抗震结构设计绪论.ppt

第一章 绪论,地震与地震动,1 绪 论,地震活动性,地震震害,结构的抗震设防,第一章 绪论,1.1 地震与地震动,1.1 地震与地震动,1.1.1 地震及其成因,按成因： (1) 构造地震：由于地壳运动，推挤地壳岩层使其薄弱部位发生断裂而引起的地震。构造地震破坏性大，影响范围广。 (2) 火山地震：由于火山爆发，岩浆猛烈冲出地面而引起的地震。这类地震在我国很少见。 (3) 陷落地震：由于地表或地下岩层突然大规模陷落或崩塌而造成的地震。这类地震的震级很小，造成的破坏也很小。 (4) 诱发地震：由于水库蓄水或深井注水等引起的地震。,第一章 绪论,1.1 地震与地震动,构造地震的发生与发展,地震序列：在一定时间内（一般是几十天至数月）相继发生在相邻地区的一系列大小地震称为地震序列。 主震：在某一地震序列中，其中最大的一次地震叫主震。 前震：在主震之前发生的地震。 余震：在主震之后发生的地震。,第一章 绪论,1.1 地震与地震动,按主震震级是否突出： (1) 主震型地震：在一个地震序列中，若主震震级很突出，其释放的能量占全序列中的绝大部分的叫主震型。 (2) 群震型或多发型地震：在一个地震序列中，若主震震级不突出，主要地震能量是由多个震级相近地震释放出来的叫群震型。 (3) 孤立型或单发型地震：在一个地震序列中，若前震和余震都很少，甚至没有，绝大部分地震能量都是通过主震一次释放出来的叫孤立型。,据统计，上述三种类型地震中主震型地震占60，群震型地震占30，单发型地震占10。,第一章 绪论,1.1 地震与地震动,按震源的深浅不同： (1) 浅源地震：震源深度在 70 km以内，一年中全世界所有地震释放能量的约85%来自浅源地震。 (2) 中源地震：震源深度在 70300km，一年中全世界所有地震释放能量的约 12%来自中源地震。 (3) 深源地震：震源深度超过 300km，一年中全世界所有地震释放能量的约 3%来自中源地震。,震源：断层形成的地方，即大量释放能量的地方。 震源不是一个点，而有一定的范围和深度。 震中：震源正上方的地面位置。,第一章 绪论,1.1 地震与地震动,1.1.2 地震波,地震引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播，这就是地震波。 体波,(1) 纵波：由震源向外传播的疏密波，其介质质点的振动方向与波的前进方向一致。特点：周期短，振幅小。 (2) 横波：由震源向外传播的剪切波，其介质质点的振动方向与波的前进方向垂直。特点：周期较长，振幅较大。,第一章 绪论,1.1 地震与地震动,根据弹性理论，纵波的传播速度大约为横波的1.67倍，说明纵波的传播速度快，因此也把纵波叫初波，横波叫次波。,面波：只限于在地面附近传播的波，也就是体波经过地层界面多次反射形成的次生波。周期长，振幅大，比体波衰减慢，能传播到很远的地方。,面波包括：瑞雷波和洛夫波,第一章 绪论,1.1 地震与地震动,从实际地震时记录到的地震波可以看出，首先达到的是纵波（初波、p波），接着是横波（次波、s波），面波到达的最晚。 一般情况下，当横波或面波达到时，振幅增大，地面振动最猛烈，造成的危害也最大。,地震波记录图,第一章 绪论,1.1 地震与地震动,1.1.3 地震强度（通常用震级和烈度反映）,震级：表示一次地震本身强弱程度的大小和尺度。 里氏震级： 式中 a是标准地震仪（周期0.8s，阻尼系数0.8，放大倍数2800倍的地震仪）在距震中100km处记录的以微米为单位的最大水平地动位移（单振幅）。,震级与地震释放能量e之间存在关系：,即震级每差一级，地震释放的能量相差32倍。,地震按震级大小分为：,大震,微震,有感地震,破坏性地震,特大地震,2级,4级,5级,7级,8级,第一章 绪论,1.1 地震与地震动,地震烈度 指某一地区的地面和各类建筑物遭受一次地震影响的强弱程度。,烈度主要与震中距离、地震大小、震源深度、地震的传播介质、表土性质、建筑物的动力特性和施工质量等许多因素有关。,地震烈度表 为评定地震烈度，需要建立一个标准，这个标准就是地震烈度表。 它以描述震害宏观现象为主，即根据建筑物的破坏程度、地貌变化特征、地震时人的感觉、家具的动作反应等进行区分。 日本采用8个等级的地震烈度表。一些欧洲国家采用10度划分的地震烈度表。我国和世界上大多数国家都采用12度划分的地震烈度表。见附表。,第一章 绪论,1.1 地震与地震动,1.1.4 地震区划与地震影响,地震烈度区划图 （地震危险性分析概率方法） 地震基本烈度：在50年期限内，一般场地条件下可能遭遇超越概率为10的地震烈度值。 一般情况下，抗震设防烈度可采用我国地震烈度区划图的地震基本烈度或与抗震规范设计基本地震加速度对应的烈度值。,常用术语：,(1) 震源深度 (2) 震中距 (3) 震源距 (4) 极震区 (5) 等震线,第一章 绪论,1.2 地震活动性,1.2 地震活动型,1.2.1 世界地震活动性,地球上的4个主要地震带： (1) 环太平洋地震带 全球约80浅源地震和90的中深源地震，以及几乎所有的深源地震都集中在这一地带。 (2) 欧亚地震带 除分布在环太平洋地震带的中深源地震外，几乎所有的其他中深源地震和一些大的浅源地震都发生在这一地震活动带。 (3) 沿北冰洋、大西洋和印度洋中主要山脉的狭窄浅震活动带 (4) 地震活跃的断裂谷,第一章 绪论,1.2 地震活动性,世界地震震中分布略图,第一章 绪论,1.2 地震活动性,1.2.2 我国地震活动性,我国大致可划分为6个地震活动区： (1) 台湾及其附近海域 (2) 喜马拉雅山脉活动区 (3) 南北地震带 (4) 天山地震活动区 (5) 华北地震活动区 (6) 东南沿海地震活动区,我国的2条主要地震带： (1) 南北地震带 (2) 东西地震带,第一章 绪论,1.2 地震活动性,我国境内震级大于或等于6的强震震中分布,第一章 绪论,1.2 地震活动性,1.2.2 近期世界地震活动性,第一章 绪论,1.2 地震活动性,1999年9月21日，台湾省中部地震,第一章 绪论,1.2 地震活动性,2001年1月26日，印度大地震,第一章 绪论,1.3 地震震害,1.3 地震震害,1.3.1 概述,地表破坏：主要有山石崩裂、滑坡、地面裂缝、地陷和喷水冒砂等。,工程结构的破坏： (1) 承重构件承载力不足或变形过大造成的破坏。 (2) 结构丧失整体性而造成的破坏。 (3) 地基失效引起的破坏。,次生灾害造成的破坏：地震造成的次生灾害有水灾、火灾、毒气污染、滑坡、泥石流和海啸等，由此引起的灾害也相当严重。,第一章 绪论,1.3 地震震害,地震造成的破碎带，引起地表沉陷、隆起、裂缝、液化等地表破坏,第一章 绪论,1.3 地震震害,座落在活断层上的一座二层小学教学楼被完全摧毁,第一章 绪论,1.3 地震震害,建筑物倒塌,第一章 绪论,1.3 地震震害,楼房底层空旷，结构不合理，房屋整体倾斜，二楼成了一楼,第一章 绪论,1.3 地震震害,地震时河床变形，导致跨河公路桥梁跨塌,第一章 绪论,1.3 地震震害,地震后水坝被震塌,第一章 绪论,1.3 地震震害,建筑物倾斜、倒塌,第一章 绪论,1.3 地震震害,工厂倒塌,第一章 绪论,1.3 地震震害,1.3.2 工程地质条件对震害的影响 工程地质条件对建筑物的震害有较大影响，设计时应按抗震设计原则和要求选择建筑场地,局部地形条件：孤立突出的山梁、山包、条状山嘴、高度差较大的台地、陡坡及河道岸边等，均对建筑物的抗震不利。,局部地质构造：（主要指断层） (1) 发震断层 具有潜在地震活动的断层。多数浅源地震均与发震断层的活动有关。 (2) 非发震断层 与地震活动没有成因联系的一般断层，在地震作用下不会产生新的错动。,地下水位：水位越浅震害越重。地下水位深度在5m以内时，对震害影响最明显。,第一章 绪论,1.4 结构的抗震设防,1.4 结构的抗震设防,1.4.1 抗震设防的目标,抗震设防：对建筑物进行抗震设计并采取一定的抗震构造措施。,抗震设防烈度： 一个地区作为抗震设防依据的地震烈度，应按国家规定权限审批或颁发的文件（图件）执行。 一般采用国家地震局颁发的地震区划图中规定的基本烈度。,3个地震烈度水准： (1) 多遇烈度（众值烈度） (2) 基本烈度 (2) 罕遇烈度,第一章 绪论,1.4 结构的抗震设防,抗震设防目标：“小震不坏，中震可修，大震不倒” (1) 在遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，建筑物一般不受损或不需修理仍可继续使用； (2) 在遭受本地区规定的设防烈度（基本烈度）的地震影响时，建筑物（包括结构和非结构部分）可能有一定损坏，但不危及人们生命和生产设备安全，经一般修理或不需修理仍可继续使用； (3) 在遭受高于本地区设防烈度预估罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。,第一章 绪论,1.4 结构的抗震设防,1.4.2 建筑结构抗震设计方法,二阶段设计方法以实现3个烈度水准的抗震设防要求,第一章 绪论,1.4 结构的抗震设防,1.4.3 抗震设计的基本要求,概念设计 根据地震灾害和工程经验总结形成的基本原则和设计思想，是进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。,建筑物的抗震设防类别：,第一章 绪论,1.4 结构的抗震设防,抗震设计的基本要求,(1) 建筑场地 (2) 地基和基础 (3) 建筑物的平面和立面布置 宜规则、对称，质量和刚度变化均匀。 (4) 抗震结构体系 应有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径； 宜有多道抗震设防； 应有必要的承载力、良好的变形能力和耗能能力； 宜有合理的刚度和承载力分布。 (5) 结构构件 延性与整体性。 (6) 非结构构件 与主体结构有可靠的连接与锚固。 (7) 材料和施工质量 (8) 隔震与消能,第二章 场地 地基和基础,第一节 场地,一、场地（site）与场地土 场地 即指工程群体所在地，具有相似的反应谱特征，其范围相当于厂区、居民小和自然村或不小于1.0平方公里的平面面积。 场地的划分（按建筑特震害程度）： 有利场地： 坚硬土、平坦的中硬土 不利场地： 软弱土、液化土、山丘、山嘴等 危险场地： 滑坡、地裂、泥石流 场地土 是指场地范围内的地基土。 一般地，软弱地基对建筑物有增长周期、改变振型和增大阻尼的作用。在软弱地基上，柔性结构最容易破坏，刚性结构则较好；坚硬地基上，柔性结构表现较好，而则性结构有的表现较差。总的来说，软弱地基更为不利。,二、土的类型判定 1、为何用剪切波速而非压缩波来判定土的类型？,由上式可知：泊松比对剪切波速度影响不太大，相对稳定，而对压缩波影响很大（例如=0.20.48时）。这种变化特征对于现场测试vp时的要求很高，而实际上很难做到。 土可以认为是由骨架（矿物、砂粒等）与填充物（气体、液体等）组成。剪切波不能在气体或液体中传播，即vs只与土的骨架性质有关，而与填充特无关。岩土的骨架和颗粒之间的连接形式，是在一定的历史时期形成的，它相对稳定。而压缩波则不同，它可以在任何介质中传播，所以vp除了与土的压实程度和弹性常数有关外，还和岩土的含水量和人类活动等因素有关。因此，用vs则更能客观地反映土的性质。,第一节 场地,2、剪切波速的测试方法 3、等效剪切波速的确定 单孔法、 跨孔法、折射波法等。,单孔法波速测试现场连接图,等效剪切波速是根据地震波通过计算深度范围内多层土层的时间等于该波通过计算深度范围内单一土层所需时间的条件求出的。,第一节 场地,三、场地覆盖层厚度 场地覆盖层厚度的定义 定义1：从地面（而非基础底面）到基岩的距离。 定义2：下、上两相邻土层的剪切波速大小某一值，如2时。 抗震规范定义：一般情况下，可取地面到剪切波速大于500m/s的坚硬土层或岩层顶的距离。 四、场地类别 抗震规范指出：建筑场地类别应根据土层等效剪切速波和场地覆盖层厚度划分为4类。,第一节 场地,天然地基在地震作用下的抗震承载力验算 1、地基土的抗震承载力 地基土的动承载力静承载力,2、地震作用下天然地基的抗震震验算,对于高宽比大于4的高层建筑，在地震作用下基础底面不宜出现拉应力；其他建筑基础底面与地基土之间零应力区面积不应超过基础底面积的15%。,第一节 场地,第三节 液化土与软土地基,一、地基土的液化（liquefaction ） 大家都有这样的经验：敲击盛满干砂的容器，砂子就会塞满而表面下沉，可是对于饱和的砂子（指砂粒间充满水的砂子，即通常在水面以下的砂子）给予振动，其压缩性能就低。 如果砂粒之间了孔隙中充满了水，由于地震时砂粒力求趋于紧状态，但是，砂粒之间的水是不可压缩的。因此，水的压力就增大了，地基的有效垂直压应力减少了，克服了砂土的剪切强度，地基土就液化了。,影响因素： 土层的地质年代和组成：,土层的相对密度 土层的埋深和地下水位的深度 地震烈度与地震持续时间,二、判别方法： 1、初步判别为不液化场地土的条件 2、标准贯入试验判别（standard penetration test, spt）,香港新机场的标贯试验,标准贯入试验的基本过程： 先用钻具钻至试验土层标高以上15cm处，然后将贯入器打至标高位置，最后在锤的落距为76cm的条件下，打入土层30cm，记录锤击数为n63.5。,第三节 液化土与软土地基,三、液化指数与液化等级 为了衡量液化场地的危害程度，抗震规范提出用液化指数ile来划分场地的液化等级。,高桩：码头、桥梁等构筑物的桩基，桩顶往往高出地面或河底，这种桩称为高桩，其承台称为高桩承台。 低桩：工业与民用建筑物的桩，桩顶往往低于地面，这种桩称为低桩，其承台称为低桩承台。,第四节 桩基的设计,3.5 多自由度体系的水平地震作用,求解结构地震作用的方法有两大类： 一类是拟静力方法； 一类为直接动力方法。 多自由度体系的水平地震作用可采用第一类方法，也就是振型分解反应谱方法，在一定条件下还可采用更为简单的底部剪力法。,一、振型分解反应谱法,多自由度弹性体系在地震时质点所受到的地震作用为惯性力，当不考虑扭转耦联时，质点i上的地震作用为,与第j振型相应振子的绝对加速度。,由上式可以求得随时间变化的曲线，即时程曲线。曲线上 的最大值就是设计用的最大地震作用。,则上式又可以写为,一般采用方法是先求出对应于每一振型的最大地震作用（同一振型中各质点地震作用将同时达到最大值）及其相应的地震作用效应，然后将这些效应进行组合，以求得结构的最大地震作用效应。,1各振型的最大地震作用,由上式可知，作用在第j振型第i质点上的水平地震作用绝对最大标准值为: 令 则作用在第j振型第i质点上的水平地震作用绝对最大标准值可表示为: （i=1, 2, , m；j=1, 2, , n）,2振型组合,求出第j振型第i质点上的水平地震作用后，便可以按一般力学方法计算结构的地震作用效应（内力、变形）。 根据振型分解法，结构在任意时刻所受到的地震作用为该时刻各振型地震作用之和，并且所求得的相应于各振型的地震作用均为最大值。 因此按求得的地震作用效应sj也是最大值。 然而，在任一时刻各振型的地震作用并不一定同时达到最大值，其相应的地震作用效应也不一定同时达到最大值。 因此，需要进行合理的振型组合方式，以确定合理的地震作用效应。,振型组合的方式有多种，如求和、取最大、平方和开平方等方法。 如假定地震时地面运动为平稳的随机过程，则对于各平动振型所产生的地震作用效应可近似采用“平方和开平方”的方法来确定，即： s水平地震作用效应 sj第j振型水平地震作用所产生的作用效应，包括内力和变形。,将各振型的地震作用效应以平方和开平方法求得结构地震作用效应； 将各振型的地震作用以平方和开平方法进行组合，随后计算其作用效应。 两者结果不同，采用后一种方法，计算结果将夸大结构的地震作用效应。,各个振型在地震总反应中的贡献将随着频率的增加而迅速减小。 因此在实际计算中，一般采用前23个振型即可。 考虑到周期较长结构的各个自振频率比较接近，因此抗震规范规定，当基本自振周期大于1.5s或房屋高宽比大于5时，可适当增加参与组合的振型个数。,从设计反应谱中可以看出，在长周期段，地震影响系数下降较快，对于基本周期大于3.5s的结构，根据振型分解反应谱方法计算所得的水平地震作用下的结构作用效应可能太小，因此为了保证结构的安全，抗震规范规定了各楼层水平地震剪力最小值。 第i层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力； 剪力系数，对竖向不规则结构的薄弱层，尚应 乘以1.15的增大系数； gi第i层的重力荷载代表值。,二、底部剪力法,按振型分解反应谱方法求解多自由度体系的地震反应时，需要计算结构的各个自振频率，运算较繁。 对于满足一定条件的多自由度结构可以使用更为简单的底部剪力法。,底部剪力法的适用条件,高度不超过40m、以剪切变形为主、质量和刚度沿高度分布比较均匀的多自由度结构； 近似于单质点体系的结构。,底部剪力法的基本步骤,先计算作用于结构的总水平地震作用，即作用于结构底部的剪力； 将总水平地震作用按一定的规律在分配给各个质点。,1结构底部剪力,多质点体系在水平地震作用任一时刻的底部剪力为 在设计时取其时程曲线的峰值，即： 为简化计算，根据底部剪力相等的原则，将多自由度体系用一个与其基本周期相等的单质点体系来代替。 同时根据反应谱方法，底部剪力就可以简单地用单自由度体系的公式计算：,geq结构等效总重力荷载; gi集中于质点i的重力荷载代表值； c等效系数。根据统计结果分析，其大小与结构的基本周期及场地条件有关。 当结构的基本周期小于0.75s时，可近似取0.85；对于单质点体系等于1.0。适用于用底部剪力法计算地震作用的结构的基本周期一般都小于0.75s，所以抗震规范规定对于多质点体系取c=0.85；对于单质点体系取c= 1.0。 因此，多质点体系的等效总重力荷载即为：,2. 质点的地震作用,在求得结构的总水平地震作用后，将其分配到各个质点，可以得到各质点的地震作用。 由于质量和刚度沿高度分布比较均匀，高度不高，以剪切变形为主的多自由度结构，其地震反应以基本振型为主，而结构的基本振型接近于倒三角形。 故假定水平地震作用按倒三角形分布。,质点的水平地震作用为 故 根据假定，振型为倒三角形时 故 由此可得,公式的适用条件,上述公式的建立基于使用了结构的基本周期和相应的基本振型，对于基本周期较低的结构，计算结果误差较小。因此公式适用于基本周期t11.4 tg 的结构。 对于周期较长（ t1 1.4 tg ）时，需考虑高振型影响的结构，按上述公式计算的结果，结构顶部的地震剪力偏小，还需进行调整。,顶部地震作用的调整,调整的方法是将结构总地震作用的一部分作为集中力作用于结构的顶部，再将余下的部分按倒三角形分配给各质点。 顶部附加的集中水平地震作用可表示为 n 顶部附加地震作用系数； fn 顶部附加水平地震作用。 n的确定:对于多层钢筋混凝土和钢结构，根据场地的特征周期tg及结构的基本周期t1确定；对于多层内框架砖房取0.2；其他房屋可以不考虑n 即n =0。,各质点的水平地震作用标准值计算,若各楼层只考虑一个自由度，质点i的水平地震作用标准值可按下式计算：,其他需要注意的问题,当房屋顶部有突出屋面的小建筑时，其顶部的地震作用可按上述公式计算。附加集中水平地震作用应置于主体房屋的顶部而不置于与小建筑物的顶部。 底部剪力法适用于质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，当房屋顶部有突出屋面的小建筑时，重量与刚度突然变小，地震时将产生鞭端效应，使小建筑的反应特别强烈。 因此，抗震规范规定：当采用底部剪力法计算此类小建筑的地震作用效应时，应乘以增大系数3，但增大部分不应向下传递，但计算与该突出部分相连的构件时应予以计入。,第四章 建筑抗震概念设计,概念设计： 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。 概念设计的内容： 建筑场地选择 建筑选型与结构布置 设置多道抗震防线,1. 避开地震危险地段 地震危险地段：地震时可能发生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流等地段，以及震中烈度为8度以上的发震断裂带在地震时可能发生地表错位的地段。 地震危险地段包括： 断层 陡峭的山区 存在液化或润滑夹层的坡地 大面积采空区,第一节 场地选择,对建筑抗震有利的地段：开阔平坦地带的坚硬场地土或密实均匀的中硬场地土。 对建筑抗震不利的地段： 条状突出的山嘴，孤立的山包和山梁的顶部，高差较大的台地边缘，非岩质的陡坡，河岸和边坡的边缘 软弱土、宜液化土、故河道、断层破碎带、暗埋塘浜沟谷或半挖半填地基 在平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的地段,2.选择有利抗震的场地,1. 建筑平面布置 平面宜简单、规则、对称，减少偏心； 质量和刚度变化均匀，避免楼层错层； 平面长度不过长，突出部分长度l不过大；l、l等值满足要求； 不宜采用角部重叠的平面图形或细腰形平面图形。,第二节 建筑的平立面布置,平面不规则类型,2. 建筑立面布