建筑结构抗震设计基本知识

单元21建筑结构抗震设计基本知识学习目标】1、能够对抗震的基本概念、抗震设防目标和抗震设计的基本要求知识点掌握。2、能够具备砌体结构房屋和钢筋混凝土框架房屋、框架剪力墙结构、剪力墙结构房屋的抗震设计要点，从而为识读平法03G101-1混凝土结构施工图中抗震部分打下基础。【知识点】构造地震；地震波；震级；烈度；抗震设防；抗震设计的基本要求；钢筋混凝土框架房屋的抗震规定。【工作任务】任务1建筑结构抗震设计基本知识【教学设计】通过带领学生观看地震灾害照片，让学生对抗震设计的必要性有一个清楚的认识，从而为识读平法03G101-1混凝土结构施工图中抗震部分打下基础，为今后识读结构施工图、胜任施工员岗位打下基础。21.1地震基本知识21.1.1地震21.1.1.1构造地震地震是由于某种原因引起的地面强烈运动（见图21-1）。是一种自然现象，依其成因，可分为三种类型：火山地震、塌陷地震、构造地震。由于火山爆发，地下岩浆迅猛冲出地面时引起的地面运动，称为火山地震。此类地震释放能量小，相对而言，影响范围和造成的破坏程度均比较小；由于石灰岩层地下溶洞或古旧矿坑的大规模崩塌引起的地面震动，称为塌陷地震。此类地震不仅能量小，数量也小，震源极浅，影响范围和造成的破坏程度均较小；由于地壳构造运动推挤岩层，使某处地下岩层的薄弱部位突然发生断裂、错动而引起地面运动，称为构造地震；构造地震的破坏性强影响面广，而且频繁发生，约占破坏性地震总量度的95％以上。因此，在建筑抗震设计中，仅限于讨论在构造地震作用下建筑的设防问题（见图21-2）。地壳深处发生岩层断裂、错动的部位称为震源（见图21-3）。这个部位不是一个点，而是有一定深度和范围的体。震源正上方的地面位置叫震中。震中附近地面震动最厉害，也是破坏最严重的地区，称为震中区。地面某处至震中的水平距离称为震中距。把地面上破坏程度相似的点连成的曲线叫做等震线。震中至震源的垂直距离称为震源深度。根据震源深度不同，可将构造地震分为浅源地震(震源深度不大于60km)，中源地震(震源深度60～300km)，深源地震(震源深度大于300km)三种。我国发生的绝大部分(地震都属于浅源地震，一般深度为5～40km)。浅源地震造成的危害最大。如唐山大地震的断裂岩层深约1lkm，属于浅源地震，发震构造裂缝带总长8km多，展布范围30m，穿过唐山市区东南部，这里就是震中，市内铁路两侧47km的区域属于极震区。21.1.1.2地震波当地球的岩层突然断裂时，岩层积累的变形能突然释放，这种地震能量一部分转化为热能，一部分以波的形式向四周传播。这种传播地震能量的波就是地震波。总之，地震波的传播以纵波最快，横波次之，面波最慢。在离震中较远的地方，一般先出现纵波造成房屋的上下颠簸，然后才出现横波和面波造成房屋的左右摇晃和扭动。在震中区，由于震源机制的原因栅地面扰动的复杂性，上述三种波的波列：几乎是难以区分的。图21-3地震波示意图21.1.1.3震级震级是按照地震本身强度而定的等级标度，用以衡量某次地震的大小，用符号M表示。震级的大小是地震释放能量多少的尺度，也是表示地震规模的指标，其数值是根据地震仪记录到的地震波图来确定的。一次地震只有一个震级。目前国际上比较通用的是里氏震级。它是以标准地震仪在距震中100km处记录下来的最大水子地动位移(即振幅A，以“μm”计)的常用对数值来表示该次地震的震级，其表达式如下：M=lgA一般说来，M2的地震人是感觉不到的，称为无感地震威微震；M=2～5的地震称为有感地震；M5的地震，对建筑物要引起不同程度的破坏，统称为破坏性地震；M7的地震称为强烈地震或夫地震；M8的地震称为特大地震。21.1.1.4烈度21.1.1.4.1地震烈度地震烈度是指某地区的地面及建筑物遭受到一次地震影响的强弱程度，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，但它对不同地点的影响是不一样的。一般说，距震中愈远，地震影响愈小，烈度就愈低；反之，距震中愈近，烈度就愈高。此外，地震烈度还与地震大小、震源深度、、地震传播介愿、丧土性质、建筑物动力特性、施工质量等许多、因素有关。为评定地震烈度，需要建立一个标准，这个标准就称为地震烈度表。它是以描述震誊宏观现象为主并参考地面运动参数，即根据建筑物的损坏程度,地貌变化特征，地震时人的感觉，家具动作反应和地面运动加速度峰值、速度峰值等方面进行区分。目前国际上普遍采用的是划分为12度的地震烈度表。21.1.1.4.2多遇烈度、基本烈度、罕遇烈度近年来，根据我国，华北、西北和西南地区地震发生概率的统计分析，同时，为了工程设计需要作了如下定义：50年内超越概率为63．2％地震烈度为多遇烈度，重现期为50年，并称这种地震影响为多遇地震或小震；50年超越概率为10％的烈度即1990中国地震烈度区划图规定的地震基本烈度或新修订的中国地震动参数区划图规定的峰值加速度所对应的烈度为基本烈度，重现期为475年，并称这种地震影响为设防烈度地震或基本地震；对50年超越概率为2％～3％的烈度为罕遇烈度，重现期平均约2000年，其地震影响为罕遇地震或大震。21.1.1.4.3抗震设防烈度、设计地震分组为了进行建筑结构的抗震设防，按国家规定的权限批准审定作为一个地区抗震设防依据的地震烈度，称为抗震设舫烈度。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地震基本烈度。抗震设计时，对同样场地条件、同样烈度的地震，按震源机制、震级大小和远近区别对待是必要的，《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)(以下简称《抗震规范》)将设计地震分为三组。我国主要城镇(县级及县级以上城镇)中心地区的抗震设防烈度、设计基本地震加速度值和所属的设计地震分组见《抗震规范》附录A。21.1.1.4.4抗震设防抗震设防的一般目标抗震设防是指对房屋进行抗震设计和采取抗震措施，来达到抗震的效果。抗震设防的依据是抗震设防烈度。结合我国的具体的情况，《抗震规范》提出了三水准”的抗震设防目标。第一水准——小震不坏当遭受低于：本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，建筑物二般不受损坏或不需修理仍可继续使用。第二水准——中震可修当遭受到相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，建筑物可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。第三水准——大震不倒当遭受到高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。21.1.2抗震设计的基本要求21.1.2.1选择对抗震有利的场地、地基和基础21.1.2.2选择有利于抗震的平面和立面布置21.1.2.3选择技术上、经济上合理的抗震结构体系21.1.2.4抗震结构的构件应有利于抗震21.1.2.5保证结构整体性，并使结构和连接部位具有较好的延性21.1.2.6非结构构件应有可靠的连接和锚固21.1.2.7注意材料的选择和施工质量【工学结合】通过多媒体教学，参观我国唐山、汶川大地震照片，增强学生的爱国主义精神，用自己的实际行动，好好学习，能够对地震的基本知识进行了解。21.2抗震设计的基本要求21.2.1地基和基础抗震措施21.2.1.1地基抗震措施可液化地基、容易产生震陷的软弱黏性土地基和严重不均匀地基，属于对建筑抗震不利的地基，应分别采取不同的抗震措施，来提高它们的抗震能力。在地下水位以下的松散的饱和砂土和饱和粉土，在受到地震作用时，土颗粒间有压密的趋势，使土中孔隙水压力增高，当孔隙水来不及排出时。，将致使土颗粒处于悬浮状态，形成有如“液体”一样的现象，称为液化。饱和砂土和饱和粉土在静载作用下，具有一定的承载能力，但在强烈地震作用下容易产生液化现象，土体的抗剪强度几乎为零，地基承载力完全丧失。建筑物如同处于液体之上，造成下陷、浮起、倾倒、开裂等难以修复的破坏。地震宏观调查表明，影影响液化的因素主要是地质年代、土中黏粒含量、上覆非液化土层厚度和地下水位、土的密实度及地震烈度。建筑抗震以预防为主。当建筑物地面似下5m范围内有饱和砂土或饱和粉土(不含黄土)时，应经过勘察试验进行液化判别。存在液化土层的地基，应根据建筑的抗震设防类别，地基的液化等级，结合具体情况采取相应的措施。抗液化措施分为以下三种情况：21.2.1.1.1全部消除地基液化沉陷的措施（1)采用桩基时，桩端伸人液化深度以下稳定土层中的长度不包括桩尖部分)，应按计算确定，且对碎石土，砾、粗、中砂，坚硬粘性土和密实粉土尚不应小于O.5m，对其他非岩石土尚不宜小于1．5m；（2)采用深基础时，基础底面应埋入液化深度以下稳定土层中的深度，不应小于0.5m；（3)采用加密法(如振冲，振动加密，挤密碎石桩，强夯等)，加固时，应处理至液化深度下界，振冲或挤密碎石桩加固后，桩尖土的标准贯入锤击数的实测值，应大于相应的临界值；（4)用非液化土替换全部液化土层。对一般建筑此措施不经济。21.2.1.1.2部分消除地基液化沉陷的措施即处理深度不一定达到液化下界而残留部分未经处理的液化土层。从我国目前的技术、经济发展水平来看，此措施较合适。具体要求是：（1)处理深度应使处理后的地基液化指数减少，当判别深度为15m时，其值不宜大于4，当判别深度为20m时，其值不宜大于5；对独立基础与条形基础，尚不应小于基础底面下液化土特征深度和基础宽度的较大值；（2)处理深度范围内，采用振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯人锤击数的实测值，应大于相应的临界值。(3)对基础结构和上部结构采取构造措施。21.2.1.2钢筋混凝土房屋抗震构造措施21.2.1.2.1抗震设计一般规定1.钢筋混凝土房屋适用的最大高度及高宽比限值现浇钢筋混凝土房屋适用的最大高度，甲类建筑应进行专门研究；乙类、丙类建筑可按附表采用，但平面和竖向均不规则的结构或建造于Ⅳ类场地的结构，适用的最大高度一般应降低20%左右。超过表内高度的房屋，应进行专门研究和论证，采取有效的加强措施。结构高宽比系指房屋高度与结构平面最小投影宽度的比值。高层建筑的高宽比不宜超过下表的限值，当超过时，结构设计应有可靠依据，并采取有效措施。表21-1现浇钢筋混凝土房屋高宽比限值结构类型设防烈度6度7度8度9度框架结构4432框架-抗震墙结构5543注：“抗震墙”即剪力墙。2.现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级同样烈度下不同结构体系、不同高度的建筑有不同的抗震要求，因此，钢筋混凝土结构的抗震措施，不仅要按建筑抗震设防类别区别对待，而且要根据抗震等级不同而异。钢筋混凝土房屋的抗震等级根据烈度、结构类型和房屋高度确定。按建筑类别和场地调整后用于确定抗震等级的烈度见表。3.防震缝与抗撞墙框架-抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用框架结构规定数值的70％，且不宜小于70mm。防震缝宽度不够，相邻结构仍可能局部碰撞而损坏，而防震缝过宽会给建筑处理造成困难，故高层建筑宜选用合理的建筑结构方案，不设防震缝。对8、9度框架结构房屋，当防震缝两侧结构高度、刚度或层高相差较大时，可在缝两侧房屋的尽端沿全高设置垂直于防震缝的抗撞墙，每一侧抗撞墙的数量不应少于2道，宜分别对称布置，墙肢长度可不大于一个柱距，防震缝两侧抗撞墙的端柱和框架的边柱，箍筋应沿房屋全高加密。表21-2现浇钢筋混凝土房屋的抗震等级结构类型烈度6789框架结构高度（m）≤30＞30≤30＞30≤30＞30≤25框架四三三二二一一剧场、体育馆等大跨度公共建筑三二一一框架-抗震墙结构高度（m）≤60＞60≤60＞60≤60＞60≤50框架四三三二二一一抗震墙三二一一注：1.接近或等于高度分界时，应允许结合房屋不规则程度及场地、地基条件确定抗震等级；2.表中“框架结构”和“框架”具有不同的含义。前者指纯框架结构，后者泛指框架结构和框架-抗震墙等结构体系中的框架部分。表21-3用于确定抗震等级的烈度建筑类别场地设防烈度6789甲、乙类Ⅰ6789Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ7899+丙类Ⅰ6678Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ6789丁类Ⅰ6678Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ67-8-9-注：7-、8-、9-表示该抗震等级的抗震构造措施可以适当降低，9+表示比9度一级更有效的抗震措施。4.楼盖及屋盖房屋高度超过50m时，框架-抗震