第四章建筑抗震概念设计

第四章建筑抗震概念设计 西安建筑科技大学土木工程学院杨勇 2009-12-25

第四章主要内容 • 4.1 抗震概念设计的基本概念 ;（掌握） • 4.2 场地和地基的抗震设计原则；（熟悉） • 4.3 建筑体型（平面和立面设计）设计原则；（熟悉） • 4.4 建筑结构类型与结构体系选择原则；（熟悉） • 4.5 建筑结构平面布置和竖向布置基本原则；（掌握） • 4.6 建筑结构的多道抗震防线设计原则；（掌握） • 4.7 建筑结构的刚度、强度和延性匹配设计原则；（掌握） • 4.8 建筑结构其他设计原则；（熟悉） • 加强结构整体性设计原则； • 正确考虑非结构构件设计原则； • 减小地震能量输入设计原则。 • 课外参考资料—— • 方鄂华.《高层建筑钢筋混凝土结构概念设计》 .北京：机械工业出版社，2005 • 郁彦. .《高层建筑概念设计》 .北京：中国铁道出版社，1999 • 林同炎. 《结构概念和体系》第二版. 北京：中国建筑工业出版社，1999 • 刘大海.《高层建筑抗震设计》.北京：中国建筑工业出版社，1993

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 • 4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 • 缘起-结构平面和竖向布置直接确定结构刚度分布！ • 建筑结构平面和竖向布置主要包括以下内容： • 平面布置——跨度、进深、剪力墙位置、形式与数量； • 竖向布置——层高、竖向构件截面变化、剪力墙中断； • 构件截面尺寸——梁、柱截面尺寸；剪力墙厚度。 • 结构平面和竖向布置直接确定结构的刚度分布 • 构件刚度——EI、EA、GA； • 结构整体刚度和刚度分布——K、D值及分布；

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 • 结构刚度分布是影响结构地震作用与地震反应的重要因素。 • 刚度分布直接影响结构动力特性（结构频率、振型）； • 刚度分布是结构中影响地震作用与地震反应的最重要因素。 • 结构动力方程 • 结构频率方程 • 结构位移反应 • 结构地震作用 • 结构平面和竖向布置是结构体系最重要的内在因素，是结构设计中最具能动性和创造性的环节，是反应结构设计师真正水平的重要标准。

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 • 4.5.1 结构布置与结构抗震性能相互关系 • 震害分析——从震害中研究结构布置与结构抗震性能关系 • 结构平面刚度不均匀引起的震害实例 • 案例一：1972，尼加拉瓜马拉瓜地震两个银行； • 案例二：1978，日本宫成冲地震3层RC房屋； • 案例三：1976，唐山地震754厂房。 • 结构双向刚度相差较大引起的震害实例 • 案例一：1999，台湾地震-台湾民居“透天厝”震害； • 案例二：1999，台湾地震-学校建筑，纵墙开大窗； • 案例三：2008，汶川地震-学校建筑，纵墙开大窗。 • 结构竖向刚度不均匀引起的震害实例 • 案例一：1972，美国圣菲南多地震，Olive-View医院（橄榄景医院） • 案例二：1976，罗马尼亚地震，普鲁斯蒂咖啡馆 • 案例三：1995，阪神地震中间层薄弱层 • 结构顶部刚度突然减小引起的震害实例 • 案例一：1976，唐山地震南开大学主楼； • 案例二：2009年，意大利中部发生6.3级地震，一教堂的顶部遭到地震破坏。

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 （一）结构平面刚度不均匀引起的扭转案例一：1972，尼加拉瓜马拉瓜地震

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 • 中央银行——修复费用达造价80% 砌体填充墙质心刚心

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 美洲银行只有轻微损坏

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 • 案例二：1978，日本宫成冲地震 • 结构特点：3层RC结构，楼梯间在建筑物一侧，用实心剪力墙围成筒，刚度很大，另一端只有柱子，刚度很小。 • 震害：没有剪力墙一端柱子塌落，楼板塌下。

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 • 案例三：1976，唐山地震 • 结构特点：天津754厂厂房，两个温度单元，端部设置多层砖砌体生活间，而且与厂房刚性连接，造成每个独立单元两端质量和刚度相差悬殊； • 震害——地震时厂房很大扭转，震后全部拆除。

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 （二）结构双向刚度不均匀引起的破坏 • 案例一：1999，9.21地震-台湾民居“透天厝”震害 • 结构特点：连户住宅组成，开间4~5m，底部多为店面。 • A类：平面布置中，横墙为砖砌体实墙，内含RC柱。纵向没有砖墙，刚度极差，地震时如骨牌倒下。 • B类：楼梯间纵向布置，砌纵向砖墙，提供刚度，情况较好。

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 A类“透天厝”

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 A类“透天厝”震害

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 • 案例二：1999，台湾地震-学校建筑； • 一般中小学校建筑平面设计，为保证教室有良好自然采光和通风，在南北朝向（或说纵向）需要布置设计大量的采光窗（大的窗口洞口）并为满足消防疏散安全的需要，考虑密集人员疏散的要求，纵向布置疏散走廊。由此造成的结构设计布置上，横向设置剪力墙或抗震墙分割教室，刚度较大；纵向则开设大量洞口和走廊，刚度较小，纵向薄弱导致在地震破坏作用下纵向倒塌。

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 • 案例三：2008，汶川5.12特大地震；

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 （三）结构竖向刚度不均匀引起薄弱层破坏 • 案例一：1971，美国圣菲南多地震，Olive-View医院 • 8个建筑，严重破坏3幢（主楼、精神病院和停车棚） • 主楼6层RC框支剪力墙结构。每层柱子断面和配筋形式不同。

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 • 主楼概况：位于9度区，主楼六层，RC结构。3层以上为框架-抗震墙体系，底层和2层为框架体系——形成框支剪力墙体系。 • 另外，3层有较多砖墙，上、下层抗侧移刚度相差约10倍。 • 震害——上面几层震害较轻，2层严重偏斜，纵向和横向侧移均达到600mm，角柱酥碎。——底层柔弱典型震例。剪力墙框架

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 • 案例二：1976，罗马尼亚地震 • 普鲁亚士第，4层RC框架结构严重破坏； • 底层咖啡馆、无隔墙，上层住宅，砖砌体隔墙，上下刚度相差加大，上刚下柔，底层是软弱； • 震害——底层柱子折断，上部几层整体塌落至一层柱根。

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 • 其他底部薄弱层案例：

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 • 其他底部薄弱层案例：北川一中教学楼：五层变三层

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 • 案例三：1995，阪神地震中间层薄弱层

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 • 背景：竖向混合结构。 • 主要原因：多数破坏是在两种不同材料构件变化的楼层处。RC-SRC、SRC-S，有较大刚度和强度突变。 • 总结——竖向避免出现薄弱层。

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 （四）结构顶部刚度陡然减小引起的鞭梢效应 • 案例一：1976，唐山地震 • 南开大学主楼：主体7层，高27m，上部塔顶高度50m。与主体相比，体形尺寸很小，柱子断面为240*240mm，刚度和承载力均较小，发生突变； • 震害——唐山地震，塔楼倾斜，3个月后宁河地震，塔楼完全破坏。

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 • 案例二：2009年，意大利中部发生6.3级地震，一教堂的顶部遭到地震破坏

4.5 结构平面布置与竖向布置基本原则 • 结构布置（刚度分布）与结构震害关系小结结构平面刚度要均匀——刚心与质心靠近，减小扭转；结构双向刚度要接近——避免出现弱向破坏；结构竖向抗侧刚度沿高度均匀，或沿高度逐渐减小；重点关注——框支剪力墙、底框砖房等待薄弱层结构；注意顶部放大——鞭梢效应；不能忽视——非结构构件：填充墙、楼梯、出屋面房间；思考——结构、人生、和谐社会（木桶效应）。

思想有多远，就能走多远…… 敬请各位老师批评指正！

第四章 建筑抗震概念设计