建筑结构 第十五章 抗震设计基本知识

第十五章地震作用和结构的抗震验算第一节地震基本知识第二节抗震设计的基本要求第三节地震作用的计算第四节结构的自振周期第五节结构的抗震验算第五编建筑抗震设计基本知识第一节地震基本知识一、地震的类型及成因二、常用术语一、地震的类型及成因地震是由于地壳构造运动（岩层构造状态的变动）或其它原因而引起的地面振动的现象。地震按其成因可分为：火山地震，陷落地震和构造地震。(1)火山地震——由于火山爆发而引起的地震；(2)陷落地震——由于地表或地下岩层突然大规模陷落和崩塌而造成的地震；(3)构造地震——由于地壳运动，推挤地壳岩层使其薄弱部位发生断裂错动而引起的地震。（c）岩层的断裂状态（b）岩层的挤压状态（a）岩层的原始状态前二种地震的影响范围和破坏程度相对较小，而后一种地震的破坏力大。岩层断裂时以波动方式将岩层中积聚的变形能向四周传播，即形成地震波。实际地震波是各种振动波的复合体。1.波的形式(1)岩层内部传播的地震波为体波，分为纵波、横波。波的传播方向与质点的振动方向相同的是纵波，其周期较短，振幅也较小，可在固体和液体中传播，如弹簧的纵向振动；波的传播方向与质点的振动方向垂直的是横波，其周期较长，振幅也较大，只在固体中传播。(2)岩层表面传播的地震波为面波（体波折射和反射后的产物），分为瑞利波、乐普波两种。瑞利波：质点在波的传播方向与地表面法向所构成的平面内作与波前进方向相反的椭圆运动，即作滚动运动。乐普波：质点在地表内作与波前进方向垂直的直线运动，即作蛇行运动。S（横波）（纵波）L（面波）2.各种地震波对结构物的影响纵波传播的速度最快，横波次之，面波最慢；面波的振动幅度最大，横波次之，纵波最小；面波传送的能量最多，横波次之，纵波最少。纵波使地面建筑物产生上下跳动；横波使地面建筑物产生前后左右晃动；面波则使地面建筑物产生上述两种运动的复合运动。我国是地震多发的国家；东南、华北、东北沿海处于环太平洋地震带的影响下，西北、西南处于欧亚大陆地震带的影响下。部分地区处于这两地震带的支脉的控制下。我国地震的发生次数、强度、破坏后果均为世界罕见。3．地震地面运动的参数(1)地面运动加速度地震烈度大则地面运动最大加速度大，建筑物上的地震作用力也大。(2)地面运动的周期结构在动力情况下，其受荷情况除与外界因素有关外，还与结构自身因素（如结构自振周期）有关，而地面运动的周期与结构自振周期接近时，将产生严重后果。(3)强震持续时间破坏是一个过程，要完成这个过程，结构的破坏积累是一个必要的条件。而结构的损害程度与所受到的荷载大小、荷载作用时间有关。二、常用术语1.地震震级(1)震级：是衡量一次地震强弱程度(即所释放能量的大小)的指标。目前，国际上比较通用的是里氏震级，其原始定义为1935年由里克特(Richter)给出，即地震震级M为：)lg(AM8.115.110ME(2)地震释放的能量:震级与震源释放能量的大小有关，震级每震级差一级，释放的能量相差31.6倍，6级地震的能量＝2万吨TNT炸药。微震——1～2级地震，仪器可记录，人感觉不到；有感地震——3～4级地震，人能感觉到，但建筑物基本无损坏；破坏性地震——5级以上地震，一般对建筑物均有程度不一的损害；强烈地震——7级以上的地震，对建筑物产生严重破坏。(3)一次地震发生后，地震区域周围地区因距离和地质条件等的不同，其地表及建筑物的破坏程度也有所不同，因此地震震级不能区分一次地震对不同地区的影响程度。地震烈度是描述一次地震时某地区地面震动强弱程度的尺度。故不同的地区有不同的地震烈度。2.地震烈度地震烈度是指某一地区的地面和各类建筑物遭受到一次地震影响的强弱程度。对于一次地震，表示地震大小的震级只有一个；随距离震中的远近不同，烈度就有差异。评定地震烈度的标准就称为地震烈度表。绝大多数国家包括我国都采用分成12度的地震烈度表。根据地质条件、历史资料、观测记录计算或分析出强震区域周围地区的各级地震烈度的超越概率，按照统一标准定出各地的基本烈度，并将各地的基本烈度绘成图或统计成表。3.烈度分组某地区50年内，在该地区一般场地条件下，超越概率为10％的最大地震烈度；基本烈度是该地区抗震设计的基本标准。规范取超越概率为10％的地震烈度为该地区的基本烈度；超越概率为63.2％的地震烈度为该地区的小震烈度（又称众值烈度，即概率密度曲线上概率最大处）；取超越概率为2％的地震烈度为该地区的大震烈度（又称罕遇烈度）。小震烈度＝基本烈度－1.55度大震烈度＝基本烈度＋1.00度4.抗震设防烈度：建筑物抗震设防时采用的烈度。5.地震设计分组地震对建筑物的影响GgaGamFaaE惯性力建筑物加速度地面加速度地面运动地震0第二节抗震设计的基本要求一、建筑抗震设防分类和设防标准二、抗震设防的目标三、抗震概念设计一、建筑抗震设防分类和设防标准1.抗震设防类别根据建筑的使用功能的重要性，分为甲类、乙类、丙类、丁类四个抗震设防类别。2.抗震设防标准甲类建筑乙类建筑丙类建筑丁类建筑二、抗震设防的目标抗震设防的目标——三水准要求所谓的三水准抗震目标，可简单的概括为：(1)小震不坏(2)中震可修(3)大震不倒三、抗震概念设计概念设计——指一些在计算中或在规范中难以作出具体规定的问题，必须由工程师运用“概念”进行分析，作出判断，以便采取相应的措施。结构破坏机理的概念；力学概念；由震害、试验现象等总结提供的各种宏观的和具体的经验等。★概念及经验要贯穿在方案确定及结构布置过程中，★应体现在计算简图或计算结果的处理中，★对某些薄弱部位的配筋构造起作用。概念设计带有一定的经验性。但它和抗震计算、构造设计等是不可分割、互为补充的抗震设计的重要组成部分。1.场地、地基和基础选择场地土的分类场地的选择地基和基础选择2.结构的平面和立面布置3.结构体系的选择4.抗震结构构件及其连接5.非结构构件6.材料选择和施工第三节地震作用的计算一、重力荷载代表值二、单质点弹性体系的地震作用三、多质点弹性体系的地震作用一、重力荷载代表值一般把各层质量集中在楼层处，n个楼层即形成n个质点。每一楼面标高位置的重量（称重力荷载代表值）由以下几部分组成：①恒荷载（本层楼面结构及上、下各半层墙、柱）的全部；②雪荷载的50％；③一般楼面活荷载的50％，藏书库、档案库活荷载的80％。简化后的计算简图如图，图中Gi为第i层质点的重力荷载代表值。1.单质点体系等高单层厂房、水塔等；该结构中参与振动的所有质量全部折算至顶部；墙、柱视作一无重的弹性杆；该体系只作单向振动，为一个单自由度体系。二、单质点弹性体系的地震作用2.单质点弹性体系的地震作用式中：m、G——为单质点体系的质量及重量；g——重力加速度；——为地面运动最大加速度；——称为地震系数，表示地面运动的相对强度；——称为动力系数，表示质点加速度与地面加速度相比的放大系数；α——为地震影响系数，α=kβ。GGkmgxSgxmSFaamax0max0max0xgxk/max0max0/xSa3.计反应谱曲线α—地震影响系数；αmax—地震影响系数最大值；T—结构自振周期；Tg—特征周期；γ—曲线下降段衰减指数；η1—直线下降段下降斜率调整系数；η2—阻尼调整系数4.单质点体系的地震作用计算方法计算结构自振周期:由场地类别、设计地震分组查表,得场地特征周期Tg;由设防烈度查表得水平地震影响系数最大值αmax；确定、1、2；由T、Tg、αmax按图计算水平地震影响系数α；作用在单质点上的水平地震作用为:FEK=αmg=αGEK。kmTmk/2/2,/三、多质点弹性体系的地震作用1.多质点体系的振型和自振周期2.多质点体系的地震作用计算方法应按不同情况分别采用相应的地震作用计算方法：①高度不超过40m，以剪切变形为主，刚度与质量沿高度分布比较均匀的建筑物，可采用底部剪力法。②高度超过40m的高层建筑物一般可采用振型分解反应谱方法。③刚度与质量分布特别不均匀的建筑物、甲类建筑物等，宜采用时程分析法进行补充计算。3.振型分解反应谱法①基本思想②适用条件高度超过40m的高层建筑物一般可采用振型分解反应谱方法。4.底部剪力法①基本思想：按结构底部总剪力相等的原则，把多质点体系简化为单质点体系，只用基本自振周期确定总底部剪力，然后按照一定规律将地震力（总底部剪力）沿高度沿高度分配给各质点。②适用条件：结构高度小于40m；沿高度方向质量及刚度分布比较均匀；以剪切变形为主（H/B＜4）的高层建筑。③计算方法基本自振周期T1、按反应谱曲线（T-α）确定α1；（地震影响系数最大值αmax；特征周期Tg；曲线下降段衰减指数γ；直线下降段下降斜率调整系数η1；阻尼调整系数η2）。计算底部剪力FEK：FEK=α1Geq（Geq=0.85GE=0.85Gi）FEK分配给各质点：建筑为n层时，各楼层处地震力为Fi。顶部附加荷载△Fn近似考虑高振型影响。顶层等效地震力为Fn+△Fn。质点体系的水平地震作用分布特点：当质量、刚度沿高度分布较均匀（Gi≈Gj）时，Fi与Hi成正比。第四节结构的自振周期一、顶点位移法二、计算自振周期的经验公式一.顶点位移法对于质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结构、框架一剪力墙结构和剪力墙结构：TuT017.1uT—结构顶点假想侧移：即把集中在各层楼面处的重量Gi视为作用于i层楼面的假想水平荷载，按弹性刚度计算得到的结构顶点侧移；α0—基本周期的缩短系数：框架结构取0.6～0.7；框架一剪力墙结构取0.7～0.8；剪力墙结构取α0＝0.9～1.0。二.计算自振周期的经验公式31038.004.0BHT32100069.033.0BHT高层钢筋混凝土剪力墙结构高度为20～50m，剪力墙间距为3～6m的住宅、旅馆类建筑物:横墙间距较密时:T1横=0.054n；T1纵=0.04n横墙间距较疏时：T1横=0.06n；T1纵=0.05n式中：n为建筑物层数；H为建筑物总高度；B为建筑物总宽度。钢筋混凝土框架、框架一剪力墙结构：或T1=（0.07-0.09）n第五节结构的抗震验算一、荷载效应的基本组合二、抗震验算的设计表达式三、抗震变形验算一、荷载效应的基本组合1.无地震作用组合：S=γGSGK+ψQγQSQK+ψWγWSWk式中:S—无地震组合时荷载效应组合的设计值；SGK—永久荷载效应标准值；SQk—楼面活荷载效应标准值；SWK—风荷载效应标准值；γG、γQ、γW—分别为永久荷载、楼面活荷载、风荷载分项系数；ψQ、ψW—分别为楼面活荷载和风荷载组合值系数。荷载分项系数应按下列规定采用：1)承载力计算时：①永久荷载的分项系数γG：当其效应对结构不利时：对由可变荷载效应控制的组合应取1.2；对由永久荷载效应控制的组合应取1.35。当其效应对结构有利时，应取1.0；②楼面活荷载的分项系数γQ：一般情况下应取1.4；③风荷载的分项系数γW：应取1．4。2)位移计算时：公式中各分项系数均应取1.0。楼面活荷载和风荷载组合值系数ψQ、ψW：1)当永久荷载效应起控制作用时应分别取0.7和0.0；2)当可变荷载效应起控制作用时应分别取1.0和0.6或0.7和1.0；3)对书库、档案库、储藏室、通风机房和电梯机房，本条楼面活荷载组合值系数取0.7的场合应取为0.90。2.有地震作用组合时：SE=γGSGE+γEhSEhk+γEvSEvk+ψWγWSWk式中：SE—荷载效应和地震作用效应组合的设计值；SGE—重力荷载代表值的效应[重力荷载代表值包括下列荷载：100％自重标准值，50％雪荷载标准值，50％～80％楼面活荷载(在书库及档案库中取80％楼面活荷载)]；SEhk—水平地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；SEvk—竖向地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数；γG—重力荷载分项系数；γW—风荷载分项