抗震概念設計及抗震性能化設計

1、抗震概念設計及抗震性能化設計 中國建筑設計研究院,概述兩部分內容：抗震概念設計、抗震性能化設計■ 抗震概念設計部分回答下列問題： 什么是抗震概念設計 為什么要進行抗震概念設計 抗震概念設計應把握的重點問題 如何做好抗震概念設計工作,概念設計的內容很廣泛，不僅有抗震設計的基本概念，其他設計也有概念，如抗溫度設計，抗差異沉降設計等，關鍵是要有“概念”，要建立概念，有了概念才能談概念設計。大到整個工

2、程，小到結構構件都有概念設計的問題，如體系問題，采用抗震性能好（什么是好）的結構體系、采用耗能能力強的結構體系、二道防線問題、強柱弱梁、強剪弱彎等問題。,第一部分 抗震概念設計地震——一個沉重的話題（人類的大災難）人類時刻都受到地震的威脅,1111緬甸發(fā)生6.8級地震,,汶川地震,玉樹地震死亡人數(shù)2064人，比汶川地震損失要小得多，玉樹多數(shù)都是土木結構房屋抗震性能相當?shù)停洕钒l(fā)達，經濟損失較汶川少，青海地廣人稀，人員傷亡數(shù)少

3、。,,東日本大地震引發(fā)海嘯并造成和災難。。。。。。,地震災害給我們的思考,1920年以來主要地震傷亡情況,全球十大地震,9月4日,國務院新聞辦就四川汶川地震及災害損失評估情況召開新聞發(fā)布會。地震專家表示,汶川地震目前共造成69226人死亡、17923人失蹤,共計87149人。四川、甘肅、陜西三省的極重災區(qū)和重災區(qū)數(shù)量分別是39個、8個和4個,共51個災區(qū)縣,總面積達到13萬多平方公里。此次汶川地震造成的直接經濟損失達8451億元人民幣

4、,其中四川占到總損失的91.3%,甘肅占5.8%,陜西占2.9%。,抗震——結構工程師永恒的工作任重而道遠,3.1 抗震設計的三水準問題（P3）3.1.1 抗震設計的“三水準”設防目標及兩階段設計過程的要求■ “小震不壞、中震可修、大震不倒”是基本的抗震設防目標。■ 所有結構的抗震設計（地震作用計算及結構構件的承載力抗震驗算），能滿足第一水準（即“小震不壞”）要求?！?對大多數(shù)結構需要通過概念設計和抗震構造措施來滿足

5、第二、第三（“中震可修、大震不倒”的設防要求。,■ 對強烈地震時易倒塌的結構、有明顯薄弱層的不規(guī)則結構（如特別不規(guī)則結構等）及其他有特殊要求的建筑，則更需要抗震概念設計來進行結構薄弱部位的彈塑性層間變形驗算，并采取相應的抗震構造措施，以實現(xiàn)第二、第三水準的設防要求。,,圖1.0.1-1 結構的耗能,3.2 抗震設計主要應包括：概念設計、抗震計算（是對地震作用的定量分析，包括荷載計算、地震作用計算和抗力計算等）和抗震措施（包括抗震構

6、造措施）。3.3 抗震概念設計seismic concept design of buildings3.3.1 什么是抗震概念設計（P14）3.3.1-1 抗震規(guī)范第2.1.9條指出抗震概念設計就是：“根據地震災害和工程經驗等所形成的基本設計原則和設計思想，進行建筑和結構的總體布置并確定細部構造的過程”。,3.3.1-2 抗震概念設計就是要把握好結構抗震設計的關鍵問題：（1）把地震及其影響的不確定性和規(guī)律性結合起來，設計時

7、應著眼于結構的總體反應；（2）依據結構破壞機制和破壞過程，靈活運用抗震設計準則；（3）從一開始就全面合理地把握好結構設計的本質問題（如把握好總體布置、結構體系、承載能力與剛度分布、結構延性等）；（4）顧及關鍵部位的細節(jié)，力求消除結構中的薄弱環(huán)節(jié)（或對關鍵部位制定明確的抗震性能目標）；（5）從根本上保證結構的抗震性能。,4. 了解地震要做好結構的抗震設計，首先要了解地震（P12）。,,圖4.0-1 1961－1967年30萬

8、次4級以上震中分布圖,,圖4.0-2 全球六大板塊分布圖,,震源、地震波、場地、地基、建筑物自身的動力特性等?；鶐r波與地面波，地面波與建筑物的地震反應。,,,,,震源問題 地震能量,地震波的傳播問題,場地的影響問題,建筑物的地震響應,避讓問題,,4.1 震源問題（地震的不可預知性、汶川地震照片、意大利7名地震專家因未能準確預報2009.4.6地震而獲刑）,巖層原始狀態(tài) (b）受力后變形 (c) 巖層斷裂產生

9、地震圖4.1-1 構造地震形成示意圖,4.1.1 實際地震的不可預知性（P11）4.1.1-1 實際地震的大小是現(xiàn)有科學水平難以準確預估的，雖然在確定烈度區(qū)劃圖時盡量體現(xiàn)了科學性、準確性，但由于可供統(tǒng)計分析的歷史地震資料有限，在一定地區(qū)發(fā)生超過設防烈度的地震是完全由可能的。4.1.1-2 同一建筑場地的地面運動的不確定性，不同性質的地面運動對建筑的破壞作用也不相同。地震動隨震源機制、震級大小、震中距和傳播途徑中土層性質不

10、同等多種因素而變化（P12）。,歷次地震表明，我國地震區(qū)劃圖所規(guī)定的烈度有很大的不確定性，抗震設計還處在摸索階段，地震理論還有待完善。重視建筑抗震概念設計，是抗震設計應把握的要點。從某種意義上說，也是對地震理論不完善所采取的彌補措施（P12）。4.1.1-3 地震作用效應的復雜性（P12）實際地震的復雜性（實際地震都不是單向作用、或雙向作用），實際地震的扭轉作用等。,地震的不確定性,,4.2 地震波問題縱波與橫波，傳播特性，地

11、震波的作用（P11、P66、P161）現(xiàn)有地震波記錄3s以內，現(xiàn)代數(shù)字記錄在10s以上也不可靠，缺乏可靠的長周期記錄。而地震波是我們進行結構分析的基礎。場地對地震波的影響問題，超限高層建筑300m到1000m，彈塑性分析、全球共用一條波，可信嗎？可怕嗎？放心嗎？震中距的遠近問題（P28）,,圖4.2-1 El Centro1940 N-S地震記錄的加速度、速度和位移時程,,圖4.2-2 1940年El Centro地震記錄的

12、加速度反應譜曲線,4.3 場地地基問題場地是地震波和結構地震反應的傳播媒介（P14），濾波和放大問題及其規(guī)律（P30），場地對地震的影響有：場地類別（P127）發(fā)震斷裂的避讓問題（P131），山區(qū)場地及邊坡問題（P37）、局部突出地形的影響問題（P132、P133），地震地質災害問題，特殊的地震地質問題（P134及P31）。軟弱場地對長周期的濾波和放大問題（P170）。液化地基問題（P146、P147），軟弱地基的側擴及流滑問題（P

13、151）。,,,圖6.6 加拉加斯地震中建筑物的破壞率與土層厚度關系,,新西蘭地震引起的地基液化問題,,4.4 建筑物的地震反應問題4.4.1 建筑抗震設防標準的確定（P9、P25-27）重要性程度、規(guī)模等，著眼于地震的破壞和影響程度，分區(qū)域劃分的原則。4.4.2 結構體系問題（P59）豎向及水平向基本傳力途徑要求，雙重抗側力體系要求等4.4.3 結構布置問題（P39）結構平面布置的概念問題（P41）（規(guī)則與不規(guī)則

14、，均勻與不均勻，均勻對稱的要求，扭轉不規(guī)則P46，凹凸不規(guī)則，樓板不連續(xù)問題，其他平面不規(guī)則，平面分縫及其相關問題（P58））。,豎向布置的規(guī)則性問題（P42）（規(guī)則與不規(guī)則，均勻與不均勻，均勻對稱的要求，側向剛度不規(guī)則（軟弱層）、受剪承載力不規(guī)則（薄弱層），樓層質量分布不規(guī)則，錯層、越層等，側向剛度比計算的問題（P55），豎向不規(guī)則給結構的影響將大于平面不規(guī)則）。,結構抗震設計的根本是“均勻、對稱”問題；本質問題是：大震下結構的彈塑

15、性變形問題。,4.4.4 結構的計算問題4.4.4-1 計算假定問題■ 剛性樓板假定的適用性問題（空曠結構、樓板大開洞情況，平面凹凸、越層柱、錯層等、剛性樓板假定、彈性樓板假定、總體指標的控制、局部指標的控制等）；4.4.4-2 計算方法問題■ 地震作用的計算問題（P159）, 各方法的利弊分析：底部剪力法（P176、小塔樓問題P183）、振型分解反應譜法（P165、P170、P177），時程分析法（P65、P161），長

16、周期結構問題（P174、P184）?！?雙向地震作用計算問題（P179），三向地震作用計算問題（P182）?！?超長結構的多點地震輸入問題（P165）,,圖3.4.1-1 存在“內耗”的結構布置,,圖3.4.2-2 有利于抗震的結構布置,,,框架-剪力墻結構特征明顯,剪力墻結構的特征明顯,,圖3－1 框架-剪力墻結構的變形和內力分布規(guī)律,,a)總剪力 b)剪力墻剪力 c）框架剪力,框架-剪力墻結

17、構變形曲線和剛度特征值的關系,,,,,,,,,,,,宜采用具有一定耗能能力的連梁，建議連梁的跨高比在2.5~5之間,跨高,,當無梁樓蓋的樓板厚度足夠厚（如樓板厚度不小于跨度的1/18且不小于180mm）時，可認為其屬于梁板結構（注意：應與施工圖審查單位溝通）。當采用現(xiàn)澆空心樓板時，空腔上、下實心混凝土板的最小厚度均不得小于90mm（并應滿足防水要求）,,,,宜沿梯板平面周邊設置暗梁,,,,,,,梁頂鋼筋不應大于計算值,梁底鋼筋不應小于計

18、算值,,,應控制梁端正鋼筋進入支座的數(shù)量，符合強柱弱梁計算中正鋼筋截面面積的假定,框架梁配筋應——上筋不多，下筋不少，總量控制,,結構抗震設計應——重概念、輕精度,,,,,,注意連梁的超筋處理,,,,,4.4.4-3 計算模型問題■ 計算模型問題（墻元模型、過度細分的墻元模型（大餅）、桿件模型、巨型柱的桿件有限元模型等）；■ 剪力墻的規(guī)則化處理問題（P82、P315）；■ 剪力墻與端柱的計算模型與處理問題（P316）■ 連梁的

19、計算與超筋問題（P319）■ 半剛接的模型問題與處理（P81、P330）■ 等代框架與端柱的連接問題（P336）,■ 嵌固端模型的問題（嵌固端的概念P225、地基基礎的沉降差問題P58，嵌固端的轉角問題及其超高層建筑的P-DATA問題P76，上部結構的嵌固端和地基基礎的沉降問題）；■ 分層加載的模型問題（軸向變形問題P89、混凝土的收縮徐變問題、分層加載模型問題、加載與混凝土齡期的關系問題等）；■ 溫度應力的計算問題（溫度應力

20、的計算問題、溫度場的建立與后澆帶的封帶時機問題、均勻溫度場的問題、不均勻溫度場的問題、徐變收縮對溫度應力的影響、對均勻溫度應力的折算問題、對溫度應力的構造措施等）,1. 后澆帶應從結構受力較小的位置通過，如梁、板的1/3跨度處，連梁的跨中等部位。2. 溫度應力問題是結構設計中的難點問題，應重視概念設計，注意把握結構受溫度影響的關鍵部位（平面的遠端、有效樓板寬度較小的部位等）及關鍵構件（如框架柱、剪力墻等豎向構件），加強結構構造措施。在

21、溫度場的確定及溫度應力的計算模型選取等方面應注意以下問題：1）溫度場的建立溫度場與建筑結構所處的溫度環(huán)境有關，不僅受環(huán)境最高溫度、最低溫度的影響，而且還與溫度場建立的溫度（形成整體結構的初始溫度，如后澆帶混凝土強度形成過程中的封帶溫度等）有關。,（1）結構所處環(huán)境的最高溫度和最低溫度，一般應根據工程的溫度環(huán)境和使用要求確定，當建筑結構的保溫隔熱措施有效，建筑物室內溫度受外部環(huán)境影響較小的冬季采暖、夏季全空調的建筑（如商場、酒店等），

22、以房屋使用階段的室內溫差為基數(shù)偏安全地取值（比使用階段的室內最高溫適當增加，比使用階段的室內最低溫適當降低）。,（2）溫度場建立的溫度即建筑結構溫度場的初始溫度，一般應取混凝土形成整體時的溫度（如后澆帶的封帶溫度），是一個溫度區(qū)間的等效溫度（即后澆帶混凝土在強度形成過程中的等效溫度），一般取比結構所處環(huán)境的最高溫度和最低溫度的平均值偏低的溫度值（如當最高溫度為30°C、最低溫度為0°C時，其平均溫度為15°

23、，可取溫度場建立的溫度為10°C），《荷載規(guī)范》第9.3.3條規(guī)定：“混凝土結構的合攏溫度一般可取后澆帶封閉時的月平均氣溫，鋼結構的合攏溫度一般可取合攏時的日平均溫度”，采取有效措施確保混凝土的合攏溫度符合預設的溫度場建立的溫度要求。程序計算時，升溫填正值（如升溫20°C則填+20），降溫填負值（如降溫10°C則填-10），填零則表示無溫度變化。,2）溫度梯度問題溫度對建筑結構的影響與結構在溫度場中的位置

24、有關，建筑物周邊的結構受環(huán)境溫度的影響較為明顯，當環(huán)境溫度改變時，結構的溫度也跟隨改變，但改變的幅度不同，在建筑物內部離建筑物周邊越遠，則結構溫度改變的幅度越小，這就是溫度梯度問題。3）溫度應力的計算模型（1）溫度對構件的影響是不均勻的，但現(xiàn)有程序在溫度應力的計算過程中，無法考慮溫度梯度的影響，假定建筑結構處在一個均勻的溫度場中，建筑結構中的所有構件同時處在同樣的升溫或將溫的環(huán)境中，這種均勻膨脹或收縮的溫度作用模式，比較適合于鋼結構

25、（對鋼構件，由于其傳熱性能好，截面較薄，當環(huán)境溫度變化時，可以認為截面中的溫度是均勻變化的），而對實心混凝土結構計算的溫度應力偏大。,（2）溫度應力計算時，應采用彈性樓板模型，否則，在剛性樓板假定下，梁的膨脹或收縮收到平面內“剛性樓板”的約束，柱內不會產生剪力和彎矩，相應地梁內也不會產生彎矩和剪力，僅有軸力作用，計算結果偏小，偏于不安全。結構設計時，應特別注意對平面縱向端部框架柱柱端內力和配筋的檢查，注意對平面端部縱向剪力墻的核查。（

26、3）目前，程序按線彈性理論計算結構的溫度效應，對于鋼筋混凝土，考慮到徐變應力松弛特性的非線性因素，實際的溫度應力將小于按彈性計算的結果，實際工程計算中一般取徐變應力松弛系數(shù)0.3對計算結果進行折減。但對鋼結構可不考慮此項折減。,（4）依據《荷載規(guī)范》的規(guī)定，溫度作用按可變荷載考慮，其組合值系數(shù)取0.6，頻遇值系數(shù)取0.5，準永久值系數(shù)取0。對特殊工程可根據工程需要由設計人員設定不同于程序內定的組合方式，并調整分項系數(shù)。3. 實際工程中

27、，超長結構的溫度應力問題應主要通過采取恰當?shù)臉嬙齑胧┯枰越鉀Q，建議如下（見高規(guī)書）,地基基礎的大震不倒問題（特殊情況下的地基基礎穩(wěn)定問題P77）4.4.4-4 主要計算參數(shù)的取值問題填充墻對結構的影響問題（周期折減問題，不僅僅是剛度問題、還有均勻性問題等P84、填充墻與主體結構的連接問題P98、砌規(guī)6.3.4條的弱連接做法）抗扭計算的問題（如扭矩折減的前提P89）樓梯的影響問題（P83、P233、P372、P380、P533）

28、，梁剛度的放大問題（P87）,,,設置填充墻,設置填充墻,填充墻平面設置不當，加大結構的扭轉效應,,,填充墻豎向布置的不均勻，加大結構的扭轉效應,框架梁,框架柱,4.4.5 結構體系的確定問題（傾覆力矩比的計算問題、規(guī)范方法P209與軸力方法、計算結果的飄忽問題、樓層最小剪力問題、長周期結構的計算問題、地震速度和位移的影響問題、框架和剪力墻組成的結構的體系問題）4.4.6 強柱弱梁的問題（梁的實際承載力與計算承載力問題P24

29、0、梁端頂部計算彎矩與實際彎矩的關系、配筋做法對梁端底部實際彎矩的影響、程序認定的梁端彎矩、梁端裂縫寬度驗算的實際問題和影響、樓板配筋的影響、改進建議等）；,5. 抗震概念設計與包絡設計應把握的重點問題5.1 體系問題是結構設計應把握的頭等重要的問題5.1.1 應注意體系的合理性問題，優(yōu)先采用抗震能力強、延性好、耗能能力強、便于施工的具有多道防線的結構體系（如采用設置耗能連梁的抗震墻結構、框架-抗震墻、框架-筒體結構等。5.1

30、.2 避免采用抗震能力較低的板柱-抗震墻結構、框架結構、尤其是單跨框架結構等）。,5.1.3 注意對承載力和剛度及延性的合理把握。5.1.4 采用合理的地基基礎方案。5.2 結構布置問題5.2.1 應采用概念清晰、傳力路徑明確的結構布置。5.2.2 避免造成結構扭轉、平面和立面的里出外進、豎向傳力構件的間斷等其他不規(guī)則。5.2.3 注意把握剪力墻的合理間距問題、結構的協(xié)同工作問題、上部結構與地基基礎的協(xié)調變形問題

31、等。,5.3 結構抗震設計的關鍵部位5.3.1 注意把握結構體系的關鍵部位、結構構件的關鍵部位。5.3.2 實現(xiàn)“強剪弱彎、強柱弱梁、強節(jié)點弱桿件及強柱根”的設計理念。6.3.3 注意對加強部位（豎向構件的加強部位、樓面結構的加強部位、地基基礎的加強部位等）的把握。,6. 如何做好抗震概念設計6.1 抗震概念設計應依托抗震設計的基本理論、清晰的力學概念，應注重對地震災害的調查及對地震經驗的總結，注意發(fā)現(xiàn)并改進抗震設計方

32、法，注重抗震設計實效。6.2 抗震概念設計要求結構設計人員，依據在學習和實踐中所建立的正確概念，運用正確的思考和判斷力，正確和全面地把握結構的整體性能，并依據對結構特性（如承載能力、變形能力、耗能能力等）的正確把握，合理確定結構的總體布置與細部構造。圍繞“均勻、對稱”做文章。,6.2.1 了解有利于抗震的規(guī)則平面布置，不利于抗震的不規(guī)則平面布置及其可能造成的危害。6.2.2 了解有利于抗震的規(guī)則立面布置，不利于抗震的不規(guī)則立

33、面布置及其可能造成的危害。6.2.3 對不規(guī)則情況采取有針對性的抗震措施，并確?？拐鸫胧┑挠行浴?6.3 應注意把握地震的規(guī)律性，盡管地震影響具有不確定性，但震害調查分析表明其也具有一定的規(guī)律性：6.3.1 一般情況下，震級大、震中距小時，對較剛性建筑物的破壞大；當震級大、震源深時，對遠距離較柔性的建筑物影響大。6.3.2 場地條件（場地類別和覆蓋層厚度等）也直接影響結構地震作用效應的大小。6.3.4 由于地震的不確

34、定性和地震作用效應的復雜性以及計算模型與實際情況的差異，抗震設計不能僅依賴計算。概念設計是影響結構抗震性能的最重要因素。,6.3.5 地震是對結構抗震設防及設計的最好檢驗，重視工程經驗，重視震害分析，對把握抗震設計的意義重大。6.3.6 結構抗震設計應重概念輕精度，重視建筑和結構的總體布置，完善結構的細部構造。6.3.7 強調抗震概念設計不是拒絕進行復雜結構設計，而是要求在處理復雜結構設計時明確：,■ 什么是結構設計的最佳選擇

35、；■ 采用不合理的結構方案或結構布置可能會帶來什么樣的后果；■ 需要采取哪些補救或加強措施，并對這些措施的合理性和有效性作出客觀的評價，以保證結構性能目標的實現(xiàn)，確保房屋安全?！?抗震概念設計不是指手畫腳的空洞說教，而是具有豐富內涵的實實在在的工作。,結構設計要抓住每個設計階段的重點問題：方案階段，主要是結構體系問題，如：基礎形式的確定（要根據勘察報告提供的場地條件確定合理的基礎方案）、根據建筑條件和抗震設防要求，確定合理的上部

36、結構的形式、采用框架結構？剪力墻結構？框架-剪力墻結構？框架-筒體結構？筒中筒結構？鋼框架結構？鋼框架混凝土筒體結構？鋼框架支撐結構？鋼骨混凝土結構？帶轉換層結構？帶加強層結構？ 樓蓋結構：采用現(xiàn)澆或預制樓蓋？預應力混凝土樓樓蓋？鋼屋蓋（形式很多，以前的網架、現(xiàn)在鋼桁架、實腹剛梁等）？索結構等 方案階段的結構估算。主要屬于概念設計的范疇。初步設計階段，應對結構方案的優(yōu)化和驗證，證明結構方案的可行性，滿足相關規(guī)范規(guī)程的要求。對結構體

37、系及主要結構構件進行優(yōu)化。施工圖階段，對所有結構構件的設計與優(yōu)化，滿足規(guī)范對構件設計的基本要求（截面和配筋），優(yōu)化結構設計。做到結構方案合理、計算假定正確、計算模型合理、計算結果合理有效、對結構關鍵部位的把握準確等。,強調概念設計并不是拒絕復雜工程。實際工程中，為實現(xiàn)建筑的平面、立面的變化，常要求結構不得不采用不規(guī)則甚至特別不規(guī)則的方案，不僅嚴重影響了結構的抗震性能，也造成了投資（結構費用）的大量增加。此時，結構設計應與建筑專業(yè)及