建筑结构抗震设计第4章建筑抗震概念设计

随着时间的增长，混凝土的弹性模量比施工完成后可能降低50%， 在应变增大的情况下还可能继续降低，这意味着自振周期可能增长 25%，减小加速度反应10%。
表1 有利、一般、不利和危险地段的划分
地段类别
地质、地形、地貌
有利地段 一般地段 不利地段
危险地段
稳定基岩，坚硬土，开阔、平坦、密实、均匀的中硬土 等
第四章 建筑抗震概念设计
第4章 建筑抗震概念设计
一般说来，建筑抗震设计包括三个层次内容与要求：概念设计、 抗震计算、构造措施。概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则； 抗震计算为建筑抗震设计提供定量手段；构造措施可以在保证结构整 体性，加强局部环节等意义上保证抗震计算结果的有效性。概念设计 是根据地震灾害和工程经验等所形成的总体设计原则和设计思想，即 根据对结构抗震性能（承载能力、变形能力、耗能能力等）的正确把 握，合理地确定结构总体与局部设计。强调抗震概念设计是由于地震 作用的不确定性（随机性、复杂性、间接性和耦连性）和结构计算假 定与实际情况的差异，这使得其计算结果不能全面真实地反映结构的 实际受力、变主要有： （1）地面运动的不确定性。地震时的地面运动是多
维的，地震动的各个分量对建筑物都起破坏作用。历次 地震中强震仪已经多次记录到地面运动的三个正交平动 分量，即一个竖向分量和两个水平分量，此外还有地面 运动的转动分量。
（2）结构分析的影响。影响结构动力特性和动力反应的因素：
图8 建筑结构平面的扭转不规则
图9 建筑结构平面的凹凸不规则
图10 建筑结构平面的楼板局部不连续
平面长宽比不宜过大，一般宜小于6。否则，不同部位地 基震动的差异带来建筑内水平振动和竖向振动各自的差 异不同步，并伴随扭转振动的发生，导致结构受损，如图11所示。
图11 平面长宽比过大的建筑
u 建筑立面 立面变化要均匀，即建筑的质量
图6 结构刚度在平面上的分布不均匀
在国内外地震调查资料中，不难发现角柱的震害一般较 重，这主要由于角柱受扭转反应最为显著。1972年尼加拉 瓜的马那瓜地震，位于市中心15层的中央银行，有一层地 下室，采用框架体系，设置两个钢筋混凝土电梯井和两个楼梯间，都 集中布置在主楼两端一侧，两端山墙还砌有填充墙，如图7所示。这种 结构布置造成质量中心与刚度中心明显不重合，偏心很大，显然对抗 震不利。1972年发生地震时，该幢大厦遭到严重破坏，五层周围柱子 严重开裂，钢筋压屈，电梯井墙开裂，混凝土剥落。围护墙等非结构 构件破坏严重，有的倒塌。
图16 Olive—View医院主楼剖面
表3 竖向不规则类型
不规则类型
定义和参考指标
该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于
侧向刚度不 其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶
规则
层或出屋面小建筑外，局部收进的水平向尺寸大
于相邻下一层的25%
竖向抗侧力 竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内
在海城地震时，从位于大石桥盘龙山高差58m的两个测点 上所测得的强余震加速度峰值记录表明，位于孤突地形上 的比坡脚平地上的平均达1.84倍，这说明在孤立山顶地震波将被 放大。图1表示了这种地理位置的放大作用。
图1 不同地形的震害
天津塘沽港地区，地表下3—5m为冲填土，其下为深厚的 淤泥和淤泥质土，地下水位为－1.6m。1974年兴建的16幢 3层住宅和7幢4层住宅，均采用片筏基础。1976年唐山地 震前，累计沉降分别为200mm和300mm，地震期间沉降量突然增 大，分别增加了150mm和200mm。震后，房屋向一边倾斜，房屋 四周的外地坪地面隆起，如图2所示。
图2 房屋沉降
§4.2 把握建筑形体和结构的规则性
建筑结构的平面、立面规则与否，对建筑的抗震性能具有 重要的影响，建筑结构不规则，可能造成较大扭转，产生 严重应力集中，或形成抗震薄弱层。国内外多次震害表明，房屋形体 不规则、平面上凸出凹进、立面上高低错落，破坏程度比较严重，而 简单、对称的建筑的震害较轻。为此，《抗震规范》规定，建筑设计 应重视其平面、立面和竖向剖面的规则性对抗震性能及经济合理性的 影响，宜择优选用规则的形体，其抗侧力构件的平面布置宜规则对称、 侧向刚度沿竖向宜均匀变化、竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度 宜自下而上逐渐减小、避免侧向刚度和承载力突变。 建筑平、立面布置的基本原则：对称规则，质量与刚度变化均匀。
在地震区，建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不规则的 建筑方案应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑方案应进行 专门研究和论证，采取特别的加强措施；不应采用严重不规则的 建筑方案。
§4.3 选择合理的抗震结构体系
1.抗震结构体系的要求 ①应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径； ②应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能 力或对重力荷载的承载力； ③应具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能 量的能力； ④对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高其抗震能力。
（a）局部机制
（b）整体机制
图24 结构屈服机制
单一结构体系只有一道防线，一旦破坏就会造成建筑 物倒塌。特别是当建筑物的自振周期与地震动卓越周期相 近时，建筑物由此而发生的共振，更加速其倒塌进程。如果建筑物 采用的是多重抗侧力体系，第一道防线的抗侧力构件在强烈地震作 用下遭到破坏后，后备的第二道乃至第三道防线的抗侧力构件立即 接替，抵挡住后续的地震动的冲击，可保证建筑物最低限度的安全， 免于倒塌。在遇到建筑物基本周期与地震动卓越周期相同或接近的 情况时，多道防线就更显示出其优越性。当第一道抗侧力防线因共 振而破坏，第二道防线接替工作，建筑物自振周期将出现较大幅度 的变动，与地震动卓越周期错开，使建筑物的共振现象得以缓解， 避免再度严重破坏。
图23 不合理的结构体系
2.设置多道防线
多道抗震防线可以从图24 的解释中得到基本认识。图24a中， 强梁弱柱型的框架结构底层柱的上下端出现塑性铰，或单肢剪力 墙结构底部出现屈服变形，将迅速导致结构的倒塌。而图24b中， 强柱弱梁型的框架结构或双肢剪力墙加连系梁结构，则需要全部 梁端出现塑性铰并迫使结构底部也出现屈服变形时，结构才破坏。 后者至少存在两道抗震防线，一是从弹性到部分梁（或连系梁） 出现塑性铰，二是从梁塑性铰发生较大转动到柱根（或剪力墙底 部）破坏。
图14 大悬挑建筑
图15 良好的建筑立面
1971年美国圣菲南多地震，Olive-View医院位于9度区，主 楼遭到严重破坏。它是一幢刚度和强度在底层突变的建筑 的典型震例，其教训值得借鉴。该主楼是六层钢筋混凝土 房屋，其剖面如图11所示。该幢建筑三层以上为框架—剪力墙体系， 底层和二层为框架体系，而二层有较多的砖隔墙。该结构上、下层 的侧向层间刚度相差约为10倍。地震后，上面几层震害很轻，而底 层严重偏斜，纵向侧移达600mm，横向侧移约600mm，角柱出现严 重的受压酥碎现象。
结构设计和施工经验表明，形体复杂的建筑并不一概提倡设 防震缝，而应当调整平面尺寸和结构布置，采取构造措施和施工 措施，能不设缝就不设缝，能少设缝就少设缝；必须设缝时，应 保证必要的缝宽。
图21 设置防震缝
图22 合理设置防震缝
工程实际情况千变万化，出现不规则的建筑设计方案 是不可避免的。建筑结构按不规则的程度，分为不规则、 特别不规则和严重不规则等三种程度。不规则，指超过 表2 和表3 一项的不规则指标；特别不规则，指多项超过表2、 表3 的不规则指标或某项超过不规则指标较多，具有明显的抗震 薄弱部位，将会引起不良后果；严重不规则，指体形复杂，多项 不规则指标超过表2、表3 的上限值或某一项大大超过规定值， 具有严重的抗震薄弱环节，将会导致地震破坏的严重后果。
构件不连续 力由水平转换构件（梁、桁架等）向下传递
楼层承载力 抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层
突变
的80%
侧向刚度不规则是指侧向刚度沿竖向产生突变，形成薄弱 层，在地震作用下，塑性变形集中发生在薄弱层，加速结 构破坏、倒塌。这里，侧向刚度计算取楼层剪力除以层间 位移。
图17 薄弱层破坏
图18 侧向刚度不规则
图3 较合理的平面形状 图4 不合理的平面形状
在简单的平面中，如果结构刚度在平面的分布不均匀，与 质量中心有偏差，仍然会产生扭转。
图5 刚度中心偏离质量中心引起的扭转
结构力求对称，以避免扭转。对称结构在单向水平 地震动下，仅发生平移振动，各层构件的侧移量相等， 水平地震力则按刚度分配，受力比较均匀。非对称结构 由于质量中心与刚度中心不重合，即使在单向水平地震动下也会激起 扭转振动，产生平移—扭转耦连振动。由于扭转振动的影响，远离刚 度中心的构件侧移量明显增大，从而所产生的水平地震剪力则随之增 大，较易引起破坏，甚至严重破坏。在结构布置中，应特别注意具有 很大侧向刚度的钢筋混凝土墙体和钢筋混凝土芯筒的位置，力求在平 面上对称，不宜偏置在建筑的一边，如图6所示。
因此，需要合理布置抗侧力构件。例如，在结构布置时，应特别注 意具有很大抗推刚度的钢筋混凝土墙体和钢筋混凝土的芯筒位置，力 求在平面上要居中和对称。此外，抗震墙沿房屋周边布置，可以使结 构具有较大的抗扭刚度和较大的抗倾覆能力。
图7 马那瓜中央银行结构平面 （a）低层平面；（b）剖面
表2 平面不规则类型
不规则类型
定义和参考指标
在规定的水平力作用下，楼层的最大弹性水平位移（或层间 扭转不规则 位移），大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均
值的1.2倍
凹凸不规则
平面凹进的尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%
楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，有效楼板宽度小于
楼板局部不连 续
该层楼板典型宽度的50%，或开洞面积大于该层楼面面积的 30%，或较大的楼层错层
图 20 楼层承载力突变
合理设置防震缝，可以将形体复杂的建筑划分成“规 则”的结构单元，降低结构抗震设计的难度，提高各结构 单元的抗震性能。如图所示。但是，在建筑中设缝也会带 来一些问题：影响建筑立面、多用材料，构造复杂、防水处理困 难，地震时缝两侧的结构进入弹塑性状态，位移急剧增大而发生 相互碰撞，产生严重的震害。