建筑结构抗震随堂作业.docx

建筑结构抗震 随堂作业一. 解释名词1. 震级: 震级是指地震的大小；是以地震仪测定的每次地震活动释放的能量多少来确定的。中国目前使用的震级标准，是国际上通用的里氏分级表，共分9个等级，在实际测量中，震级则是根据地震仪对地震波所作的记录计算出来的。地震愈大，震级的数字也愈大，震级每差一级，通过地震被释放的能量约差32倍。由于其与震源的物理特性没有直接的联系，因此现在多用矩震级来表示。 2. 地震烈度：地震烈度（seismic intensity）表示地震对地表及工程建筑物影响的强弱程度。（或释为地震影响和破坏的程度）。是在没有仪器记录的情况下，凭地震时人们的感觉或地震发生后器物反应的程度，工程建筑物的损坏或破坏程度、地表的变化状况而定的一种宏观尺度。 因此烈度的鉴定主要依靠对上述几个方面的宏观考察和定性描述。3. 抗震设防烈度: 按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。一般情况下取基本烈度。但还须根据建筑物所在城市的大小，建筑物的类别、高度以及当地的抗震设防小区规划进行确定。4. 罕遇地震: 罕遇地震为50年超越概率为23%；罕遇地震的7度约为1600年，9度约为2400年。5. 液化: 液化指物质由气态转变为液态的过程，会对外界放热。实现液化有两种手段，一是降低温度，二是压缩体积。由于通常气体液化后体积会变成原来的几千分之一，便于贮藏和运输，所以现实中通常对一些气体（如氨气、天然气）进行液化处理，由于这两种气体临界点较低，所以在常温下加压就可以变成液体，而另外一些气体如氢、氮的临界点很低，在加压的同时必须进行深度冷却。6. 自振周期: 自振周期是结构本身的动力特性。与结构的高度H,宽度B有关。当自振周期与地震作用的周期接近时，共振发生，对建筑造成很大影响，加大震害。结构的自振周期顾名思义是反映结构的动力特性，与结构的质量及刚度有关，具体对单自由度就只有一个周期，而对于多自由度就有同模型中采用的自由度相同的周期个数，周期最大的为基本周期，设计用的主要参考数据7. 底部剪力法: 适用条件：（1）房屋结构的质量和刚度沿高度分布比较均匀（2）房屋的总高度不超过40m（3）房屋结构在地震运动作用下的变形以剪切变形为主（4）房屋结构在地震运动作用下的扭转效应可忽略不计根据地震反应谱理论，以工程结构底部的总地震剪力与等效单质点的水平地震作用相等，来确定结构总地震作用的方法。一种用静力学方法近似解决动力学问题的简易方法，它发展较早，迄今仍然被广泛使用。其基本思想是在静力计算的基础上，将地震作用简化为一个惯性力系附加在研究对象上，其核心是设计地震加速度的确定问题。 该方法能在有限程度上反映荷载的动力特性，但不能反映各种材料自身的动力特性以及结构物之间的动力响应，更不能反映结构物之间的动力耦合关系。但是，拟静力法的优点也很突出，它物理概念清晰，与全面考虑结构物动力相互作用的分析方法相比，计算方法较为简单，计算工作量很小、参数易于确定，并积累了丰富的使用经验，易于设计工程师所接受。但是，应该严格限定拟静力法的使用范围：它不能用于地震时土体刚度有明显降低或者产生液化的场合，而且只适用于设计加速度较小、动力相互作用不甚突出的结构抗震设计。为了克服拟静力法的上述缺陷，一些学者发展了可以部分地反映土体与结构物之间的动力耦合关系的所谓拟动力分析法。迄今为止，已经发展了不少考虑土体-结构物动力相互作用的分析方法，例如子结构法、有限元法、杂交法等。8. 轴压比: 轴压比指柱（墙）的轴压力设计值与柱（墙）的全截面面积和混凝土轴心抗压强度设计值乘积之比值(进一步理解为：柱（墙）的轴心压力设计值与柱（墙）的轴心抗压力设计值之比值)。它反映了柱（墙）的受压情况，建筑抗震设计规范（50011-2010）中6.3.6和混凝土结构设计规范（50010-2010）中11.4.16都对柱轴压比规定了限制，限制柱轴压比主要是为了保证柱的塑形变形能力和保证框架的抗倒塌能力。抗震设计时，除了预计不可能进入屈服的柱外，通常希望框架柱最终为大偏心受压破坏。箍筋对混凝土的约束能够提高混凝土的轴心抗压强度和混凝土的受压极限变形能力。但在计算柱的轴压比时，仍取无箍筋约束的混凝土的轴心抗压强度设计值，不考虑箍筋约束对混凝土抗压强度的提高作用。9. 刚性楼盖: 刚性和柔性是两个对立的概念 在力学中,有刚度和柔度两个物理量与他们对应 刚度是指物体发生单位形变时所需要的力的大小; 柔度则指物体在单位力下所发生的形变大小; 可以看出,刚度越大的物体,其越不容易发生变形;柔度越大的物体越容易发生变形. 一种理想状态,物体的刚度趋近于无穷大(或者物体受力作用其变形小到可以忽略的程度),我们就称该物体为刚体.在力学分析时,可以不考虑其自身形变. 因此,刚性是反映物体形变难以程度的一个属性。刚性楼盖：适用楼盖：现浇或装配整体式钢筋混凝土楼（屋）盖计算模型：楼（屋）盖可视作支承在横墙上的多跨连续梁分配方法：各横墙所承受的水平地震剪力按其等效刚度的比例分配考虑横墙弯曲变形和剪切变形，层间各横墙的抗侧移刚度式中，E 砌体弹性模量；t 墙体厚度； 墙片高宽比，=h/bh 墙片高度；b 墙片宽度；当4时，可认为该横墙的抗侧移刚度可略去不计。根据侧向位移协调条件，第i层第m道抗侧移刚度为Dim横墙的所承担的水平地震剪力式中，Dim第i层第m道横墙的抗侧移刚度 Di第i层全部横墙的总抗侧移刚度 r 第i层横墙的总数若房屋某层间各横墙都属只考虑剪切变形的情况，且墙体材料、厚度、层高都相同时，第i层第m道横墙的所承担的水平地震剪力式中，Aim第i层第m横墙的净截面面积 Ai第i层全部横墙的总净截面面积 柔性楼盖适用楼盖：木楼(屋)盖计算模型：楼(屋)盖视作支承在横墙上的多跨简支梁分配方法：按本横墙从属面积上重力荷载代表值的比例分配按从属面积上重力荷载代表值比例，i层第m道横墙所承担水平地震剪力式中，Gim第i层第m横墙所承担的重力荷载代表值 Gi第i层所有横墙所承担的重力荷载代表值如楼(屋)盖重力荷载为均匀分布，按从属面积的比例，第i层第m道横墙所承担的水平地震剪力式中，Zim第i层第m横墙的从属面积 Zi第i层所有横墙的总面积10. 延性: 结构，构件或构件的某个截面从屈服开始到达最大承载能力或到达以后而承载能力还没有明显下降期间的变形能力。延性好的结构，构件或构件的某个截面的后期变形能力大，在达到屈服或最大承载能力状态后仍能吸收一定量的能量，能避免脆性破坏的发生。延性是一种物理特性。其所指的是，材料在受力而产生破坏之前的塑性变形能力，与材料的延展性有关。举例来说，金、铜、铝等皆属于有较高延性的材料。脆性破坏brittle failure 结构或构件在破坏前无明显变形或其它预兆破坏类型。延性破坏ductile failure 结构或构件在破坏前有明显变形或其它预兆的破坏类型。在冲击和振动荷载作用下，要求结构的材料能够吸收较大的能量，同时能产生一定的变形而不致破坏，即要求结构或构件有较好的延性。例如，钢结构材料延性好，可抵抗强烈地震而不倒塌；而砖石结构变形能力差，在强烈地震下容易出现脆性破坏而倒塌。为此，砖石砌体结构房屋需按抗震规范要求设置构造柱和抗震圈梁，约束砌体的变形，以增加其在地震作用下的抗倒塌能力。钢筋混凝土材料具有双重性，如果设计合理，能消除或减少混凝土脆性性质的危害，充分发挥钢筋塑性性能，实现延性结构。为此，抗震的钢筋混凝土结构都要按照延性结构要求进行抗震设计，以达到抗震设防的三水准要求：小震下结构处于弹性状态；中震时，结构可能损坏，但经修理即可继续使用；大震时，结构可能有些破坏，但不致倒塌或危及生命安全。二、简答题1.我国抗震设防目标中对三个地震烈度水准提出哪些具体设防要求？ 地震震害一再表明，导致人民生命财产严重损失的原因，主要是建筑物的倒塌，因而抗震设计的要害问题是怎样防止或尽量减少建筑物在大震作用下的倒塌。然而人们对一般建筑是不可能采用很大的地震作用作为设计结构强度的依据的，那将意味着极大的材料消耗，得出不经济的设计，毕竟出现很大地震超越概率是比较小的。但是我国地震活动的特点是震级大、重现期长，为了防止建筑物的倒塌，应考虑在大震作用下抗倒塌的验算，从而达到既保安全又经济合理的目的。 我国1989年批准的建筑抗震设计规范GBJ1189，充分吸收国内外大地震的经验，其防御目标采用三个水准进行设防。建筑抗震设计规范GBJ1189根据地震发生风险水平所采用的三个水准如下：以50年超越概率为10%（相当于地震重现周期为475年）的地震影响为基本防御目标设防烈度；以50年超越概率为63%（相当于地震重现周期为50年）的地震影响为小震（多遇地震）的防御目标；以50年超越概率为23%（相当于地震重现周期为24751641年）的地震影响为大震（罕遇地震）的防御目标。根据统计分析，“小震”比设防烈度低1.5度左右，“大震”比设防烈度大约高出1度左右。 按上述三种水准设计，在遭遇三种不同风险水平的地震影响时，容许的破坏程度为：当遭遇到本地区设防烈度影响时，允许建筑物有损坏，但经一般修理或不修理仍可继续使用；遭遇到高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，允许建筑物产生永久变形但不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。上述三种水准的设防可概括为“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三级设防原则。2什么是二阶段设计方法？ 第一阶段为结构设计阶段。在初步设计及技术设计时，就要按有利于抗震的做法去确定结构方案和结构布置，然后进行抗震计算及抗震构造设计。在这阶段，用相应于该地区设防烈度的小震作用计算结构的弹性位移和构件内力，并进行结构变形验算，用极限状态方法进行截面承载力验算，按延性和耗能要求进行截面配筋及构造设计，采取相应的抗震构造措施。 第二阶段为验算阶段。一些重要的或特殊的结构，经过第一阶段设计后，要求用与该地区设防烈度相应的大震作用进行弹塑性变形验算，以检验是否达到了大震不倒的目标。3. 哪些建筑可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算？为什么？GB50011-2010建筑抗震设计规范规定：“抗震设防烈度为6度时，除本规范有具体规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。”下列建筑可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算：1规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。2、砌体房屋；3、地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的下列建筑：1)一般的单层厂房和单层空旷房屋；2)不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架和框架-抗震墙房屋；3)基础荷载与2)项相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房屋。 软弱黏性土层指7、8、9度时，地基承载力特征值分别小于80、100和120 kpa的土层。 因为地基在地震作用下的稳定性对基础结构及到上部结构的内力分布是比较敏感的。因此，地震时，确保地基基础始终能够承受上部结构传来的竖向地震作用、水平地震作用以及倾覆力矩作用，而不发生过大的沉陷或不均匀沉陷是地基基础抗震设计的一个基本要求，而地基和基础的抗震设计是通过选择合理的基础体系、地基土的抗震承载能力验算、地基基础抗震措施来保证其抗震能力，所以上述建筑不用验算。4.在采用底部剪力法计算地震作用时为什么要计算顶部附加地震作用？ 顶部附加地震作用是针对建筑顶部有局部构筑物而采取的计算处理方法.(比如水箱,楼梯间),构筑物不能形成一个结构层但有明显质量与高度,在地震时要产生地震效应.所以在结构分析中采用附加地震作用来做整体结构计算.5.什么是设计反应谱？设计反应谱有哪些特点？受哪些因素影响？ 其实，反应谱可分为地震反应谱和设计反应谱 两种，工程上用得最为广泛的是设计反应谱，是根据多条地震反应谱由统计的方法取平均或取包络并通过人为调整最终得到。 (1).阻尼比对反应谱影响很大。(2).对于加速度反应谱，当结构周期小于某个值时幅值随周期急剧增大，大于某个值时，快速下降。(3).对于速度反应谱，当结构周期小于某个值时 幅值随周期增大，随后趋于常数。 (4).对于位移反应谱，幅值随周期增大。利用我国海城、唐山的175条水平加速度地震记录,统计分析了场地条件、震级和震中距三个因素对标准化反应谱的影响,并采用“移动平均法”验证了它们的关系;表明不同周期的概率分布符合对数正态分布;也说明场地条件和震级是影响我国加速度反应谱形状的主要因素。工程地震的理论和实践表明场地是影响震害的重要因素之一。场地土对地震波的放大作用是国内外地震工程界公认的事实。从目前的研究表明场地对地震动反应谱的影响因素主要集中在以下几个方面 土层结构、覆盖层厚度、局部地质地形、土的动力学参数。其中土层结构和土的动力学参数作为场地力学和动力学模型的重要组成部分对地震动反应谱有着十分显著的影响。6. 什么是地基与结构的相互作用？地基与上部结构是如何相互作用影响的？ 地震时土体与上部结构是相互作用的。地震时，结构受到地基传来的地震婆影响产生地震作用，在进行结构地震反应分析时，一般都假定地基是刚性的，实际上地基并非为刚性，故当上部的地震作用通过基础反馈给地基时，地基将产生局部变形，从而引起结构的移动和摆动，这种现象称为地基与结构的相互作用。地震是横纵波同时出现，所以地基与结构同时存在着剪力和轴力两种荷载，基础的强度可以保证整个建筑在地震中的安全性。7.什么是“概念设计”？ 为什么要进行概念设计？概念设计是由分析用户需求到生成概念产品的一系列有序的、可组织的、有目标的设计活动，它表现为一个由粗到精、由模糊到清晰、由抽象到具体的不断进化的过程。概念设计即是利用设计概念并以其为主线贯穿全部设计过程的设计方法。概念设计是完整而全面的设计过程，它通过设计概念将设计者繁复的感性和瞬间思维上升到统一的理性思维从而完成整个设计。我们的抗震防震的宗旨是大震不倒（指连续倒塌）、中震可修、小震不裂。我们的建筑设计建筑施工也是这个目标。地震的能量是巨大的几乎难于估量，即使我们做一米厚以上的钢筋混凝土墙来以硬对硬，不但劳民伤财，反而接收到的地震的能量更大。实践证明硬对硬是不行的，以柔克刚虽然能消耗地震的能量，但房屋很大的位移变形，人类也受不了。我们通过震害调查，仔细研究结构后，不完全靠计算，而在需要加强的部位人工干预加强，并有意适当设置薄弱部位，消耗地震能量、拖延震害过程，在材料选用上尽量要求韧性减少脆性.等等人工干预的措施。用上述的思想来指导设计，我认为就叫抗震概念设计。8.按抗震规范结构体系应符合什么要求？（1）、应具有明确的结构计算简图和合理的地震作用传递路线;（2）、应避免部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失承载力;（3）、同一结构单元应具有良好的整体性;对局部薄弱部位应采取加强措施;（4）、对埋地管道除采用延性良好的管材外，沿线应设置柔性连接措施。9.什么是“强柱弱梁”的设计原则？在抗震设计中如何保证这一原则实施？“强柱弱梁，强剪弱弯”是一个从结构抗震设计角度提出的一个结构概念。就是柱子不先于梁破坏，因为梁破坏属于构件破坏，是局部性的，柱子破坏将危及整个结构的安全-可能会整体倒塌，后果严重！所以我们要保证柱子更“相对”安全，故要“强柱弱梁”； 是在不同程度减缓柱端的屈服，一般采用增大柱端弯矩设计值的方法，将承载力的不等式转为内力设计值的关系式，采用不同增大系数，使不同抗震等级的框架柱端弯矩设计值有不同程度的差异，对一级框架结构和9度，除采用增大系数的方法外，还采用梁端实配钢筋面积和材料强度标准值计算的抗震受弯承载力所对应的弯矩值方法。2001规范比89规范适当提高了强柱弱梁的弯矩增大系数nc，9度时及一级框架结构考虑框架梁的实际受弯承载力，并乘m增大系数1.2，主要考虑部分楼板钢筋的作用。框架的梁柱节点处除框架顶层和柱轴压比小于0.15者外，柱端组合的弯矩设计值应符合下式要求：9度和一级框架结构，尚应符合：式中： 节点上下柱端截面顺时针或反时针方向组合的变矩设计值之和，上下柱端的弯矩设计值，可按弹性分析分配；节点左右梁端截面反时针或顺时针方向组合的弯矩设计值之和，节点左右梁端均为负值时，绝对值较小的弯矩取零；节点左右截面反时针或顺时针方向按实配钢筋（考虑受