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注册二级建筑师辅导之建筑结构抗震

  一、名词术语涵义

  1.地震

  由于地下岩层构造状态突然破裂、或由于局部岩层塌落、火山喷发、核爆炸等原因产生振动,并以波的形式传到地面引起地面颠簸和摇晃,这种地面运动就叫做地震。在建筑抗震设计中所指的地震是由于岩层构造状态突然发生破裂引起的地震。

  2.震级是衡量一次地震大小的等级。用符号“M”表示,一般称为里氏震级。

  (1)M=2~4的地震为有感地震。

  (2)M>5的地震,对建筑物有不同程度的破坏。

  (3)M>7的地震,称为强烈地震或大地震。

  3.地震烈度

  指地震时某一地区地面和各类建筑物遭受地震影响的强弱程度。

  4.多遇地震烈度

  设计基准期50年内,超越概率为63.2%的地震烈度。

  5.基本烈度

  指中国地震烈度区划图标明的地震烈度。1990年颁布的地震烈度区划图标明的基本烈度为50年期限内,一般场地条件下,可能遭遇超越概率为10%的地震烈度。

  6.罕遇地震烈度

  设计基准期50年内,超越概率为2%一3%的地震烈度。

  7.抗震设防烈度

  按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度,一般情况可采用中国地震烈度区划图标明的基本烈度。

  8.地震作用

  地震作用是地震动影响结构后,结构产生的动态反应(如速度,加速度,变形)。地震作用不是直接的外力作用,而是结构的地震时的动力反应,是一种间接作用。地震作用的大小与地震动的性质和工程结构的周期、阻尼等动力特性有关;地震作用分为水平地震作用、竖向地震作用和扭转地震作用。

  9.超越概率

  一定地区范围和时间范围内,发生的地震烈度超过给定地震烈度的概率。

  10.抗震设防标准

  衡量抗震设防要求的尺度,由抗震设防烈度和建筑使用功能的重要性确定。

  11.设计地震动参数

  抗震设计用的地震加速度(速度、位移)时程曲线,加速度反应谱和峰值加速度。

  12.设计基本地震加速度

  50年设计基准期内超越概率为10%的地震加速度的设计取值。

  13.抗震概念设计

  根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想,进行建筑和结构总体布置,并确定细部构造的过程。

  14.抗震措施

  除地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容,包括抗震构造措施。

  15.抗震构造措施

  根据抗震概念设计原则,一般不需要计算而结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。

  16.设计特征周期

  抗震设计用地震影响系数曲线中,反应地震震级、震中距和场地类别等因素的下降段起始点对应的周期值。

  17.场地

  工程群体所在地、具有相似的反应谱特征。其范围相当于厂区、居民小区和自然村或不小于1.0km2的平面面积。

  二、建筑抗及设防分类与设防目标

  (一)建筑物抗震设防类别

  建筑物根据其使用功能的重要性分为4类。

  1.特殊设防类(甲类建筑)

  涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时破坏会导致严重次生灾害、造成严重经济损失或特别重要的建筑。

  2.重点设防类(乙类建筑)

  地震震灾发生后必须维持正常使用或者救灾需要的建筑物、人员大量集中的公共建筑物及地震破坏会造成重大社会影响和国民经济重大损失的建筑物。

  3.标注设防类(丙类建筑)

  甲、乙、丁类以外的一般工业与民用建筑物。

  4.适度设防类(丁类建筑)

  次要建筑,一般指地震破坏或倒塌不易造成人员伤亡和较大经济损失的建筑。如储存价值低的物品或人员活动少的单层仓库建筑。

  (二)抗震设防目标

  抗震设计要达到的目标是在不同频度和强度的地震发生时,要求建筑具有不同的抵抗能力。对发生可能性较大的多遇地震,要求结构不受损坏;而对于发生可能性较小的罕遇地震,则允许结构有所损坏,但不倒塌。我国现行《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)(以下简称抗震规范)根据这些原则提出了“三个水准”的抗震设防目标。

  第一水准:当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震(小震)作用时,一般不受损坏或不需修理仍可继续使用;

  第二水准:当遭受本地区设防烈度的地震(中震)作用时,可能损坏,经一般修理或不需修理仍可继续使用;

  第三水准:当遭受到高于本地区设防烈度的罕遇地震(大震)作用时,建筑不致倒塌或危及生命的严重破坏。

  通常将其概括为:“小震不坏,中震可修、大震不倒”。

  在抗震设计时,为满足上述三水准的目标采用两阶段设计法。

  第一阶段设计:按多遇地震作用效应和其他荷载效应的基本组合进行截面设计,以及验算在多遇地震作用下结构的弹性变形,这就是所谓的“抗震计算设计”。它使建筑物满足第一水准设防目标。第一阶段设计中还包括抗震概念设计和抗震构造措施,它使建筑物满足第二水准的设计要求。

  第二阶段设计为弹塑性变形验算,对特殊要求的建筑和地震时易倒塌的结构,除进行第一阶段设计外,还要对罕遇地震作用下结构的薄弱层进行弹塑性变形验算和采取相应的构造措施,使建筑物满足第三水准的设防要求。

  上面提到的多遇地震〔小震)、基本烈度地震(中震)、罕遇地震(大震)之间的关系大致为:

  小震比基本烈度低1.55度;

  大震比基本烈度高1度左右。

  三、抗震设计标准

  抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑,必须进行抗震设计,抗震规范适用于抗震设防烈度为6、7、8和9度地区建筑的抗震设计和隔震、消能减震设计。设防烈度高于9度地区的建筑,其抗震设计应按专门规定进行抗震设计。

  建筑抗震设计包括:满足抗震概念设计的结构布置、地震作用计算、构件截面计算和采取相应的抗震构造措施。

  各类别建筑的抗震设防标准,应符合下列要求:

  (1)甲类建筑,地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求,其值应按批准的地震安全性评价结果确定;抗震措施,当抗震设防烈度为6~8度时,应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求,当为9度时,应符合比9度抗震设防更高的要求。

  (2)乙类建筑,地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求;抗震措施,一般情况下,当抗震设防烈度为6~8度时,应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求,当为9度时,应符合比9度抗震设防更高的要求;地基基础的抗震措施,应符合有关规定。

  对较小的乙类建筑,当其结构改用抗震性能较好的结构类型时,应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震措施。

  (3)丙类建筑,地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度的要求。

  (4)丁类建筑,一般情况下,地震作用仍应符合本地区抗震设防烈度的要求;抗震措施应允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低,但抗震设防烈度为6度时不应降低。

  抗震设防烈度为6度时,除抗震规范有具体规定外,对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用训算。

  四、抗震设计的基本要求

  (一)选择对抗震有利的场地和地基

  (1)应根据工程需要掌握地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料,对抗震有利、不利和危险地段作出综合评价。应选择有利地段,避开不利地段。当无法避开时应采取有效措施。不应在危险地段上建筑甲、乙、丙类建筑。

  有利地段是指:坚硬土或开阔平坦密实均匀的中硬土地段。

  不利地段是指:软弱土、液化土、条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩质的陡坡、河岸和边坡边缘、故河道、断层破碎带等。

  危险地段是指:地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流以及发震断裂带上可能发生地表错位的部位等地段。

  (2)同一结构单元不宜设置在性质截然不同的地基土上,也不宜部分采用天然地基、部分采用桩基。当地基有软弱砧性土、液化土、新近填土或严重不均匀土层时应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响,并采取相应措施。

  (二)建筑设计和建筑结构的规则性

  (1)建筑设计应符合抗震概念设计的要求,不应采取严重不规则的设计方案。

  (2)建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称,并应具有良好的整体性;建筑的立面和竖向剖面宜规则,结构的侧向刚度宜均匀变化,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,避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。

  当存在表8-1所列举的平面不规则类型或表8-2所列举的竖向不规则类型时,应符合下面第3条的有关规定。

  (3)不规则的建筑结构,应按下列要求进行水平地震作用计算和内力调整,并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施:

  1)平面不规则而竖向规则的建筑结构,应采用空间结构计算模型,并应符合下列要求:

  ①扭转不规则时,应计及扭转影响,且楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和层间位移水平值的1.5倍;

  ②凹凸不规则或楼板局部不连续时,应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型,当平面不对称时尚应计及扭转影响。

  2)平面规则而竖向不规则的建筑结构,应采用空间结构计算模型,其薄弱层的地震剪力应乘以1.15的增大系数,应按抗震规范有关规定进行罕遇地震作用下的弹塑性变形分析,并应符合下列要求:

  ①竖向抗侧力构件不连续时,该构件传递给水平转换构件的地震内力应乘以1.25~1.5的增大系数;

  ②楼层承载力突变时,薄弱层抗侧力结构的受剪承载力不应小于相邻上一层的65%。

  3)平面不规则且竖向不规则的建筑结构,应同时符合本条1)、2)款的要求。

  (4)砌体结构和单层工业厂房的平面不规则性和竖向不规则性,应分别符合《抗震规范》有关章节的规定。

  (5)体型复杂、平立面特别不规则的建筑结构,可按实际需要在适当部位设置防震缝,形成多个较规则的抗侧力结构单元。

  (6)防震缝应根据抗震设防烈度、结构材料种类、结构类型、结构单元的高度和高差情况,留有足够的宽度,其两侧的上部结构应完全分开。

  当设置伸缩缝和沉降缝时,其宽度应符合防震缝的要求。

  (三)结构体系

  (1)结构体系应根据建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素,经技术、经济和使用条件综合比较确定。

  (2)结构体系应符合下列各项要求:

  l)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丧失对重力荷载的承载能力。

  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,应采取措施提高抗震能力。

  (3)结构体系尚宜符合下列各项要求:

  1)宜有多道抗震防线。

  2)宜具有合理的刚度和承载力分布,避免因局部削弱或突变形成薄弱部位,产生过大的应力集中或塑性变形集中。

  3)结构在两个主轴方向的动力特性宜相近。

  (4)结构构件应符合下列要求:

  1)砌体结构应按规定设置钢筋混凝土圈梁和构造柱、芯柱,或采取配筋砌体等。

  2)混凝土结构构件应合理地选择尺寸、配置纵向受力钢筋和箍筋,避免剪切破坏先于弯曲破坏、混凝土的压溃先于钢筋的屈服、钢筋的锚固粘结破坏先于构件破坏。

  3)预应力混凝土的抗侧力构件,应配有足够的非预应力钢筋。

  4)钢结构构件应合理控制尺寸,避免局部失稳或整个构件失稳。

  (5)结构各构件之间的连接,应符合下列要求:

  1)构件结点的破坏,不应先于其连接的构件。

  2)预埋件的锚固破坏,不应先于连接件。

  3)装配式结构构件的连接,应能保证结构的整体性。

  4)预应力混凝土构件的预应力钢筋,宜在结点核心区以外锚固。

  (6)装配式单层厂房的各种抗震支撑系统,应保证地震时结构的稳定性。

  (四)非结构构件

  (1)非结构构件,包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备,自身及其与结构主体的连接,应进行抗震设计。

  (2)非结构构件的抗震设计,应由相关专业人员分别负责进行。

  (3)附着于楼、屋面结构上的非结构构件,应与主体结构有可靠的连接或锚固,避免地震时倒塌伤人或砸坏重要设备。

  (4)围护墙和隔墙应考虑对结构抗震的不利影响,避免不合理设置而导致主体结构的破坏。

  (5)幕墙、装饰贴面与主体结构应有可靠连接,避免地震时脱落伤人。

  (6)安装在建筑上的附属机械、电气设备系统的支座和连接,应符合地震时使用功能的要求,且不应导致相关部件的损坏。

  (五)隔震和消能减震设计

  (1)隔震和消能减震设计应主要应用于使用功能有特殊要求的建筑及抗震设防烈度为8、9度的建筑。

  (2)采用隔震或消能减震设计的建筑,当遭遇到本地区的多遇地震影响、抗震设防烈度地震的影响和罕遇烈度地震的影响时,其抗震设防目标应高于《抗震规范》第1.0.1条的规定。

  (六)结构材料与施工

  (1)抗震结构对材料和施工质量的特别要求,应在设计文件上注明。

  (2)结构材料性能指标,应符合下列最低要求:

  1)砌体结构材料应符合下列规定:

  ①烧结普通砧土砖和烧结多孔翻土砖的强度等级不应低于MU10,其砌筑砂浆强度等级不应低于M5。

  ②混凝土小型空心砌块的强度等级不应低于MU7.5,其砌筑砂浆强度等级不应低于M7.5。

  2)混凝土结构材料应符合下列规定:

  ①混凝土的强度等级,框支梁、框支柱及抗震等级为一级的框架梁、柱、节点核心区,不应低于C30;构造柱、芯柱、圈梁及其他各类构件不应低于C20;

  ②抗震等级为一、二级的框架结构,其纵向受力钢筋采用普通钢筋时,钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25;且钢筋的屈服强度实测值与强度标准值的比值不应大于1.3。

  3)钢结构的钢材应符合下列规定:

  ①钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.2;

  ②钢材应有明显的屈服台阶,且伸长率应大于20%;

  ③钢材应有良好的可焊性和合格的冲击韧性。

  (3)结构材料性能指标,尚宜符合下列要求:

  1)普通钢筋宜优先采用延性、韧性和可焊性较好的钢筋;普通钢筋的强度等级,纵向受力钢筋宜选用HRB400级和HRB335级热轧钢筋,箍筋宜选用HRB335、HRB400和HPB235级热轧钢筋。

  注:钢筋的检验方法应符合现行国家标准《混凝土结构工程施工质量验收规范》(GB50204-2002)的规定。

  2)混凝土结构的混凝土强度等级,9度时不宜超过C60,8度时不宜超过C70。

  3)钢结构的钢材宜采用Q235等级B、C、D的碳素结构钢及Q345等级B、C、D、E的低合金高强度结构钢;当有可靠依据时,尚可采用其他钢种和钢号。

  (4)在施工中,当需要以强度较高的钢筋代替原设计中的纵向受力钢筋时,应按照钢筋受拉承载力设计值相等的原则换算,并应满足正常使用极限转台和抗震构造措施的要求。环球网校edu24ol.

  (5)采用焊接连接的钢结构,当钢板厚度不小于40mm且承受沿板厚方向的拉力时,受拉试件板厚方向截面收缩率,不应小于国家标准《厚度方向性能钢板》CB5313-85关于Z15级规定的容许值。

  (6)钢筋混凝土构造柱、芯柱和底部框架一抗震墙砖房中砖抗震墙的施工,应先砌墙后浇构造柱、芯柱和框架梁柱。

  (7)建筑的地震反应观测系统抗震设防烈度为7、8、9度时,高度分别超过160m、120m、80m的高层建筑,应设置建筑结构的地震反应观测系统,建筑设计应留有观测仪器和线路的位置。

  五、场地、地基和基础

  (一)场地

  国内外大量的震害表明,场地条件对建筑物震害的影响较大。场地条件对震害影响的主要因素是场地土坚硬程度和场地覆盖层厚度。土愈软、覆盖层愈厚,震害愈重,反之愈轻。

  (l)选择建筑场地时,应按表8-3划分对建筑抗震有利、不利和危险的地段。

  (2)建筑场地的类别划分,应以土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度为准。

  (3)土层剪切波速的测量,应符合下列要求:

  l)在场地初步勘察阶段,对大面积的同一地质单元,测量土层剪切波速的钻孔数量,应为控制性钻孔数量的1/3-1/5,山间河谷地区可适量减少,但不宜少于3个。

  2)在场地详细勘察阶段,对单幢建筑,测量土层剪切波速的钻孔数量不宜少于2个,数据变化较大时,可适量增加;对小区中处于同一地质单元的密集高层建筑群,测量土层剪切波速的钻孔数量可适量减少,但每幢高层建筑下不得少于一个。

  3)对丁类建筑及层数不超过10层且高度不超过30m的丙类建筑,当无实测剪切波速时,可根据岩土名称和性状,按表8-4划分土的类型,再利用当地经验在表8-4的剪切波速范围内估计各土层的剪切波速。

  (4)建筑场地覆盖层厚度的确定,应符合下列要求:环球网校edu24ol.

  1)一般情况下,应按地面至剪切波速大于500m/s的土层顶面的距离确定。

  2)当地面5m以下存在剪切波速大于相邻上层土剪切波速2.5倍的土层,且其下卧岩层土的剪切波速均不小于400m/s时,可按地面至该土层顶面的距离确定。

  3)剪切波速大于500m/s的孤石、透镜体,应视同周围土层。

  4)土层的火山岩硬夹层,应视为刚体,其厚度应从覆盖土层中扣除。

  (5)土层的等效剪切波速,应按下列公式计算:

  (6)建筑的场地类别,应根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度按表8-5划分为4类。当有可靠的剪切波速和覆盖层厚度且其值处于表8-5所列场地类别的分界线附近时,应允许按插值方法确定地震作用计算所用的设计特征周期。

  (7)场地内存在发震断裂时,应对断裂的工程影响进行评价,并应符合下列要求:

  1)对符合下列规定之一的情况,可忽略发震断裂错动对地面建筑的影响:

  ①抗震设防烈度小于8度;

  ②非全新世活动断裂;

  ③抗震设防烈度为8度和9度时,前第四纪基岩隐伏断裂的土层覆盖厚度分别大于6Om和90m。

  2)对不符合上款规定的情况,应避开主断裂带。其避让距离不宜小于表8-6对发震断裂最小避让距离的规定。

  (8)当需要在条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩石的陡坡、河岸和边坡边缘等不利地段建造丙类及丙类以上建筑时,除保证其在地震作用下的稳定性外,尚应估计不利地段对设计地震动参数可能产生的放大作用,其地震影响系数最大值应乘以增大系数。其值可根据不利地段的具体情况确定,但不宜大于1.6。

  (9)场地岩土工程勘察,应根据实际需要划分对建筑有利、不利和危险的地段,提供建筑的场地类别和岩土地震稳定性(如滑坡、崩塌、液化和震陷特性等)评价,对需要采用时程分析法补充计算的建筑,尚应根据设计要求提供土层剖面、场地覆盖层厚度和有关的动力参数。

  (二)天然地基和基础

  (l)下列建筑可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算:

  1)砌体房屋。

  2)地基主要受力层范围内不存在软弱私性土层的下列建筑:

  ①一般的单层厂房和单层空旷房屋;

  ②不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋;

  ③基础荷载与②项相当的多层框架厂房。

  3)抗震规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。

  注:软弱勃性土层指7度、8度和9度时,地基承载力特征值分别小于80、100和120kPa的土层。

  (2)天然地基基础抗震验算时,应采用地震作用效应标准组合,且地基抗震承载力应取地基承载力特征值乘以地基抗震承载力调整系数计算。

  (3)地基抗震承载力应按下式计算:

  (4)验算天然地基地震作用下的竖向承载力时,按地震作用效应标准组合的基础底面平均压力和边缘最大压力应符合下列各式要求:

  高宽比大于4的高层建筑,在地震作用下基础底面不宜出现拉应力;其他建筑,基础底面与地基之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。

  六、地震作用

  (1)各类建筑结构的地震作用,应按下列原则考虑:

  1)一般情况下,可在建筑结构的两个主轴方向分别考虑水平地震作用进行抗震验算,各方向的水平地震作用应全部由该方向的抗侧力构件承担。

  2)有斜交抗侧力构件的结构,当斜交角度大于150时,应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。

  3)质量和刚度分布明显不对称的结构,应计人双向水平地震作用下的扭转影响;其他情况,应允许采用调整地震作用效应的方法计人扭转影响。

  4)8度和9度的大跨度结构、长悬臂结构,9度时的高层建筑,尚应考虑竖向地震作用。

  (2)地震作用的大小取决于:

  1)地震烈度的大小,烈度增大一度,地震作用增大一倍。

  2)建筑结构本身的动力特性(本身的自振周期、阻尼),自振周期越小,地震作用越大;自振周期越大,地震作用越小。阻尼小地震作用大,阻尼大地震作用小。

  3)建筑物本身的质量,质量越大,地震作用越大;质量越小,地震作用越小。

  4)设计特征周期的大小,设计特征周期越大,则地震作用越大,反之越小。

  (3)在地震作用下,结构抗震验算应符合下列规定:

  1)6度时的建筑(建造于IV类场地上较高的高层建筑除外),以及生土房屋和木结构房屋等,应允许不进行截面抗震验算,但应符合有关的抗震措施要求。

  2)6度时建造于IV类场地上较高的高层建筑,7度和7度以上的建筑结构(生土房屋和木结构房屋等除外),应进行多遇地震作用下的截面抗震验算。

  (4)对表8-8所列各类结构应进行多遇地震作用下的抗震变形验算,其楼层内最大的弹性层间位移角θe(=Δμe/h)应小于表中的限值。

  式中Δμe―多遇地震作用标准值产生的楼层内最大的弹性层间位移;计算时,除以弯曲变形为主的高层建筑外,可不扣除结构整体弯曲变形;应计人扭转变形,各作用分项系数均应采用1.0;钢筋混凝土结构构件的截面刚度可采用弹性刚度;

  [θe]―弹性层间位移角限值,宜按表8一8采用;

  h―计算楼层的层高。

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