抗震第4章--多高层钢筋混凝土结构

因此，D值法是对反弯点法的一种改正方法，D 值法不假定梁的刚度为无穷大以及反弯点在柱中点， 而是可以考虑梁柱刚度不相同时反弯点高度的变化。 12ic 修正后的柱抗侧移刚度为： D 2 系数α为：
建筑结构抗震设计
第4章
多高层建筑钢筋混凝土结构抗震设计
多高层钢筋混凝土结构是目前我国采用最主要的 一种结构形式，应用非常广泛。因此了解与掌握多高 层钢筋混凝土结构的抗震性能及设计方法，显得十分 重要。 2008年的四川汶川大地震，对我国的抗震规范是 一次重要的检验，实践表明我国的抗震规范是较为先 进的，但同时在此次地震的基础上，积累了一些非常 有价值的资料，并且随后对设计规范进行了修订。
3．应力集中破坏 结构竖向布置产生很大的突变时，在突变处由于 应力集中会产生严重震害。
4．防震缝处碰撞 防震缝如果宽度不够，其两侧的结构单元在地震 时就会相互碰撞而产生震害。
4.1.2 框架结构的震害 1．整体破坏形式 框架的整体破坏形式按破坏性质可分为延性破坏 和脆性破坏，按破坏机制可分为梁铰机制（强柱弱 梁型）与柱铰机制（强梁弱柱型）。 梁铰机制即塑性铰出现在梁端，此时结构能经受较 大的变形，吸收较多的地震能量。 柱铰机制即塑性铰出现在柱端，此时结构的变形往 往集中某一薄弱层，整个结构变形较小。 混合破坏机制，即部分出现梁铰破坏，部分结构出 现柱铰破坏。
（4）框架-核心筒体结构 （5）筒中筒结构 （6）板柱-剪力墙（抗震墙）结构 （7）巨型框架结构和悬吊结构。 钢筋混凝土结构的抗震规范主要有： （1）《建筑抗震设计规范》GB50011-2010 （2）《高层混凝土结构技术规程》JGJ-3-2010 钢筋混凝土结构的适用的最大高度见下表。
钢筋混凝土结构房屋楼盖在其平面内的刚度应该 足够大，以使水平地震力能通过楼盖平面进行分配和 传递。因此应该优先采用现浇楼盖。 抗震规范规定框架-剪力墙和板柱抗震墙结构中， 抗震墙之间无大洞口的楼、屋盖的长宽比不宜超过下 表的数值：
2．局部破坏形式 （1）构件塑性铰处的破坏 构件在受弯和受压破坏时会出现这种情况。 在塑性铰处，混凝土会发生严重剥落，在压力作 用下，柱钢筋会向外鼓出，常常出现在柱的上下端。
（2）构件的剪切破坏 当构件的抗剪强度较低时会发生脆性剪切破坏。 （3）节点的破坏 节点的配筋或构造不当时，会出现十字交叉裂缝 形式的剪切破坏，其后果较严重。节点区的箍筋较少 或节点区钢筋过密都会引起节点区的破坏。
4.3.2 地震作用在结构各部分的分配和内力计算 1.地震作用在结构各部分的分配 通常假定地震沿结构平面的两个主轴方向作用 于结构。用底部剪力法计算时，一般不考虑结构的扭 转反应。将层剪力按各柱的刚度分配给各柱，从而也 得到各榀框架的地震作用。 例如，求得结构第i层地震剪力 Qi 后，再把按该 层各柱的刚度进行分配，得该层第j柱的地震剪力 Qij 为：
4．2.2 结构布置 非承重墙体材料应该选择轻质、节能墙体材料。 刚性非承重墙体应避免使结构形成刚度和强度分 布上的突变。 墙体与主体结构应有可靠的拉结，应能适应主体 结构不同方向的层间位移；8、9度时应具有满足层间 变位的变形能力。 外墙板的连接件应具有足够的延性和适当的转动 能力，宜满足设防烈度下主体结构的变形要求。
M 1'
1 1 Fl 0.15 Fl 0.175 Fl 4 2
框架结构单独柱基础有下列情况之一时，宜沿两 个主轴方向设置基础梁： （1）一级框架和Ⅳ类场地的二级； （2）各柱基承受的重力荷载代表值差别较大； （3）基础埋置较深，或各基础埋置深度差别较大； （4）地基主要受力层范围内存在软弱粘土层、液化层 和严重不均匀层； （5）桩基承台之间。
2．竖向布置 主要原则是结构沿竖向（铅直方向）应该尽可能 均匀并且少变化，使结构的刚度沿竖向均匀。如结构 沿竖向需要变化，则宜均匀变化，避免沿竖向刚度的 突变。 此外，为了保证结构有较好的整体刚度，对结构 的高宽比作出一定的限制。
3．防震缝的设置 平面形状复杂时，宜用防震缝将结构划分较为规则 的简单的单元，但是对高层结构宜尽可能不设缝。 伸缩缝和沉降缝的宽度应符合防震缝的要求。
对于一、二级抗震等级的框架结构，其普通纵向 受力钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值之比不 应小于1.25；屈服强度实测值强度标准值之比不应大 于1.3。 （3）在施工中，当需要以强度等级较高的钢筋代 替原来设计中的纵向受力钢筋时，应按照钢筋受拉承 载力相等的原则换算，并应该满足正常使用极限状态 和抗震构造的要求。
抗震缝设置
4.2.3 材料 按抗震要求设计的混凝土结构的材料应该满足下 列要求： （1）混凝土的强度等级：抗震等级为一级的框架 梁、柱、节点核心区、框支墙不应低于C30；构 造柱、芯柱、圈梁及其他各类构件不应低于 C20；并且，混凝土结构的强度等级在9度区时 不宜超过C60,在8度区时不宜超过C70。 （2）普通钢筋的等级：纵向受力钢筋宜采用HRB335 和HRB400级热轧钢筋，并且优先采用HRB400级 热轧钢筋。
Qij Dij
D
k 1
m
Qi
ik
其中， Dij 为第i层第j号柱的抗侧移刚度。 2．内力计算 目前，建筑结构计算程序较为完善，较通用的 PKPM系列、清华的TUS以及广东省建筑设计院的广夏系 列等一些计算及绘图程序。 但是，计算程序代替不了结构工程师的基本分析 与判断，因此，还是有必要介绍框架内力分析的一些 基本方法。
4.2 选型、结构布置和设计原则 4.2.1 结构选型 （1）框架结构 框架结构的特点是结构自身重量轻，适合于要求 房屋内部空间较大、布置灵活的场合。 u 框架整体重量较轻，能有效减少地震作用。 u 框架抗震性能较好，能达到很好的延性。 u 地震时框架的水平变形较大，易造成非结构构件的 破坏。 u 结构较高时，过大的水平位移引起的P-Δ效应也较 大，从而使结构损伤更为严重，故框架结构的高度 不宜过高。
k 1 m
设该层的层间水平位移为 j，由于各柱的两端只 有水平位移而无转角，则有：V jk 12i 来自k h2 jj
m
将上式代入式 Vij V jk ，并且考虑到第j层各柱两 k 1 端的相对水平位移均相同，因此有：
j Vj 12i jk h2 j

k 1
m
这样，可以得到第j层各柱的剪力为：
（4）短柱的破坏 柱子较短时，剪跨比过小，柱抗剪刚度大，导致 柱中的地震力较大，容易造成柱的剪切破坏。 （5）填充墙的破坏 （6）柱的轴压比过大时使柱处于小偏心受压状态，引 起柱脆性破坏。 （7）钢筋的搭接不合理，造成搭接处破坏。
4.1.3具有抗震墙结构的震害 震害调查表明，具有抗震墙的结构抗震性能是较 好的，震害一般较轻。高层结构抗震墙的破坏有以下 一些类型： 1）墙的底部发生破坏； 表现为受压区混凝土的大片压碎剥落，钢筋压屈。 2）墙体发生剪切破坏； 3）抗震墙墙肢之间的连梁产生剪切破坏； 墙肢之间是抗震墙结构变形集中处，故连梁很容易 产生破坏。
（1）反弯点法 基本假定： u 各柱上下两端角位移为零，即认为梁柱线刚度之比 为无穷大。 u 底层柱的反弯点在柱高2/3h处，其他层柱的反弯点 则在柱高1/2h处。 即同一层柱两端的相对水平位移相同；且除底层 外，各柱的反弯点均位于柱高的中点。 设框架共有n层，每层有m个柱子。则有： Vij V jk
V jk
i jk
i
k 1
m
Vj
jk
k 1, , m
求出柱端弯矩后，考虑各节点的力矩平衡，对每 个节点，由梁端弯矩之和等于柱端之和，可求出梁端 弯矩之和 M b 。然后将 M b 按与该节点相连的梁的 线刚度进行分配。
框架在水平节点力作用下的弯矩图
（2）D 值法 反弯点法中的梁刚度为无穷大的假定，使得反弯 点的应用受到一定的限制。 一般情况下，柱的侧移刚度还与梁的线刚度有 关；柱的反弯点高度也与梁柱线刚度比、上下层的层 高变化等因素有关。 在反弯点的基础上，对柱的抗侧移刚度和反弯点 高度进行修正，就得到了D值法。
砌体墙应采取措施减少其对主体结构的不利影 响，并应设置拉结筋、水平系梁、圈梁、构造柱等与 主体结构进行可靠拉结。 1．平面布置：主要原则是使得结构的刚度中心与质量 中心重合，或者尽可能靠近，以减少结构的扭转反应。 结构的平面布置宜尽可能简单、对称和规则，且不 宜采用角部重叠的平面图形和细腰形平面图形。 在框架结构和抗震墙结构中，框架和抗震墙均应双 向设置，柱中线与抗震墙中线，梁中线与柱中线之间 的偏心距不宜大于柱宽的1/4。
4.1 多高层钢筋混凝土结构的震害及其分析 4.1.1 结构布置不合理而产生的震害 1.扭转破坏 如果建筑物的平面布置不当而造成刚度中心与质 量中心有较大的不重合，或者结构沿竖向刚度有过大 的突然变化，则极易使结构在地震时产生严重破坏， 这是由于过大的扭转反应或变形集中而引起的。 因此，在进行结构平面布置时，应该考虑设置抗 震缝等措施，使得结构平面尽可能简单。
4.2.4 抗震等级 钢筋混凝土结构的房屋应根据设防烈度、结构类 型、房屋高度采用不同的抗震等级。 将钢筋混凝土结构房屋划分成不同的抗震等级有 利于加强对不同的结构采取相应的抗震计算与构造措 施，做到“有的放矢”，以确保“中震可修”的设计 原则 的实施。
纯框架结构
框架-剪力墙结构
4.2.5 按抗剪要求的截面限制条件 钢筋混凝土结构的梁、柱、抗震墙与连梁，其截面 组合的剪力设计值应符合下列要求： （1）对跨高比大于2.5的梁和连梁及剪跨比大于2的柱 和抗震墙,要求： 1 V (0.20 f c bh0 )
（2）抗震墙（剪力墙）结构 抗震墙结构的特点是侧向刚度大，强度高，空间整 体性能好。然而，由于墙体多，重量大，地震作用也 大，并且内部空间的布置和使用不够灵活。 抗震墙结构比较适合于住宅、饭店及商务办公楼等 高层建筑。
（3）框架-抗震墙（剪力墙）结构 框架-剪力墙（抗震墙）结构的特点是在一定程度 上克服了纯框架和纯剪力墙结构的缺点，发挥各自的长 处。刚度较大，自重较轻，平面布置较灵活，并且结构 的变形较均匀。 框架-抗震墙结构的抗震性能较好，多用于办公楼 和旅馆及高层住宅建筑。