建筑结构抗震性能分析 - 图文

西南林业大学

本科毕业（设计）论文

（2011届）

题目1： 建筑结构抗震分析

题目2: 宁波某楼盘展厅门式刚架结构设计

教学院系 交通机械与土木工程学院 专 业 土木工程

学生姓名 朱成仙

指导教师 刘德稳（助教）

评 阅 人

2011年 6 月 11 日

建筑结构的抗震性能分析

朱成仙

(西南林业大学 交通机械与土木工程学院 昆明 650224)

摘 要：通过对地震理论知识的学习研究，结合汶川地震灾害对几种结构的抗震性能进行简单的对比和分析，并介绍钢结构在震害中发生的破坏形式及各种抗震设计方法，建筑结构的抗震设计方法，旨在牢记经验教训，防微杜渐，将地震带给人们的伤害和损失降到最低。

关键词：抗震性能 抗震设计 钢结构

Seismic Analysis of Building Structures

Zhu Chengxian

(Mechanical and Civil Engineering Traffic, Southwest Forestry University, Kunming

650224)

Abstract: Theoretical knowledge through the study of seismic, combined with earthquake

disasters on the seismic performance of several simple comparison and analysis, and steel structure introduced in the form of damage and destruction occurred in a variety of seismic design, seismic building structures Design method, to keep in mind lessons learned as a preventive measure, the earthquake damage and loss to bring people to a minimum.

Key words: Seismic Performance Seismic Design Steel

1前 言

1.1建筑结构的抗震性能

1.1.1地震

地震是一种常见的自然现象，是地球内部缓慢积累的能量突然释放而引起的地球表层的震动。

对建筑结构来讲，地震对建筑物的破坏作用是通过其所在场地、地基及基础将地震力传递给上部结构的，地震力所产生的地震加速度峰值在地表首先导致场地岩层断裂或错位，从而引起地基及基础的开裂，使建筑结构在极短时间内发生坍塌。抗震性能的好坏就直接影响到建筑物的破坏程度。

1.1.2建筑结构抗震性能的解释：

当地震来临时，建筑结构具有承受一定震动的能力，对破坏性地震采取一定的防御措施，尽量减轻生命财产的损失。

1.1.3研究抗震性能的背景

震惊世界的唐山大地震、5·12汶川大地震、3·11的日本大地震等等的太多太多的地震，让我们失去太多太多的东西，因此我们不得不去思考怎样才能让我们在不可避免的自然灾害面前所遭受的痛苦和损失减到最少。

1.1.4研究抗震性能的意义

就是希望能在设计的时候就能进行抗震的考虑，从而采取一定的措施使建筑物能承受更高的地震力，以致减少房屋的倒塌，减少生命的伤亡。

2汶川地震中的各种结构破坏程度

2.1砌体-木结构

由于木材可以就地取材，砌体使用较少，这种结构的造价非常低，在村镇多采用这种结构作为简易厂房、仓库等。但是这种结构的砌体墙和砌体柱强度不高，且大多年代较长，在地震中容易发生屋面破坏和局部倒塌，（如图l）

图1 砌体-木结构的破坏

2.2砖混结构

地震区村镇的住宅，教学楼，城市的一些旧的居民楼、办公接、小型厂房多采用砖混结构。这类结构在地震区数量最多，震害也比较严重，倒塌的结构具有以下典型特点：结构抗震体系单薄，未设置构造柱，也有未设置圈粱，预制楼板未拉结。（如图2）为砌体结构震害情况。

2.3框架结构

本次地震中，大多数框架结构的主体结构震害一般较轻，主要破坏发生在围护结构和填充墙，尤其是圆形填充墙的破坏较重(如图3) 。个别因施工质量很差、结构布置过于复杂的框架结构也发生严重破坏，甚至倒塌。

图3 框架结构的破坏

2.4框架-剪力墙结构

本次地震中，框架一剪力墙(核心筒)结构．由于具有较大的抗震刚度和承载力，

显示出了优越的抗震性能，尤其是与同一地区的框架结构相比，框架一剪力墙(核心筒)结构的非结构构件的损坏要轻很多。（如图4），在地震中仅少数围护结构产生细微裂缝。

图4 框架-剪力墙结构的破坏

2.5钢结构

由于自重较轻和强度较大，钢结构抵御地震的能力比较强，震害比较轻，在本次地震中主要发生在维护结构。（图5）为绵阳九洲体育馆，其主体结构和支座均无明显损伤，仅在围护结构和钢结构的结合处有轻微碰撞破坏。

由以上的在汶川地震中各种结构所表现出的破坏程度可知各种不同结构形式的抗震性能按以下顺序依次增强：砌体-木结构——砖混结构——框架结构——框架一剪力墙结构—钢结构。

图5 完好的门式刚架（龙门山镇，建筑物破坏严重区域）

3对几种结构的抗震性能进行简单的分析

3.1 砌体建筑的抗震性能分析

震惊世界的汶川大地震，给我国造成了巨大的损失，其中遇难6.9万人，受伤37.4万人，失踪1.8万人，房屋间毁坏21多万间。在这毁坏的21多万间房屋中，砌体结构占相当大的比例，且其破坏形态令人堪忧。

砌体结构的主要材料是粘土砖，砂浆。主要承重结构是粘土砖和砂浆砌筑的墙、柱。它是通过砌块和砂浆的相互作用及纵横墙的拉结而使建筑物达到一定的整体性和承重能力。虽然砌体有抗拉、弯、剪的强度较其抗压强度低，导致建筑变形能力小，抗震性能差等缺点，但是通过科学合理的设计是可以达到抗震要求。然而汶川地震地震中的砌体建筑缺毁坏的如此严重，这点我们不得不引起我们的反思。

3.2钢筋混凝土的抗震性能分析

钢筋混凝土框架结构是工业和民用建筑中最常用的结构形式之一。框架结构主要由梁、柱两种构件组成，构造简单、受力明确，它的优点是建筑平面布置灵活，可以通过调整柱距而满足各种建筑功能的需要，因此在建筑结构中得到广泛应用。但它有一个明显的缺点就是其侧向刚度差，抵抗水平荷载的能力较低，在地震作用下容易产生很大的残余变形，框架抗侧移刚度主要取决于梁柱的截面尺寸，通常梁柱截面惯性矩小，侧向变形较大故而限制了框架结构的使用高度因此框架结构只适用于中、低层的建筑物。

3.2.1 钢筋混凝土框架结构的抗震要求

我国现行的《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）采用“三水准，两阶段”的设计方法来实现抗震设防目标。为了实现这一设防目标，在总结历次震害经验和试验结果研究的基础上，《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）规定了框架结构在抗震设计中必须遵循“强柱弱梁，强剪弱弯，强节点弱构件”三条基本原则，并以此为依

据对框架结构进行内力调整使其在地震中实现更为合理的破坏机制来减小地震带来的危害。其中“强柱弱梁”是指节点处柱端实际受弯承载能力大于梁端实际受弯承载能力，使结构在地震中梁端先于柱端出现塑性铰，利用变形能力相对更大的梁的破坏来吸收和消耗地震能量，实现梁铰的整体破坏机制。钢筋混凝土框架在地震中的典型屈服破坏机制有：柱铰破坏机制、梁铰破坏机制、混合破坏机制。比较这三种主要破坏机制可以得到：梁铰破坏机制以为只在梁端和柱脚部位形成塑性铰，是一种更为合理的整体破坏机制。为了实现这一合理的破坏机制，我国现行的抗震规范中通过引进柱端弯矩增大系数人为地提高柱端相对于梁的抗弯能力，使框架柱在强震下不出现塑性铰，或推迟出现塑性铰，达到“强柱弱梁”的效果。

3.2.2钢筋混凝土框架结构的抗震能力

钢筋混凝土框架结构为了达到抗震设防目标一般都要求设计成延性框架，因为在框架结构中水平荷载主要由框架柱来承担，而框架柱由于截面尺寸较小，使得其抗侧移能力较差，结构变形呈典型的剪切型。为了达到较好的抗震性能，框架结构设计时就必须具有良好的延性，即要设计成延性框架，结构的延性越耗散地震能量的能力就越强，从而实现抗震设防的目标。应该指出上述抗震理论是建立在传统强度较低、延性较好的材料基础上的，这些理论经过多年的研究分析已经相当成熟。但是传统钢筋混凝土因为材料强度较低，结构在强震中的损坏是无法避免的。因此对于普通材料建造钢筋混凝土框架结构，即使按照“强柱弱梁”的原则设计成梁端先出现塑性铰的整体破坏机制，柱底塑性铰的出现仍然是不可避免的，而柱底塑性铰的出现将影响塑性破坏机制的发展使结构形成复杂的混合铰破坏机制。另外，对于钢筋混凝土结构，钢筋的屈服强度是决定结构构件承载力的主要因素。对于普通钢筋，因屈服强度较低，构件的抗弯承载力也较低，相应的弯曲屈服变形也较小，同时由于地震作用的随机性和结构进人弹塑性阶段结构动力特性变化的不确定性，在较大侧移情况下，其他楼层框架柱上端出现塑性铰的可能性依然存在，仍有可能导致形成楼层破坏机构而产生倒塌的危险。

3.2.3 改善钢筋混凝土框架结构破坏机制方法

随着社会的发展，科学技术的进步，许多新材料在各个行业大量涌现并越来越多

地得到了广泛的应用，同样在工程结构中也出现了大量高强、高性能的新型建筑材料，钢筋和混凝土也出现了与以前相比强度高出很多的新型品种。现阶段高强材料已经广泛涌现并且价格也达到了工程建设可以接受的范围，为了改善和提高结构的抗震能力可以在结构某些部位合理地引进适当的高强钢筋，利用高强材料强度高、弹性范围大的优点弥补普通框架结构在地震破坏中的不足。就钢筋混凝土框架而言，为了提高其在地震中的存活能力，可以在框架柱中引进高强钢筋来提高框架柱的抗弯承载力和相应的弯曲屈服变形能力，从而增大框架柱和框架梁之间屈服变形差，变相地达到“强柱弱梁”的目的，从而实现合理的梁铰破坏机制，避免倒塌破坏机制的出现。

3.3型钢混凝土组合结构的抗震性能分析

型钢混凝土与混凝土组合结构(简称SRC—RC结构)是在关键部位对RC结构进行了加强，因此与RC结构相比，同样具有强度大，刚性大，延性好，抗震能力强，防火、防腐性能好的特点，它又汇集了钢结构高强度、小截面、施工方便的优点。钢结构造价较高，结构主体部分完全采用SRC结构也是不现实的。SRC—RC混合结构以较低的造价实现了优越的结构性能，被认为是一种符合我国国情的较好的建筑结构形式。SAP2000是通用的结构分析软件，在合理的材料关系、荷载组合和单元模型下可模拟结构内力变化和破坏的过程。文中将模拟SRC结构、RC结构和SRC+RC结构在相同地震作用下的地震反应，分析型钢混凝土组合结构的抗震性能。

从总体上看，SRC+RC柱结构具有较好的抗震性能，其性能介于SRC柱结构和RC柱结构之间，关键在于如何合理组织组合结构中SRC构件和RC构件的配比，使得组合结构的性能达到最优化。SRC+RC柱结构形式，可以使RC柱截面大幅减小，同时还能提高柱刚度，既可以满足经济性的要求，还能达到良好的抗震效果，是一种可以推而广之的组合结构形式。

从以上三种结构的抗震性能分析中可得，型钢混凝土组合结构的抗震性能最好，其次是钢筋混凝土，砌体结构的抗震性能最差。下面将重点介绍钢结构的抗震性能。

3．4钢结构的抗震性能分析

3.4.1钢结构的特点

a.钢材与其他材料相比有如下特点 ①建筑钢材强度高，塑性，韧性好

②强度高，适用于建造跨度大，高度高、承载重的结构。塑性好，结构在一般条件下不会因超载而突然断裂，只增大变形，故易于被发现。韧性好，适宜在动力荷载作用下工作，因此在地震多发区采用钢结构较为有利。

③钢结构质量轻

④材质均匀，其实际受力情况和力学计算的假定比较符合 ⑤钢结构制作简便，施工工期短 ⑥钢结构密闭性好 b.钢结构的特点

不同的结构形式，抗震性能明显不同。混凝士结构的房屋受压较好，但不抵抗拉力，两种力的差距达到10倍。当地震来临时，房屋在地震波循环荷载情况下，极易发生整体垮塌。钢材基本上属各向同性材料，抗拉、抗压、抗剪强度均很高，而且具有良好的延展性，特别是钢结构凭着自己特有的高延展性减轻了地震反应。钢结构还可以看作比较理想的弹塑性结构，可以通过结构的塑性变形吸收和消耗地震输入能量，从而具有较高的抵抗强烈地震的能力。钢结构相对于其他结构自重轻，这也大大减轻了地震作用的影响。钢结构除了抗震性能高，施工周期短、工业化程度高、环保性能好的特点也显著优于混凝土结构。

3.4.2钢结构在震害中的破坏形式 ①结构倒塌。钢材发生平面外弯曲失稳造成。

②支撑构件破坏。支撑构件为结构提供较大的侧向刚度，当地震强度较大时，承受的轴向力增加，如果支撑的长度、局部加劲板构造与主体结构的连接构造等出现问题。就会出现破坏和失稳。

③节点破坏。铆、拴、焊节点传力集中，构造复杂，施工难度大，容易造成应力

集中，强度不均匀现象，再加上可能的焊缝缺陷、构造缺陷，就更容易出现连接破坏。梁柱节点可能破坏现象有加劲板断裂、扭曲，腹板断裂、扭曲，焊接部位拉脱，铆接断裂以及螺栓连接的破坏等等。

④基础锚固破坏。主要有螺栓拉短、混凝土锚固失效、连接板断裂。主要是涉及构造、材料质量、施工质量等问题造成。

⑤构件破坏。框架梁等的破坏形式主要有腹板开裂、腹板屈曲和翼缘板屈曲、扭转屈曲。框架柱的破坏主要由柱了受拉断裂，翼缘屈曲，翼缘撕裂失稳。构件拉断的原因估计是地震造成的倾覆拉力较大，动应变速率较高，材料变脆等。

3.4.3钢结构的抗震设计

①钢结构预制构件拼接建筑结构。从汶川抗震救灾中广泛使用的活动板房，归纳总结指出。在钢结构预制构件拼接建筑结构中，预制钢构件的连接增加了结构的超静定次数，从而增加了塑性铰的形成数量。构成多道抗震防线，不仅提高了结构的抗震可靠度，更延长了结构进入倒塌的过程。即使是纯框架结构(类似于汶川校舍建筑)之类的楼房，也能大大提高其抗震能力。且这种结构具有施丁方便，工期短，自重轻，结构面积小，节能，维修方便等优点，可以作为抗震结构设计类型。支撑布置方式。由高度限制，用于高层钢结构建筑的框架体系常设置支撑。同时，为控制楼层的顶点位移及层间位移，可设置水平加强层。增加支撑体系和水平加强层是提高结构整体刚度．减少梁、柱用钢量有效方法之一，具有较好的经济效果。不同的支撑布置形式对其地震响应有不同的影响。

②轻型门式刚架设计。实腹式轻型门式刚架结构按截面形式主要有两种类型：等截面门式刚架和变截面门式刚架。门式刚架结构的主体结构一般由等截面或变截而的焊接(或轧制)H型钢门架构成，柱脚常设计为铰接或刚接，维护结构通常采用压型钢板作为轻型外墙和屋面。变截面的焊接H型钢门式刚架通常将构件腹板制成楔形，只改变腹板宽度，不改变腹板厚度、翼缘的宽度和厚度[3]。依据刚架的弯矩分布特点，门式刚架柱一般由一个楔形构件组成。而梁则由几个楔形构件组成。轻型门式刚架结构体系具有施工速度快、安装方便、造型轻盈美观、造价低廉等诸多优点，近年来已经成为单、多层工业厂房、仓储库房和大跨轻钢结构的主要形式之一。

④巨型梁设置。巨型梁的设置对整个巨型钢结构的抗震性能影响很大，是巨型钢

一步提高楼梯间构件的安伞度。如前所述．楼梯间本应是重要的逃生通道，但此次震害中，楼梯问倒塌破坏情况较多，需要引起我们进一步的重视。

4.2.4提高结构的延性

延性对抗震来说是极为重要的一个性质。结构的性可定义为结构在承载力无明显降低的前提下发生非弹性变形的能力。结构的延性反映了结构的变形能力，是防止建筑物在地震作用下倒塌的关键因素之一。对于梁柱等构件，延性的影响因素最终可归纳为最根本的两点：（1）混凝土极限压应变；（2）破坏时的受压区高度。影响延性的其他因素实质都是这两个根本因素的延伸。在结构抗震设计中为了保证结构的延性，经常采用以下的措施：控制受拉钢筋的配筋率．保证一定数量的受压钢筋，通过加密箍筋保证纵筋不致局部压屈失稳，约束受压混凝土，以及对柱子限制轴压比等。

强度和刚度匀称。多层建筑应该使其各层之间强度和刚度匀称，如存在薄弱搂层．则该处就会成为地震力作用下的变形集中部位，从而使建筑物首先从该部位发生严重破坏，甚至整个建筑的破坏。

4.2.5 保证非结构构件的安全以确保结构的整体性

结构超静定次数多。静定结构的杆件受力系统和传力路线单一．一根杆件的破坏，就使整个结构体系因此而失效。超静定结构在超过其荷载能力时，先使多余杆件发生塑性变形．消耗吸收一部分能量，而保证整个结构的稳定性，减少地震破坏。超静定结构次数多，则消耗地震能量也就愈多，建筑抗震能量越强。形体突变部位加强。当建筑形体有突变部位时，应采取加强措施。

结构是由许多构件连接组合而成的一个整体，并通过各个构件的协调工作来有效地抵抗地震作用。所以建筑结构应有使结构在地震作用时能够保持整体的结构连续性，有满足传递地震力时的强度要求，有适应地震大变形的延性要求，有保证构件之间的可靠连接，有使结构沿纵、横2个方向足够的整体竖向刚度，并使房屋基础具有较强的整体性，以抵抗地震时可能发生的地基不均匀沉降及地面裂隙穿过房屋时所造成的危害。结构在地震作用下丧失了整体性。则结构各构件的抗震能力不能充分发挥，这样容易使结构成为机动体而倒塌。因此，结构的整体性是保证结构各个部分在地震作用下协调工作的重要条件，确保结构的整体性是抗震概念设计的重要内容。强构件

的相互连接。多个构件有可靠的连接才能保证各个构件的强度充分发挥，才能更好地传递地震力．使各个构件都能充分地吸收地震力。提高整个构件的延性。构件连接不破坏，整个结构才能保证其整体性，各构件之间的连接必须可靠。

4.2.6采用隔震消能技术

隔震消能的摹本思想是使基础和上部房屋结构分离，隔离地震能量向建筑物的输入。实现地震时地动而建筑物基本不动，达到保证建筑物安全的目的。地震时，地面运动能量经过基础输入到房屋结构，致使房屋结构发生振动、变形，甚至倒塌。目前常用的基础隔震方法是在建筑物和构筑物基础部位设置橡胶支座，利用橡胶支座水平柔性形成的柔性隔离层吸收或散耗地震能量，阻止或减小地震能量向建筑物和构筑物上部结构传递，使整个建筑物和构筑物自振周期延长。从而减小建筑物和构筑物上部结构对地震的反应。选择耗能构件。力求水平构件吸收较多的地震力，先于竖向构件破坏，从而满足建筑物震后坏而不倒的要求。进一步推广隔震技术，提高结构抗震性能国内外多次地震以及本次3·11日本大地震都证明，隔震技术能极大地提高结构抗震性能，是一项比较成熟的技术，而且所增加费用有限。

4.2.7 抗震概念设计的总结

抗震概念设计是指根据地震灾害和工程经验等所形成的总体设计准则，设计思想进行建筑和结构的总体布置，确定细部构造的设计过程，对从根本上消除建筑中的抗震薄弱环节，构造良好的结构抗震性能具有重要的决定作用；抗震计算和验算为抗震设计提供定量手段：抗震构造措施可以保证结构的整体性，加强局部薄弱环节以及保证抗震计算结果的有效性。抗震设计中的概念设计、计算设计、构造措施是不可分割的整体，忽视任何一部分，都可能导致抗震设计的失败。

4.3 抗震计算与构造措施

4.3.1抗震计算

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，应允许在建筑结构的2个主轴方向分别计算水平地震作用并进行抗震验算，各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担。

2)有斜交抗侧力构件的结构，当相交角度大于15。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、9度时的人跨度结构和长悬臂结构及9度时的高层建筑，应计算竖向地震作用。底部剪力法和振型分解反应谱法是结构抗震计算的基本方法，而时程分析法作为补充计算方法，仅对特别不规则、特别重要的和较高的高层建筑要求采用。

抗震计算方法的采用应符合：

（1）高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沼高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，可采用底部剪力法等简化方法。

（2）除第l条外的建筑结构，宜采用抗型分解反应谱法。

（3）特别不规则的建筑、甲类建筑和烈度、场地内限定高度范围的高层建筑应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。

4.3.2构造措施

混凝土结构，一般是通过钢筋砼构件截面高宽比限值，最小配筋率要求，承重柱轴压比来控制。砖混结构．常见构造措施有限定房屋总高度和层数层高；在纵、横墙中设置钢筋混凝土构造柱、网梁；房屋的高宽比、横墙阅距局部尺寸进行限值控制；设置防震缝等。修订后的抗震设计规范中增加了强制性条文．突出屋顶的楼、电梯问，构造柱应伸到顶部，并与顶部圈粱连接，内外墙交接处应沿墙高每隔500ram设2<6通长拉结钢筋。拉结填充墙参与整体结构受力，且对结构刚度有较大影响。在设计中应充分考虑。

5 总 结

我国是地震的多发性国家，地震区（基本烈度在6度及以上的地区）的面积占全部国土面积的60%以上。在目前无法准确预报、无法消除地震的情况下，抗震防灾工作是减灾地震灾害的根本措施。前车之鉴，值得反思，结构工程师应认真学习国家抗震法规，充分重视抗震设计，本着对人民生命财产安全高度负责的精神深入实际，扎实工作，为减少地震带来的灾害而继续努力。

参考文献

[1]《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）。 [2]《砌体结构设计规范》（GB50003-2001）。 [3]《混凝土结构设计规范》（GB50010-2002）。 [3]《建筑结构学报》（2008年1~6期）。

[4]《房屋结构毕业设计指南》中国建筑工业出版社，2004。

[5] 王翠坤，杨沈，汶川地震对建筑结构设计的启示。震灾防御技术，2008，3(3)。 [6] 方鄂华．高层建筑钢筋混凝土结构概念设计[M]．北京：机械工业出版社．2004。 [7] 张晓波，从汶川地震看钢结构预制构件拼接建筑结构的应用和发展[J]．住宅产业，2008(7)。

[8] 吴芸．不同连接形式的钢框架抗侧力性能研究．武汉：武汉理工大学学位论文，2003

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/aaxh.html