第1页：第六章 钢筋混凝土多高层结构抗震设计
第六章 钢筋混凝土多高层结构抗震设计
- 结构震害分析
- 钢筋混凝土结构抗震设计基本要求
- 钢筋混凝土框架结构抗震验算
- 抗震墙结构设计
- 框架－抗震墙结构抗震设计
第2页：框架结构震害
6.1 结构震害分析——一、框架结构震害
- 结构层间屈服强度有明显薄弱楼层：框架结构在总体上设计不均匀时，将存在层间屈服强度特别弱的楼层。强烈地震作用下，结构的薄弱层率先屈服，并形成塑性变形集中的现象。
- 梁、柱破坏：
- 柱端破坏：框架结构破坏一般是梁轻柱重，柱顶重于柱底，尤其是角柱和边柱更易发生破坏。一般发生柱端弯曲破坏，轻者发生水平或斜向裂缝，重者混凝土压酥，主筋外露、压屈和箍筋崩脱。
- 梁破坏：由于水平地震的反复作用，梁端产生较大变号弯矩，当超过混凝土抗拉强度时，梁端节点附近产生周圈竖向裂缝或斜缝。
第3页：节点与填充墙破坏
框架结构震害（续）
- 节点破坏：当节点核心区无箍筋约束时，节点与柱端合并加重。
- 砌体填充墙破坏严重：砌体填充墙刚度大强度低，作为框架结构第一道防线，首先承受地震作用而遭破坏，8 度和 8 度以上地区，填充墙裂缝明显加重，甚至部分倒塌，震害规律一般是上轻下重。
第4页：防震缝碰撞破坏
二、防震缝破坏
普遍防震缝受限制，不能满足强震时实际侧移量时，造成相邻单元间碰撞产生震害。
说明：本页含防震缝碰撞破坏示意图（图 6.5），图片内容以原课件图片为准。
第5页：抗震墙结构震害
三、抗震墙结构的震害
- 连梁震害：开洞抗震墙，由于洞口应力集中，在约束弯矩作用下连梁端部很容易形成垂直裂缝；连梁常常是高梁，跨高比小于 2，还易形成斜向的剪切裂缝。
- 墙肢破坏：底层墙肢破坏，内力最大容易出现裂缝和破坏。水平荷载下受拉的墙肢轴压力较小，甚至会出现拉力，墙肢底部容易出现水平裂缝。墙肢总高度和总宽度之比较小时，使总剪跨比较小，墙肢中的斜向裂缝可能贯通发生剪切破坏；某个抗震墙肢剪跨比较小时，可能出现局部墙肢的破坏。
第6页：结构抗震等级
6.2 钢筋混凝土结构抗震设计基本要求——一、抗震等级
分级目的：经济和安全。
- 建筑物的重要性；
- 地震作用越大，房屋抗震要求越高；不同设防烈度和场地上，结构的实际抗震能力会有差别，结构可能进入弹塑性状态的程度不同。震害表明，未经抗震设计的钢筋混凝土结构，在 7 度区只有个别构件破坏，8 度、9 度破坏增多，因此，对不同设防烈度和场地可以有明显差别。
- 结构的抗震能力主要取决于主要抗侧力构件的性能，主、次要抗侧力构件的要求可以有区别。如框架结构中的框架与框架－抗震墙结构中的框架应有所不同。
第7页：抗震等级划分依据
抗震等级划分
- 房屋越高，地震反应越大，其抗震要求越高。
综合考虑地震作用、结构类型和房屋高度等因素划分抗震等级进行抗震设计，可以对同一设防烈度的不同高度的房屋采用不同抗震等级设计；对同一建筑物中结构部分采用不同抗震等级。
第8页：结构体系选取原则
二、钢筋混凝土结构体系
- 1. 选取原则
- 地震烈度、场地土类别、结构体系的抗震性能、使用要求和经济效果。
- 应使结构自振周期避开场地特征周期；
- 选择合理的基础形式，保证基础足够的埋深，减轻震害。
第9页：多道抗震防线
三、结构宜有多道抗震防线
- 框架－填充墙结构是性能较差的多道抗震防线结构。第一道防线：砌体填充墙，刚度大，承载力低，实际上是与框架共同工作，但抗震性能差；第二道防线：框架结构，一旦填充墙达到承载力，刚度退化快，地震作用转化给框架。
- 框架－抗震墙结构是具有良好性能的多道抗震防线结构。其中抗震墙既是主要抗侧力构件又是第一道防线，因此抗震墙应有足够的数量。
第10页：结构破坏机制
四、合理设计结构破坏机制
- 框架结构的破坏机制：节点基本不坏，梁比柱的屈服早发生、多发生；同一层中各柱两端的屈服历程越长越好，底层柱的塑性铰较晚形成。
概念设计理念：强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱杆件。 - 框架－抗震墙结构的破坏机制：破坏形态为弯剪破坏，且塑性屈服宜发生在柱底，连梁应在梁端塑性屈服。条件：控制各墙段高宽比不宜小于 2。
第11页：轴压比与剪压比限制
五、控制构件在极限破坏前不发生明显的脆性破坏
- 轴压比限制（N/bhfc）
- 目的：控制偏心受拉边钢筋先达到抗压强度，防止受压边混凝土先达到其极限压应变。
- 轴压比对柱变形能力的影响：轴压比增加会急剧降低柱变形能力，需进行限制，但又要符合技术水平和经济条件。
- 剪压比限制 V/fcbh0
- 配箍率太大时，不能充分发挥强度，发生斜压破坏；
- 剪压比对截面变形有影响；
- 实际上是限制最小截面尺寸。
第12页：层间弹性位移验算
四、框架结构水平位移验算
《抗震规范》的二阶段、三水准设计思想，要求进行两方面的侧移验算：对所有框架都进行多遇地震下的层间弹性位移验算；对某些结构按规定进行罕遇地震作用下的弹塑性位移验算。
1. 层间弹性位移验算
Δue ≤ [θe]·h （6.47）
Δuei = Vi / Σ Dik
- Δue
- 多遇地震作用标准值产生的层间最大弹性位移；位移采用多遇地震的地震影响系数，各构件分项系数采用 1.0；计算构件刚度 D 值时，采用构件弹性刚度
- [θe]
- 层间弹性位移角限值，钢筋混凝土框架结构取 1/550
说明：本页公式符号由源文件文本提取整理，公式写法以原课件图片为准。
第13页：框架弹塑性位移验算
2. 罕遇地震作用下框架结构弹塑性水平位移验算
《抗震规范》规定，对框架结构应进行罕遇地震作用下薄弱层的弹塑性水平位移验算。
1) 薄弱层的确定
- 楼层屈服强度系数沿高度分布比较均匀的框架结构，取底层；
- 楼层屈服强度系数沿高度分布不均匀的框架结构，取屈服强度系数最小或较小的楼层，一般不超过 2～3 处。
第14页：楼层屈服强度系数
2) 楼层屈服强度系数计算
ξy(i) = Vy(i) / Ve(i) （6.52）
- ξy(i)
- 第 i 层的层间屈服强度系数
- Vy(i)
- 第 i 层的层间屈服剪力
- Ve(i)
- 第 i 层的弹性剪力，计算时地震影响系数取罕遇地震时的值
ξy(i) > 1，则表明该层处于弹性状态；ξy(i) < 1，意味进入屈服状态。
说明：本页公式符号由源文件文本提取整理，公式写法以原课件图片为准。
第15页：层间弹塑性位移计算
3) 层间屈服剪力计算（详见教材 P136）
4) 层间弹塑性水平位移计算
Δup = ηpΔue，Δue = Vei / Σ Dik
满足条件：Δup ≤ [θp]·h
- [θp]
- 层间弹塑性位移角限值，取 1/50；当框架柱轴压比小于 0.4 时，可提高 10%，当沿柱全高加密箍筋的最小配箍率特征值大于 30% 时，可提高 20%，但累计不超过 25%
说明：本页公式符号由源文件文本提取整理，公式写法以原课件图片为准。
第16页：抗震墙结构抗震性能
6.4 抗震墙结构设计——一、抗震墙结构的抗震性能
- 1. 基本概念
- 抗震墙结构就是抵抗侧向力的钢筋混凝土剪力墙结构。它可以是单独的由抗震墙组成的结构，也可以和框架共同抵抗侧向力形成框架－剪力墙结构，筒体结构中的实腹筒也由剪力墙组成。
剪力墙承受水平力中的绝大部分，但并非只是抗剪或以剪切破坏为主，在高宽比大于 2 的抗震墙中，破坏往往由弯曲破坏控制。
第17页：墙肢与连梁破坏
墙肢和连梁可能出现弯曲破坏的情况
- 连梁不屈服，墙肢弯曲破坏后丧失承载力，一般连梁刚度及承载力大；
- 连梁先屈服，然后墙肢弯曲破坏丧失承载力，当连梁钢筋屈服并具有延性时，可以吸收大量地震能量，又能继续传递弯矩与剪力，对墙肢有一定的约束作用。这种破坏形式最理想。
第18页：开洞抗震墙性能
开洞抗震墙抗震性能优于悬臂抗震墙
- 第一，开洞抗震墙中，连梁端部钢筋屈服，可以形成数量众多的塑性铰，具有较好的变形能力和耗能能力；
- 第二，具有多道抗震防线，通过连梁的塑性破坏吸收地震能量，从而保证墙肢安全。可按照强墙弱梁原则设计。
第19页：抗震墙边缘构件
抗震墙的边缘构件
两端和洞口两侧应按规定设置边缘构件。
- 抗震墙的轴压比：一、二级抗震墙底部加强部位及相邻的上一层，在重力荷载代表值作用下的轴压比需满足表的要求。
- 满足轴压比条件设构造边缘构件；
- 不满足轴压比条件设约束边缘构件（暗柱、端柱和翼墙）。
第20页：框架抗震墙受力特点
6.5 框架－抗震墙结构抗震设计
1. 框架－抗震墙结构的受力特点
- 抗震墙是竖向悬臂弯曲结构，其变形曲线是悬臂梁型，越向上挠度增加越快（图 6.21a）。在普通的抗震墙结构中，所有抗侧力结构都是抗震墙，其侧移曲线类似，所以水平力在各片抗震墙之间按其等效刚度 EcIeq 分配。
第21页：反S形变形曲线
框架与抗震墙的协同工作
- 框架的工作特点是类似于竖向悬臂剪切梁，其变形曲线为剪切型，越向上挠度增加越慢。在纯框架结构中，所有框架的变形曲线类似，所以水平力按各框架的抗侧刚度 D 分配。
- 但是，在框架－抗震墙结构的同一个结构单元中，既有框架，又有抗震墙，它们之间通过平面内刚度很大的楼板连接在一起，它们各自不再能自由变形，而必须在同一楼层上保持位移相等，因此框架－抗震墙结构的变形曲线是一条反 S 形曲线。
第22页：水平力沿高重分布
水平力沿高度的重新分布
- 在下部楼层，抗震墙位移小，它拉着框架按弯曲形曲线变形，抗震墙承担大部分水平力。
- 在上部楼层，抗震墙外倾，框架内收，框架拉抗震墙按剪切形曲线变形，抗震墙出现负剪力，框架除了负担外荷载产生的水平力外，还要把抗震墙拉回来，承担附加的水平力，因此，即使外荷载产生的顶层剪力很小，框架承受的水平力也很大。
第23页：框架抗震墙受力特点图
图 6.21 框架－抗震墙结构受力特点
说明：本页为受力特点示意图，源文件仅提取到图题文字，曲线与标注以原课件图片为准。
第24页：框架抗震墙设计推论
两个重要推论
纯框架结构中控制截面在下部楼层；而框架－抗震墙结构中的框架，控制截面变为中部甚至是顶部楼层。由此，可得到两个重要推论：
- 纯框架结构设计完毕后，如果又加上抗震墙，就必须按框架－抗震墙结构重新核算，否则不能保证上部楼层的安全。
- 在框架结构中如果有电梯井筒等弯曲型构件，就必须按框架－抗震墙结构计算，不能简单地按纯框架结构计算，不考虑电梯井筒进行内力分析，结果会使中部或上部楼层框架计算内力不符合实际情况且偏于不安全。
第25页：计算基本假设
6.6.2 基本假设和计算简图
1. 基本假设：工程设计中，通常把它简化为一个平面结构来计算，计算时采用如下假设：
- 楼板在自身平面内的刚度为无穷大；
- 结构的刚度中心与质量中心重合，忽略其扭转影响；
- 不考虑抗震墙和框架柱的轴向变形以及基础转动的影响。
第26页：框架抗震墙计算简图
2. 计算简图
- 根据以上假设可推知，当结构受到水平地震作用时，框架和抗震墙在同一楼层处的水平位移相等。
- 将房屋或变形缝区段内所有与地震方向平行的抗震墙合并在一起，组成"综合抗震墙"，将所有这个方向的框架合并在一起，组成"综合框架"。
第27页：框架抗震墙计算简图
本页为框架－抗震墙结构计算图示页，源文件未提取到可用文字，仅有图片。
说明：本页文字缺失，建议对照原课件图片补充本页要点说明。
第28页：本章结束
谢谢！本章结束
