工程结构地震破坏的基本经验和主要工程对策(翟长海).ppt

工 程 抗 震,翟长海 博士 哈尔滨工业大学土木工程学院 Email： Tel: 86282027,讨论工程结构抗震设计主要分析方法,底部剪力法 振型分解反应谱法： 时程分析法： 静力弹塑性法（pushover法）,认真准备、非常重要！ 要精练、抓住重点、把问题将清楚、学会总结！,工程地震与工程抗震,震源特性 地震波的传播 强地震动的预测 强地震动特征分析 结构地震反应分析 抗震设计理论 结构的震害预测 结构的抗震加固与鉴定 结构的振动控制 结构的健康检测 .,工程抗震的主要内容,工程结构地震破坏的基本经验和主要工程对策 工程抗震设防标准和设计地震动（重点讲解！） 工程抗震设计的基本原则和一般要求 工程结构抗震设计主要分析方法 （重点讲解！） 工程结构地震模拟实验 工程结构振动控制 工程抗震鉴定与加固 生命线工程抗震,参考文献,建筑抗震设计规范GB50011-2001，中国建筑工业出版社，2001 胡聿贤，地震工程学，地震出版社，1988； 沈聚敏，周锡元等，抗震工程学，中国建筑工业出版社 谢礼立主编. 中国工程建设标准化协会标准. 建筑工程抗震性态设计通则（试用）.中国计划出版社, 2004. Chopra. Dynamics of Structures: Theory and Application to Earthquake Engineering. （谢礼立等译），2007，高等教育出版社。 李国强，李杰等著，建筑结构抗震设计，中国建筑工业出版社，2002 李刚, 程耿东. 基于性能的结构抗震设计理论、方法与应用. 科学出版社, 2004. 郭继武著，建筑抗震设计，中国建筑工业出版社，2002 赵成刚，冯启民等，生命线地震工程，地震出版社，1994 邱法维，结构抗震实验方法，科学出版社，2000 相关期刊、会议文章（非常重要！）,工程结构地震破坏的基本经验 和主要工程对策,地基和基础 平面、立面布置 防震缝 抗震结构体系 抗震结构的构件要求 抗震结构各构件的连接 非结构构件 材料与施工,概念设计,地基和基础,建于性质差别很大地基上或部分采用天然地基、部分采用桩基的，地震中结构遭到的破坏更为严重。 （1）1985年自贡地震时，三层砖混结构的自贡新华印刷厂综合楼，基础穿过填土(原为水沟)座落在基岩上，震后遭到较重的破坏。自贡兴隆坳小学二层砖木结构教学楼，北檐墙埋深1.52.0m，置于填土上，南檐墙砌在岩石上，埋深0.5m，建成后不久西北墙角即下沉开裂，地震后除旧有裂缝扩宽外，其它部分也遭到很重破坏。,（2）唐山地震中，天津市宏观烈度为度，由于软土的影响，老旧的非刚性房屋，厂房、框架等自振周期较长的房屋地震反应较大，震害达到8度的平均程度，而刚性多层砖房的结构反应并未放大，仍然只有7度地震的平均震害程度。 （3）在海城地震中，营口市大面积砂土液化，不同结构的震害差异更明显，多层砖房相当于8度震害，烟囱相当于9度震害。 （4）墨西哥地震中，墨西哥城中10-14层建筑的结构反应最大，破坏和倒塌也最严重。 这些震例表明，在选址时，应根据拟建工程的结构特性，通过宏观经验和计算分析来选择对结构地震反应较小的场地；或者说，应根据场地自振特性来布置适宜于建造的结构类型，以求结构的地震反应较小，从而减轻和避免地震的危害。,平面、立面布置,具有简单规则的平、立面建筑物，地震中破坏相对较轻。通常认为，简单结构的受力性能比较明确，设计时容易分析结构在地震作用下的实际反应和内力，且结构细部的设计也好处理。 平面和立面的规则性问题,平面和立面的规则性问题,结构规则与否是影响结构抗震性能的重要因素。但是，由于建筑设计的多样性，不规则结构有时是难以避免的。同时，由于结构本身的复杂性，通常不可能做到完全规则，也只能尽量使其规则，减少不规则性带来的不利影响， 特别不规则结构应尽设避免采用，尤其在高烈度区。 根据不规则的程度，应采取不同的计算模型分析方法，并采取相当的细部构造措施。,平面规则准则,（1）平面偏心 结构在平面内沿两正交方向上侧向刚度和质量分布接近对称。如果任何一层的偏心率超过0.2时，则认为属于不规则结构，偏心率为质量中心与刚度中心间距离与相应方向宽度之比。 （2）平面凹角 平面轮廓应简单、对称，如下图所示的限制平面形状，突出部分的长度不应超过图中所示的限制。,平面规则准则,平面规则准则,（3）楼板突变 楼板在平面内突然间断，或楼板内洞口削弱面积超过整个楼层面积15或相邻层有效楼板刚度相差超过15，都属于平面不规则结构。 （4）平面外水平断错 竖向构件在平面外水平断错，造成侧向力传递路径的间断，这种情况属于结构平面不规则。 （5）非平行结构体系 抗侧力的竖向构件既不平行于抗侧力体系的对称轴，又不平行于抗侧力体系的正交轴，这种情况属于结构平面不规则。,立面规则准则,（1）刚度突变的柔性层 各楼层侧向刚度沿结构高度分布均应保持不变或逐步减小，没有突变。相邻楼层的侧向刚度的变化不得超过30或与其上部相邻三层楼层侧向刚度平均值相比不得小于80。 （2）质量分布突变 各楼层的质量沿结构高度分布均应保持不变或逐步城小，没有突变。相邻楼层的质量变化不得超过50，但结构顶层出外。,立面规则准则,（3）立面刚度突变 所有抗侧力体系如简体、剪力墙或框架不宜被截断，应自基础连续到结构顶部；或当在不同高度处须有缩进时，应自底部连续到相应区段的顶部。 （4）竖向抗侧力构件在其平面内的间断 （5）承载力突变薄弱层 框架结构体系中，楼层实际抗力与计算所需抗力之比即屈服承载力系数，在毗邻楼层问不应有突然变化，两者相差不得超过20。,刚度突变常导致破坏,柔底层可以看作是刚度、强度突变的一个例子 对于刚度、强度连续式、过渡式的变化，不但是上层和底层，同时也包括在竖向及水平向相邻层之间的变化，再进而可以扩大为在平、立面内的几何形状、刚度、强度和质量的变化，都应力求均匀，否则，将会引起结构反应性状的变化，如产生过大的扭转，从而引起某些部位的内力或变形的集中，而导致破坏。,橄榄景医疗中心主楼为六层，钢筋混凝土房屋的上面5层有四个翼，底层连在一起，并在平面上超过上5层。,顶上四层有剪力墙和螺箍柱，地下层与第2层则无剪力墙，只有包括系箍柱的抗弯刚架。顶上四层的刚度与强度都远大于下面两层，从而形成了柔底层的结构形式。 1971年1月9日美国圣费尔南多地震中，严重的结构震害均集中于下面两层，上部四层震害轻微，底层的永久位移达到25厘米，第2层达76厘米。,柱的破坏要重视,在许多地震中，钢筋混凝土柱的破坏曾引起严重后果，如1967年委内瑞拉加拉加斯地震。为此，现在的抗震规范均强调强柱弱梁（内在原因？）的设计原则。 引起钢筋混凝土柱破坏的原因很多，主要的有过大的侧移而产生的P-效应（概念？）、角柱的双向地震动影响、房屋倾覆和竖向地震动产生的柱轴向内力、箍筋不足等原因。柱是钢筋混凝土房屋中承力的主要构件，其强度降低和变形加大会使柱丧失其承担竖向力的作用而导致房屋倒塌。,要求,结构体系应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力,1999年台湾集集大地震中，不少10多层的钢筋混凝土向一侧倾倒。据事后对结构布局的观察，是由于柱子的数量较少或承载能力较弱，部分柱子地震中退出工作后，整个结构系统丧失了对竖向荷载的承载能力，致使结构塌落或倾倒。 抗震设计的一个重要原则是结构应具有必要的赘余度和内力重分配的功能（是判断结构抗震设计是否合理的一个依据），即使地震中部分构件退出工作，其余构件仍能将竖向荷载承担下来，避免整体结构失效或失稳。（超强的概念！）,防震缝,不规则建筑或房屋相邻两翼同一方向的侧移刚度相差悬殊的建筑物，在地震时往往因局部应力集中或两翼衔接处左右变形不协调而产生局部破坏。 抗震设计中，对这一问题的处理方法，通常是在建筑的某一部位设置防震缝，以使不规则建筑尽量规则些，刚度相差悬殊两部分划分成各自独立的整体。,防震缝,防震缝在不同程度上影响建筑立面效果，加之结构地震反应的复杂性，致使地震时变形的大小较难确切估计，因此，对防震缝设置的必要性，目前意见尚未完全统一。 主要问题是，设置防震缝究竟是增加了房屋的抗震能力还是降低了房屋的抗震能力。目前比较倾向于根据建筑类型、结构体系和建筑物体型等具体情况区别对待，而不提倡都设或都不设。,目前对毗邻结构的研究是研究的热点问题,抗震结构体系,抗震结构体系是抗震设计中要考虑的最关键问题。结构方案选取是否合理，对安全和经济起决定性作用。抗震结构体系的确定，受设计项目的经济和技术条件(投资、材料、施工技术)制约，还同项目所在地的环境条件(地震、场地条件)有关，是一项系统决策，需要从多方面考虑。（王光远院士在此方面做了很多工作） 抗震结构体系要求受力明确、传力合理且传力路线不间断，使结构的抗震分析更符合结构在地震时的实际表现。这是结构选型与布置结构抗侧力体系时首先考虑的条件之一。,结构体系应具备必要的承载能力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力,对结构体系来说足够的承载能力和变形能力是两个同时需要满足的条件。 有较高的承载能力而缺少较大的变形能力(如不加约束的砌体结构)，很易引起脆性破坏而倒塌；有较大的变形能力而缺少较高的抗侧向力的能力(如钢或钢筋混凝土纯框架)，也由于在不大的地震作用下产生较大的变形，而导致非结构构件的破坏或结构本身的失稳，不能满足结构抗震能力的需要，必要的承载能力和良好的变形能力的结合便是结构在地震作用下具有的耗能能力。,强烈地震发生时，建筑物将受到多次反复冲击作用而产生累积性破坏。如果建筑物仅设置一道防线，则在该道防线破坏后，接踵而来的持续震动将造成建筑物的倒塌。如果设置第二道乃至更多道防线，则可抵挡因第一道防线破坏而产生的倒塌，从而保证建筑物内人员的人身安全。,要设置多道抗震防线,多道抗震防线的含意是： 一个抗震结构体系，应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作。如框架抗震墙体系由延性框架和抗震墙两个系统组成；双肢或多肢抗震墙体系由若干个单肢墙分系统组成； 抗震结构体系应有最大的内部、外部赘余度，并有意识地建立一系列屈服区，使结构既能吸收和耗散大量地震能量，又能在一旦破坏后易于修复。,抗震薄弱层(部位)也是抗震设计中的重要概念 结构在强烈地震作用下不存在强度安全储备。构件的实际承载力分析是判断薄弱层(部门)的基础； 要使楼层(部位)的实际承载力和设计计算的弹性受力之比在总体上保持相对均匀变化（屈服强度系数）。因为楼层(部位)的这个比例一旦有突变，将会由于塑性内力重分布而导致塑性变形的集中； 要防止局部加强而忽视整个结构刚度、强度的协调； 在抗震设计中有意识、有目的地控制薄弱层(部位)，使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，这是提高总体抗震性能的有效手段。,对抗震结构的构件要求,在决定所选用的结构形式时，结构构件材料的选择也是重要素。 从抗震角度看，良好的材料应具有延性好、强度重量的比率高、均匀、易于作成原强度的连结等优点。我国的震害经验表明：钢筋混凝土结构的抗震性能优于砖砌体结构；砌体结构中，配筋砌体结构优于无筋砌体。这表明，改善结构构件的变形能力是提高抗震能力的主要途径之一。,结构构件的延性,结构的变形能力取决于组成结构的构件及其连接的延性水平。规范对各类结构采取的抗震措施，基本上是提高各类结构构件的延性水平，如： 采用水平向(圈梁)和竖向(构造柱、组合柱)钢筋混凝土构件，加强对砌体结构的约束，或采用配筋砌体；使砌体在发生裂缝后不致坍塌和散落，地震时不致丧失对重力荷载的承载能力； 避免混凝土结构的脆性破坏(包括混凝土压碎、构件剪切破坏、钢筋同混凝土粘结破坏)先于钢筋的屈服； 避免钢结构构件的整体和局部失稳，保证节点焊接部位(焊缝和母材)在地震时不致开裂。,改善构件变形能力的原则和途径 无筋砌体本身是脆性材料，只能利用约束条件(圈梁、构造柱、组合柱等来分割、包围)保证砌体发生裂缝后不崩塌、散落，地震时不致丧失对重力荷载的承载能力； 钢筋混凝土构件抗震性能是比较好的，但处理不当，也会造成不可修复的脆性破坏。这种破坏包括：混凝土压碎、构件剪切破坏、钢筋锚固部分拉脱(粘结破坏)，应力求避免； 钢结构杆件的压屈破坏(杆件失去稳定)或局部失稳是一种脆性破坏，应予以防止。,抗震结构各构件的连接,海城、唐山等多次地震造成房屋坍塌的最主要和直接的原因之一，就是构件之间的连接破坏、结构丧失整体性、各构件尚未发挥抗震能力就发生平面外失稳、或从支承构件上滑脱坠地。 唐山地震中，天津市单层厂房屋面板的散落，砸坏支撑、拉开屋架，使大面积屋盖倒塌，以及唐山市多层砖房预制板塌落而造成房屋倒塌就是实例。,抗震结构各构件的连接,这表明，要想提高房屋的抗震能力，保证各个构件强度的充分发挥，首要的是加强构件间的连接，使之能满足传递地震力时的强度要求和适应地震时大变形的延性要求。 构件连接不破坏、不失效，整个结构就能始终保持其整体性。,非结构构件,非结构构件一般不属于主体结构部分，或为非承重结构，在抗震设计时容易忽略。如果处理不好，易在地震中发生倒塌伤人，砸财产设备，甚至造成主体结构倒塌，非结构构件包括： (1)附属构件,如女儿墙、高低跨封墙、雨篷等; (2)装饰物,如建筑贴面、玻璃幕墙、装饰、顶棚和吊重物等； (3)非结构的墙体,如围护墙、内隔墙、框架填充墙等。,第(1)类型构件的抗震问题是防止倒塌。采取的抗震施是加强非结构构件本身的整体性，并与主体结构加强锚固。特别是人流出入口、通道及重要设备附近，更应注意。 第(2)类型构件的抗震问题是防止脱落和装修破坏。采取抗震措施是同主体结构可靠连结。对重要的贴面和装饰，还要采用柔性连接，即主体结构的变形不致影响贴面和装饰的损坏。,非结构构件,第(3)类型构件的抗震问题比较复杂。由于材料不同（砌体、钢筋混凝土构件，金属材料等）以及与主体结构的关系（指是否改变主体结构的强度、刚度、变形和吸能能力），而对结构产生不同程度的影响。通常有： 增大主体结构的自振周期，减少构件受到的地震作用； 改变主体结构侧向刚度的分布，从而改变地震作用在各构件之间的内力分布状态； 对主体结构的地震作用分析带来困难，不易选取合适的结构抗震分析计算模型，不易正确估计地震反应； 处理不好引起主体结构的破坏。例如，形成短柱，造成地震时较重的破坏。,非结构构件,非结构构件的抗震措施,作好细部构造，使非结构构件成为抗震结构的一部分。在计算分析时，充分考虑非结构构件的质量、刚度、强度和变形能力； 防止非结构构件参与工作，避免非结构构件对主体结构的变形限制。分析计算时，可以只考虑非结构构件的质量，不考虑刚度和强度； 构造上采取措施避免出平面倒塌； 选用合适的抗震结构，加强主体结构的刚度，以减小主体结构的变形量，对装饰要求高的建筑要防止非结构破坏。,材料与施工,施工质量的好坏，对建筑物的抗震性能有很大的影响。施工质量符合各种结构设计规范和施工验收规范的要求，就可充分发挥建筑物的抗震能力，减轻地震所造成的破坏。 在当前的形式下，材料与施工的原因更显重要！,材料与施工,施工中应注意的问题： （1）选用合格的建筑材料，特别是水泥、钢材、红砖等。砂浆和混凝土应搅拌均匀，配合比准确，保证强度标号。 （2）确保砌筑质量：砖缝砂浆要饱满。砌砖时砖面要保持湿润和清洁，注意对新砌体的养护。清水墙或混水墙均不应任意以碎砖砌筑或填心；外墙转角和内外墙交接处应同时咬槎砌筑。如果采取留槎砌筑，则不宜留马牙槎，而宜留坡槎；填充墙顶几层砖应认真砌好，墙顶面与框架梁底应用砂浆填实。当柱侧和梁底伸出钢筋与填充墙拉结时，应按没计要求施工，不可马虎行事。施工圈梁(支模、绑筋和浇灌)时，不要扰动已砌好的砖墙。,材料与施工,施工中应注意的问题： （3）确保各部构件连接的质量：大板与屋架间的联结焊缝必须保证质量，不得少焊或漏焊；预制板的灌缝加筋应按图纸要求进行，围护墙和圈梁与柱的拉结必须符合设计要求；各类支撑端部节点焊缝和结构构件的联结锚件，应按设计要求焊牢锚固。 （4）保护钢筋，在灰缝内埋置钢筋时应保证灰缝密实，以防钢筋锈蚀。 （5）浇灌混凝土施工缝时应严格遵守钢筋混凝土工程施工及验收规定的有关要求。,材料与施工,施工中应注意的问题： （6）钢筋混凝土结构施工中若因缺乏设计规定的钢筋型号(规格)而采用另外型号(规格)钢筋代替时，应保证替代后的主要钢筋总屈服强度不应高于截面原设计的屈服强度。 （7）防震缝应按设计要求的缝宽施工，并用松软材料填充。防震缝内不要掉入碎砖、灰浆或其它坚硬杂物，更不应咬槎砌筑，以免失去防震缝作用。 （8）冬季施工应认真按施工及验收规范中有关规定执行。抗震设计时，抗震结构对材料和施工质量的特别要求，应在设计文件上注明。,桥梁的震害经验,强地震时，桥梁会受到不同程度的损坏，轻者桥台或桥墩倾斜或开裂、支座锚栓剪断或拉长，重者桥台、桥墩滑移，落梁，倒塌。由于公路桥梁一般荷载比铁路桥梁小，故其基较浅，震害一般较高。,震害重、生命线系统的重要组成部分,桥台、桥墩滑移,桥梁跨过河流，桥台均建于岸坡上，桥墩也常在河岸缓坡。当地基或边坡含有软弱土层(如可液化的砂层)时，在强地震动作用下边坡易产生滑坡，从而带动桥台、桥墩向河心滑移，引起桥台桥墩断裂、倾斜、沉陷，甚至倒塌； 对于桥台而言，背后填土在地震时产生的土动压力会使桥台滑移或倾斜，破坏翼墙或使填土下沉。这种震害多见于冲积平原河流上的桥梁。,双河子盘山公路桥（1）,双河子盘山公路桥位于平原地区，共14跨，跨长22米，上部结构为装配式钢筋混凝土T型简支梁；桥墩由钢筋混凝土双柱组成，柱直径1米，墩高7米；下为四柱式高柱承台，承台灌注桩直径O.9米，长约30米；桥台柱直径O.8米，长约22米。基础地层复杂，主要为粉细砂土层，顶部为淤泥质亚粘土，在河床下1.5米处有一层粉细砂。,双河子盘山公路桥（2）,唐山地震时，北岸侧各墩均产生水平裂缝，墩身明显倾斜，墩基础向河心滑移。7号墩下沉15厘米，桥梁呈波浪形。2月9日5级强余震时，位于河中的7号墩倒入河底，8号墩双柱自破冰体处断落，第79三孔梁及第12孔梁相继塌落，11号墩基础向河心滑移，承台灌注桩两根拦腰折断，另两根沉没，承台落入河床；第24号墩基础向河心移位，墩柱在破冰体上垄面处折断；梁的摆动支座歪斜或震落，墩柱顶底水平相对位移达1.5米左右。,唐山陡河铁路桥,钢筋混凝土梁，全长48米，圆混凝土桥墩，高约7.4米，钻孔桩基础，桩长24米。此桥接近唐山震中区，烈度为10度。地震两端桥台向河心滑移，桥孔缩短3.7米，两墩间距未变。梁向唐山方向移动，唐端台上部受梁向岸方向推力，下部受河岸向心滑移推力，将桥台沿施工缝剪成三段，向河心错动2.58米，中段错动1.88米。梁向唐端方向移动时，沿纵向将1号和2墩顶 带向唐方，使墩在4.5米下的 施工缝折断；墩上部倾斜20度， 下部墩压酥剥落，濒临倒塌。,桥墩或墩下地基顶部开裂折断，造成落梁,滦河公路桥建于1974年，上部结构为35孔钢筋混凝土T型简支梁，每跨长22.2米；活动支座为摆动式；桥墩为石砌，墩下为双桩式承台基础，桩直径为1.25米，长26-30米，支承于砂夹卵石层上。 1976年7月28日清晨唐山7.8级地震时，该地属8度地区，未见桥梁破坏现象，车辆尚可通行；但下午7.1级地震时，虽仍属8度区，但桥梁倒塌严重，从西岸算起，第2至24孔梁均坠入河中，其余未坠落的梁，相对于墩顶而言，在活动支座处有向东2l-50厘米的纵向移位，向东的磺向移位最大达36厘米。桥墩底部桩顶在地下l-2米处有许多裂缝。,1975年海城地震时西河铁路桥的主要破坏。此桥全