高层建筑结构设计讲稿3

3.3地震作用的计算3.3.1有关地震的一般概念3.3.2结构抗震设计的方法3.3.3地震作用的计算3.3.4结构抗震验算方法概述地震是指因地球内部缓慢积累的能量突然释放而引起的地球表层的振动。地震波地震波是地震发生时由震源地方的岩石破裂产生的弹性波。地震波分为体波和面波。体波横波（S波）纵波（P波）面波瑞利波乐甫波横波特点:周期长、振幅大、波速慢,100-800m/s纵波特点:周期短,振幅小,波速快,200-1400m/s面波比体波衰减慢、振幅大、周期长、传播远。建筑物破坏主要由面波造成。杂波P波开始S波开始面波开始53.3.1有关地震的一般概念一、震级一次地震的释放能量的大小，以里氏(Richer.C.F.学者的姓氏命名)震级表示：ML=LogB–logB0B—两个水平方向的最大位移动值的平均值。能量越大，震级就越大；震级相差一级，能量相差约32倍；相差二级，能量相差1000倍。一个6级地震相当于一个两万吨级的原子弹。6一、震级二、烈度地震时在一定地点震动的强烈程度。一次地震只有一个震级，但对不同的地点（震中距不同），会造成不同的烈度（破坏程度）。我国采用12度区划。1999年国家地震向颁布实施的《中国地震烈度表》（GB/T17742—1999），属于将宏观烈度与地面运动参数建立起联系的地震烈度表。如VI度：多数人站立不稳AmaxVmax墙体出现裂逢0.63(m/s2)0.06(m/s)3.3.1有关地震的一般概念7一、震级二、烈度三、基本烈度地震具随机性，故需预测某地区未来一定时间内可能发生的最大烈度，该工作具有重要意义。故提出基本烈度的概念：“一个地区的基本烈度是指该地区今后50年期限内，在一般场地条件下可能遭遇的超越概念为10%的地震烈度。”设计取用的设防标准：第三代，国家地表局和建设部于1992年联合发布，《中国地震烈度区划图（1990）》（已不使用）；第四代GB18306-2001《中国地震动参数区划图》（现行）。3.3.1有关地震的一般概念8一、震级二、烈度三、基本烈度四、大震、中震和小震中震：超越概率为10%的地震；烈度相当于基本烈度（重现期为475年）。小震：众值烈度，超越概率为63.2%的地震。（重现期为50年）。大震：超越概率为2～3%的地震。（重现期为2000年左右）。3.3.1有关地震的一般概念93.3.1有关地震的一般概念103.3.1有关地震的一般概念（2-3％）（10％）多遇烈度大震中震小震（63.2％）罕遇烈度fⅢ(Ⅰ)基本烈度图1.烈度概率密度函数11四、大震、中震和小震五、设防烈度和抗震设防的类别1、设防烈度：以基本烈度作为抗震设防的标准，或说以Ⅱ类场地条件下，50年超越概率10%的不同档次的峰值加速度值和作为地震动参数。故抗震设计和设防的基础是2001年8月1日实施的《中国地震动参数区划图》（GB18306——2001），必要时进行城市抗震设防区划（经中央批准），或对具体工程进行地震安全性评价等确定该地区或项目的地震动参数。3.3.1有关地震的一般概念12三、基本烈度四、大震、中震和小震五、设防烈度和抗震设防的类别2、抗震设防的类别：我国建筑抗震设计规范根据建筑重要性分为下列四类：甲类建筑—特殊要求的建筑，如遇地震破坏会导致严重后果的建筑等，必须经国家规定的批准权限批准；乙类建筑——国家重点抗震城市的生命线工程的建筑；丙类建筑——甲、乙、丁类经外的建筑；丁类建筑——次要的建筑，如遇地震破坏不易造成人员伤亡和较大经济损失的建筑等。3.3.1有关地震的一般概念13四、大震、中震和小震五、设防烈度和抗震设防的类别六、抗震设防的起点基本烈度为6度和6度以上地区的建筑物须进行抗震设防；《防震减灾法》第17条规定：“新建、扩建、改建建设工程必须达到抗震设防要求。”不能因改建而忽略抗震设计要求。3.3.1有关地震的一般概念14六、抗震设防的起点七、抗震设计的原则或抗震设防的标准三水准抗震设防要求，也称抗震设防的目标：小震不坏，中震可修、大震不倒。①小震不坏：在建筑物使用期间内可能遇到的多遇地震（小震），即相当于比设防烈度低1.5度的地震作用下，建筑结构应保持弹性状态而不损坏，按这种受力状态进行内力计算和截面设计。②中震可修：即在设防烈度下，建筑结构可以出现损坏，经修理后仍可以继续使用，并保证生命和设备的安全。③大震不倒：当遭遇了千年不遇的罕遇地震（大震），建筑物会严重损坏，但要求不倒塌，保证生命安全。所谓大震，一般指超出设计烈度1~1.5度的地震。3.3.1有关地震的一般概念15一、抗震设计的内容：三个方面：概念设计、抗震计算和抗震构造措施。二、抗震概念设计概念设计是指一些计算中或在规范中难以作出具体规定的问题，必须由工程师综合运用自身的知识进行考虑和分析而形成的一种抗震的“理念”。这些“理念”主要源自以历史震害的经验总结、对结构或材料破坏机理的认识以及所掌握的力学知识等。例如：选用怎样的体型有利于抗震？故概念设计往往带有经验性，且往往贯穿在方案选型及结构布置的过程中，也体现在计算简图和计算结果的处理中。3.3.1有关地震的一般概念3.3.2结构抗震设计的方法16二、抗震概念设计概念设计是指一些计算中或在规范中难以作出具体规定的问题，必须由工程师综合运用自身的知识进行考虑和分析而形成的一种抗震的“理念”。这些“理念”主要源自以历史震害的经验总结、对结构或材料破坏机理的认识以及所掌握的力学知识等。例如：选用怎样的体型有利于抗震？故概念设计往往带有经验性，且往往贯穿在方案选型及结构布置的过程中，也体现在计算简图和计算结果的处理中。3.3.2结构抗震设计的方法17二、抗震概念设计抗震设计规范虽难于对概念设计的具体细节做出规定，但也已明确提出了许多概念设计的一般原则，如3.3.1.4.1条款的有关场地、地基的要求，3.4条款对各种结构体系的基本要求等。现将一概念设计的一般原则归结如下：①选择有利的场地，避开不利场地，采取措施保证地基的稳定性；②选择合理的结构体系。对于钢筋混凝土结构，一般框架抗震能力较差，框架-剪力墙结构好，剪力墙结构和筒体结构抗震能力高；③平面布置力求简单、规则、对称，避免应力集中的凹角和收进；避免楼、电梯间偏置，尽量减少扭转的影响；④尽量避免建筑物竖向体型复杂、外挑内收变化过多，力求刚度均匀，不要刚度突变，避免产生变形集中。当顶层设置大房间、底层部分剪力墙变为框架时，应按专门规定进行设计；3.3.2结构抗震设计的方法18二、抗震概念设计3.3.2结构抗震设计的方法⑤结构布置要受力明确，传力途径直接简单；⑥加强结构空间整体性，增加超静定次数，组织多道设防；⑦保证构件的延性，避免脆性破坏（如锚固破坏、剪切破坏等），也要采取措施防止结构在地震中失稳和倾覆。⑧尽量减轻结构自重，减少地基土压力，降低地震作用；⑨保证足够的刚度，满足高层建筑结构允许位移值的要求；⑩调整平面形状与尺寸，采取构造措施和留临时性施工缝（后浇带）的方法，尽量不设防震缝，少设防震缝。等等…19马那瓜中央银行大厦试问：那一幢破坏严重呢？马那瓜美洲银行大厦201）平面不规则4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙。4层以上的楼板仅为5cm厚，搁置在高45cm长14m小梁上。2）竖向不规则塔楼上部（4层楼面以上），北、东、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在4层楼板水平处的过渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根1m×1.55m的柱子上（间距9.4m）。上下两部分严重不均匀，不连续。主要破坏：第4层与第5层之间(竖向刚度和承载力突变),周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈；横向裂缝贯穿3层以上的所有楼板(有的宽达1cm),直至电梯井东侧；塔楼西立面、其他立面窗下和电梯井处的空心砖填充墙及其它非结构构件均严重破坏或倒塌。震后计算分析结果:1.结构存在十分严重扭转效应;2.塔楼3层以上北面和南面大多数柱子抗剪能力大大不足,率先破坏；3.水平地震作用下,柔而长的楼板产生可观的竖向运动等。马那瓜中央银行大厦结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包括4个L形的桶体，对称地由连梁连接起来，这些连梁在地震时遭到剪切破坏，是整个结构能观察到的主要破坏。分析表明：1.对称的结构布置及相对刚强的联肢墙，有效地限制了侧向位移，并防止了明显的扭转效应；2.避免了长跨度楼板和砌体填充墙的非结构构件的损坏；3.当连梁剪切破坏后，结构体系的位移虽有明显增加，但由于抗震墙提供了较大的侧向刚度，位移量得到控制。美洲银行21二、抗震概念设计三、抗震构造措施3.3.2结构抗震设计的方法构造措施主要指在构件设计中提出的构件尺寸要求、配筋要求等。构造措施依据该建筑结构的抗震等级（分为一至四级）采用，等级越高（一级）措施越严格。例：框架结构的节点箍筋加密，通长钢筋设置要求等，详细参见抗震规范。22三、抗震构造措施四、抗震计算3.3.2结构抗震设计的方法包括两个阶段的设计计算，第一阶段设计是进行承载力验算，即取第一水准（小震）的地震动参数计算结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应（内力和变形），并将该效应参与至结构或构件的内力组合中，得到最不利内力后，进行截面设计，以保证小震不坏，实现第一水准的要求。第二阶段设计是指进行结构弹塑性变形验算，即对特殊要求的建筑、地震时易倒塌的结构以及有明显薄弱层的不规则结构，除进行第一阶段设计外，还要进行结构薄弱层的不规则结构，除进行第一阶段设计外，还要进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算（往往采用时程分析）并采取相应的抗震构造措施，以保证大震不倒，实现第三水准的设防要求。故我国的抗震设计方法，也称为两阶段设计法。23三、抗震构造措施四、抗震计算3.3.2结构抗震设计的方法两阶段设计法是对三水准设防标准（小震不坏、中震可修、大震不倒）的具体实施，即1、第一阶段设计：对绝大多数建筑结构，应满足第一、二水准的设计要求，即按照第一水准（多遇地震）的地震动参数进行地震作用计算、结构分析和构件内力计算，按规范进行截面设计，然后采取相应的构造措施，达到“小震不坏、中震可修”的要求。2、第二阶段设计：对特别重要的建筑和地震时容易倒塌的结构，除进行第一阶段设计外，还要进行薄弱层部位的弹塑性变形验算和采取相应的构造措施，使薄弱层的水平位移不超过允许的弹塑性位移，实现第三水准的要求。3、满足了小震不坏、大震不倒，中震可修自然得以满足。24•地面运动是一随机振动，表现为强度、频谱组成、持续时间的不确定性，因此地震作用是极其复杂的。•由于地震作用的复杂性和地震作用发生的强度的不确定性，以及结构和体形的差异等，地震作用的计算方法是不同的。可分为简化方法和较复杂的精细方法。•四种计算方法：底部剪力法、振型分解反应谱、时程分析法和静力弹塑性方法3.3.3地震作用的计算25一、结构抗震理论的发展1.静力理论阶段---静力法1920年，日本大森房吉提出。假设建筑物为绝对刚体。)(txgm)(txmg地震作用GkxgGxmFggmaxmaxgxkgmax---地震系数将F作为静荷载，按静力计算方法计算结构的地震效应3.3.3地震作用的计算262.定函数理论tatxgcos)(苏联扎夫里耶夫首先提出的，他认为地震地面运动可用余弦函数来描述，也即地面位移为teatxniitigi1sin)(苏联的柯尔琴斯基提出地面运动可用若干个不同振幅、不同阻尼和不同频率的衰减正弦函数的和来表示，也即3.3.3地震作用的计算273.反应谱理论---反应谱法1940年，美国皮奥特提出。地震作用GkFGk---重力荷载代表值---地震系数（反映震级、震中距、地基等的影响）---动力系数(反映结构的特性,如周期、阻尼等的影响)按静力计算方法计算结构的地震效应目前，世界上普遍采用的方法。3.3.3地震作用的计算284.直接动力分析理论---时程分析法将实际地震加速度时程记录（简称地震记录earth-quakerecord）作为动荷载输入，进行结构的地震响应分析。此外，有用随机振动理论来分析结构地震响应统计特征的，有