高层建筑结构的荷载和地震作用.ppt

第 3 章 荷载和地震作用及结构设计要求,金仁和,高层建筑结构设计和计算,标 题,本章主要内容：,主要内容,3.1 竖向荷载（简介） 3.2 风荷载（重点） 3.3 地震作用（工程结构抗震课介绍此部分内容）,3.1 竖向荷载,第3章 高层建筑结构的荷载和地震作用,与多层建筑结构有所不同，高层建筑结构 1）竖向荷载效应远大于多层建筑结构； 2）水平荷载的影响显著增加，成为其设计的主要因素； 3）对高层建筑结构尚应考虑竖向地震的作用。,高层建筑结构主要承受竖向荷载和水平荷载。,3.1 竖向荷载,3.1 恒荷载 恒荷载是指各种结构构件自重和找平层、保温层、防水层、装修材料层、隔墙、幕墙及其附件、固定设备及其管道等重量，其标准值可按构件及其装修的设计尺寸和材料单位体积或面积的自重计算确定。 材料容重可从荷载规范查取；固定设备由相关专业提供。,3.1 竖向荷载,3.2 活荷载 1、楼面活载 1）高层建筑楼面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数，可按荷载规范的规定取用。 2）在荷载汇集及内力计算中，应按未经折减的活荷载标准值进行计算，楼面活荷载的折减可在构件内力组合时取用。 2、屋面活载 1）屋面均布活荷载的标准值及其组合值、频遇值和准永久值系数，可按荷载规范的规定取用。 2）有些情况下，应考虑屋面直升机平台的活荷载。,3.1 竖向荷载,3、屋面雪荷载 （1）屋面水平投影面上的雪荷载标准值： S0为基本雪压，系以当地一般空旷平坦地面上统计所得 50 年一遇最大积雪的自重确定。按荷载规范取用；r为屋面积雪分布系数，可按荷载规范取用。 （2）雪荷载的组合值系数可取 0.7；频遇值系数可取 0.6；准永久值系数按雪荷载分区、和的不同，分别取 0.5、0.2 和 0。 （3）雪荷载不应与屋面均布活荷载同时组合。 4、施工活荷载 施工活荷载一般取 1.01.5kN/m2。 对高层建筑结构，计算活荷载产生的内力时，可不考虑活荷载的最不利布置。为简化计算，可按活荷载满布进行计算，然后将这样求得的梁跨中截面和支座截面弯矩乘以 1.11.3 的放大系数。,3.2 风荷载,3.2 风荷载,空气从气压大的地方向气压小的地方流动就形成了风，与建筑物有关的是靠近地面的流动风，简称为近地风。 当风遇到建筑物时在其表面上所产生的压力或吸力即为建筑物的风荷载。,对于高层建筑，一方面风使建筑物受到一个基本上比较稳定的风压，另一方面风又使建筑物产生风力振动。（静力动力）,3.2 风荷载,3.2.1 风荷载标准值,1、基本风压 我国荷载规范规定，基本风压系以当地比较空旷平坦地面上离地 10m高，统计所得的 50 年一遇 10 分钟平均最大风速v0（m/s）为标准，按风速确定的风压值，但不得小于 0.3kN/m2。特别重要的高层建筑，取100年。,3.2 风荷载,风压沿高度的变化规律一般用指数函数表示，即,2、风压高度变化系数 风速大小与高度有关，一般近地面处的风速较小，愈向上风速逐步加大。当达到一定高度时（300500m），风速不受地表影响，达到所谓梯度风。而且风速的变化还与地面粗糙程度有关。,分别为标准高度（例如10m）及该处的平均风速；,地面粗糙度系数；地表粗糙程度愈大， 值则愈大；,由于规范只给出了10m高度处的风压，则其他高度处的风压可由此求得。风压高度变化系数：为某类地表上空高度处的风压与基本风压的比值，该系数取决于地面粗糙程度指数。 现行规范将地面粗糙程度分为四类： A类指近海海面、海岛、海岸、湖岸及沙漠地区； B类指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区； C类指有密集建筑群的城市市区； D类指密集建筑群且房屋较高的城市市区。,3.2 风荷载,3、风荷载体型系数 1）风压分布系数风压与体型的关系 2）定义：风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面所引起的压力(吸力)与原始风速算得的理论风压的比值。 3）特点：风荷载体型系数一般都是通过实测或风洞模拟试验的方法确定，它表示建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律，主要与建筑物的体型与尺度有关。,迎风面的风压力在建筑物的中间偏上为最大，两边及底下最小；侧风面一般近侧大，远侧小，分布也极不均匀；背风面一般两边略大，中间小。,3.2 风荷载,3）计算：在计算风荷载对建筑物的整体作用时，只需按各个表面的平均风压计算，即采用各个表面的平均风荷载体型系数计算。 4）风荷载体型系数的确定：根据设计经验和风洞试验 （）单体风压体型系数,例:,（2）群体风压体型系数 对建筑群，尤其是高层建筑群，当房屋相互间距较近时，由于漩涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大。 高层规程规定，当多栋或群集的高层建筑相互间距较近时，宜考虑风力相互干扰的群体效应。一般可将单体建筑的体型系数乘以相互干扰增大系数，该系数可参考类似条件的试验资料确定，必要时宜通过风洞试验确定。 （3）局部风压体型系数 在计算风荷载对建筑物某个局部表面的作用时，要采用局部风荷载体型系数，用于验算表面围护结构及玻璃等强度和构件连接强度。 檐口、雨蓬、遮阳板、阳台等水平构件计算局部上浮风荷载时，风荷载体型系数不宜小于2.0。设计建筑幕墙时，应按有关的标准规定采用。,3.2 风荷载,4、风振系数 ）风速特点： 风速的变化可分为两部分：一种是长周期的成分，其值一般在10min以上；另一种是短周期成分，一般只有几秒左右。因此，为便于分析，通常把实际风分解为平均风（稳定风）和脉动风两部分。稳定风周期长，对结构影响小；脉动风周期短，对结构影响大。 ）风的动力效应：对于高度较大、刚度较小的高层建筑，脉动风压会产生不可忽略的动力效应，在设计中必须考虑，目前采用加大风荷载的办法来考虑这个动力效应，即对风压值乘以风振系数。,3.2 风荷载,2）计算：,对于基本自振周期T1大于0.25s的工程结构，以及高度大于30m且高宽比大于1.5的高柔房屋均应考虑脉动风压对结构产生的风振影响。,3.2 风荷载,3.2 风荷载,3.2.2 总风荷载 总风荷载为建筑物各个表面上承受风力的合力，是沿建筑物高度变化的线荷载。通常按x、y两个互相垂直的方向分别计算总风荷载。 z高度处的总风荷载标准值按下式计算：,3.2 风荷载,例 题,3.2 风荷载,3.2 风荷载,第一章 抗震设计的基本知识和基本要求,1.1 地震灾害概述,一、地震是群灾之首,人为灾害：,火灾、污染（大气、 水、海洋）、核泄 漏、战争等,自然灾害：,地震灾害是群灾之 首，它具有突发性和不 可预测性，次生灾害严重，对社会产生很大影响等特点。,死亡24人，经济损失94亿美元。,12层钢筋混凝土住宅和商务大楼，自楼梯间相接处分裂，东侧楼6层以下全部塌陷，并向东侧倒在邻房4层楼公寓上。西侧楼5层以下全部倒塌，并向西倾倒在另一栋大楼上，柱间距介于8米到10米，且柱子数量偏少。,16层钢筋混凝土住宅大楼。地震时其中一栋倾倒，靠在呈L型平面大楼上，柱间距7至10米。造成倾倒的原因是底层柱子数量少，间距太大。,唐山大地震：1976年7月28日3时42分54秒，河北唐山、丰南一带发生了7.8级强烈地震，震中区烈度11度。地震波及天津市和北京市。150万人口中死亡24万，伤16万；直接经济损失100亿元，震后重建费用100亿元。,唐山市文化路青年宫，为砖混结构的二层楼房，7.8级地震时倒塌一层，7.1级地震时除四根门柱外，全部坍塌。,开滦煤矿医院，五层砖混结构（局部七层），仅西部转角残存 。,开滦煤矿救护楼，砖混结构人字木屋架的三层楼房，墙倒顶塌。,唐山地区交通局，砖混结构的三层办公楼遭到破坏。（此处为唐山地震重点保护遗迹之一。）,唐山市河北省矿业学院图书馆，三层高的阅览室，系装配式纯框架结构，西头倒毁，东头框架幸存。（此处为唐山地震重点保护遗迹之一。）,唐山市机车车辆厂震后概貌。,震后工厂厂区,近年来国际上大地震： （1）印度大地震，2001年1月26日上午8时46分，印度西北部古吉拉特邦，地级7.9级。 （2）美国加州北岭地震，1994年1月17日，7.0级，2400栋建筑被毁，多处高架公路桥受损，死亡61人，伤7300人，直接经济损失300亿美元。 （3）日本阪神地震，1995年11月17日，7.2级，22万栋房屋倒塌或严重损坏，死亡6348人，伤4万人，经济损失1000亿美元。,二、我国的地震情况,1.我国是一个多地震国家,据统计，我国大陆地震约占世界大陆地震的三分之一。,原因是：我国正好介于地球的两大地震带之间。,全世界地震主要分布于以下两个带： （1）环太平洋地震带：包括南北美洲的太平洋沿岸和从阿 留申群岛、堪察加半岛、经千岛群岛日本列岛南下至 我国台湾省，再经菲律宾群岛转向东南，直到新西兰。 （2）喜马拉雅地中海地震带：从印度、尼泊尔经缅甸 至我国横断山脉、喜马拉雅山区，越帕米尔高原，经 中亚细亚到地中海及其附近。,以上两个地震带释放的能量，约占全球所有地震释放能量的98%。,喜马拉雅地中海地震带,2.我国是一个地震灾害最严重的国家,1920年宁夏海原地震（8.5级）死亡23.4万人。 1976年河北唐山地震（7.8级）死亡24.2万人。,中国地震活动频度高、强度大、震源浅，分布广，是一个震灾严重的国家。1900年以来，中国死于地震的人数达55万之多，占全球地震死亡人数的53%；1949年以来，100多次破坏性地震袭击了22个省（自治区、直辖市），其中涉及东部地区14个省份，造成27万余人丧生，占全国各类灾害死亡人数的54%，地震成灾面积达30多万平方公里，房屋倒塌达700万间。,20世纪全球两次死亡20万人以上的大地震均发生于我国。,3.我国的地震活动地区,台湾省及其附近海域； 西南地区，主要是西藏、四川西部和云南中西部； 西北地区，主要在甘肃河西走廊、青海、宁夏、天山南北麓； 华北地区，主要在太行山两侧、汾渭河谷、阴山-燕山一带、 山东中部和渤海湾； 东南沿海的广东、福建等地。,我国的地震活动主要分布在五个地区的23条地震带上。,这五个地区是：,4.目前的地震形势,地震的发生有间歇性。一段时间内发生较频繁，一段时间内较平静。,我国目前处于地震活跃期。,三、抗震减灾的的任务,结构工程师的任务：,3.对已存在的工程结构作抗震鉴定、抗震加固。,抗震减灾工作应依法进行。,中华人民共和国防震减灾法 (1997年12月29日第八届全国人民代表大会常务委员会第二十九次会议通过),第十七条 新建、扩建、改建建设工程，必须达到抗震设防要求。,第十九条 建设工程必须按照抗震设防要求和抗震设计规范进行抗震设计，并按照抗震设计进行施工。,第四十五条 违反本法规定，有下列行为之一的，由县级以上人民政府建设行政主管部门或者其他有关专业主管部门按照职责权限责令改正，处一万元以上十万元以下的罚款：,1.对地震区域作抗震减灾规划；,2.对新建筑工程作抗震设计；,（一）不按照抗震设计规范进行抗震设计的；,（二）不按照抗震设计进行施工的,第一章 抗震设计的基本知识和基本要求,1.2 地震的一些基本概念,地震是指因地球内部缓慢积累的能量突然释放而引起的地球表层的振动 。,地震是一种自然现象，地球上每天都在发生地震，一年约有500万次。其中约5万次人们可以感觉到；能造成破坏的约有1000次； 7级以上的大地震平均一年有十几次。目前记录到的世界上最大地震是 8.9级，发生于1960年5月22日的智利地震。,什么是地震？,什么叫震源、震中、震中距？,地球内部发生地震的地方叫震源；,震源在地面上的投影点称为震中；,震中及其附近的地方称为震中区，也称极震区 ；,从震中到地面上任何一点的距离称为震中距。,地震分类,一.按地震成因分类,-包括构造地震、火山地震、陷落地震,1.构造地震,破坏性地震主要属于构造地震，约占世界地震总数的90%以上。,92%的地震发生在地壳中，其余的发生在地幔上部,2.火山地震,由于火山作用，如岩浆活动、气体爆炸等引起的地震称为火山地震，只占世界地震的7%左右。,1914年日本樱岛火山爆发，产生的震动相当于一个6.7级地震。,3.陷落地震,由于地下溶洞或矿井顶部塌陷而引起的地震称为塌陷地震。这类地震的规模比较小，次数也很少。,人工地震,因人为因素直接造成的地震是人工地震。,如工业爆破、地下核爆炸造成的振动；在深井中进行高压注水以及大水库蓄水后增加了地壳的压力，有时也会诱发地震。,1962年3月19日在广东河源新丰江水库坝区发生了迄今我国最大的水库诱发地震，震级为6.1级。,二.按震源深浅分类,浅源地震震源深度小于60千米的称为浅源地震，占85%以上。,中源地震震源深度在60至300千米的称为中源地震。,深源地震震源深度在300千米以上的称为深源地震。,浅源地震波及范围小，但破坏力大；深源地震波及范围大，但破坏力小。,2002年6月29日晨1：20发生于吉林7.2级地震，震源深度540km，无破坏。,目前有记录的最深震源达720公里。,1960年2月29日发生于摩洛哥艾加迪尔城的5.8级地震，深度为3km。震中破坏极为严重，但破坏仅局限在震中8km内。,地震波,地震波是地震发生时由震源地方的岩石破裂产生的弹性波。,地震波分为体波和面波。,横波特点:周期长、振幅大、 波速慢,100-800m/s,纵波特点:周期短,振幅小, 波速快,200-1400m/s,面波比体波衰减慢、振幅大、 周期长、传播远。建筑物破坏 主要由面波造成。,杂波,P波开始,S波开始,面波开始,1.3 震级与烈度,一、 地震震级,1.定义,能量越大，震级就越大；震级相差一级，能量相差约32倍；相差二级，能量相差1000倍。,反映一次地震本身大小的等级，用M表示,式中A表示标准地震仪距震中100km纪录的最大水平地动位移，单位为微米。,2.震级与能量的关系,一个6级地震相当于一个两万吨级的原子弹。,3.按震级的地震分类,微震- 2级以下。 人感觉不到,有感地震- 2-4级 人有感觉,破坏性地震- 5级以上 有破坏,强烈地震- 7级以上 有破坏,特大地震- 8级以上 有破坏,由于震源深浅、震中距大小等不同，地震造成的破坏也不同。震级大，破坏力不一定大；震级小，破坏力不一定就小。,二、 地震烈度,一般而言，震级越大，烈度就越大。同一次地震，震中距小烈度就高，反之烈度就低。影响烈度的因素，除了震级、震中距外，还与震源深度、地质构造和地基条件等因素有关。 一次地震，不同地区可以有不同的地震烈度。,1.定义及影响因素,一次地震对某一地区的影响和破坏程度称地震烈度，简称为烈度。用I表示。,2.地震烈度表,地震烈度表是评定烈度的标准和尺度。,我国在1980年制定了中国地震烈度表，将地震烈度分为1-12度。,个别：10%以下 少数：10%50% 多数：50%70% 大多数：70%90% 普遍：90%以上,3.基本烈度,一个地区未来50年内一般场地条件下可能遭受的，具有10%超越概率的地震烈度值称为该地区的基本烈度。用Ib表示。,基本烈度相当于475年一遇的最大地震的烈度。,各地区的基本烈度由中国地震动参数区划图(GB18306-2001)确定。,基本烈度也称为偶遇烈度或中震烈度。,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称为设防烈度，用Id表示。,一般情况下，可采用中国地震动参数区划图中的地震基本烈度。对已编制抗震设防区划的城市，可按批准的抗震设防烈度进行抗震设防。,4.设防烈度,设防烈度的取值依据：规定,规范规定： 抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑必须进行抗震设计,建筑所在地区在设计基准期（50年）内出现的频度最高的烈度。也称为常遇烈度、小震烈度，用Is表示。其超越概率为63.2%，重现期为50年。,5.多遇烈度,6.罕遇烈度,建筑所在地区在设计基准期（50年）内具有超越概率2%-3%的地震烈度。也称为大震烈度，重现期约为2000年。,设计地震分组是新规范新提出的概念，用以代替旧规范设计近震、设计远震的概念。,在宏观烈度大体相同条件下，处于大震级远离震中的高耸建筑物的震害比中小级震级近震中距的情况严重的多。,设计地震分三组,对于类场地，第一、二、三组的设计特征周期分别为：0.35s、0.40s、0.45s.,1.4 设计地震分组,1.5 地震地面运动的一般特征,1.地面运动最大加速度,2.地面运动的周期,3.强震的持续时间,地面运动的一般特征可用地面运动加速度记录曲线来说明。,1.6 地震的破坏作用（震害现象）,由地震的原生现象如地震断层错动，以及地震波引起的强烈地面振动所造成的灾害。主要有：,1、地面破坏。 如地面裂缝、错动、塌陷、喷水冒砂等；,一、直接灾害：,2、建筑物与构筑物的破坏 如房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；,2、建筑物与构筑物的破坏 如房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；,2、建筑物与构筑物的破坏 如房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；,2、建筑物与构筑物的破坏 如房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；,3、山体等自然物的破坏。如山崩、滑坡等；,4、海啸。 海底地震引起的巨大海浪冲上海岸，可造成沿海地区的破坏；,二、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。有时，次生灾害所造成的伤亡和损失比直接灾害还大。,1、火灾 由震后火源失控引起；,1923年日本关东地震，东京市内227处起火，33处未能扑灭造成火灾蔓，旧市区烧毁约50%；横滨市烧毁80%，死亡10万。,主要的次生灾害有：,2、水灾。 由水坝决口或山崩拥塞河道等引起；,3、毒气泄漏。 由建筑物或装置破坏等引起；,4、瘟疫。 由震后生存环境的严重破坏而引起.,三、工程结构破坏现象,1、结构丧失整体性,2、承重结构强度不足,3、结构变形过大导致倒塌,4、结构构件连接支撑失效,5、地基失效,6、非结构构件破坏,2.1 场地,场地： 是指建筑物建筑的地点，一般大体相当于一个厂区，居民点或自然村的范围。 为什么要研究场地？ 震害调查发现，同一烈度区，不同场地上的建筑的 震害不同。因地震的大小和工程地质条件不同而不同。 一、场地土及场地覆盖层厚度 1、 场地土的类型： 根据场地土的坚硬程度划分为四类。,土的坚硬程度的判别：采用实测剪切波速法： 实测地面下20m（但不深于覆盖层厚度）土层的等效剪切波速。,Vs 500 m/s 坚硬场地土 250 Vs 500 中硬场地土 140 Vs 250 中软场地土 Vs140 软弱场地土,剪切波速,土层厚度,剪切波穿过土层的时间,2.场地覆盖层厚度 一般意义上的覆盖层厚度：从地面到基岩顶面的距离。,这种确定在技术上现在较为困难，因为该厚度可能大几百米深。,规范定义：当剪切波Vs 500时，即认为是基岩，其上部到地表的厚度为 场地覆盖层厚度。,3、 震害表现,在软弱的地基上，柔性结构破坏较重，刚性好的表现较好； 在坚硬的地基上，柔性结构表现较好，而刚性结构表现不一。在坚硬的地基上，一般是结构破坏，在软弱的地基上有结构破坏，也有地基破坏。,2.2 建筑地段的选择,工程地质条件对地震破坏的影响很大。,常有地震烈度异常现象，即,产生的原因是局部地区的工程地质条件不同。,“重灾区里有轻灾，轻灾区里由重灾”,地段划分,二、场地的类别 由于地震效应与场地有关，为了进行抗震设计，有必要对场地进行分类，以便区别对待。 建筑场地的类别与场地土的类型和场地土的覆盖层厚度有关。分为I、类。,各类场地的覆盖层厚度表（m),2-2 天然地基与基础的抗震验算,一般情况下，地基发生震害的情况很少。但高压缩 性饱和软粘土和强度较低的淤泥质土，在地震中发生不 同程度的震陷、倾斜。杂填土、回填土，在地震中也会 发生震陷。还有较严重的是地基的液化。 抗震措施：对软弱粘性土采用桩基和地基加固。,抗震验算的范围,软弱地基上采用天然地基的单厂、单层空旷房屋、7层及以上的民用框架及荷载相应的多层厂房， 超过规范规定的不验算范围的建筑均需进行地基和基础的抗震验算。,2.3 液化土与软土地基,一、场地土的液化现象 处于地下水位以下的饱和砂土和粉土，在地震时容 易发生液化现象。 1.原因,砂土和粉土的土颗粒结构受到地震作用时将趋于密实。这种趋于密实的作用使空隙水压力急剧上升，在地震作用的短暂时间内，孔隙水压力来不及消散，使土颗粒处于悬浮状态。,2.危害 砂土和粉土液化时，其强度完全丧失从而导致地 基失效。 场地液化将使建筑 整体倾斜，下沉，墙体 开裂，地面喷水、冒砂、 裂缝等。,3. 液化导致地基失效的条件,1）砂土或粉土的密实度低 2）地振动剧烈 3）土的微观结构的稳定性差 4）地下水位高 5）高压水不易渗透 6）上覆非液化土层较薄，或者有薄弱部位 （前5条是导致液化的条件，后一条是导致地基失效的条件）,3.1 抗震设防的基本要求,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。,一、抗震设防目标及方法,1.目的,具体通过“三水准”的抗震设防要求和“两阶段”的抗震设计方法实现。,2.“三水准”抗震设防目标,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。,简称为：“小震不坏，中震可修，大震不倒”。,4.“两阶段”抗震设计方法,第一阶段：,对绝大多数结构进行小震作用下的结构和构件承载力验算；在此基础上对各类结构按规定要求采取抗震措施。,第二阶段：,对一些规范规定的结构进行大震作用下的弹塑性变形验算。,有特殊要求的建筑、地震易倒塌的建筑、有明显薄弱层的建筑，不规则的建筑等,二、抗震设防范围,抗震设防烈度为6度及以上地区的所有新建建筑工程均必需进行抗震设计。,规范适用于6-9度地区抗震设计及隔震、消能减震设计。,超过9度的地区和行业有特殊要求的工业建筑按有关专门规定执行。,三、抗震设防依据,一般情况下采用抗震设防烈度。,在一定条件下可采用抗震设防区划提供的地震动参数。,四、 抗震设防分类及抗震设防措施,建筑类别不同，抗震设防标准也不同。,1.抗震设防分类,建筑抗震设防分类标准GB50223。,该标准主要以地震中和地震后房屋的损坏对社会和经济产生的影响的程度大小，将建筑分成4个抗震设防类别。,建筑抗震设计规范GB50011-2001对上面标准作了修改。,较小乙类建筑：工矿企业的变电所、空压站以及城市供水水源的泵房等。,抗震性能较好的结构类型指钢筋混凝土结构或钢结构。,2.抗震设防措施,抗震措施:除结构地震作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：一般不须计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。,甲类：地震作用计算以及抗震构造措施均应高于本地区的设防烈度。按地震安全性评价结果确定。 乙类：按设防烈度进行抗震验算。构造措施按高一度处理。 丙类：按设防烈度考虑地震作用计算和构造处理。 丁类：按设防烈度考虑地震作用计算，可适当降低构造措施要求。（6度时不降低）,3.地震作用,在设防烈度为6度时，除规范有具体规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。,3.2 结构抗震概念设计,一、定义与基本内容,根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程称为概念设计。,基本内容有三部分：,1.建筑设计应重视建筑结构的规则性； 2.合理的建筑结构体系选择； 3.抗侧力结构和构件的延性设计。 4、非结构构件,3.1 概述,基本概念：,地震作用与地震作用效应,地震作用：是指地面震动在结构上产生动力荷载，俗称为地震荷载。,注意：是间接作用,地震作用效应：地震作用产生结构的内力和变形,结构动力特性：,结构的自振周期、阻尼、振型等。,4.结构地震反应分析与结构抗震验算,结构的地震反应分析：,是结构地震作用的计算方法,结构的地震反应：结构的 位移、速度、加速度 及内力和变形 。,地震作用简化为三个方向：两个水平方向，一个竖向。,地震作用的简化：,一般分别计算三个方向的地震作用。,3.2 单自由度弹性体系的地震反应分析,一、结构的计算简图 水平地震作用下结构的自由度简化,体系的自由度问题,一个自由质点,若不考虑其转动,则相对于空间坐标系有3个独立的唯一分量,因而有三个自由度（上下、左右、前后）,而在平面内只有两个自由度.,如果忽略直杆的轴向变形,则在平面内与直杆相连的质点只有一个位移分量,即只有一个自由度,二 、反应谱理论,根据已有的大量地震地面运动的记录，再运用结构动力学中弹性振动理论，通过计算结构的地震反应来确定地震作用。 （将计算结果以地震反应随结构自振周期的变化规律曲线的方式表达，供设计时查用。有最大加速度反应谱、最大速度反应谱、最大位移反应谱等。）,三、地震反应谱示例（ Elcentro波 ）（计算从略）,速度反应谱,加速度反应谱,位移反应谱,场地影响,四、反应谱的特征,1.加速度反应随结构自振周期增大而减小。 2.位移随周期增大而增大。 3.阻尼比的增大使地震反应减小。 4.场地的影响，软弱的场地使地震反应的峰值范围加大。,将惯性力看为反映地震对结构影响的等效力，取最大值。,G为重力，质点的重力荷载，单位KN（力）,大致为多少？,五、单自由度弹性体系的水平地震作用,影响水平地震作用的因素,（1）G，结构的重量（或称为重力荷载代表值）。 G越大，地震作用越大。,（2）K，称为地震系数。表示地面震动的大小。 K与烈度有关。规范根据烈度所对应的地面加速度峰值进行调整后得到。,（3），称为动力系数。 与结构的动力特性和外激励有关。,简谐激励,地震激励,与地震作用频率组成（场地）有关；与结构的自振周期有关；与结构的阻尼有关。,通过大量的分析计算，我国地震规范取最大的动力系数max为2.25。,（4）为计算简便，令=k。是一个无量纲的系数，称为水平地震影响系数。,六、抗震设计反应谱（标准反应谱） 地震是随机的，每一次地震的加速度时程曲线都不相同，则加速度反应谱也不相同。 抗震设计时，无法预计将发生地震的时程曲线。用于设计的反应谱应该是一个典型的具有共性的可以表达的一个谱线。,标准化,规范中的设计反应谱 （1）反应谱是-T关系谱， 实质是加速度谱。,（2）为一无量纲系数， T的量纲为秒。,（3）Tg为特征周期值，与场地类别和地震分组有关。,（4）用于设计的max 值（多遇烈度，罕遇烈度）,多遇烈度=基本烈度-1.55度(1/2.82) 罕遇烈度=基本烈度+1度左右,单自由度体系的水平地震作用的计算,计算G,计算结构的自振周期T和阻尼比,计算,确定设防烈度max,确定建设场地及地震分组（Tg）,计算FEK,进行后续计算,5.1 计算分析 5.2 荷载效应和地震作用组合 5.3 设计要求 5.4 概念设计 5.5 超限高层建筑工程设计,back,5.计算分析和设计要求,4.1 计算分析,5.1 计算分析 （一）计算分析方法 弹性与弹塑性假定 平面结构假定与空间结构 楼板平面内无穷刚性假定与协同计算 构件刚度与变形,back,弹性与弹塑性假定,弹性假定竖向荷载、风荷载及多遇地震作用下的内力和位移计算 弹塑性假定罕遇地震作用下的位移验算 塑性内力重分布,back,塑性内力重分布,考虑原因 弹性内力与实际不符（构件内力与刚度有关，开裂后则产生重分布）； 有意识地减少或增大某些部位配筋，以利于合理破坏机构和施工 考虑方法内力调幅（调整） 弹性计算内力乘以系数 框架梁（连续梁）在竖向荷载下的调幅 框架-剪力墙结构中框架的内力调整 联肢剪力墙中连梁的调幅 弹性内力计算时降低构件刚度 框架-剪力墙结构中框架与剪力墙间的连系梁的调幅 联肢剪力墙中连梁的调幅,back,平面结构假定与空间结构,平面结构假定A 结构面外刚度为零（二维，每个节点3自由度） 平面框架、剪力墙 空间结构 结构面外有相互传力关系（三维，每个节点6自由度） 框筒角柱、空间框架、空间桁架,back,楼板平面内无穷刚性假定与协同计算,楼板平面内无穷刚性假定B 多数情况下，楼板平面内无穷刚性 水平位移协调（竖向位移独立） A+B： 不考虑扭转平面协同计算（正交方向抗侧力单元不参加工作） 考虑扭转空间协同计算（正交方向抗侧力单元参加抵抗扭矩） 楼板满足一定要求 楼板不满足要求，楼板有变形 楼板有限刚性计算 楼板刚性计算，适当调整内力 空间计算 空间计算,back,构件刚度与变形,构件刚度弹性刚度 构件变形 构件的变形与刚度 轴向EA 弯曲EI 剪切GA 构件变形的考虑 忽略梁的轴向变形 高度50m及H/B4：考虑柱、墙的轴向变形 长细比4：忽略剪切变形,back,5.2 水平力作用方向,只考虑两个正交（主轴）方向的水平力，各方向水平力全部由该方向抗侧力构件承担 新修订：某些结构须考虑两个正交（主轴）方向的水平力同时作用,back,5.3 分析方法,简化方法 平面结构协同分析 程序方法 杆件有限元方法 空间协同分析方法 广泛用于框架、框剪、剪力墙结构等由平面抗侧力结构组成、布置较为规则的结构 三维杆件薄壁杆件空间分析方法 应用广泛，特别是平面不规则、体型复杂的结构 有限元或有限条方法,back,5 高层建筑结构设计的基本要求,5.1 强度问题构件截面承载力验算 5.2