钢筋混凝土和砌体结构的抗震设计PDF电子书下载

1 导论：抗震设计概念 1

1.1 抗震设计和抗震性能：综述 1

1.1.1 抗震设计的极限状态 6

(a)使用极限状态 6

(b)破坏控制极限状态 6

(c)免坍极限状态 6

1.1.2 结构性能 7

(a)刚度 7

(b)强度 7

(c)延性 7

1.2 抗震结构体系的基本要求 8

1.2.1 抗震结构体系 9

(a)框架体系 9

(b)结构墙体系 9

(c)复合结构体系 9

1.2.2 地震反应 10

(a)竖向地震反应：建筑物看作一根垂直悬臂梁 10

(b)水平向地震反应：质量中心和刚度中心 10

1.2.3 建筑物形式对地震反应的影响 12

(a)楼层薄膜作用 12

(b)扭转效应的改善 13

(c)建筑物竖向布置 14

1.2.4 按设计的延性水准对结构分类 16

(a)弹性反应 16

(b)延性反应 17

1.3 设计参量定义 18

1.3.1 设计荷载和作用力 18

(a)恒荷载(D) 18

(b)活荷载(L) 18

(c)地震力(E) 19

(d)风力(W) 19

(e)其他作用力 19

1.3.2 荷载组合和力的效应 19

1.3.3 各种强度的定义及其相互关系 21

(a)要求强度(Su) 21

(b)理想强度(Si) 21

(c)可能强度(Sp) 21

(d)超强强度(So) 22

(e)各种强度的相互关系 22

(f)弯曲超强系数(ψ0) 22

(g)体系超强系数(ψ0) 23

1.3.4 强度降低系数 23

1.4 能力设计原理 24

1.4.1 主要特点 24

1.4.2 图示比拟 25

1.4.3 结构的能力设计 26

1.4.4 示例 27

2 地震的起因和作用 29

地震烈度→结构反应→地震作用 29

2.1 地震烈度 29

2.1.1 引言：成因和作用 29

2.1.2 地震波 31

2.1.3 地震等级和地震烈度 32

(a)地震等级 32

(b)地震烈度 33

2.1.4 地震加速度特性 33

(a)地震加速度 33

(b)垂直加速度 34

(c)场地土刚度的影响 34

(d)方向效应 34

(a)地理位置的放大作用 35

2.1.5 衰减关系 36

2.2 地震设计值的选取 37

2.2.1 地震烈度与地面加速度的关系 37

2.2.2 重复周期：地震出现的概率 38

2.2.3 地震危险率 40

2.2.4 影响设计烈度的因素 40

(a)设计极限状态 40

(b)经济方面考虑 41

2.3 结构的动力特性 42

2.3.1 水平地面加速度作用下的单自由度体系的反应特性 43

(a)刚度 43

(b)阻尼 43

(c)周期 44

2.3.2 弹性反应谱 44

2.3.3 单自由度体系的非线性反应特性 46

2.3.4 非线性反应谱 47

2.3.5 多层建筑的反应特性 49

2.4 设计作用力的确定 49

2.4.1 非线性动力时程分析 50

2.4.2 振型叠加法 50

2.4.3 等效侧向力的计算方法 51

(a)第一振型周期 52

(b)影响基底剪力的因素 53

(c)基底剪力沿建筑物高度的分配 55

(d)水平作用力分析 57

(e)顶部位移和层间位移的估计 57

(f)框架结构中的P-△效应 57

(g)扭转效应 58

3 构件设计原理 59

3.1 引言 59

3.2 材料 59

3.2.1 无约束混凝土 59

(a)无约事混凝土的应力-应变曲线 59

(b)无约束混凝土中压应力图块的设计参数 60

(c)混凝土的抗拉强度 61

3.2.2 约事混凝土 61

(a)横向钢筋的约束作用 61

(b)约束混凝土的受压应力-应变关系 62

(c)周期荷载对混凝土应力-应变关系的影响 63

(d)应变速率对混凝土应力-应变关系的影响 64

(e)约束混凝土压应力图块的设计参数 64

3.2.3 砌体 65

(a)复合材料的抗压强度 66

(b)无浆砌体 67

(c)灌浆混凝土砌体 68

(d)灌浆砖砌体 69

(e)弹性模量 69

(f)非约束及约束砌体的受压应力-应变关系 69

(g)砌体压应力图块的设计参数 70

3.2.4 钢筋 71

(a)单调加载性能 71

(b)非弹性周期性反应 72

(c)应变速率效应 72

(d)温度和应弯龄期效应 72

(e)超强系数(λ0) 72

3.3 构件截面分析 73

3.3.1 混凝土和砌体截面的抗弯强度公式 73

(a)假定 73

(b)梁截面抗弯强度 73

(c)柱和墙截面抗弯强度 74

3.2.2 抗剪强度 76

(a)斜向受拉和受压破坏的控制 76

(b)滑移剪力 79

(c)梁柱节点中的剪力 81

3.3.3 扭转 81

3.4 截面设计 81

3.4.1 强度折减系数 82

3.4.2 钢筋的限制 82

3.4.3 构件的尺寸比例 83

3.5 延性关系 83

3.5.1 应变延性 84

3.5.2 曲率延性 84

(a)屈服曲率 84

(b)最大曲率 85

(c)影响曲率延性的因素 85

3.5.3 位移延性 86

3.5.4 曲率延性与位移延性的关系 86

(a)屈服位移 87

(b)最大位移 87

(c)塑性铰长度 87

3.5.5 构件和系统的延性 88

(a)若干塑性铰形成的同时性 88

(b)运动关系 88

(c)屈服位移与塑性位移的产生 88

3.5.6 以试验验证延性能力 90

3.6 构造 90

3.6.1 柱子延性要求的构造措施 90

(a)约束用的横向钢筋 91

(b)柱中纵向钢筋的间距 91

3.6.2 粘结和锚固 92

(a)钢筋强度的发挥 92

(b)塔接连接 93

(c)对锚固的几点附加考虑 94

3.6.3 抗弯钢筋的切断 95

3.6.4 横向钢筋 96

4 钢筋混凝土延性框架 98

4.1 结构模式 98

4.1.1 一般假定 98

4.1.2 几何形状的抽象 99

4.1.3 刚度模式 100

4.2 分析方法 102

4.2.1 “精确”的弹性分析 102

4.2.2 非线性分析 102

4.2.3 修正的弹性分析 102

4.2.4 重力荷载下的近似弹性分析 103

4.2.5 水平荷载下的弹性分析 103

(a)平面分析 103

(b)框架间的水平力分配 104

(c)计算机分析 105

4.2.6 框架体系的规整 105

(a)竖向规整度 106

(b)水平规整度 106

4.3 梁上设计作用力的推导 106

4.3.1 设计作用力的重分布 106

4.3.2 弯矩重分布的目标 108

4.3.3 弯矩重分布的平衡条件 108

4.3.4 重分布准则 110

4.3.5 弯矩重分布实例 111

4.3.6 非线性柱中的弯矩重分布 112

4.3.7 确定梁设计弯矩的图解法 113

4.4 设计程序 114

4.4.1 能力设计步骤 114

(a)梁的弯曲设计 114

(b)梁的剪切设计 114

(c)柱的弯曲强度 115

(d)柱的横向钢筋 115

(e)梁-柱节点设计 115

4.4.2 楼盖设计 115

4.5 梁的设计 115

4.5.1 梁的弯曲强度 115

(a)弯曲强度设计 116

(b)有效受拉钢筋 117

(c)弯曲受拉钢筋的数量限制 118

(d)潜在塑性铰区域 119

(e)塑性铰区的弯曲超强 122

(f)梁的超强系数(ψ0) 123

(g)体系的超强系数(ψ0) 123

(h)超强系数的推演实例 123

4.5.2 受弯钢筋的锚固和切断 125

4.5.3 梁的剪切强度 126

(a)设计剪力的确定 126

(b)设计剪切强度的规定 127

4.5.4 构造要求 127

4.6 柱子设计 129

4.6.1 现有设计方法的局限 129

4.6.2 定量的能力设计方法 130

4.6.3 因梁上塑性铰区弯曲超强引起柱的弯矩增大 130

(a)二层以上柱 130

(b)底层柱 131

(c)顶层柱 132

(d)鞭梢效应控制的柱 132

4.6.4 柱弯矩的动力放大 132

(a)单向框架柱 133

(b)双向框架柱 134

(c)对柱基和顶层柱要求的弯曲强度 134

(d)动力反应的高振型影响 134

(e)鞭梢效应控制的柱 135

4.6.5 柱子设计弯矩 135

(a)节点处柱的设计弯矩 135

(b)临界柱截面 136

(c)设计弯矩的折减 136

4.6.6 设计轴向力的估算 137

4.6.7 柱子设计剪力 138

(a)典型柱的剪力 138

(b)底层柱的设计剪力 139

(c)双向框架柱的剪力 139

(d)顶层柱的剪力 139

4.6.8 确定柱子上各项设计作用力的步骤：小结 139

4.6.9 柱内竖向钢筋的选取 140

4.6.10 柱子钢筋的接头位置 142

4.6.11 横向钢筋设计 143

(a)概述 143

(b)横向钢筋的设置和形状 143

(c)抗剪作用 145

(d)受压纵筋的侧向支撑作用 145

(e)混凝土的约束作用 145

(f)纵筋搭接处的横向钢筋 146

4.7 框架失稳 147

4.7.1 P-Δ现象 147

4.7.2 现有通用方法 147

4.7.3 稳定指数 147

4.7.4 P-Δ效应对非线性动力反应的影响 148

(a)能量耗损 149

(b)弹性框架的刚度 149

(c)最大层间位移 149

(d)延性要求 150

4.7.5 强度调整 150

(a)以能量吸收补偿强度 150

(b)层间位移估算 150

(c)必需的层间弯矩能力 151

4.7.6 总结和设计建议 151

4.8 梁柱节点 153

4.8.1 通用设计准则 153

4.8.2 性能标准 154

4.8.3 节点受力特性 154

(a)平衡准则 154

(b)剪切强度 156

(c)粘结强度 156

4.8.4 框架中应用的节点类型 157

(a)受邻接构件形状影响的节点 157

(b)弹性和非弹性节点 157

4.8.5 内节点的剪切机理 158

(a)节点上的内力分布及作用点 158

(b)节点剪力的演算 159

(c)混凝土对节点剪切强度的作用 160

(d)节点剪切钢筋对节点剪切强度的作用 160

4.8.6 钢筋锚固对加强节点强度的作用 161

(a)影响粘结强度的因素 161

(b)平均粘结强度要求 163

(c)内节点中粘结力的分布 166

(d)柱子钢筋的锚固要求 167

4.8.7 节点的抗剪要求 167

(a)斜撑机理作用(Vch和Vcv) 168

(b)桁架机理作用(Vsh和Vsv) 170

(c)节点剪应力的节点尺寸 171

(d)节点剪力限制 172

(e)弹性节点 173

4.8.8 双向框架节点 173

4.8.9 内节点的几种特殊情况 175

(a)楼板的作用 175

(b)非党规尺寸的节点 176

(c)偏心节点 178

(d)非弹性柱的节点 178

4.8.10 可供选择的内节点构造 179

(a)梁纵筋用焊接锚板锚固 179

(b)斜向节点剪切钢筋 179

(c)水平加腋节点 179

4.8.11 外节点的受力机理 180

(a)外节点上的作用力 180

(b)节点剪切机理作用 181

(c)节点剪切钢筋 181

(d)外节点锚固 182

(e)弹性外节点 184

4.8.12 设计步骤：小结 185

4.9 重力荷载控制的框架 186

4.9.1 超过需要的潜在抗震强度 186

4.9.2 层间侧移机构的潜在强度估算 187

4.9.3 减小侧向抗力的考虑 189

(a)侧向抗力的最低标准 189

(b)梁铰变形机构 190

(c)柱子上布置塑性铰 191

(d)梁上塑性铰的最佳位置 192

4.9.4 剪切设计 192

4.10 地震作用控制的框筒结构 193

4.10.1 设计特点 193

4.10.2 配置斜向钢筋的托墙梁 193

4.10.3 特殊构造要求 194

4.10.4 观察到的梁的受力性能 195

4.11 八层框架的设计实例 196

4.11.1 项目的一般描述 196

4.11.2 材料性能 196

4.11.3 规定的荷载和设计作用力 197

(a)重力荷载 197

(b)地震作用 198

4.11.4 构件的刚度特征 198

(a)东西向框架构件 198

(b)南北向框架构件 199

4.11.5 重力荷载作用下框架分析 200

4.11.6 侧向力作用下的分析 205

(a)基底总剪力 205

(b)沿结构高度侧向力的分配 205

(c)扭转效应和不规则变化 205

(d)侧向力在全部柱子中的分配 207

(e)因侧向力引起的5--6--7--8框架内力 208

(f)因侧向力引起的1--2--C--3--4梁的内力 210

4.11.7 三层楼面梁的设计 210

(a)边跨梁 210

(b)内跨梁 212

4.11.8 柱子设计 217

(a)三层楼面外柱5 217

(b)三层楼面内柱6 219

(c)一层楼面内柱6 220

4.11.9 三层楼面梁-柱节点的设计 222

(a)柱6处的内节点 222

(b)柱5处的外节点 224

5 结构墙 225

5.1 引言 225

5.2 结构墙体系 226

5.2.1 结构墙布置技巧 226

5.2.2 截面形状 229

5.2.3 竖向变化 230

(a)不开洞悬臂墙 230

(b)开洞结构墙 231

5.3 分析程序 234

5.3.1 模式假定 234

(a)构件刚度 234

(b)几何模型 235

(c)墙截面分析 235

5.3.2 等效静态侧向力作用下的分析 237

(a)相互作用的悬臂墙 237

(b)联肢墙 238

(c)侧向力在墙肢间的重分配 240

5.4 墙构件的强度和延性设计 242

5.4.1 结构墙的破坏模式 242

5.4.2 弯曲强度 243

(a)弯曲强度设计 243

(b)纵向钢筋配筋率的限制 244

(c)弯曲钢筋的切断 245

(d)墙基处的弯曲超强 246

5.4.3 延性和失稳 247

(a)弯曲特性 247

(b)墙体之间的延性关系 248

(c)墙的稳定 248

(d)曲率延性的限制 251

(e)结构墙截面的混凝土约束 253

5.4.4 剪切控制 255

(a)剪力的确定 255

(b)斜拉和斜压的控制 257

(c)墙的滑移剪切 258

5.4.5 连梁强度 259

(a)破坏机理和性能 259

(b)梁的配筋设计 260

(c)墙之间板的联结作用 261

5.5 悬臂墙体系的能力设计 263

5.5.1 概述 263

5.5.2 悬臂墙体系的设计实例 264

(a)例题的一般描述 265

(b)设计步骤 266

5.6 延性联肢墙结构的能力设计 273

5.6.1 概述 273

5.6.2 联肢墙的设计实例 276

(a)设计要求和假定 276

(b)设计步骤 277

5.7 矮墙 295

5.7.1 矮墙的作用 295

5.7.2 弯曲特性和钢筋布置 295

5.7.3 抗剪机理 296

(a)斜拉破坏 296

(b)斜压破坏 296

(c)滑移剪切现象 296

5.7.4 滑移剪切控制 297

(a)延性要求 299

(b)墙内垂直钢筋的抗滑移剪切作用 299

(c)受压区的相对尺寸 299

(d)斜向钢筋的有效性 300

(e)复合作用 301

5.7.5 斜拉控制 301

5.7.6 带框的矮墙 302

5.7.7 开洞的矮墙 302

5.7.8 矮墙的设计实例 304

(a)承受大震作用的矮墙 304

(b)适用承受大震作用矮墙的其他可供选择的设计 306

(c)承受小震作用的矮墙 308

(d)开洞的矮墙 309

6 复合结构体系 313

6.1 引言 313

6.2 弹性复合结构体系的类型、模式和性能 314

6.2.1 共同受力的框架和悬壁墙 314

6.2.2 用梁联结的延性框架和墙 316

6.2.3 落在可变形基础上的带墙复合结构体系 317

6.2.4 允许侧向摇摆的墙和三维效应 318

6.2.5 局部高度墙体与框架的共同受力 319

6.3 复合结构体系的动力特性 321

6.4 复合结构体系的能力设计程序 324

6.5 确定模式和设计所需要的工程判断知识 329

6.5.1 抗侧力体系的不规整 330

6.5.2 扭转作用 330

6.5.3 楼板薄膜柔度 331

6.5.4 墙的剪切要求预测 331

6.5.5 墙对抗震所起的作用的变化 332

7 砌体结构 333

7.1 引言 333

7.2 砌体墙 335

7.2.1 抗震墙种类 335

(a)悬臂墙 335

(b)带窗间墙铰的联肢墙 336

(c)带托梁铰的联肢墙 336

(d)主抗侧力体系和次抗侧力体系的选取 337

(e)迎面承受荷载的墙 337

7.2.2 分析程序 337

7.2.3 弯曲设计 338

(a)出平面荷载和平面内荷载的相互作用 338

(b)出平面弯曲的截面分析 339

(c)出平面弯曲的设计 341

(d)平面内弯曲分析 342

(e)平面内弯曲的设计 344

(f)有约束的矩形砌体墙的设计 345

(g)带翼缘墙 346

7.2.4 延性的考虑 347

(a)矩形截面墙 347

(b)非矩形截面墙 351

7.2.5 剪切设计 352

(a)设计剪力 352

(b)不配剪切钢筋时砌体墙的剪切强度 353

(c)有关剪切强度的设计建议 353

(d)有效的剪切面积 354

(e)最大的总剪应力 355

7.2.6 粘结和锚固 356

7.2.7 墙体厚度的限制 357

7.2.8 钢筋的限制 357

(a)最小含钢率 357

(b)最大含钢率 358

(c)最大钢筋直径 358

(d)钢筋间距限制 358

(e)约束板 358

7.3 抗弯的砌体墙框架 359

7.3.1 能力设计方法 360

7.3.2 梁的弯曲 360

7.3.3 梁的剪切 361

7.3.4 柱子弯曲和剪切 361

7.3.5 节点设计 361

(a)钢筋尺寸的限制 361

(b)节点剪力 362

(c)最大的节点剪应力 363

7.3.6 延性 363

7.3.7 尺寸限制 364

7.3.8 砌体墙-梁试件的性能 364

7.4 砌体填充框架 365

7.4.1 砌体填充对框架抗震性能的影响 365

7.4.2 砌体填充框架的设计 367

(a)平面内刚度 367

(b)平面内强度 368

(c)延性 370

(d)出平面强度 371

7.5 小型砌体建筑物 372

7.5.1 开洞的多层墙 372

7.5.2 开洞墙的刚度 372

7.5.3 侧向力的设计取值 374

7.5.4 弯曲设计 374

(a)窗间墙 374

(b)托梁 375

7.5.5 剪切设计 375

7.5.6 延性 376

7.5.7 墙的底部和基础设计 376

7.5.8 延性的单层柱 377

7.6 细长的砌体悬臂墙的设计实例 378

7.6.1 承受弯矩和轴力的底部截面的设计 378

7.6.2 延性能力的校核 379

7.6.3 按fm=24MPa重新进行弯曲设计 379

7.6.4 重新校核延性能力 379

7.6.5 弯曲钢筋 379

7.6.6 墙体失稳 380

7.6.7 剪切强度设计 380

(a)设计剪力的确定 380

(b)剪应力 380

(c)剪切钢筋 380

7.7 开洞的三层砌体墙的设计实例 381

7.7.1 构件受力的确定 382

(a)窗间墙刚度 382

(b)构件的剪力和弯矩 383

7.7.2 底层窗间墙设计 383

(a)弯曲强度 383

(b)剪切强度 384

7.7.3 二层托梁的设计 386

(a)变曲强度 386

(b)剪切强度 387

7.7.4 墙的底部和基础设计 387

(a)荷载作用 387

(b)弯曲强度 388

(c)剪切强度 388

(d)基础板带的横向弯曲 388

7.7.5 砌体中的钢筋搭接 389

7.8 无筋砌体结构的估算 390

7.8.1 无筋砌体的强度设计 390

7.8.2 承受出平面方向振动的无筋砌体墙 391

(a)响应加速度 391

(b)破坏条件和等效弹性特性 393

(c)墙的荷载挠度关系 394

(d)无筋砌体建筑动力响应计算实例 395

7.8.3 承受平面内方向振动的无筋砌体墙 398

8 有限延性的钢筋混凝土建筑物 401

8.1 引言 401

8.2 设计策略 402

8.3 有限延性框架 403

8.3.1 梁的设计 403

(a)延性梁 403

(b)弹性梁 404

8.3.2 确保梁铰机构的柱的设计 404

(a)设计作用力的推算 404

(b)柱的构造要求 405

8.3.3 薄弱层机构的柱 406

8.3.4 节点设计 407

(a)内力的推算 407

(b)节点剪应力 408

(c)贯通内节点的纵筋直径的规定 408

(d)混凝土对节点抗剪的作用 408

(e)节点抗剪钢筋 409

(f)外节点 409

8.4 有限延性墙 409

8.4.1 弯曲控制的墙 409

(a)墙截面的失稳 410

(b)墙截面的约束 410

(c)墙几竖向钢筋压屈的预防 410

(d)墙内竖向钢筋的切断 410

(e)墙的抗剪 410

(f)连梁 411

8.4.2 受剪控制的墙 411

(a)进一步完善设计方法的考虑 411

(b)设计方法的应用 413

(c)损坏修补的考虑 414

8.5 有限延性的复合结构体系 415

9 基础结构 416

9.1 引言 416

9.2 基础受力分类 416

9.2.1 延性上部结构 416

9.2.2 弹性上部结构 417

(a)弹性基础体系 417

(b)延性基础体系 417

(c)允许侧向摇摆的结构体系 417

9.3 框架的基础结构 417

9.3.1 独立基础 417

9.3.2 联合基础 418

9.3.3 地下室 419

9.4 结构墙体系的基础 420

9.4.1 墙下弹性基础 420

9.4.2 墙下延性基础 420

9.4.3 摇摆墙体系 421

9.4.4 桩基础 422

(a)抗震机理 422

(b)桩承受侧向力的作用 423

(c)桩的构造 424

9.4.5 基础结构举例 426

9.4.6 土变形的影响 429

9.5 基础结构的设计实例 429

9.5.1 设计数据和指标 429

9.5.2 基础墙的荷载组合 431

9.5.3 基础墙的配筋 432

(a)基础底板 432

(b)抗弯钢筋 432

(c)抗剪钢筋 433

(d)受拉翼缘中的抗剪钢筋 433

(e)节点抗剪钢筋 434

9.5.4 构造 435

(a)锚固和截断 435

(b)墙角的构造 435

附录 436

附录A 承受侧向力框架的近似弹性分析 436

附录B 修正后的Mercalli震级 441

符号 443

参考文献 454

名词对照 467