钢筋混凝土结构房屋抗震设计

钢筋混凝土结构房屋抗震设计

6.1 震害现象及分析

钢筋混凝土房屋的震害情况十分复杂，但从总体上可分为结构破坏和构件破坏两个层次：结构层次破坏指震害现象中明显表现为有规律的结构整体或特定局部的破坏情况，而构件层次破坏是指构件特定部位出现的震害现象。

▶6.1.1 结构层次破坏

（1）平面不规则导致的震害

结构平面不规则导致的震害通常发生在平面布置不对称，刚度分布不均匀，结构质量中心与刚度中心存在较大偏差的情况。在水平地震作用下结构的惯性力作用于其质量中心，而抗力以结构刚度中心为作用点，当两者间距离较大时，结构整体扭转效应明显，容易产生扭转破坏（图6.1）。

图6.1 扭转破坏

当结构平面布置存在较大的凸出、凹进，或平面布置不合理可能导致强烈的局部振动时，在平面上的薄弱部位存在局部应力集中的现象，相应部位的结构震害严重（图6.2）。

图6.2 结构凸出部位破坏严重

（2）竖向不规则导致的震害

结构沿竖向刚度存在突然变化时，可能在刚度较小的楼层产生过大的侧向变形，甚至整层垮塌的现象。2008 年汶川地震中，某框架结构底层无填充墙，二层以上为住宅，布置有较多填充墙，震后测量显示，底层层间位移达30 mm（图6.3）。框架填充墙的刚度贡献应在结构分析中予以足够重视，以免造成严重破坏。

图6.3 刚度突变导致的震害

▶6.1.2 构件层次破坏

（1）梁端破坏 梁端受弯矩、剪力的影响，在水平地震作用下可能形成梁端弯曲破坏和剪切破坏。在实际震害现象中，因现浇楼板参与梁端工作等诸多因素的影响，规范期望引导实现的梁铰机制在汶川地震震害中却很少见到，该现象已引起众多学者关注。

图6.4 给出汶川地震中某无现浇板相连的框架梁损伤照片，梁端弯曲破坏特征突出，但破坏程度并不严重，震害统计结果表明，梁端出现充分塑性铰的情况并不多见。与之对比，图6.5为在低周往复荷载作用下梁端破坏的试验照片。对比可见，实际震害中梁端破坏较试验破坏现象明显轻微，在结构的抗震设计及抗震性能分析中应关注这一现象。

图6.4 梁端破坏（实际震害）

图6.5 梁端破坏（试验照片）

（2）柱端破坏 柱端在轴力、弯矩和剪力的共同作用下，通常发生弯曲破坏（水平向裂缝）或剪切破坏（斜裂缝）。严重情况下柱端混凝土可被完全压溃，导致柱纵筋呈灯笼状压曲。震害表明：短柱在地震作用下呈明显脆性破坏特征，且破坏严重，在设计中应尽量避免，或采取更严格的抗震构造措施。柱端弯曲破坏如图6.6 所示，柱端剪切破坏如图6.7 所示，短柱剪切破坏如图6.8所示。

图6.6 柱端弯曲破坏

图6.7 柱端剪切破坏

图6.8 短柱破坏 （3）节点破坏

梁柱节点区在水平地震剪力的作用下，通常产生沿对角线方向的交叉斜裂缝。梁柱节点破坏时表层混凝土剥落，当节点内箍筋不足或间距过大时，柱纵筋会压曲外鼓。典型破坏如图6.9 所示。

图6.9 节点破坏

（4）抗震墙破坏

抗震墙的破坏通常包括连梁破坏和墙肢破坏。连梁破坏如图6.10 所示，墙肢破坏如图6.11所示。

图6.10 抗震墙连梁破坏

图6.11 抗震墙墙肢破坏

（5）填充墙破坏

填充墙的典型震害通常包括整体外闪倒塌、沿墙对角斜裂缝的剪切破坏等，如图6.12所示。

图6.12 填充墙破坏

▶6.1.3 其他破坏

房屋顶部装饰物或局部突出的结构易受地震作用影响，常见破坏情况如图6.13 所示。

图6.13 屋顶局部突出物破坏 结构变形缝留设宽度不足时，易在缝两侧的相邻结构（构件）间产生碰撞破坏，如图6.14 所示。

图6.14 变形缝处碰撞破坏

楼梯作为上下楼层结构间的斜向连接构件，其振动特性往往与整体结构存在差异，楼梯结构可能承受较大拉（压）力。我国的早期设计中，楼梯无须进行单独抗震设计，承载力设计时一般都未考虑地震作用产生的附加拉（压）力。汶川地震中，楼梯梯段板、梯梁和梯柱均有较严重破坏，且各烈度区均有发生，因此，《抗震规范》对楼梯的抗震设计做出了专门规定。

梯段板的习惯做法是将施工缝留设在梯段板1／4 跨位置处（靠近上、下楼层），震害显示，梯段板的破坏大多集中在施工缝处。当施工缝处理不当时，该位置易形成水泥浆面，地震中易发生剪切破坏，梯段板混凝土被剪坏后，板底受力钢筋在拉伸或挤压作用下易出现保护层脱落，严重时甚至发生断裂。

汶川地震中楼梯平台梁及支撑楼梯平台的梯柱（俗称板凳柱）震害也比较严重，大多在平台梁跨中发生剪扭破坏，或梁端发生剪切破坏。典型的楼梯震害如图6.15 所示。

图6.15 楼梯震害

6.2 抗震设计一般要求

钢筋混凝土结构房屋常用结构体系包括框架结构、抗震墙结构、框架-抗震墙结构和筒体结构，因各类结构体系在刚度特性、抗震性能等方面存在差异，《抗震规范》从概念设计的角度，从结构选型、结构布置、结构抗震等级等方面体现了抗震设计的一般要求。

▶6.2.1 结构选型

选择合理的结构体系是结构抗震设计的首要环节，既要着眼于结构本身空间分布特性对建筑功能的适应性，也要从结构体系受力特性的角度来体现结构的安全性和经济性的要求。

框架结构是由梁、柱构件联结而成的承担水平荷载（或作用）和竖向荷载的结构体系。框架结构具有平面布置灵活、易于形成较大空间的特点，因此广泛应用于商场、教学楼、办公楼、多层工业厂房等建筑。其缺点是抗侧刚度较小，不适用于高度较大的高层建筑和对侧移控制要求较严的建筑。

抗震墙结构是由纵、横双向布置的钢筋混凝土墙体构成承受竖向荷载和水平荷载的结构体系，具有整体性好、抗侧刚度大和抗震性能好等优点。抗震墙作为该类结构体系结构构件的同时，又充当了建筑空间的分割构件，因此一般无突出墙面的梁、柱，特别适用于高层住宅建筑。抗震墙结构的缺点是大面积连续分布的墙体限制了建筑平面布局的灵活性，采用全抗震墙结构时，住宅建筑因墙体较多，刚度富余过大，造价偏高。近年来兴起的短肢抗震墙结构和部分短肢抗震墙结构在10～20 层的高层住宅建筑中得到了广泛应用。

框架-抗震墙结构是由框架和抗震墙相结合而共同工作的结构体系，兼具框架和抗震墙结构的特点，多为商住、会展等综合功能要求较高的建筑物所采用。此类结构体系在分析和设计中，应特别关注框架与抗震墙结构间因共同工作而产生的相互作用。

筒体结构是由纵、横双向布置的抗震墙或密布框架柱形成平面的闭合形状（“筒”状），承受水平和竖向荷载的结构体系。筒体结构整体空间刚度较其他常用的结构体系更大，因此多用于超高层建筑结构中。

板柱-抗震墙结构是指由柱、框架和抗震墙组成的抗侧力体系的结构。

《抗震规范》依据现有理论研究成果和工程实践经验，规定了钢筋混凝土房屋的结构类型和最大适用高度（表6.1）。平面和竖向均不规则的结构，适用的最大高度宜适当降低。高度超过规范规定的最大适用高度时，应通过专门研究并按超限审查相关规定来上报审批。

表6.1 现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度 单位：m

注：括号内数字为《高层建筑混凝土结构技术规程》（JGJ 3—2010）规定的B 级高度高层建筑的最大适用高度。此外，巨型结构、悬吊结构和空间桁架结构等新型结构也在不断探索应用中。

▶6.2.2 结构布置的一般原则

建筑平面宜规则，抗侧力体系的平面布置宜均匀、对称，并具有良好的整体性。为抵御不同方向的地震作用，抗侧力体系宜双向布置，且两个方向的抗侧刚度不宜相差太大。

1）结构平面布置

建筑平面外形宜简单、规则、对称，通常宜采用矩形、方形、圆形、正多边形、十字形、井字形等。通过抗侧力体系的布置，尽量使结构的抗侧刚度中心与质量中心重合或接近，以减小水平作用产生的扭转效应。

因建筑功能或造型要求出现平面不规则时，应按表4.1 判断其类型，并根据4.3 节的要求对结构的地震作用和内力进行调整。

高层建筑中宜控制局部突出部分的外伸长度，以避免在远离刚度中心（或质量中心）的局部构件中产生过大的扭转效应，或由于较为强烈的局部振动而产生附加震害。

当建筑平面长度太长或局部外伸长度尺寸太大时，可通过设置防震缝将结构平面分为若干个较规则的结构。震害表明：若要满足罕遇地震时的变形要求，则需要较宽的防震缝，会给建筑立面及构造处理带来较大困难，因此确定建筑方案时应尽量选用合理的平面形状和结构体系，尽量不设置防震缝。只有当出现结构平面极不规则，各部分结构刚度、质量相差很大，局部采取不同材料和不同结构体系或结构各部分有较大错层时，宜考虑设置防震缝。防震缝应在基础以上沿建筑全高设置，将建筑物分为不同的结构单元。计算中应分别建立各单元结构计算模型，独立进行地震反应分析。

防震缝的最小宽度应满足下列要求：

①框架结构（包括设置少量抗震墙的框架结构）房屋的防震缝宽度，当高度不超过15 m时不应小于100 mm；超过15 m 时，6、7、8 度和9 度分别每增加高度5 m、4 m、3 m 和2 m，防震缝宜加宽20 mm。

②框架-抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用①项规定数值的70%，抗震墙结构房屋的防震缝宽度不应小于①项规定数值的50%，且均不宜小于100 mm。

③防震缝两侧结构类型不同时，宜按需要较宽防震缝的结构类型和较低房屋高度来确定缝宽。

④抗震结构设有伸缩缝和沉降缝时，其缝宽应满足防震缝宽度的要求。防震缝兼做沉降缝时，应按照沉降缝要求将基础分开设置。

2）结构竖向布置

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。

《抗震规范》定义了竖向不规则的主要类型，详见本书表4.1，相应竖向不规则结构的地震作用和内力调整要求可参考本书4.3 节的内容。

▶6.2.3 抗震等级

抗震等级是进行结构和构件抗震计算及采取抗震措施的依据，抗震等级的高低体现了对结构抗震性能要求的严格程度。抗震等级主要根据设防烈度、房屋高度、结构类型及构件在结构中的重要程度来确定。 我国钢筋混凝土房屋结构的抗震等级是根据国内外房屋震害、相关科研成果及工程实践经验，并考虑技术要求和经济条件来划分的。抗震等级由高至低划分为一级至四级，特殊要求时则提升至特一级，其计算和构造措施比一级更严。

表6.2 列出了现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级划分标准。

表6.2 现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级

注：①建筑场地为I 类时，除6 度外应允许按表内降低一度所对应的抗震等级采取抗震构造措施，但相应的计算要求不应降低；

②接近或等于高度分界时，应允许结合房屋不规则程度及场地、地基条件确定抗震等级；

③大跨度框架指跨度不小于18 m 的框架；