確定結(jié)構(gòu)構(gòu)件細(xì)部構(gòu)造上得到的一些基本措施，它是在結(jié)構(gòu)總體上把握抗震設(shè)計的基本原則?？拐鹩嬎憔褪沁\用已經(jīng)形成的抗震計算理論對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震計算得到結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震作用，進(jìn)行荷載組合后對結(jié)構(gòu)構(gòu)件進(jìn)行截面設(shè)計和節(jié)點的設(shè)計?？拐饦?gòu)造措施就是在利用已經(jīng)被震害經(jīng)驗證明行之有效的一些構(gòu)造措施來保證結(jié)構(gòu)的整體性、加強(qiáng)結(jié)構(gòu)局部薄弱環(huán)節(jié)等，以保證結(jié)構(gòu)抗震計算的有效性。2006.3*第9章抗震概念設(shè)計的總體原則抗震設(shè)計的上述三個層次的內(nèi)容相互聯(lián)系又缺一不可，忽略任何一部分都可能造成抗震設(shè)計的失敗。建筑抗震概念設(shè)計的總體原則，一般包括為以下幾個部分：注意結(jié)構(gòu)場地選擇，把握建筑體型，選取有利的結(jié)構(gòu)抗震體系，利用結(jié)構(gòu)延性，設(shè)置多道抗震防線，妥善處理非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，注重建筑材料的選擇和施工質(zhì)量等。2006.3*9.1建筑物場地的選擇對于場地選擇的基本原則可以概括為：選擇有利地段，避開不利地段，不在危險地段建造甲、乙和丙類建筑。一般認(rèn)為，對于抗震有利的地段系指地震時地面沒有殘余變形的堅硬或開闊平坦密實均勻的中硬土范圍或者地區(qū)；而對于抗震不利的地段系指可能產(chǎn)生明顯的殘余變形或者地基失效的某一范圍或者地區(qū)；危險地段系指可能發(fā)生嚴(yán)重的地面殘余變形的某一范圍或地區(qū)。2006.3*9.1建筑物場地的選擇為了考慮建筑物場地對于結(jié)構(gòu)抗震的影響，僅僅對建筑物場地進(jìn)行上述簡單的類型劃分并不能反應(yīng)場地的實際情況。通常必須將場地按照某些指標(biāo)或者描述進(jìn)行劃分，以便在建筑抗震設(shè)計中采取合理的設(shè)計參數(shù)和有關(guān)的抗震構(gòu)造措施。2006.3*9.2建筑物體型的確定震害表明，簡單、對稱的建筑體型不易損壞，這是因為這類結(jié)構(gòu)其地震反應(yīng)與計算結(jié)果比較吻合，容易采取構(gòu)造措施和細(xì)部處理。建筑設(shè)計不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計方案。但是從建筑藝術(shù)的角度來看，如每幢建筑都采用規(guī)則對稱的建筑體型，則未免太顯單調(diào)，缺乏變化。近年來提出“規(guī)則”的概念，它包含了對平面立面外形尺寸、抗側(cè)力構(gòu)件、質(zhì)量、剛度以及強(qiáng)度分布諸因素的綜合要求，沿高度和沿水平方向均應(yīng)予考慮。2006.3*9.2.1建筑物平面布局建筑及其抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的平面布置宜規(guī)則、對稱，并應(yīng)具有良好的整體性，這樣有利于抵抗水平和豎向荷載，受力明確，傳力直接，減少扭轉(zhuǎn)的影響。建筑物的平面以方形、矩形、圓形、正六邊形、正八邊形、橢圓形、扇形為宜。三角形平面也屬于簡單形狀，但是由于其沿主軸方向不是都對稱的，地震中容易產(chǎn)生較強(qiáng)的扭轉(zhuǎn)震動，不是地震區(qū)的理想建筑平面形狀。2006.3*9.2.1建筑物平面布局2006.3*9.2.1建筑物平面布局1972年尼加拉瓜的馬那瓜地震，位于市中心的兩幢相鄰高層建筑的震害對比，有力地說明結(jié)構(gòu)偏心會帶來多么大的危害。馬那瓜中央銀行和美洲銀行結(jié)構(gòu)平面2006.3*9.2.1建筑物平面布局15層的中央銀行，有一層地下室，采用框架體系，兩個鋼筋混凝土電梯井和兩個樓梯間均集中布置在平面右端，同時，右端山墻還砌有填充墻，造成很大偏心廣地震時的強(qiáng)烈扭轉(zhuǎn)振動，造成較嚴(yán)重的破壞，一些框架節(jié)點損壞，個別柱子屈服，圍護(hù)墻等非結(jié)構(gòu)部件破壞嚴(yán)重，修復(fù)費用高達(dá)房屋原造價的80％。2006.3*9.2.1建筑物平面布局18層的美洲銀行，有兩層地下室，采用對稱布置的鋼筋混凝土芯筒。地震后，僅3～17層連梁上有細(xì)微裂縫，幾乎沒有其他非結(jié)構(gòu)部件的損壞。2006.3*9.2.1建筑物平面布局對體型復(fù)雜的建筑，一般可考慮設(shè)置防震縫，將建筑物分隔成規(guī)則的抗震結(jié)構(gòu)單元。這種做法可以將復(fù)雜的建筑簡單化，使得分析和設(shè)計的計算模型與實際結(jié)構(gòu)比較接近，也避免了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)振動所產(chǎn)生的震害。但是，在國內(nèi)外地震災(zāi)害調(diào)查中，曾多次發(fā)生相鄰建筑物相互碰撞而發(fā)生嚴(yán)重破壞的震害實例。設(shè)置防震縫需要注意兩點：一是改變了結(jié)構(gòu)的自振周期，有可能會使結(jié)構(gòu)自振周期與場地卓越周期接近而加重震害；二是要保證抗震縫上下都有一定的寬度，否則會在地震時因兩抗震單元之間碰撞而加重震害。2006.3*9.2.1建筑物平面布局防震縫的加寬會給建筑、結(jié)構(gòu)和設(shè)備設(shè)計帶來一定的困難。近年來在國內(nèi)的建筑設(shè)計中，通過調(diào)整平面形狀和尺寸，并在構(gòu)造和施工上采取一些措施，盡量不設(shè)置防震縫。此時要考慮應(yīng)力和變形的可能集中，結(jié)構(gòu)地震扭轉(zhuǎn)效應(yīng)等因素的影響，并采用專門的分析計算方法。防震縫應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)材料種類、結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)單元的高度和高差等情況，留有足夠的寬度，其兩側(cè)的上部結(jié)構(gòu)應(yīng)完全分開。2006.3*9.2.2建筑物的立面布局地震區(qū)的建筑立面要求采用矩形、梯形和三角形等變化均勻的幾何形狀，盡量不要采用帶有突然變化的階梯型立面、大底盤建筑甚至倒梯形立面。立面形狀的突然變化將產(chǎn)生質(zhì)量和剛度的劇烈變化，從而在地震中在該部位產(chǎn)生嚴(yán)重的塑性變形和應(yīng)力集中，加重結(jié)構(gòu)的地震災(zāi)害。《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》(JCJ3—2002)對地震區(qū)高層建筑的立面布置也作出了明確的規(guī)定：高層建筑的豎向體型宜規(guī)則、均勻，避免有過大的外挑和內(nèi)收。結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度宜下大上小，逐漸均勻變化，不應(yīng)采用豎向布置嚴(yán)重不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。2006.3*9.2.2建筑物的立面布局建筑豎向外挑和內(nèi)收示意2006.3*9.2.2建筑物的立面布局在實際的工程設(shè)計中，往往沿豎向分段改變構(gòu)件截面尺寸或者混凝土強(qiáng)度等級。這種改變使得豎向剛度發(fā)生變化。從施工的角度而言，構(gòu)件截面尺寸改變或者混凝土強(qiáng)度等級的變化不宜過多，但是從抗震設(shè)計的角度而言，改變的次數(shù)太小，每次變化將較大，從而容易產(chǎn)生較大的剛度突變。在實際工程中，沿豎向的剛度變化不超過4次。每次改變，梁柱尺寸減少100～150mm；剪力墻厚度減少50mm，混凝土強(qiáng)度等級降低一個等級為宜。構(gòu)件尺寸的改變和混凝土強(qiáng)度的降低最好錯層進(jìn)行，盡量避免同層同時改變混凝土的強(qiáng)度和構(gòu)件的截面尺寸。2006.3*9.2.3建筑物的高度和高寬比建筑物越高，所受到的地震作用也就越大，因而產(chǎn)生破壞的可能性也就越大。日本1963年以前規(guī)定房屋高度不得超過31m，美國舊金山和洛杉磯1957年以前的房屋高度不能超過31m和46m。但是隨著地震工程和工程抗震技術(shù)的發(fā)展，這些限制已經(jīng)得到突破，人們已經(jīng)逐漸認(rèn)識到“房屋越高越危險”的概念也不是絕對的，也是有條件的。盡管如此，減小建筑物的高度仍然是控制地震災(zāi)害的有效手段之一。當(dāng)然對于不同的結(jié)構(gòu)體系，將有不同的最佳適宜高度。2006.3*9.2.3建筑物的高度和高寬比在建筑抗震設(shè)計中，限制房屋建筑的高寬比比限制其高度更為重要。建筑的高寬比越大，地震作用下的側(cè)移越大，則由于地震引起的傾覆力矩也越大。因此世界各國在各自國家的抗震設(shè)計中對于建筑的高寬比都進(jìn)行了相應(yīng)的限制。新西蘭建議，地震區(qū)高層建筑的高寬比不宜超過4，日本也有基本類似的規(guī)定。由于高寬比過大造成傾覆力矩過大，從而產(chǎn)生震害的實例也不少。2006.3*9.2.3建筑物的高度和高寬比1967年的委內(nèi)瑞拉的加拉加斯地震，一棟11層的旅館，底部3層為框架結(jié)構(gòu)，以上各層為剪力墻結(jié)構(gòu)，框架柱由于地震傾覆力矩產(chǎn)生巨大的軸向力使得柱子軸壓比達(dá)到很大數(shù)值，延性降低，柱頭發(fā)生剪切破壞。1985年的墨西哥地震，墨西哥市的一棟9層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因為巨大的傾覆力矩使得整棟房屋傾斜，埋深2.5m的箱形基礎(chǔ)翻轉(zhuǎn)45°，并將下面的摩擦樁拔出。2006.3*9.3結(jié)構(gòu)抗震體系的選取結(jié)構(gòu)抗震體系是抗震設(shè)計中應(yīng)考慮的最關(guān)鍵問題，結(jié)構(gòu)方案選取是否合理對安全和經(jīng)濟(jì)起主要作用?？拐鸾Y(jié)構(gòu)體系的確定涉及到經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件以及地震評價、場地情況等多方面因素。對于低層建筑而言，水平荷載相對于豎向荷載處于次要地位，一般不會成為結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的控制因素，在結(jié)構(gòu)類型的選擇上比較靈活。對于高層建筑而言，水平力包括地震作用或風(fēng)荷載作用成為高層建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形的主要因素，因此結(jié)構(gòu)的抗側(cè)力體系成為結(jié)構(gòu)體系選型的重要組成部分，結(jié)構(gòu)的抗側(cè)能力的強(qiáng)弱是衡量結(jié)構(gòu)體系是否經(jīng)濟(jì)合理的有效尺度。2006.3*9.3結(jié)構(gòu)抗震體系的選取結(jié)構(gòu)體系的選取應(yīng)根據(jù)建筑的抗震設(shè)防類別、抗震設(shè)防烈度、建筑物的高度、場地條件、地基、結(jié)構(gòu)材料和施工等因素，經(jīng)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和使用條件綜合比較確定。此外，選擇結(jié)構(gòu)體系的自振周期應(yīng)盡可能與場地卓越周期錯開，否則地震時，結(jié)構(gòu)將發(fā)生類共振現(xiàn)象而加重震害。1985年墨西哥城大地震，強(qiáng)震記錄譜分析發(fā)現(xiàn)場地卓越周期約為2s，故使自振周期接近2s的建筑物大批倒塌或嚴(yán)重破壞。2006.3*9.4結(jié)構(gòu)延性的實現(xiàn)9.4.1提高結(jié)構(gòu)延性的總體原則在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，不僅要求結(jié)構(gòu)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，還要求結(jié)構(gòu)具有足夠的延性。為了防止結(jié)構(gòu)在遭受高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震影響時，結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有足夠的變形能力，避免結(jié)構(gòu)倒塌，發(fā)生危及人們生命的嚴(yán)重破壞。延性可以從材料延性、截面延性、桿件延性、構(gòu)件延性、樓層延性和結(jié)構(gòu)延性等六個由低到高的層面上來理解。要結(jié)構(gòu)具有一定的延性，則要求組成結(jié)構(gòu)的材料、截面、桿件、構(gòu)件等具有一定的延性。一般而言，對于結(jié)構(gòu)中重要構(gòu)件的延性要求高于對于結(jié)構(gòu)整體的延性要求，對于構(gòu)件中關(guān)鍵桿件的延性要求，又要高于整個構(gòu)件的延性要求。2006.3*9.4.1提高結(jié)構(gòu)延性的總體原則結(jié)構(gòu)構(gòu)件的延性可以通過以下措施來實現(xiàn)：(1)砌體結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)按規(guī)定設(shè)置鋼筋混凝土圈梁和構(gòu)造柱、芯柱或采用配筋砌體等。(2)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)該合理地選擇截面尺寸、配置縱向受力鋼筋和箍筋，避免剪切破壞先于彎曲破壞、混凝土的壓潰先于鋼筋的屈服、鋼筋的錨固粘結(jié)失效先于構(gòu)件破壞。(3)預(yù)應(yīng)力混凝土的抗側(cè)力構(gòu)件，應(yīng)該配置足夠的非預(yù)應(yīng)力鋼筋。(4)鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)該合理控制截面尺寸，避免局部失穩(wěn)或整個構(gòu)件的失穩(wěn)。2006.3*9.4.1提高結(jié)構(gòu)延性的總體原則為了保證結(jié)構(gòu)的延性要求，各結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接不能過早破壞。因而結(jié)構(gòu)構(gòu)件之間的連接應(yīng)符合下列要求：①構(gòu)件節(jié)點的破壞，不應(yīng)先于其連接的構(gòu)件；②預(yù)埋件的錨固破壞，不應(yīng)先于其連接件；③裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件的連接，應(yīng)保證結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性；④預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的預(yù)應(yīng)力鋼筋，宜在節(jié)點核心區(qū)以外錨固2006.3*9.4.2提高延性的重點部位要使結(jié)構(gòu)在遇到罕遇地震時具有很強(qiáng)的抗倒塌能力，則要求組成結(jié)構(gòu)的構(gòu)件以及組成構(gòu)件的材料都具有很高的延性。但是，事實上在設(shè)計中這是無法做到的。

比較經(jīng)濟(jì)可行的辦法就是提高結(jié)構(gòu)中的重要構(gòu)件以及構(gòu)件中的重點部位的延性。2006.3*9.4.2提高延性的重點部位基本原則：(1)在結(jié)構(gòu)的豎向，應(yīng)該重點提高樓房中可能出現(xiàn)塑性變形集中的相對柔弱樓層的構(gòu)件延性。例如，對于剛度沿高度均勻分布的簡單體型高層建筑，應(yīng)著重提高底層構(gòu)件的延性；對于帶大底盤的高層建筑，應(yīng)該著重提高主樓與裙房頂面相銜接的樓層中構(gòu)件的延性；對于其他不規(guī)則立面高層建筑，應(yīng)著重加強(qiáng)體型突變處樓層的構(gòu)件延性；對于框托墻體系，應(yīng)著重提高底層或底部幾層的框架的延性。2006.3*9.4.2提高延性的重點部位基本原則：(2)在平面位置上，應(yīng)該著重提高房屋周邊轉(zhuǎn)角處，平面突變處以及復(fù)雜平面各翼相接處的構(gòu)件延性。對于偏心結(jié)構(gòu)，應(yīng)加大房屋周邊特別是剛度較弱一端構(gòu)件的延性。(3)對