建筑抗震基础知识

第十二章建筑结构抗震基本知识1.地震及其破坏作用；震级与烈度；建筑抗震设防烈度、设防目标、设防标准、抗震概念设计的基本要求；2.多层及高层钢筋混凝土房屋的抗震措施；3.多层砌体结构房屋和底部框架—抗震墙房屋的抗震措施。本章主要内容21.了解地震的基本知识，理解震级、地震烈度的概念；2.了解建筑抗震设防的概念设计；3.掌握建筑抗震设防的烈度、分类和标准。第一讲教学目标：重点1.震级与烈度；2.建筑抗震设防烈度、设防目标、设防标准、抗震概念设计的基本要求。难点抗震概念设计的基本要求。12.1.1地震及其破坏作用1.地震成因和类型地震按其产生的原因，主要可分为火山地震、陷落地震、人工诱发地震和构造地震。根据地震发生的部位，可将其划分为浅源地震(小于60km)、中源地震(震源深度为60~300km)和深源地震(震源深度大于300km)。震源深度越小，地震对地面造成的破坏性越大。我国发生的地震绝大多数属于浅源地震（震源深度在10~20km左右）。§12.1地震基本知识2.常用地震术语震源：地震发生时岩层断裂或错动产生振动的部位；震源深度：震源至地面的垂直距离称为；震中：震源在地表的垂直投影点称为；震中区：地震发生时震动和破坏最大的地区称为；震中距：受地震影响地区至震中的距离称为震中距；等震线：在同一地震中，具有相同地震烈度地点连线。3.地震的破坏作用（1）地表的破坏现象1）地裂缝重力地裂缝：由于地面作剧烈震动而引起的惯性力超过了土的抗剪强度所致。构造地裂缝：与地质构造有关，是地壳深部断层错动延伸至地面的裂缝。2）喷砂冒水在地下水位较高的平原及沿海地区，地下存在埋深较浅的细砂层或粉土层时，可能发生喷砂冒水现象。3）地面下沉在强烈的地震作用下，在回填土和孔隙较大粘性土等松软而压缩性较高的土层中，往往发生震陷，使建筑物破坏，此外，在岩溶洞和采空区也常发生震陷。4）滑坡、塌方在强烈的地震下，常引起河岸、陡坡滑坡，有时规模很大，造成公路堵塞、岸边建筑物破坏。（2）建筑物破坏1）结构丧失整体性建筑物一般都是由许多构件组成，在地震作用下因构件连接不牢、支撑长度不够或作为支座的墙体倒塌、柱断裂，都会引起结构丧失整体性而破坏。2）结构承载力不足而引起的破坏作为结构主要承重的构件，墙、柱、梁等由于其强度不足，在地震发生时首先破坏，不能继续承受重力荷载从而造成房屋倒塌。3）地基失效当建筑物建在软弱的地基土上或建在液化的地基土上，而又未进行特殊处理，在地震发生时地基土的抗剪承载能力不能抵抗重力的继续作用，从而造成房屋的局部倾斜或不均匀下沉。（3）次生灾害地震除直接造成建筑物的破坏外，还会引起火灾、水灾、有毒物质污染等次生灾害，尤其在大城市，由次生灾害造成的损失有时比地震直接产生的灾害造成的损失还要大。12.1.2震级与烈度1.震级地震的震级是衡量一次地震大小的等级，用符号M表示。震级的原始定义是：在离震中100km处的坚硬地面上，由标准地震仪（摆的自振周期为0.8s，阻尼为0.8，放大倍数为2800倍）所记录的最大水平位移A（单位为μm）的常用对数值，用公式表示为M=lgA（12.1.1）因为这个震级的定义是1935年里希特所给出的，故称为里氏震级。震级的大小直接与震源释放的能量大小有关，震级M与地震释放能量E（单位erg）之间有如下关系lgE=1.5M+11.8（12.1.2）由式（12.1.1）可知，当震级相差1级时，地面振幅相差10倍。由（12.1.2）可知，震级差1级，能量相差32倍。微震：M2的地震，人们感觉不到。有感地震：M=2～4的地震。破坏性地震：M5的地震，建筑物有不同程度的破坏。强烈地震或大地震：M=7～8的地震。特大地震：M8的地震。2.地震烈度地震烈度指地震时某一地点震动的强烈程度，用符号Ｉ表示。对于一次地震，表示地震大小的震级只有一个，但它对不同的地点影响程度是不一样的。一般说离震中愈远，受地震的影响就愈小，烈度也就愈低。对于一次地震的影响，随震中距的不同，可以划分为不同的烈度区。目前，我国使用的是1999年由国家地震局颁布实施的《中国地震烈度表》。12.1.3建筑抗震设防1.设防依据（1）基本烈度一个地区的基本烈度是指该地区今后50年时间内，在一般场地条件下可能遭遇到超越概率为10%的地震烈度。（2）设防烈度作为一个地区建筑抗震设防依据的烈度称为抗震设防烈度。一般情况下，抗震设防烈度可采用中国地震动参数区划图的基本烈度。2.设防目标（1）大震和小震小震：为烈度概率密度曲线上的峰值所对应的烈度，即众值烈度或称多遇烈度，如图12.1.2所示。当基准设计期为50年时，则50年内众值烈度的超越概率为63.2%，这就是第一水准的烈度。基本烈度：即第二水准烈度，也就全国地震烈度区划图所规定的烈度，它在50年内超越概率大体为10%。大震或罕遇烈度：俗称其为大震，50年内超越概率为2%~3%的烈度，也是第三水准所对应的烈度。由烈度概率分布分析可知，基本烈度和从值烈度相差约1.55度，而基本烈度与罕遇烈度相差大致1度。（2）抗震设防目标抗震设防目标总的趋势：在建筑物使用寿命期间，对不同频度和强度的地震，要求建筑物具有不同的抵抗能力。基于这一趋势，《抗震规范》提示了“三水准”的抗震设防目标。第一水准：“小震不坏”，即当遭受到多遇的低于本地区设防烈度的地震（简称“小震）影响时，建筑物一般应不受损坏或不需修理仍能继续使用。第二水准：“中震可修”，当遭受到相当于本地区设防烈度的地震影响时，建筑可能损坏，经一般修理或不需修理仍能继续使用。第三水准：“大震不倒”，当遭遇受到高于本地区设防烈度的罕遇地震（简称“大震”）影响时，建筑不致倒塌或发生危及生命的严重损坏。3.设防分类（1）建筑物重要性分类在进行建筑设计时，应根据建筑物的重要性不同，采取不同的抗震设防标准。《抗震规范》将建筑物按其重要程度不同分为四类：甲类建筑—有特殊要求的建筑，如遇地震破坏会导致严重后果（如放射性物质的污染，剧毒气体的扩散或引起爆炸等）和经济上重大损失的建筑；政治上重大损失的建筑；政治上有特殊要求的或其它特别重要的建筑等。乙类建筑—国家重点抗震城市的生命线工程的建筑（如消防、急救、供水、供电等）或其它重要建筑。丙类建筑—除甲、乙、丁类以外的建筑，如一般工业与民用建筑（公共建筑、住宅、旅馆、厂房等）。丁类建筑—次要建筑，如遇到地震破坏不易造成人员伤亡和较大经济损失的建筑（如一般的仓库、人员较少的辅助性建筑）。甲类建筑应按国家规定的批准权限批准执行；乙类建筑应按城市抗震救灾规划或有关部门批准执行。4.设防标准（1）甲类建筑，地震作用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，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9度时，应符合比9度抗震设防有更高的要求。（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9度时，应符合比9度抗震设防有更高的要求；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。（3）丙类建筑，地震作用和抗震措施均符合本地区抗震设防烈度的要求。（4）丁类建筑，一般情况下，地震作用仍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。12.1.4抗震概念设计的基本要求抗震设计主要包括三个方面：概念设计、计算设计和构造设计。概念设计是指正确地解决总体方案、材料使用和细部构造，以达到合理抗震设计的目的。1.场地选择选择建筑场地时，应根据工程需要，掌握地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料，对抗震有利、不利和危险地段作出综合评价。对不利的地段提出避开要求；当无法避开时应采取有效措施；不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。2.地基和基础设计（1）同一结构单元不宜设置在性质截然不同的地基土上，也不宜部分采用天然地基，部分采用桩基。（2）地基为软弱粘性土、可液化土、新填土或严重不均匀土层时，宜加强基础的整体性和刚性，以防止地震引起的动态和永久的不均匀变形。（3）在地基稳定的条件下，还应考虑结构与地基的震动特性，力求避免共振的影响。3.建筑和结构的规则性建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。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的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。根据建筑物的类型和结构体系设置防震缝，可将建筑从平面上分成规则的结构单元。防震缝应根据烈度、场地类别、房屋类型等留有足够的宽度。同时，伸缩缝、沉降缝应符合防震缝的要求。4.结构体系（1）选择抗震结构体系应符合下列各项规定：1）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的承载能力。3）应具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。4）对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。5）宜具有多道抗震防线，宜具有合理的刚度和承载力分布，避免局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。结构在两个主轴方向的动力特征宜相近。（2）选择抗震结构构件时应符合的要求1）砌体结构应按规定设置钢筋混凝土圈梁和构造柱、芯柱或采用钢筋砌体等以改善变形能力。2）混凝土结构构件，应合理选择尺寸，配置纵向钢筋和箍筋，避免剪切破坏先于弯曲破坏，混凝土的压溃先于钢筋的屈服，钢筋的锚固粘结破坏先于构件破坏。3）预应力混凝土的抗侧力构件，应配有足够的非预应力钢筋。（3）结构各构件之间的连接1）构件节点的破坏，不应先于其连接的构件。2）预埋件的锚固破坏，不应先于连接件。3）装配式结构构件的连接，应能保证结构的整体性。4）预应力混凝土构件的预应力钢筋，宜在节点核心区外锚固。（4）非结构构件主要有下列三种类型：①附属构件，如女儿墙、雨蓬、厂房高低跨封墙等。这类构件的抗震措施是加强本身的整体性，并与主体有可靠的连接或锚固，防止倒塌伤人。②装饰物，如建筑贴画、装饰、吊顶和悬吊重物等。这类构件的抗震措施是加强同主体结构的连接。对重要的贴画和装饰，要柔性连接，即保证主体结构变形不致损坏贴面和装饰，应避免吊顶塌落伤人和贴镶或悬吊较重的装饰物，当不可避免时应有可靠的防护措施。③非结构墙体，如围护墙、内隔墙和框架填充墙等。应考虑这类构件对结构抗震的不利影响或有利影响，应避免不合理的设置而导致主体结构的破坏，如框架或厂房柱间填充墙不到顶、使这些柱子形成短柱，地震时这些短柱极易发生脆性破坏。5.材料与施工（1）结构材料的性能应符合的最低要求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，其砌体砂浆强度等级不应低于M5；2）小型砌块的强度等级不应低于M7.5，其砌筑砂浆强度等级不应低于M7.5；3)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、节点核心区，不应低于C30，构造柱、芯柱、圈梁及其它构件不应低于C20；4)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。（2）抗震结构施工中应符合的要求1)在钢筋混凝土结构的施工中，需要进行钢筋代换时，对主要受力钢筋不宜以强度等级比原设计高的钢筋代替。当需要替换时应按照构件截面实际屈服强度进行换算，并注意替代后的构件截面屈服强度不应高于截面原设计的屈服强度。这样，可以避免人为造成薄弱部位，和构件在有影响的部位混凝土发生脆性破坏。2)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、芯柱和框架柱。3)砌体结构的纵、横墙交接处应同时咬槎砌筑或采取拉接措施，以避免地震时开裂或外闪倒塌