抗震设计讲义

1第一章结构抗震基本知识学习目的：1、了解地震的主要类型及其成因2、了解地震波的运动规律3、掌握震级、地震烈度、基本烈度等术语4、了解地震的三大特性及其规律5、掌握建筑抗震设防分类、抗震设防目标和两阶段抗震设计方法6、了解多遇地震烈度和罕遇地震烈度的确定方法§1.1地震的基本知识㈠地球的构造图到目前为止，所观测到的最深的地震发生在地下700KM左右。因此，可以认为地震仅发生在地球的地壳和地幔上部。㈡地震的类型与成因1、地震按其成因主要分为错动使其薄弱部位发生断裂地壳运动推挤地壳岩层构造地震规模陷落地表或地下岩层突然大陷落地震火山爆发引起的地震火山地震:::前两种地震影响范围和破坏程度较小，而构造地震的分布范围广、破坏作用大，因此，构造地震是我们这门课程的主要研究对象。2、构造地震的成因：在地球内部不断运动的过程中，始终存在着巨大的能量，构成地壳岩层不停地连续变动，2不断地发生变形，而当应力产生的应变超过某处岩层的极限应变时，岩层就会发生突出断裂和错动，从而引起震动，震动以波的形式传到地面，便形成地震。构造地震与地质构造密切相关，这种地震往往发生在地应力比较集中、构造比较脆弱的地段，即原有断层的端点或转折处及不同断层的交会处。地球表面的岩石层不是一块整体，而由六大板块和若干小板块组成，这六大板块即欧亚板块、美洲板块、非洲板块、太平洋板块、澳洲板块和南极板块。由于地幔的地流，这些板块在地幔软流层上异常缓慢而又持久地相互运动着，由于它们的边界是相互制约的，因而板块之间处于张拉、挤压和剪切状态，从而产生应力。地球上的主要地震带就位于这些大板块的交界地区。㈢世界的地震活动世界范围内的两个主要地震带:1、环太平洋地震带：沿南、北美洲西海岸、阿留申群岛，向西南到日本列岛，再经我国台湾省，达菲律宾、新几内亚和新西兰。（世界上大多数地震都发生在这一地震带）2、欧亚地震带：西起大西洋的亚速岛，经意大利、土耳其、伊朗、印度北部、我国西部和西南地区，经缅甸到印度尼西亚与太平洋地震带相衔接。㈣我国的地震活动我国东临环太平洋地震带，南接欧亚地震带，地震分布相当广泛。我国的主要地震带：大别山秦岭昆仑山帕米尔高原南面辽宁北部河北北部山西陕西北面有两条东西地震带云南东北秦岭六盘山贺兰山南北地震带:::)(:根据统计，全国除个别省份（如浙江、江西）外，绝大部分地区都发生过较强的破坏性地震。因此，我们很有必要学习这门课程。㈤近期世界地震活动见教材P3表1-1（打开书）§1.2地震的基本术语㈠震源和震中3图震源：地震发源的地方，即能量释放中心震中：震源正上方的地面位置震中距：地面某处至震中的水平距离震源深度：震源至地面的垂直距离按震源深浅，地震分为：%3300:%12300~70:%8570:以上释放能量深源地震以内释放能量中源地震以内释放能量浅源地震KMKMKM㈡地震波地震波的定义：地震引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播并释放能量，这就是地震波。地震波的分类：)()(:)(:)(::波洛夫波波瑞雷波波在地球表面附近传播的面波波也称次波横波波也称初波纵波在地球内部传播的波体波LRSP地震波的性质：①纵波在传播过程中，其介质质点的振动方向和波的前进方向一致，故又称压缩波或疏密波。②横波在传播过程中，其介质质点的振动方向与波的前进方向垂直，故又称剪切波，它的特点是周期长、振幅大，使建筑物产生上下振动。㈢震级定义：震级是表示地震本身大小的尺度，是按一次地震本身强弱程度而定的等级，国际4上比较通用的是里氏震级。M=logAM——地震震级A——标准地震仪在距震中100KM处记录的以微米为单位的最大水地动位移（即振幅）震级表示一次地震释放能量的多少，所以一次地震只有一个震级。级以上特大地震级以上大震强烈地震级以上破坏性地震级有感地震级震级小于微震8:7:)(5:4~2:2:㈣地震烈度定义：地震烈度表示地震时一定地点地面振动强弱程度的尺度。对于一次地震，表示地震大小的震级只有一个，但它对不同地点的影响不同，离震中距越近，影响越大，烈度越高；离震中距越远，影响越小，烈度越低。影响地震烈度的因素：建筑物的动力特性表土性质地震传播介质震源深度地震的大小离震中的距离震中烈度与震级的对应表震级M2345678＞8震中烈度I01-234-56-77-89-101112中国的地震烈度划分为12个等级，见下表：5烈度人的感觉一般房屋其他现象参考物理指标大多数房屋震害程度平均震害指数水平加速度（cm/s2）水平速度(cm/s)1无感2室内个别静止中的人感觉3室内少数静止中的人感觉门、窗轻微作响悬挂物微动4室内多数人感觉;室内少数人感觉;少数人梦中惊醒门、窗作响悬挂物明显摆动，器皿作响5室内普遍感觉；室外多数人感觉；多数人梦中惊醒门窗、屋顶、屋架颤动作响，灰土掉落，抹灰出现微细裂缝不稳定器物翻倒31（22~44）3（2~4）6惊慌失措，仓惶逃出损坏个别砖瓦，掉落、墙体微细裂缝0~0.1岸和松软土上出现裂缝。饱和砂层出现喷砂冒水。地面上有的砖烟囱轻度裂缝、掉头63（45~89）6（5~9）7大多数人仓惶逃出轻度破坏——局部破坏、开裂但不妨碍使用0.11~0.30河岸出现坍方。饱和砂层常见喷砂冒水。松软土上地裂缝较多。大多数砖烟囱中等破坏125（90~177）13（10~18）8摇晃颠簸，行走困难中等破坏——结构受损，需要修理0.31~0.50干硬土上亦有裂缝。大多数砖烟囱严重破坏250（178~353）25（19~35）9坐立不稳，行动的人可能摔跤严重破坏——墙体龟裂、局部倒塌，修复困难0.51~0.70干硬土上有许多地方出现裂缝，基岩上可能出现裂缝。滑坡、坍方常见。砖烟囱出现倒塌500(354~707)50(36~71)10骑自行车的人会摔倒；处不稳状态的人会摔出几尺远；有抛起感倒塌——大部倒塌，不堪修复0.71~0.90山崩和地震断裂出现。基岩上的拱桥破坏。大多数砖烟囱从根部破坏或倒塌1000(708~1414)100(72~141)11毁灭0.91~1.00地震断裂延续很长。山崩常见。基岩上拱桥毁坏12地面剧烈变化、山河改观6§1.3地震的特性描述地震的主要特性的三个要素：)(即持续时间持时频谱地震的幅值地震的幅值：是运动的加速度、速度或位移的最大值。目前采用最多的地震幅值是地面运动最大加速度幅值。它可以描述地面震动的强弱程度，且与震害有着密切关系。地震动频谱特性：是指地震动对具有不同自振周期的结构的反应特性，通常可以用反应谱、功率谱和傅里叶谱来表示。而反应谱是工程中最常用的形式，已成为工程结构抗震设计的基础。地震动的持时特性：在相同的地面运动最大加速度作用下，当强震的持续时间长，则该地点的地震烈度高，结构物的破坏重，反之亦然。§1.4工程结构的抗震设防㈠基本术语：抗震设防烈度：按国家规定的权限作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。抗震设防标准：衡量抗震设防要求的尺度，由抗震设防烈度和建筑使用功能的重要性确定。地震作用：地面运动发生时在上部结构质点处产生的惯性力，包括水平地震作用和竖向地震作用。设计地震的参数：抗震设计用的加速度（速度、位移）时程曲线、加速度反应谱和峰值加速度。设计基本地震加速度：50年设计基准期超越概率10%的地震加速度的设计取值。设计特征周期：抗震设计用的地震影响系数曲线中，反映地震震级、震中距和场地类别等因素的下降段起始点对应的周期值。抗震措施：除地震使用计算和抗力计算以外的抗震设计内容，包括抗震构造措施。抗震构造措施：根据抗震概念设计原则，一般不需要计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。㈡地震影响和抗震设防烈度抗震设防烈度，一般情况下可采用中国地震动区划图的地震基本烈度或与《建筑抗震设计规范》GB50011——2001中设计基本地震加速度对应的烈度值。《抗震规范》规定，抗震7设防烈度为6度及以上地区的建筑，必须进行抗震设计。抗震设防烈度和设计基本地震加速度值的对应关系：抗震设防烈度6度7度8度9度设计基本地震加速度值0.05g0.10(0.15)g0.20(0.30)g0.40g建筑所在地区遭受的地震影响，应采取相应抗震设防烈度的设计基本地震加速度和设计特征周期或规定的设计地震动参数来表征。而建筑的设计特征周期应根据其所在地的设计地震分组和场地类别来确定。《抗震规范》用设计地震分组来体现震级和震中距的影响，建筑工程的设计地震分为三组表示较远震中距三组二组表示近震中距一组全国各地区地震分组参见《抗震规范》。㈢建筑的分类1、根据建筑物使用功能的重要性，按其地震破坏产生的后果，将建筑物分为四类：甲类——特别重要，破坏会产生严重后果乙类——地震时使用功能不能中断，如城市生命线工程及救灾需要的建筑丙类——除甲、乙、丁类以外的建筑（一般工业与民用建筑）丁类——次要建筑2、各类建筑的设防标准：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：在6~8度时，设防烈度应提高一度；在9度时，要求应比9度设防烈度更高。乙类建筑：地震作用：符合本地区抗震设防烈度抗震措施：在6~8度时，设防烈度应提高一度；在9度时，要求应比9度设防烈度更高。丙类建筑：地震作用：取与本地区相同设防烈度抗震措施：取与本地区相同设防烈度丁类建筑：地震作用：与本地区设防烈度相同抗震措施：取本地区设防烈度降低一度要求㈣多遇地震烈度和罕遇地震烈度8根据地震烈度的概率分布曲线（设计基准期为50年）图Im多遇地震烈度：50年内超越概率63.2%——小震（第一水准）Io基本地震烈度：50年内超越概率10%——中震（第二水准）Is罕遇地震烈度：50年内超越概率约2%——大震（第三水准）Im≈Io-1.55度Is≈Io+1度㈤抗震设防目标抗震设防是指对建筑物进行抗震设计和采取抗震构造措施，以达到抗震的效果。三水准设防目标不会倒塌建筑物虽然损坏严重但度的地震时遭遇高于本地区设防烈大震不倒可使用一般修理仍遭遇设防烈度的地震时中震可修理仍可用建筑物不损坏或不需修多遇地震时低于本地区设防烈度的小震不坏,—”“,—”“,—”“㈥两阶段抗震设计方法：通过两阶段设计方法来实现三水准设防目标。第一阶段设计：方案布置合理，按与基本烈度对应的众值烈度（小震）的地震动参数，用弹性反应谱法求得结构在弹性状态下的地震作用标准值和相应的地震作用效应，然后与其他荷载效应按一定的组合系数进行组合，对结构构件截面进行抗震承载力验算，对较高的建筑物还要进行变形验算，这样既满足了第一水准下具有必要的承载力可靠度，又满足第二水准损坏可修的设防要求。再通过概念设计和构造措施来满足第三水准的要求。9第二阶段设计：对少部分结构，如有特殊要求的建筑和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，还要进行第二阶段设计，即在罕遇地震烈度使用下，验算结构薄弱层的弹塑性层间变形，并采取相应构造措施来满足第三水准“大震不倒”的要求。10第二章建筑结构抗震概念设计地震是一种随机事件，有着很大的不确定性，很难准确预测建筑物所遭遇地震的特性和参数。地震的破坏作用和建筑结构破坏的机理是十分复杂的，人们应用真实建筑物的整体试验来厂家地震破坏规律又受到各种条件的限制，因此，建筑物的抗震设计，还只能以总结历次大地震的实践经验为依据。抗震概念设计则是对建筑结构进行正确的选型、合理的布置以及采取有效的抗震构造措施等。由于地震的不确定性和复杂性，以及结构计算模型的假定与实际情况的差异性，使得抗震计算很难有效地控制结构在地震作用下的薄弱环节。在这种条件下，对结构的某一局部作过分精确地计算意义是不大的，因此，抗震概念设计比抗震计算显得更为重要，着眼于建筑总体抗震能力的概念设计，也愈来愈受到国内外工程界的普遍重视。§2.1选择对抗震有利的场地和地基与基础的设计要求地震造成建筑物的破坏，除地震直接引起结构破坏外，还有场地条件的原因，诸如地震引起