高层建筑结构设计 广东工业大学建设学院 韦爱凤

第一章 绪论 1.1 地球的构造及地震的成因 1.2 地震的破坏作用 1.3 地震波、震级和烈度 1.4 抗震设计的基本要求 第一章 绪论 1.1 地球的构造及地震的成因 1.2 地震的破坏作用 1.3 地震波、震级和烈度 1.4 抗震设计的基本要求 1.5 隔震和消能减震设计的概念和设防目标 1.6 抗震结构的材料与施工

1.1 地球的构造及地震的成因 1 地球的构造 椭圆球体 平均半径 6400 km 第一层：地壳 厚 5～40 km 地震多发层 1.1 地球的构造及地震的成因 1 地球的构造 椭圆球体 平均半径 6400 km 第一层：地壳 厚 5～40 km 地震多发层 第二层：地幔 厚 2900 km 软流塑状态 温度2000℃（ 700 km 处） 第三层：地核 厚 3500 km 外核 厚 2100 km 可能液态 内核 厚 1400 km 可能固态

2 900 km 5-40 km

1.1 地球的构造及地震的成因 2 地震的成因 构造地震 地球内部岩层构造产生错动产生的 90％ 火山地震 火山喷发 坍塌地震 岩层坍塌 1.1 地球的构造及地震的成因 2 地震的成因 构造地震 地球内部岩层构造产生错动产生的 90％ 火山地震 火山喷发 坍塌地震 岩层坍塌 抽水注水引发的地震 爆破、山崩引发的地震

1.1 地球的构造及地震的成因 构造地震的成因 断层说 地球运动 地壳板块作用力 薄弱岩层褟皱和弯曲 地壳板块断裂破碎

构造地震的成因 板块构造说 六大板块（美洲、太平洋、澳洲、南极、欧亚、非洲）地球运动 板块边界挤压、拉伸、剪切 、插入 边界发生地震 六大板块（美洲、太平洋、澳洲、南极、欧亚、非洲）地球运动 板块边界挤压、拉伸、剪切 、插入 边界发生地震 世界两大地震活动带: 环太平洋地震带 欧亚地震带

1.2 地震的破坏作用 地表和道路的破坏 桥梁结构的破坏 地陷 地裂 （图1.4） 山崩 滑坡（图1.3） 地表隆起 喷砂冒水 地陷 地裂 （图1.4） 山崩 滑坡（图1.3） 地表隆起 喷砂冒水 桥梁结构的破坏 基础的破坏（图1.5） 桥墩的破坏（图1.6） 桥梁的滑落（图1.7） 桥梁支座的破坏（图1.8） （图1.9）

房屋结构的破坏 次生灾害 结构部件强度不足（图1.10） 丧失稳定性 结构节点强度不足（图1.11） 地基失效（图1.12） 结构部件强度不足（图1.10） 丧失稳定性 结构节点强度不足（图1.11） 地基失效（图1.12） 次生灾害 火灾（图1.13）水灾 毒气污染 山崩 泥石流 海啸

1.3 地震波、震级和烈度 1.3 .1地震波 地震时，地下积蓄的变形能量以波的形式释放、传播 体波 主要波 压缩波（P波、纵波、疏密波） 体波 主要波 压缩波（P波、纵波、疏密波） 剪切波（S波、横波、等容波） 面波 次生波 乐普波（L波） 瑞利波（R波）

体波 压缩波（P波、纵波、疏密波） 质点的振动方向与波的前进方向一致 在固体和液体中传播 周期短 振幅小 速度快

体波 剪切波（S波、横波、等容波） 质点的振动方向与波的前进方向垂直 在固体中传播 周期较长 振幅大 速度慢

面波 次生波 乐普波（L波） 使地面产生水平的摆动，质点的振动方向与波的前进方向垂直 瑞利波（R波） 使地面产生水平摆动和上下颠簸振动

面波的振动形式

地震波曲线

利用P波与S波到达测量仪位置的时间差T可求得震源距A V称为虚波波速 一般情况取8km/s

1.3.2地震震级 地震震级－表示地震本身强弱程度和大小的尺度 里氏震级 M=lgA 当震中距不是100km时，需修正： A－离震中100km处由Wood-Anderson式标准地震仪（摆的自振周期为0.8s，阻尼系数0.8，放大倍数为2800）所记录到的最大水平位移(10-3mm) 当震中距不是100km时，需修正： M=lgA-lgA0 A0－被选为标准的某一特定地震的最大振幅

地震震级M与地震释放能量E(单位：erg)的关系 lgE=1.5M+11.8 6级地震释放能量＝2万吨级的原子弹 地震震级M增加一级，释放能量E增加32倍 震源深度小于60km ：浅源地震 震源深度 60～300km ：中源地震 震源深度大于300km ：深源地震

图1.16 地震术语示意图

1.3.3 烈度 地震烈度－某个地区、地面及房屋建筑结构遭受一次地震影响的强烈程度 与震中距的远近、地质情况、建筑物状况有关 1.3.3 烈度 地震烈度－某个地区、地面及房屋建筑结构遭受一次地震影响的强烈程度 与震中距的远近、地质情况、建筑物状况有关 按房屋建筑震害指数 地表破坏程度 地面运动加速度 地震烈度分12度（表1.2） 地震烈度I与震级、震中距R的关系 I=0.92+1.63M-3.49lgR

2. 基本烈度－某地区在今后一定时间内，在一般场地条件下可能遭受到的最大地震烈度（统计意义） 我国取50年内超越概率为10％的烈度

3.抗震设防烈度－按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度 一般情况下取基本烈度 还需根据建筑物所在城市的大小、建筑物的类别、高度、当地的抗震设防小区规划进行确定

广州地区： 抗震设防烈度：7度 设计基本地震加速度值 ：0.10g 设计地震分组：第一组

1.4 抗震设计的基本要求 1.4.1 建筑抗震设防分类和设防标准 建筑应根据其使用功能的重要性分为甲类、乙类、丙类、丁类四个抗震设防类别 甲类建筑 应属于重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑 乙类建筑 应属于地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑 丙类建筑 应属于除甲、乙、丁类以外的一般建筑 丁类建筑 应属于抗震次要建筑。

各震设防类别建抗筑的抗震设防标准 1 甲类建筑 地震作用 （水平 竖向） 抗震措施（内力调整 抗震构造措施） 1 甲类建筑 地震作用 （水平 竖向） 应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定 抗震措施（内力调整 抗震构造措施） 当抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求 当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。

各震设防类别建抗筑的抗震设防标准 2 乙类建筑 地震作用 抗震措施 2 乙类建筑 地震作用 应符合本地区抗震设防烈度的要求 抗震措施 一般情况下，当抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求 当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求；地基基础的抗震措施，应符合有关规定。 对较小的乙类建筑，当其结构改用抗震性能较好的结构类型时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震措施

各震设防类别建抗筑的抗震设防标准 3 丙类建筑 地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度的要求 4 丁类建筑 3 丙类建筑 地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度的要求 4 丁类建筑 地震作用 应符合本地区抗震设防烈度的要求 抗震措施 应允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低，但抗震设防烈度为6度时不应降低

1.4.2 抗震设防的基本思想 地震烈度的概率分布

三水准抗震设防目标 “小震不坏，中震可修，大震不倒” 当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用 当遭受相当于本地区抗震设防烈度（基本烈度）的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用 当遭受高于本地区抗震设防烈度的预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏

二阶段设计 第一阶段设计是 ： 承载力验算 按小震计算结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应，采用分项系数设计表达式进行结构的截面承载力验算 既满足了在第一水准下的承载力可靠度，又满足了第二水准的损坏可修的目标 对大多数结构，可只进行第一阶段设计，而通过概念设计和抗震构造措施来满足第三水准的设计要求

二阶段设计 第二阶段设计是： 弹塑性变形验算 对有特殊要求的建筑、地震时易倒塌的结构、有明显薄弱层的不规则结构 第二阶段设计是： 弹塑性变形验算 对有特殊要求的建筑、地震时易倒塌的结构、有明显薄弱层的不规则结构 还要进行薄弱层的弹塑性层间变形验算，并采取相应的抗震构造措施来满足第三水准的设计要求

1.4.3 地震影响 建筑所在地区遭受的地震影响，采用相应于抗震设防烈度的设计基本地震加速度和设计特征周期来表征 1.4.3 地震影响 建筑所在地区遭受的地震影响，采用相应于抗震设防烈度的设计基本地震加速度和设计特征周期来表征 建筑的设计特征周期应根据其所在地的设计地震分组和场地类别确定。 抗震设防烈度 6 7 8 9 设计基本地震加速度值 0.05g 0.10(0.15)g 0.20(0.30)g 0.40g 注： g为重力加速度。  

1.4.4 结构抗震概念设计 概念设计——根据地震灾害和工作经验等形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程 1.4.4 结构抗震概念设计 概念设计——根据地震灾害和工作经验等形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程 结构抗震设计＝概念设计＋抗震计算

“概念设计”比“抗震计算”起更为决定性的作用： （1）地震及地面运动的不确定性，作为“抗震计算”依据的“设防烈度”、“设计基本地震加速度”的划分，还难以十分确切 （2）地震时地面运动的复杂性及对结构的复杂影响尚未被掌握 （3）结构抗震计算理论目前尚未能充分反映地震时结构的反应及破坏的复杂过程

1.4.5 抗震概念设计的基本原则 （1）结构体系 应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径 1.4.5 抗震概念设计的基本原则 （1）结构体系 应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径 （2）应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力 （3）应具备必要的抗震承载力（如抗剪、弯、压、扭能力），良好的变形能力（如延性）和消耗地震能量的能力（具有良好的延性和阻尼） （4） 对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力

1.4.5 抗震概念设计的基本原则 （5） 宜有多道抗震防线 （6）结构在两个主轴方向的动力特性（周期）宜相近 1.4.5 抗震概念设计的基本原则 （5） 宜有多道抗震防线 （6）结构在两个主轴方向的动力特性（周期）宜相近 （7）结构构件的抗震设计应考虑： 做到“强剪弱弯” 避免混凝土的压溃先于钢筋的屈服 做到“强节点强锚固” 做到“强柱弱梁” 避免构件的失稳破坏先于构件的强度破坏

1.4.5 抗震概念设计的基本原则 （8）建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性； 建筑的立面和竖向剖面宜规则 1.4.5 抗震概念设计的基本原则 （8）建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性； 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

表1.2 平面不规则的类型 不规则类型 定 义 .扭转不规则 表1.2 平面不规则的类型 不规则类型 定 义 .扭转不规则 楼层的最大弹性水平位移或(层间位移)，大于该楼层两端弹性水平位移(或层间位移)平均值的1.2倍 凹凸不规则 结构平面凹进的一侧尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30% .楼板局部不连续 楼板的尺寸和平面刚度急剧变化，例如，有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%，或开洞面积大于该层楼面面积的30%，或较大的楼层错层

建筑结构平面扭转不规则示例（返回）

建筑结构平面凹凸不规则示例（返回）

建筑结构平面楼板局部不连续示例（返回）

平面不规则的处理途径 1 . 平面不规则而竖向规则的建筑结构，应采用空间结构计算模型，并应符合下列要求： 扭转不规则时，应计及扭转影响 楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的1.5 倍；

平面不规则的处理途径 凹凸不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型， 当楼板有错层且错层高度差超过梁高时，应按楼板开洞考虑 2.适当设置防震缝，不规则 规则 3.采用结构隔震方案 减小上部结构的地震反应

表1.6 竖向不规则的类型 不规则类型 定 义 侧向刚度不规则 表1.6 竖向不规则的类型 不规则类型 定 义 侧向刚度不规则 该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25％ 竖向抗侧力构件不连续 竖向抗侧力构件(柱、抗震墙、抗震支撑)的内力由水平转换构件(梁、桁架等)向下传递 楼层承载力突变 抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%。

沿竖向侧向刚度不规则（返回）

沿竖向的抗侧力构件不连续（返回）

竖向不规则的处理途径 1 应采用空间结构计算模型，其薄弱层的地震剪力应乘以1.15的增大系数，并应符合下列要求： 1) 竖向抗侧力构件不连续时，该构件传递给水平转换构件的地震内力应乘以1.25～1.5的增大系数； 2) 楼层承载力突变时，薄弱层抗侧力结构的受剪承载力不应小于相邻上一楼层的 65%。

竖向不规则的处理途径 2 在薄弱层或抗侧力构件不连续处，增设抗侧力消能构件（消能支撑、消能剪力墙） 3 把薄弱层转变为隔震层 提高水平刚度 抗剪承载力 增大结构阻尼 3 把薄弱层转变为隔震层

1.4.5 抗震概念设计的基本原则 （9）选择有利于地震的建筑场地，避开危险和不利地段 坚硬的场地土 1.4.5 抗震概念设计的基本原则 （9）选择有利于地震的建筑场地，避开危险和不利地段 坚硬的场地土 （10） 同—结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上； 同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基；

1.4.5 抗震概念设计的基本原则 （11）其他方面 A) 预应力混凝土的抗侧力构件，应配有足够的非预应力钢筋；预应力混凝土构件的预应力钢筋，宜在节点核心区以外锚固 B）砌体结构应按规定设置钢筋混凝土圈梁和构造柱、芯柱，或采用配筋砌体等 C）钢结构构件应合理控制尺寸，避免局部失稳或整个构件失稳 D) 预应力混凝土构件的预应力钢筋，宜在节点核心区以外锚固

1.5隔震和消能减震设计的概念和设防目标 某些建筑物需要更高的设防水准： （1）使用功能有特殊要求的建筑 城市生命线工程 昂贵设备 （2）在地震中不容许损坏的建筑结构物 文物建筑 重要建筑 （3）经济较为发达地区的建筑物

提高结构抗震安全性的措施 （1）采用结构隔震体系 （2）采用消能减震或其他结构控制体系 （3）采用钢结构或其他高强、轻质、高延性的结构材料 （4）采用其他有利于抗震的新结构体系

图1.25 消能支撑结构

隔震与消能减震设计 应主要应用于： 使用功能有特殊要求的建筑 抗震设防烈度为8、9度的建筑

1.6 抗震结构的材料与施工 对材料的要求： 强度（适度） 延性（大） 1 混凝土结构材料： 对材料的要求： 强度（适度） 延性（大） 1 混凝土结构材料： 1) 混凝土的强度等级，框支梁、框支柱及抗震等级为一级的框架梁、柱、节点核芯区，不应低于C30； 构造柱、芯柱、圈梁及其它各类构件不应低于C20； 2)抗震等级为一、二级的框架结构，其纵向受力钢筋采用普通钢筋时，钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25；且钢筋的屈服强度实测值与强度标准值的比值不应大于1.3。

1.6 抗震结构的材料与施工 2 砌体结构材料： 1)烧结普通粘土砖和烧结多孔粘土砖的强度等级不应低于MU10，其砌筑砂浆强度等级不应低于M5； 2)混凝土小型空心砌块的强度等级不应低于MU7.5，其砌筑砂浆强度等级不应低于M7.5。

1 普通钢筋宜优先采用延性、韧性和可焊性较好的钢筋； 结构材料性能指标，尚宜符合下列要求： 1 普通钢筋宜优先采用延性、韧性和可焊性较好的钢筋； 纵向受力钢筋宜选用HRB400级和HRB335级热轧钢筋， 箍筋宜选用HRB335、HRB400和HPB235级热轧钢筋。 2 混凝土结构的混凝土强度等级，9度时不宜超过C60，8度时不宜超过C70。

3 钢结构的钢材 碳素结构钢 宜采用Q235等级B、C、D 低合金高强度结构钢 宜采用Q345等级B、C、D、E 钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.2； 钢材应有明显的屈服台阶，且伸长率应大于20%； 钢材应有良好的可焊性和合格的冲击韧性。

3.9.4 在施工中，当需要以强度等级较高的钢筋替代原设计中的纵向受力钢筋时，应按照钢筋受拉承载力设计值相等的原则换算，并应满足正常使用极限状态和抗震构造措施的要求。 3.9.6 钢筋混凝土构造柱、芯柱和底部框架-抗震墙砖房中砖抗震墙的施工，应先砌墙后浇构造柱、芯柱和框架梁柱。

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