工程抗震-1

《工程结构抗震》本课程的主要内容•地震发生的机理及其地震对工程结构的作用•地震引起的工程结构破坏特征•地震波传播、场地（基础）抗震•地面结构地震反应计算方法（基本方法）•建筑结构、桥梁结构、构筑物、地下结构抗震设计•结构抗震概念设计•减、隔震设计的基本概念第一章地震发生机理及其对工程结构的作用1.1地震类型•自然地震分为火山地震、陷落地震、诱发地震和构造地震四种•火山地震：火山爆发引起的地震•陷落地震：由于地表或者地下岩层塌陷引起的地震•诱发地震：水库积水等改变地壳的应力状态引起的地震•构造地震：地壳运动引起的地震•构造地震是主要的地震形式，是由于地壳运动过程中积蓄的应变能达到岩石极限状态时，岩石断裂瞬间释放出巨大能量所产生的地震现象。1.2构造地震的发生机理•地球表面（地壳）有十几块板块组成，且刚度非常大；•地幔与地壳之间存在不连续界面，地幔表面由于内部温度差引起地壳板块非常缓慢地运动和不断积蓄应变能（每年大致几cm至10几cm的速度运动），当地壳积蓄的应变达到岩石极限时，岩石断裂引起大量应变能向四周释放，发生地震。所以地震是由于岩石断裂所致，断层位置（断裂位置）为震源。1.3构造地震类型构造地震还可以进一步细分为•板块边界型地震；•板块内部浅源破碎型地震；•板块内部深源破碎型地震；•地表面附近的活断层。•浅源地震在地表面往往会出现较大裂缝，而且对地面结构物破坏力非常强；•不同地震类型对工程结构的影响不完全相同，但是目前在设计中考虑这些因素还有些困难，有待于数据的积累。中国地壳运动以及地震分布情况地壳运动地震分布1.4地震活动分布地震活动分布取决于地壳运动，世界两大地震带为：•一是环太平洋地震带，该地震带沿着南、北美洲西海岸，经阿拉斯加、千岛群岛、日本列岛，至我国台湾省和菲律宾群岛一直到新西兰。这条地震带是最活跃的地震带，集中了全世界80%以上的地震，释放的地震能量占全球的75%。•二是欧亚地震带，大致从印尼西部，缅甸经我国横断山脉，喜玛拉雅山地区，经中亚细亚到地中海，又称喜玛拉雅—地中海地震带。中国地震带：•我国是世界上地震较活跃的国家之一，地处环太平洋地震带上的台湾省发生强震密度和平均震级占全国首位。境内其它主要的地震活动区有：（1）包括福建、广东两省及江西、广西邻近的一小部分东南沿海地区，该区的地震发生受到大致与海岸线平行的新华夏系北东向活动断裂控制；（2）华北太行山沿线和京津唐地区；（3）青藏高原和四川、云南西部；（4）西北的新疆、甘肃和宁夏地区。中国地震分布(5-8.9级)1.5震中、震源深度、震中距离•震中距离:地面上任何一点到震中的直线距离,近震(100-1000KM)\远震(1000KM以上)\地方震,极震(100KM以下)•浅源地震：震源深度70km(有些说60km)以内(破坏力强)•中源地震：震源深度70-300km以内•深源地震：300km以上1.6地震强度和地震烈度(1)地震强度—震级•国际上通用的地震强度为震级(M)(Earthquakemagnitude)。震级概念是由Richter在1935年提出来一直沿用至今，它是根据离震中100km的地方WoodAnderson地震仪（周期0.8s，阻尼系数0.8，放大倍数2800）记录到的最大振幅A(单位μm)作对数计算得到的值。M=lg(A)+σ(Δ)•由于现实中很难测到震中100km位置的地震记录，因此，根据地震记录计算震级时需要对地震记录位置进行换算，不同国家由于采用的仪表性能有一定的差异，换算方法也不一致。•目前，国际上用精度比较高的表面波震级（由于高频衰减快，上述方法在远距离不容易测到高频位移，故用面波）。用地震面波质点运动的测定方法计算公式为：M=lg(A/T)max+σ(Δ)式中：A为地震面波最大的动位移，取两水平分向地动位移的矢量和(μm)；T为周期(S)；Δ为震中距。测量最大地动位移的两水平分量时，要取同一时刻或周期相差在1/8周之内的震动。若两分量周期不一致时，则取加权和：T=(TN×AN+TE×AE)/(AN+AE)式中：AN------南北分量地动位移，μm；AE------东西分量地动位移，μm；TN-------AN的相应周期，S；TE-------AE的相应周期，S；量规函数σ(Δ)为：σ(Δ)=1.66lgΔ+3.5震级M应根据多台的平均值确定。•矩震级•因为里氏震级是一个指数单位，在地震强到一定程度上的时候（8.2级以上），将很难精确地反应地震强度和震级之间的对应关系，也就是出现了所谓的“震级饱和“问题。•从反映地震断层错动角度出发，人们提出了一种新的震级标度：矩震级。是根据断层错动引起的地震强度进行直接测量的方法。•M0为地震矩，μ为剪切模量，D为震源断裂面积上的平均位错量；S为断裂面积。02lg6.063wMM=-0MDs=μ0.00.10.20.30.40.50.60.000.010.101.0010.00100.00地震震级M表示了在一次地震中所释放的能量多少，它与地震能量E（单位10-7J，J为焦耳）有如下的关系式因此，地震能量是以101.5M的比例增加，每增加1个震级，地震能量将增加32倍，若震级增加2，地震能量则增加1000倍。由于地壳可以积蓄的应变能是有极限的，因此，地震的震级不可能无限增加，迄今为止很少有超过9级的地震。ergME5.18.11log震级与能量的关系震级大致相应TNT当量实例1.030kg建筑爆破2.01吨二战期间常规炸弹3.030吨2003年大型燃料空气炸弹4.01千吨小型原子弹5.03.3万吨美国在日本广岛、长崎投放的原子弹6.0100万吨1994年美国内华达州DoubleSpringFlat地震7.03400万吨目前最大型的原子弹8.011亿吨2008年汶川大地震(8.0级-2008年5月18日修订)9.0350亿吨2004年印度洋大地震(2)地震烈度•震级表示的地震强度是指一次地震中释放能量的规模，地震对地面结构物的影响除了受到震级大小的影响外，还与震源深度、震中距离、地表土层的振动特性有关。震源距离大则地震影响小，相反就大。为了衡量一次地震中某确定地点受到地震影响的大小，在抗震设计中引入了地震烈度（I）的感念，大小是以震害指数来衡量的。•地震烈度(Earthquakeintensity)是根据地震时地面上的感觉、物品的震动响应、结构物的受灾情况、地表面的运动强度等参数规定的地震影响等级。•地震烈度是工程抗震设计的依据。(3)烈度分级不同国家对地震烈度的分级不同（但震级的划分是相同的）•我国最高采用XII度•美国采用XIII度•日本则采用VII度•我国烈度表(中国烈度区划图)是以过去地震中的震害调查结果为依据的。根据统计资料，烈度I与地面加速度峰值a和速度峰值v之间有如下的关系σIvσIa0.13.0log3.0log中国地震烈度表（1999年）烈度在地面上人的感觉房屋震害程度其他震害现象水平向地面运动震害现象平均震害指数峰值加速度m/s2峰值速度m/sⅠ无感---------------Ⅱ室内个别静止中人有感觉---------------Ⅲ室内少数静止中人有感觉门、窗轻微作响---悬挂物微动------Ⅳ室内多数人、室外少数人有感觉，少数人梦中惊醒门、窗作响---悬挂物明显摆动，器皿作响------Ⅴ室内普遍、室外多数人有感觉，多数人梦中惊醒门窗、屋顶、屋架颤动作响，灰土掉落，抹灰出现微细烈缝，有檐瓦掉落，个别屋顶烟囱掉砖---不稳定器物摇动或翻倒0.31(0.22—0.44)0.03(0.02—0.04)Ⅵ多数人站立不稳，少数人惊逃户外损坏－墙体出现裂缝，檐瓦掉落，少数屋顶烟囱裂缝、掉落0—0.10河岸和松软土出现裂缝，饱和砂层出现喷砂冒水；有的独立砖烟囱轻度裂缝0.63(0.45—0.89)0.06(0.05—0.09)Ⅶ大多数人惊逃户外，骑自行车的人有感觉，行驶中的汽车驾乘人员有感觉轻度破坏－局部破坏，开裂，小修或不需要修理可继续使用0.11—0.30河岸出现坍方；饱和砂层常见喷砂冒水，松软土地上地裂缝较多；大多数独立砖烟囱中等破坏1.25(0.90—1.77)0.13(0.10—0.18)Ⅷ多数人摇晃颠簸，行走困难中等破坏－结构破坏，需要修复才能使用0.31—0.50干硬土上亦出现裂缝；大多数独立砖烟囱严重破坏；树稍折断；房屋破坏导致人畜伤亡2.50(1.78—3.53)0.25(0.19—0.35)Ⅸ行动的人摔倒严重破坏－结构严重破坏，局部倒塌，修复困难0.51—0.70干硬土上出现地方有裂缝；基岩可能出现裂缝、错动；滑坡坍方常见；独立砖烟囱倒塌5.00(3.54—7.07)0.50(0.36—0.71)Ⅹ骑自行车的人会摔倒，处不稳状态的人会摔离原地，有抛起感大多数倒塌0.71—0.90山崩和地震断裂出现；基岩上拱桥破坏；大多数独立砖烟囱从根部破坏或倒毁10.00(7.08—4.14)1.00(0.72—1.41)Ⅺ---普遍倒塌0.91—1.00地震断裂延续很长；大量山崩滑坡暂缺暂缺Ⅻ---------地面剧烈变化，山河改观暂缺暂缺注：表中的数量词：“个别”为10%以下；“少数”为10%－50%；“多数”为50%－70%；“大多数”为70%－90%；“普遍”为90%以上。说明:•1、用本标准评定烈度时，Ⅰ度－Ⅴ度以地面上人的感觉及其他震害现象为主；Ⅵ度－Ⅹ度以房屋震害和其他震害现象综合考虑为主，人的感觉仅供参考；Ⅺ度－Ⅻ度以地表震害现象为主。•2、在高楼上人的感觉要比地面上室内人的感觉明显，应适当降低评定值。•3、表中房屋为未经抗震设计或加固的单层或数层砖混和砖木房屋。相对建筑质量特别差或特别好以及地基特别差或特别好的房屋，可根据具体情况，对表中各烈度相应的震害程度和平均震害指数予以提高或降低。•4、平均震害指数可以在调查区域内用普查或随机抽查的方法确定。•5、在农村可按自然村为单位，在城镇可按街区进行烈度的评定，面积以1Km2左右为宜。•6、凡有地面强震记录资料的地方，表列水平向地面峰值加速度和峰值速度可作为综合评定烈度的依据。(4)中国地震烈度区划图•在工程结构抗震设计规范中，引入了地震基本烈度的概念,并对各地的地震基本烈度进行划分(中国地震烈度区划图)。•基本烈度是指一个地区在一定期限内，在一般场地条件下可能遇到的最大地震烈度，它是预计未来一个时期地区可能遭受最大地震影响指标。我国的基本烈度为50年内超越概率约10%。•基本烈度对结构设计的经济性和风险性有比较大的影响，若采用比较小的基本烈度，不能保证结构抗震安全，安全风险大。相反，采用比较高的烈度使得结构设计偏于保守，增加工程建设费用。•基本烈度划分图是根据全国各地过去发生的地震灾害统计资料、地质构造等情况，在充分考虑了风险性与设计经济性关系的基础上制定的，作为结构抗震设计的依据。中国地震烈度区划图1.7工程抗震设防标准（1）《建筑工程抗震设防分类标准》（GB50223-2008）1）特殊设防类（甲类）：重大工程、次生灾害严重的特殊工程；设防标准通过地震安全评价决定2）重点设防类（乙类）：地震中功能不能中断或者地震伤亡巨大的工程；设防标准高于本地区基本烈度（一般高一度）3）标准设防类（丙类）：一般工程；设防标准等于本地区基本烈度4）适度设防类（丁类）：地震破坏带来的危险性相对比较小的工程（仓库等）。设防标准等于本地区基本烈度（适当降低）（2）抗震设防烈度根据发生概率分小震烈度、中震烈度、大震烈度小震烈度：多遇地震，相当于50年一遇的地震（超越概率63%）中震烈度：设计地震（基本烈度），474年一遇（超越概率10%）大震烈度：罕遇地震，1600-2500年一遇（超越概率2-3%）（3）抗震设防目标建筑物：小震不坏：在多遇地震作用下，结构不损坏中震可修：在等于设计地震（基本烈度）作用下，结构可以有较轻微的损坏，但不危及安全，经修复可正常使用大震不倒：在罕遇地震作用下，不发生倒塌采用两个阶段设计：小震、大震城市桥梁：3.1.1城市桥梁应按其在城市交通网络中位置的重要性以及承