建筑抗震设计复习大纲

建筑抗震设计复习大纲教师：王潇碧四川大学锦城学院土建系内容绪论1场地、地基和基础2建筑抗震计算原理3多高层钢筋砼建筑抗震设计4多层砌体结构抗震设计5第一章绪论地震特性地震术语：震源、震中、震中距、震源深度地震类型：分别按成因、按震源深度分类地震波：组成、传播速度地震动：定义、三要素地震烈度：基本烈度第一章绪论地震震害地震引起的破坏形式：破坏直接：地表破坏、建筑物破坏间接：次生灾害•地表破坏：包括地裂缝、地面下沉、喷水冒砂、滑坡等•建筑物破坏：包括房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等•次生灾害：直接灾害发生后，破坏了自然或社会原有的平衡、稳定状态，从而引发出的灾害。第一章绪论抗震设防目标及方法通过抗震设防，减轻建筑的破坏，避免人员死亡，减轻经济损失。通过“三水准”的抗震设防要求和“两阶段”的抗震设计方法实现。•总目标•“三水准”抗震设防目标：小震不坏、中震可修、大震不倒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的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。第一章绪论抗震设防目标及方法•“两阶段”抗震设计方法＊第一阶段：按多遇地震烈度对应的地震作用效应和其它荷载效应的组合验算结构构件的承载能力和结构的弹性变形。——保证了第一水准的强度要求和变形要求＊第二阶段：按罕遇地震烈度对应的地震作用效应验算结构的弹塑性变形。——保证了第三水准的强度要求和变形要求目前一般认为，良好的抗震构造措施有助于实现第二水准建筑抗震设计主要内容•抗震概念设计：根据地震灾害和工程经验等所形成的结构总体设计准则、设计思想，进行结构的总体布置、确定细部构造的设计过程。•抗震计算和验算：为抗震设计提供定量手段。•抗震构造措施：保证结构的整体性、加强局部薄弱环节以及保证抗震计算结果的有效性。第一章绪论建筑抗震概念设计主要内容注意选择有利场地、合理选用建筑体型、采用合理抗震结构体系、进行合理的结构布置、保证非结构构件安全、采用隔震消能技术、确保材料和施工质量等。第一章绪论几个不能混淆的概念•场地：建筑物所在地，在平面上大体相当于厂区、住宅小区、自然村的范围。•场地土：场地范围内的地基土。•地基：建筑基础下受力范围内的土层。第二章建筑场地、地基与基础场地土类型划分方法定量指标：根据地震剪切波速（土层刚度）定性指标：参照岩土状态描述第二章建筑场地、地基与基础覆盖层厚度•覆盖层厚度：是指从地表到地下基岩面的垂直距离，也就是基岩的埋深。•我国规范确定原则：①一般情况下，地面到剪切波速大于500m/s的坚硬土层顶面的距离为场地覆盖层厚度；②当地面5m以下存在剪切波速大于上层土剪切波速2.5倍的土层且下卧岩土层的剪切波速不小于400m/s时，也可取地面至该土层顶面的距离作为覆盖层厚度；③土层中夹有剪切波速大于500m/s的孤石等，应视同周围土层；④土层中的火山岩硬夹层应视为刚体，其厚度应从覆盖层厚度中扣除。第二章建筑场地、地基与基础反应各土层的平均刚度。土的等效剪切波速tdvse/0=siinivdt/1∑==•确定土层计算深度（覆盖层厚度）•计算土层等效剪切波速•确定场地类别（P16表2-2）确定场地的类别场地卓越周期第二章建筑场地、地基与基础•地震作用是附加于原有静荷载上的一种动力作用，作用时间很短，所以只能使土层产生弹性变形而来不及发生永久变形，其结果是地震作用产生的地基变形要比相同条件静荷载产生的地基变形小得多。因此，从地基变形的角度来说，一般土的动承载力都要比其静承载力高；•考虑到地震作用的偶然性和短暂性以及工程结构的经济性，地基在地震作用下的可靠性可以比静力荷载下的适当降低，故在确定地基土的抗震承载力时，其取值应比地基土的静承载力有所提高。地基抗震承载力的特性第二章建筑场地、地基与基础由饱和松散的砂土或粉土颗粒组成的土层，在强烈地震下，土颗粒局部或全部处于悬浮状态，土体的抗剪强度等于零，形成了“液体”的现象。地基土的液化地震时，饱和的砂土或粉土颗粒在强烈振动下发生相对位移，使颗粒结构密实，颗粒间孔隙水来不及排泄而受到挤压，则孔隙水压力急剧增加。当孔隙水压力增加到与剪切面上的法向压应力接近或相等时，砂土或粉土受到的有效剪切压应力趋于零，使土颗粒上浮形成“液化”。液化机理•液化的判别；•液化地基的评价；•地基液化的抗震措施地基抗液化第二章建筑场地、地基与基础•土层的地质年代和组成：土的地质年代越古老，其基本性能越稳定。•土层的相对密度：密实程度小则空隙比大，容易液化。•土的组成与性状：细砂与粗砂比较，由于细砂的透水性较差，地震时容易产生空隙水的超压作用，故细砂比粗砂容易液化。土的粘性颗粒含量越高，则越不易液化。•土层的埋深和地下水位的深度：砂土层的埋深越大，地下水位越深，其饱和砂土层上的有效覆盖层压力越大，则砂土层越不容易发生液化。•地震烈度和地震持续时间：地震烈度越高，地震持续时间越长，饱和的砂土越容易液化。液化影响因素第二章建筑场地、地基与基础我国采用地基液化“两步判别法”！•初步判别法：以地质年代、粘粒含量、地下水位及上覆非液化土层厚度等作为判断条件；•标准贯入试验判别法：初判存在液化可能时，应进行第二步采用试验判别土层是否液化。液化的判别第二章建筑场地、地基与基础第二章建筑场地、地基与基础•经过上述两步判断后，证实地基土确实存在液化的可能趋势，应进一步定量分析；•评价地基土可能造成的危害程度，通常通过计算地基液化指数来实现的。液化地基的评价iicriinilEWdNNI)1(1−=∑=液化指数的物理意义：液化土层愈厚、埋藏愈浅，实测标贯锤击数与临界锤击数相差愈多，则液化指数愈大，液化就愈严重，危害性就愈大。第三章建筑抗震计算原理1.地震作用的计算；2.结构地震反应的计算分析；3.抗震验算。抗震计算主要内容第三章建筑抗震计算原理结构质量的模拟•工程常用集中分布质量的模型进行动力计算，因此结构动力计算简图通常是一个具有若干集中质量的竖向悬臂杆模型（葫芦串）。•根据集中质量的数量多少，结构可分为单质点体系、多质点体系。•根据自由度的数量多少，结构可分为单自由度、多自由度体系。确定计算简图•对多、高层建筑可取结构楼层标高处，其质量等于该楼层上、下各半的区域质量（楼盖、墙体等）之和；•对单层单跨或多跨工业厂房，屋盖结构是主要质量，可集中于各跨屋盖标高处；•当结构无明显质量时（如烟囱），可将结构分为若干区域，而将各区域的质量集中于质心处；第三章建筑抗震计算原理单自由度体系受力分析()[()()]IgFtmxtxt=−+)()(txctFd−=)()(tkxtFe−=惯性力：阻尼力：弹性恢复力：运动方程的建立（单自由度有阻尼体系）)()()(2)(2txtxtxtxg−=++ωζω常系数二阶非齐次线性微分方程第三章建筑抗震计算原理+=体系的地震反应自由振动反应强迫振动反应齐次解特解运动方程的求解方程的通解常微分方程的通解为齐次解与特解之和。当结构体系初位移和初速度为零时，则体系自由振动反应为零；当结构体系初位移和初速度为零时，由于体系有阻尼，体系的自由振动也会很快衰减，一般可不考虑，而仅取强迫振动反应作为单自由度体系水平地震位移反应。第三章建筑抗震计算原理水平地震作用水平地震作用就是地震时结构质点上受到的水平方向的最大惯性力。maxmaxmax||()()||()()|IgFFmxtxtkxtcxt==+=+地震反应谱指单自由度体系最大地震反应与体系自振周期T之间的关系曲线，通常采用加速度反应谱Sa(T)。由地震反应谱可计算单自由度体系水平地震作用：地震作用计算的设计反应谱)(TmSFa=maxmax|()|()|()|gaEEgxtSTFmgGkGgxtβα=•==max|()|gxtkg=max|)(|)(txTSga=ββαk=地震影响系数动力系数地震系数第三章建筑抗震计算原理1.根据计算简图确定结构的重力荷载代表值GE和自振周期T；2.根据结构所在地区的设防烈度、场地类别及设计地震分组，确定反应谱的水平地震影响系数最大值αmax和特征周期Tg；3.根据结构的自振周期，确定地震影响系数α;4.计算出水平地震作用值F。地震作用的计算方法——反应谱法水平地震作用F：EFGα=第三章建筑抗震计算原理多质点体系计算简图一般讲，n层房屋可简化成n个质点的多自由度弹性体系，如果只考虑质点水平方向震动，则体系有多少个质点就有多少个自由度。第三章建筑抗震计算原理多自由度体系运动方程根据计算简图1.计算各质点的水平惯性力；2.计算各质点的弹性恢复力；3.计算各质点的阻尼力；4.写出各质点的动力平衡方程，最后以矩阵形式写出整个体系的运动方程。{}{}{}{}[][][][]gMxCxKxMIx++=−第三章建筑抗震计算原理多自由度弹性体系的自振特性（掌握两自由度计算）1.自振频率及周期（多自由度）12nωωω→→→基本频率(最小)第n阶频率12nTTT→→→2iiTπω=基本周期(最长)第n阶周期第三章建筑抗震计算原理多自由度弹性体系的自振特性2.振型/主振型对应于每阶自振频率下各质点的相对振幅比值，由此得到的体系变形曲线图，称为该阶频率下的振型或主振型。{}=jnjjjXXXX21振型列向量1XXXiji=振型阶数质点序号振型的正交性：彼此独立，线性无关(叠加)第三章建筑抗震计算原理第三章建筑抗震计算原理地震反应分析的振型分解法振型分解法是求解多自由度体系动力反应的重要方法！•求解思路振型分解法的思路是：利用振型的正交性，将耦联的多自由度运动微分方程分解为若干彼此独立的单自由度微分方程，再根据单自由度体系结果分别得出各个独立方程的解，然后再将各个独立解组合叠加，得到总的地震反应。振型是相互独立的向量{}{}qXx][=质点位移向量广义坐标多自由度水平地震作用的计算两种弹性计算方法:①一般振型分解反应谱法;②简化的振型分解反应谱法——底部剪力法。也是我国《建筑抗震设计规范》计算水平地震作用采用的方法。主要思路：利用振型分解法的概念，将多自由度体系分解成若干个单自由度体系的组合，然后引用单自由度体系的反应谱理论来计算各振型的地震作用，该方法通常采用电算。振型分解反应谱法第三章建筑抗震计算原理振型分解反应谱法单自由度体系的最大水平惯性力——水平地震作用为EGtxmFαω==max2|)(|max2|)(|txmFjijijiω=max2max2|)(||)(|tqXmtxmFjjijijijijiωω==max2|)(|tmXjjijij∆=ωγijjijGXαγ=第j振型质点i第三章建筑抗震计算原理振型分解反应谱法∑∑∑∑======nijiinijiinijiinijiijXGXGXmXm121121γ第j振型参与系数我国抗震规范给出了计算结构地震作用效应的“平方和开方”方法（SRSS法），即∑=2jEkSS某振型下的地震作用效应(如楼层侧移、楼层剪力等)前2~3个振型地震作用效应的组合第三章建筑抗震计算原理底部剪力法•主要思路：首先计算出作用于结构总的地震作用，即底部的总剪力，然后将总的地震作用按照一定规律分配到各个质点上，从而得到各个质点的水平地震作用。•满足下列条件：1.高度不超过40m、以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构。2.可近似于单质点体系的结构。第三章建筑抗震计算原理底部剪力法任意质点上的地震作用为iiiiiHCGGXF11111γααγ==结构总水平地震作用标准值（底部总剪力）为∑∑====niiiniiEkHGCFF1111γα111EkniiiFCGHαγ==∑EknjjjiiiFHGHGF∑==1各质点上的地震作用：第三章建筑抗震计算原理结构基本周期的近似计算第三章建筑抗震计算原理3种