建筑结构--建筑抗震设计基本知识.

第五编建筑抗震设计基本知识接近地球表面的岩层中弹性波传播所引起的震动称为地震。按其成因可分为构造地震、火山地震和陷落地震。人类工程活动如采矿、水库蓄水、深井注水、地下接爆炸也可诱发地震。构造地震是现代地壳运动所产生的一种突发事件，是地球上分布最广、数量最多、危害最为严重的地震，世界上90％以上的地震和所有的强烈地震均属构造地震。它产生于板块边缘和板块内部的活动构造带，地壳和上地幔岩石在地球内力作用下，产生构造变形积蓄应变能，一旦达到岩体强度极限，就会发生突然的剪切破裂(脆性破坏)或沿已有破裂面产生突然错动(粘滑)，积蓄的应变能就会以弹性波的形式突然释放使地壳震动而发生地震。常用术语地表建筑物震中距震源距震中震源极震区震源深度术语解释图震源：地层构造运动中，发生岩层断裂、错动的地方。震中：震源正上方的地面位置。震中距：建筑物到震中之间的距离。震源距：建筑物到震源之间的距离。震源深度：震中到震源的垂直距离。浅源地震：震源深度在60km以内，释放能量占全年地震的85%中源地震：震源深度在60~300km，占12%深源地震：震源深度大于300km，占3%极震区：在震中附近，振动最剧烈、破坏最严重的地区。地表建筑物震中距震源距震中震源极震区震源深度美国加州北岭地震（7.0级）1994年1月17日，2400栋建筑被毁，多处高架公路桥受损，死亡61人，伤7300人，直接经济损失300亿美元，保险损失104亿美元。日本阪神地震（7.2级）1995年11月17日，22万栋房屋倒塌或严重损坏，死亡6348人，伤4万人，经济损失1000亿美元。我国的地震情况我国是一个多地震国家据统计，我国大陆地震约占世界大陆地震的三分之一。原因是：我国正好介于地球的两大地震带之间。全世界地震主要分布于以下两个带：（1）环太平洋地震带：包括南北美洲的太平洋沿岸和从阿留申群岛、堪察加半岛、经千岛群岛日本列岛南下至我国台湾省，再经菲律宾群岛转向东南，直到新西兰。（2）喜马拉雅——地中海地震带：从印度、尼泊尔经缅甸至我国横断山脉、喜马拉雅山区，越帕米尔高原，经中亚细亚到地中海及其附近。喜马拉雅——地中海地震带环太平洋地震带以上两个地震带释放的能量，约占全球所有地震释放能量的98%。我国是一个地震灾害最严重的国家1920年宁夏海原地震（8.5级）死亡23.4万人。1976年河北唐山地震（7.8级）死亡24.2万人。中国地震活动频度高、强度大、震源浅，分布广，是一个震灾严重的国家。1900年以来，中国死于地震的人数达55万之多，占全球地震死亡人数的53%；1949年以来，100多次破坏性地震袭击了22个省（自治区、直辖市），其中涉及东部地区14个省份，造成27万余人丧生，占全国各类灾害死亡人数的54%，地震成灾面积达30多万平方公里，房屋倒塌达700万间。20世纪全球两次死亡20万人以上的大地震均发生于我国。我国的地震活动地区①台湾省及其附近海域；②西南地区，主要是西藏、四川西部和云南中西部；③西北地区，主要在甘肃河西走廊、青海、宁夏、天山南北麓；④华北地区，主要在太行山两侧、汾渭河谷、阴山-燕山一带、山东中部和渤海湾；⑤东南沿海的广东、福建等地。我国的地震活动主要分布在五个地区的23条地震带上。这五个地区是：地震作用和结构的抗震验算地震简介抗震设计的基本要求地震作用的计算结构的自振周期结构的抗震验算地震简介地震波地震时震源释放的应变能以弹性波的形式向四面八方传播，这种弹性被就是地震波。地震波是使建筑物在地震中破坏的原动力、也是研究地震的最主要的信息和研究地球深部构造的有力工具。地震波包括两种在介质内部传播的体波和两种限于界面附近传播的面波。体波包括纵波和横波。纵波是由震源传出的压缩波，质点振动与波前进方向一致，一疏一密向前推进，它周期短、振幅小。横波是震源向外传播的剪切波，质点振动方向与波前进方向相垂直，传播时介质体积不变但形状改变，周期较长振幅较大。因为该波是切变波，所以它不能通过对切变没有抵抗能力的液体。纵波：质点运动方向与波传播方向相同，又称压缩波。特点：周期较短，振幅较小横波：质点运动方向与波传播方向垂直，又称剪切波。特点：周期较长，振幅较大波长质点振动方向波前进方向（a）纵波体波质点振动形式波前进方向质点振动方向（b）横波纵波波速为：)21)(1()1(pEVGEV)1(2s横波波速为：式中E——介质的弹性模量；G——介质的剪切模量；——介质的密度；——介质的泊松比。一般情况下，可以取泊松比＝0.22，则：Vp=1.67Vs纵波先于横波到达地面。通常，纵波称为P波(即初波)，横波称为S波(即次波)。面波面波：是体波经地层界面多次反射后形成的次生波，它只沿地球表面传播。特点：振幅大，周期长，约为横波波速的0.9倍可分为瑞雷波（R波）和乐甫波（L波）（a）R波：在地面上呈滚动形式。（b）L波：在地面上呈蛇形运动形式。地震波的传播速度纵波最快，横波次之，面波最慢。在地震记录图上，纵波最先到达，横波次之，面波到达最晚。地震波记录图地震记录地震记录：在工程抗震领域，主要是指地震时的地面运动加速度记录。一条完整的加速度记录：通常包括东西、南北、上下三个方向的地面运动加速度分量。地震加速度记录三要素：1）加速度峰值2）频谱特性3）地震动持续时间地震简介震级和烈度AMlg地震震级：是表示地震本身大小的尺度。目前，国际上通用的是里氏震级，其定义是1935年里里克特(C.F.Richter)给出的。例：在距震中100km处标准地震仪记录的振幅为10mm，震级为410lg4M一次7级地震，振幅将达107m，即10m。地震简介震级和烈度震级与震源释放的能量的大小有关，震级每差一级，地震释放的能量将差32倍，可用下述关系式表达：lgE＝11.8+1.5M式中，M为震级；E为地震能量，单位为尔格。一般说来M2的地震，称为微震；M=2~4的地震，称为有感地震；M5的地震，统称为破坏性地震；M7的地震，称为强烈地震或大地震；M8的地震，称为特大地震。目前世界上已记录到的最大地震震级为1960年5月智利发生的8.9级。小震与大震小震：多遇烈度时的地震，50年超越概率63.2%中震：基本烈度时的地震，50年超越概率10%大震：罕遇烈度时的地震，50年超越概率2~3%三种烈度的超越概率示意图地震简介震级和烈度地震烈度的统计分布地震烈度地震烈度：是指某一地区地面和各类结构物遭受一次地震影响的强弱程度。对应于一次地震a．震级只有一个b．烈度随震中距离的远近而有所不同地震烈度表地震烈度表：是评定地震烈度大小的标准和尺度。我国地震烈度：分12度地震简介震级和烈度地震简介震级和烈度基本烈度和烈度区划图地震基本烈度：是指某地区在今后一定时期内，一般场地条件下可能遭遇的最大烈度。地震烈度区划图：是指在地图上按地震基本烈度的差异划分出不同区域的图。设防烈度设防烈度：是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。地震简介震级和烈度等震线等震线：烈度相同区域的外包线，又称等烈度线。一般情况下，等震线的度数随震中距的增大而递减。8度7度6度等震线示意图地震作用和结构的抗震验算地震简介抗震设计的基本要求地震作用的计算结构的自振周期结构的抗震验算抗震设计的基本要求建筑抗震设防分类和设防标准建筑重要性分类（抗震设防类别）甲类建筑：重大建筑工程及地震时可能发生严重次生灾害的建筑。如人民大会堂、核电站等。乙类建筑：地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑。如城市生命线工程等。丙类建筑：甲、乙、丁类以外的一般建筑丁类建筑：抗震次要建筑抗震设防抗震设防：是指对建筑物进行抗震验算和采取抗震构造措施，以达到抗震的效果。抗震设计的基本要求建筑抗震设防分类和设防标准抗震设防标准甲类建筑：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。乙类建筑：应符合本地区的设防烈度的要求。丙类建筑：应符合本地区的设防烈度的要求。丁类建筑：一般情况下，应符合本地区的设防烈度的要求。除甲类建筑外，当设防烈度为6度时，除规范有具体规定，其它各类建筑可不进行地震作用计算。抗震设计的基本要求抗震设防目标抗震设防的目标：“三水准”第一水准：当遭受到低于本地区设防烈度的多遇地震(简称“小震”)影响时，建筑一般应不受损坏或不需修理仍能继续使用。即“小震不坏”。第二水准：当遭受到本地区设防烈度影响时，建筑物可能有一定程度的损坏，经一般修理或不经修理仍能继续使用。即“中震可修”。第三水准：当遭受到高于本地区设防烈度的罕遇地震(简称“大震”)时，建筑不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。即“大震不倒”。建筑结构抗震设计方法：“两阶段”第一阶段设计：按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合验算结构构件的承载能力，以及在小震作用下验算结构的弹性变形，以满足第一水准抗震设防目标的要求。第二阶段设计：在大震作用下验算结构的弹塑性变形，以满足第三水准抗震设防目标的要求。第二水准抗震设防目标的要求，《规范》是以抗震构造措施来加以保证的。抗震设计的基本要求建筑抗震概念设计1.抗震设计包括不可分割的三个方面概念设计、抗震设计、构造措施2.概念设计：是指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本原则和设计思想，进行建筑和结构的总体布置并确定细部构造的过程。3.概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则。抗震设计为建筑抗震设计提供定量手段。构造措施在保证结构整体性、加强局部薄弱环节等意义上保证抗震计算结果的有效性。抗震设计的基本要求概念设计要考虑以下因素：（1）选择利于抗震的场地（2）选择利于抗震的地基和基础（3）选择对抗震有利的建筑平面和立面布置（4）选择合理的抗震结构体系（5）处理好非结构构件和主体结构的关系（6）注意材料的选择和施工质量建筑抗震概念设计场地概念场地：工程群体所在地，在平面上大体相当厂区、居民点或自然村的区域范围。场地土：场地范围内的地基土。场地条件对震害的影响因素：（1）场地土的刚度（坚硬程度）（2）场地覆盖层厚度抗震设计的基本要求建筑抗震概念设计场地土的类型1．对单一性质土由场地土的剪切波速确定式中，G为土的剪切模量，为土的密度。2．多层土由多层土等效剪切波速确定GVs抗震设计的基本要求建筑抗震概念设计等效原则：地震波通过多层土的时间与通过折算土层时间相等。式中Vsi——第i层土的剪切波速，m/sdi——第i层土的厚度，md——场地土计算厚度，取地面下20m，但不深于场地覆盖层厚度，mn——土层数目tdVse0nisiiVdt1Vs2VsnVs1d1d2didndVsmd自然地面自然地面(a)原来土层(b)折算土层Vsi抗震设计的基本要求建筑抗震概念设计场地土的类型抗震设计的基本要求建筑抗震概念设计场地土的类型场地土的类型划分表2-1场地土类型土层剪切波速（m/s）坚硬场地土Vs500中硬场地土500Vsm250中软场地土250Vsm140软弱场地土Vsm140场地类别划分为四类，划分依据：（1）场地土等效剪切波速（或场地土类型）（2）场地覆盖层厚度3~1530~500ⅣⅢⅡⅠ500sev250500sev140250sevsev140m5m5m35080~1580m3等效剪切波速（m/s）场地类型抗震设计的基本要求建筑抗震概念设计场地的选择地段类别地质、地形、地貌有利地段稳定基岩，坚硬土，开阔、平坦、密实、均匀的中硬土等不利地段软弱土，液化土，条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非岩质的陡坡，河岸和边坡的边缘，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层（如故河道、疏松的断破裂带、暗埋的塘浜沟谷和半填半挖地基）等危险地段地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发震断裂带上可能发生地表错位的部位地段选择1.选择有利地段；2.避开不利地段，当无法避开时，应采取适当的抗震措施；3.不在危险地段建设。局部突出地形的影响1994年云南昭通地震，芦家湾某村坐落于山梁上，山梁长