地震工程第二章.

第二章建筑结构抗震设计基本概念2.1建筑抗震设计思想①非抗震建筑结构结构在预期荷载作用下保持或基本保持在弹性工作状态。设计使结构具有足够的强度，保证安全性；又要使结构具有足够的刚度等正常使用性能。②地震作用的特点相对于结构自重、风、雪等荷载，地震动出现次数少，作用时间短，各次地震的强度差异大。若要求在各种强度的地震影响下结构仍保持弹性状态是不经济的，甚至是不可能的。③抗震设计基本思想——抗震设防目标当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用，当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用，当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。使用功能或其他方面有专门要求的建筑,当采用抗震性能化设计时,具有更具体或更高的抗震设防目标.1.三水准设防目标的概括及两阶段设计三水准设防目标可概括为“小震不坏，中震可修，大震不倒。”三水准下钢筋混凝土框架结构的破坏程度与层间位移角的大致对应关系不坏可修不倒1/5501/2001/50三水准设防目标通过“两阶段设计”来实现。第一阶段设计：进行第一水准烈度下的结构构件截面设计和验算结构的弹性层间位移角，以满足“小震不坏”；在此基础上，通过构造措施，保证结构的延性，以满足“中震可修”。第二阶段设计：验算第三水准烈度下的结构薄弱部位的弹塑性层间位移角，以满足“大震不倒”。对多数结构,可只进行第一阶段设计,而通过概念设计和抗震构造措施来满足第三水准的设计要求。2.三个水准烈度第一水准：多遇烈度（众值烈度）50年超越概率63.2%50年一遇第二水准：基本烈度50年超越概率10%474年一遇第三水准：罕遇烈度50年超越概率2~3%1600~2500年一遇三水准烈度的对应关系众值烈度度≈1度罕遇烈度基本烈度45.0max表中数值地震地面运动峰值加速度值（g/1000）地震水准6度7度（0.10g）7度(0.15g)8度(0.20g)8度(0.30g)9度多遇地震设防地震罕遇地震1850—3510022055150310702004001103005101404006202.2.1房屋建筑地震破坏的直接原因1.地震引起强烈的地面变形2.地震引起地基失效3建筑结构的地震反应超出其承受能力总结震害经验以改进建筑抗震设计技术2.2建筑地震灾害及其启示2.2.2历次地震房屋建筑震害概说1.1906年美国旧金山地震地震发生于1906年4月18日，8.3级，震中烈度10度。当时尚无钢筋混凝土建筑。型钢骨架砖填充墙的高层建筑普遍出现非结构破坏，墙体开口部分之间有”x”裂缝或水平裂缝，位置大致在建筑高度的2/3处。这次地震突出的经验教训：因房屋倒塌，引起火灾，且自来水管道破裂，消防系统失灵，大火持续了三天三夜。此后，人们开始重视地震区房屋建筑的耐震、耐火等问题，提出在地震区应推广钢筋混凝土结构。2.1957年墨西哥地震1957年10月28日在墨西哥城南部发生7.6级地震，墨西哥城最大加速度0.05~0.1g。地震区分山区、过渡区和湖泊区，山区破坏轻，湖泊区破坏严重。该市55座8层以上建筑，有11座钢筋混凝土框架遭到破坏。特点是5层以上震害严重，未与骨架联接的填充墙、隔墙出现明显裂缝，而框架结构的裂缝与相邻建筑物的碰撞有关。3.1960年5月21日智利南部地震为有记录以来最大地震，有十次超过7级，三次超过8级，主震级8.9级（一说9.5级）。智利1940年制定抗震规范，起到了提高房屋抗震能力的作用。经验教训：①钢筋混凝土剪力墙的抗震性能经受了考验。②L形、T形平面建筑发生扭转破坏。③局部应力集中会导致破坏。④不同类型的场地土对上部结构影响不同，对高层建筑需充分考虑场地卓越周期问题。4.1963年南斯拉夫科普里市地震震级6级，震中烈度8~9度，震源深度5~10km。当框架结构底层砌有砖围护墙时震害较轻；底层完全敞开的框架结构震害较重，柱子混凝土被压碎并永久性倾斜。框架——剪力墙结构破坏轻，只是配筋不足、施工质量欠佳的剪力墙出现裂缝。经验：慎重对待柔性底层房屋；防震缝宽度要够用。5.1964年美国阿拉斯加地震震级8.4级，震中烈度约10度，震源深度25~40km，剧烈震动持续了1.5~4min，地震引起山崩、雪崩、滑坡和海啸。距震中112km的安克雷奇市按当时的美国统一建筑规范考虑抗震设防，房屋倒塌的很少，但预制结构受损严重。经验教训：剪力墙结构抗震性能良好。b)剪力墙在平面布置上偏心将导致建筑扭转破坏。c)许多框架结构主体未破坏，但填充墙裂缝严重，甚至倒塌。d)刚度大而强度相对较低的部位或构件破坏严重，如楼梯间。e)装配式钢架混凝土结构的破坏多发生在连接节点上，主要原因是节点的强度不足或冲击韧性差。f)位于滑坡和稳定土体边界上的结构遭到严重破坏，应当避开这样的区段。g)施工质量低劣为造成震害的重要因素之一。如因为混凝土施工缝而导致破坏，对施工质量缺乏认真检查。6.1964年日本新瀉地震7.4级，震中烈度8度，震源深度60km，地震后的28min内发生三次海啸，淹没了市中心的大部分。经验：①刚性较大的建筑有效地抵抗地基不均匀沉降而使主体结构破坏轻微。②饱和砂土地区的多层建筑应采用桩基、管桩和沉箱，以防止场地液化引起上部结构倾覆。7.1967年委内瑞拉加拉加斯地震6.3级，震中烈度8度，加拉加斯地面加速度0.06~0.08g。当冲积层厚度大于160m时，14层以上的建筑物破坏显著加重，而基岩或薄冲积层上的高层建筑几乎未遭破坏。经验教训：①非结构构件和非抗侧力构件对结构预期的抗震性能影响较大。②倾覆力矩的影响超过了以往的估计。如某旅馆由于剪力墙弯曲压力而导致下部内柱破坏严重。③证明在混凝土构件的所有侧面配置纵向钢筋是有效的。④框架中的刚度突变部位是一个危险区域。⑤对混凝土柱的要求：地震区应比非地震区严格。连接处的强度应与被连接构件相同，甚至更强。⑥与剪力墙相连的楼板受力很大。⑦应注意扭转作用、屋顶水箱的设计、楼梯在地震后仍能使用等问题。⑧要考虑地震时基础和地基对上部结构的影响。8.1968年日本十胜冲地震8级，主震持续80s，水平加速度峰值0.18~0.28g。从计算上，绝大多数钢筋混凝土结构在0.18g时应在弹性阶段，但震害严重，突出的是短柱剪切破坏，说明钢筋混凝土柱的抗剪设计存在问题。震害特点：①剪力墙较多的建筑几乎无震害。②框—剪结构是否破坏，不仅取决于剪力墙的数量，还取决于剪力墙的长度。③纯框架结构：因柱子压坏而倒塌，有的虽未倒塌但柱子破坏严重；扭转效应明显。9.1970年秘鲁地震7.8级，震源深度56km，持续45s，20万栋建筑损坏。土坯及砖石房屋：砖砌房屋80%倒塌或严重破坏，但砖墙中设有钢筋混凝土梁柱的混合结构破坏轻得多。钢筋混凝土框架结构：一般损坏轻微。但当底层为开敞无墙的商店时，柱端剪弯折断。钢框架本身无损，但在连接及次要结构上有损坏。经验：场地覆盖层厚时，房屋损坏严重；施工质量直接影响房屋抗震效果。10.1971年美国圣费尔南多地震6.6级，震中烈度8度强。震源很浅，造成大量地震永久变形，加重了建筑震害。主要经验：①对于框架角柱的设计应予特别的注意。②要考虑倾覆力矩的影响。③注意框架节点的设计及施工质量。④必须考虑楼板、楼梯、填充墙等非结构构件的加劲作用。⑤平面布置中应考虑相邻建筑物之间的不同的动力特性。⑥防震缝若不能充分地防止变形时的碰撞，则必须考虑撞击作用。⑦电梯的各部分应适当地固定在主体结构上。研究此次地震的意义：a)取得了200多个强度加速度记录；20层以上建筑物顶部最大加速度为底部的1.5~2.0倍。b)对于医院、消防单位以及学校、人员很多的房屋，应保证在地震时不中断使用。c)促进了抗震设计理念的跨越式发展。工程界认为，当时的美国规范已经很完善。此次地震则表明，按其设计的许多房屋发生了严重破坏。加州工程师协会在78年提出的报告中引入了结构线性动力分析方法，并尝试对抗震设计的风险水准进行量化。11.1972年尼加拉瓜马那瓜地震震级6.5级，但马那瓜70%以上的房屋倒塌。主要经验：①避免结构布置偏心。②当建筑的两个方向强度不一致时，应在薄弱的方向上采取消耗地震能量的措施。③设计时应考虑三角拱支撑等对柱子受力形式的改变。④壳体结构应加强边缘结构的抗侧力强度和刚度。⑤结构的耗能能力和动力性能直接决定其抗震安全性。12.1976年中国唐山地震时间：1976年7月28日凌晨3点；震级7.8级；震源深度：12~16km；震中烈度11度。地震发生在人口稠密的城市且正值人们沉睡的时间，在当时唐山又属于不设防的6度区，地震造成的损失和人员伤亡极其严重。位于震中的路南区成了一片废墟，路北区绝大多数建筑塌毁，仅少数幸存（凤凰山以北），受波及的天津、北京也有大量建筑受损。经验教训：①重视地基基础的抗震措施。②房屋平、立面布置应简单合理。③多层砖房应设置圈梁，加强内外墙拉结。④房屋转角部位受力复杂。⑤结构变形缝宽度要够用。⑥屋顶局部突出部位破坏严重。⑦建筑抗震设防目标要考虑在罕遇地震作用下房屋不至于倒塌伤人。13.1985年墨西哥地震主震8.1级，强余震7.5级，震源深度33km，震中距墨西哥城400km。墨西哥城很多房屋建在表层为30~50km冲积层的软土地基上，建筑物倾斜、下沉（有的下沉一层）普遍，有的建筑翻倒和地桩拔出（十分罕见）。而同属墨西哥城的西部火山岩地带上的建筑的破坏要轻得多。此外，共振效应引起的灾害不容忽视。以9~12层建筑破坏比例最大，其自振周期与场地卓越周期接近。14.1994年美国北岭地震6.7级，震中距洛杉矶35km.商业建筑特别是大型停车场破坏严重；焊接抗弯钢框架的节点出现大量裂缝。此次地震死亡人数仅57人，但财产损失高达200多亿美元，引起了工程界对单一设防目标的反思。15.1995年日本阪神地震震级7.2级，震源深度17km，属城市直下型地震。按日本1981年规范设计的高层和超高层建筑震后完好，隔振房屋表现良好，经过处理的人工回填基础上的高层建筑经受了振动和液化的考验。老旧房屋、交通运输系统及供水系统破坏严重。震害向现有抗震设计理论和方法提出了新的挑战（软土地基的抗震、竖向地震影响、抗震计算等）。16.1999年台湾集集地震7.3级，震源深度8km，强烈的地震导致巨大的地面变形和地质破坏，震中区的建筑物破坏严重。经验教训：①设计对应的加速度峰值0.23g，而实际地震的加速度为0.5~0.6g。②建筑场地：断层两侧6km地区内受损建筑占受损总数的60%；地基液化使某些地区破坏严重；③盆地效应：台北（距震中150km）的场地特征周期与某些结构自振周期相近，导致300多栋建筑物损坏。④因概念设计存在明显缺陷造成破坏。⑤施工质量差及缺乏日常管理（使用中擅自拆墙、破坏梁柱、进行不当的增层和扩建等）。17.2003年阿尔及利亚地震6.8级，震源深度约为10km,震中烈度10度，严重破坏区140km×50km。经验教训：①应将城镇中私人建房纳入审批管理程序。虽然私人建房绝大部分为框架结构，但结构不合理，施工质量存在诸多问题。②注意加强工程地质勘察工作。该国没有工程地质勘察技术标准。③注意结构的构造措施。存在填充墙不与主体拉结、框架柱顶留施工缝、节点区无箍筋及梁柱端箍筋不加密等问题。18.2008年中国汶川地震矩震级7.9级，面波震级8.0，震中位于汶川县映秀镇（东经103.4°，北纬31.0°),震中烈度11度，地下破裂面从汶川县开始，以3.1km/s的平均速度传播，破裂长度约300km，破坏过程持续近120s，最大错动量9m，在震中区造成灾难性的破坏，同时引起大量山体滑坡和泥石流，冲毁许多城镇和村庄，大量的人员和房屋一起被埋没。经验教训：①20世纪80年代以来我国的抗震规范经受了大震的考验。凡是严格按照1989或2001