《结构抗震基本知识》PPT课件.ppt

工程结构抗震与防灾,主讲人：黄雄军 手机E-mail：,第1章 结构抗震基本知识 1-1 地震基本知识 地震是一种经常发生的自然现象，只不过在发生 小于四级地震时，人们没有感觉。 但是，如果地震发生在人群居住地并且地震级别 较大时，将给人们带来灾难甚至是灭顶之灾，例如： 1976年的唐山大地震，2008年的四川汶川大地震及 2013年4月的四川芦山地震。 尽管目前人们尚不能控制及预测地震的发生，但 是实践表明，设计出抗震性能优良的建筑物，则有可,能减少地震带来的生命与财产损失。 因此，为了抵御和减轻地震灾害，有必要进行工 程结构的抗震分析与设计。,一、地球的构造 地球：地球是一个平均半径约为6400km的椭圆球体。 由外到内可分为三层，即地壳、地幔与地核。,地壳：地球外表面的一层薄壳，平均厚度约为30km，最薄处约5km，地震多发于此。 通常认为，地壳（地球最外层）是由一些巨大的 板块所组成的，板块向下延伸的深度大约为70-100km。 地幔主要由质地坚硬的橄榄岩组成。由于地球内 部放射性物质不断释放热量，地球内部的温度随深度 的增加而升高，导致地幔内物质的对流。 地核是地球的核心部分，可分为内核与外核。,二、地震的类型与成因 地震安全成因主要分为： 构造地震 火山地震 水库引发地震 矿山开发 人工爆破 其中，前两项为天然地震，后面为诱发地震。,构造地震的成因主要有： 1.断层说 地球内部在不断运动的过程中，始终存在着巨大 的能量，造成地壳岩层不停地连续变动，不断发生变 形，产生地应力。 当地应力产生的应变超过某处岩层的极限应变时 ，岩层就会发生突然断裂和错动。,2.板块构造说 地球表面的岩石层不是一块整体，而是由六大板 块和若干小板块组成，即欧亚板块、美洲板块、非洲 板块、太平洋板块、澳洲板块和南极板块。 由于地幔物质的对流，板块一直在缓慢地相互运 动，板块构造说认为：板块的构造运动是产生构造地 震的根本原因。 从局部机制上分析，地球板块在运动过程中，板 块之间的相互作用力会使地壳中的岩层发生变形。当 这种变形积聚到超过岩石所能承受的程度时，该处的 岩体突然断裂或错动，从而引起地震。,三、世界的地震活动 据统计，地球上平均每年发生震级8级以上、震中 烈度11度以上的毁灭性地震2次；震级7级以上、震中 烈度9度以上的大地震不到20次；震级在2.5级以上的 有感地震15万次以上。,三、我国的地震活动 我国东临太平洋地震带，南接欧亚地震带，地震 分布相当广泛。我国6个地震活动区： 台湾及其附近海域 喜马拉雅山脉活动区 南北地震带 天山地震活动区 华北地震活动区 东南沿海地震活动区,五、近期世界地震活动 2004年12月26日印尼发生的地震为8.7级； 2008年5月12日四川汶川发生的地震为8.0级； 2010年1月12日海地发生的地震为7.3级； 2010年2月27日智利发生的地震为8.8级； 2011年3月11日日本发生的地震为9.0级，引发 海啸与核泄漏，以致造成巨大的灾难； 2013年4月20日四川芦山发生的地震为7.0级；,1-2 地震的基本术语 一、震源和震中 地球内部由于某种原因发生振动，并以波的形式传递到地表引起地面震动 内部发生振动的地方称之为震源 震源在地表的投影叫震中 震源至地面的垂直距离叫震源深度 根据震源深度将地震划分为： 浅源地震震源深度小于60km； 中源地震震源深度在60km- 300km之间； 深源地震震源深度大于300km； 其中，浅源地震的破坏性为最大。,二、地震波 地震由于地下岩体发生断裂、错动产生震动并以 波的形式从震源向外传播，即为地震波，可分为体波 与面波。 （1）体波 体波是指通过地球本体内传播的波，包含纵波、 横波。,纵波：质点振动方向与波的传递方向一致的波。 横波：质点振动方向与波的传递方向垂直的波。 纵波：压缩波，无论是在固体内还是液体内均能 传播； 周期短、振幅小，在地面引起上下颠簸运动。 横波：剪切波，只能在固体内传播； 周期较长，振幅较大，引起地面水平方向的 运动。,（2）面波 面波是指介质表面或地球表面及其附近传播的 波，一般认为是体波经地层界面多次反射形成的次生 波，包含瑞雷波和乐普波。 瑞雷波传播时，质点在波的前进方向与地表法向 组成的平面内作逆向椭圆运动。这种运动形式被认为 是形成地面晃动的主要原因。 乐夫波传播时，质点在与波的前进方向垂直的水 平方向运动，在地面上表现为蛇形运动。,瑞雷波振动轨迹剖面(a)和射线(b),地震波的传播速度，以纵波最快、横波次之，面 波最慢。 所以，在地震发生的中心地区人们的感觉是，先 上下颠簸，后左右摇晃。当横波或面波到达时，地面 振动最为强力，产生的破坏作用也最大。 在离震中较远的地方，地震波衰减，地面振动减 弱，破坏作用也就减轻。,三、地震震级 地震震级是表示地震本身大小的一种度量。其数 值是根据地震仪记录到的地震波图确定的。例如某时 某地发生了里氏7级地震。 地震震级M与震幅的关系： 地震震级M与震源释放能量的关系如下： 从该公式可以知道，如果地震震级M增加1级，则 震源释放能量E增加大约为30倍。,四、地震烈度 地震烈度是指某一区域的地表和各类建筑物遭受 某一次地震影响的平均强弱程度。 一次地震，表示地震本身大小的震级只有一个。 然而，由于同一次地震对不同地点的影响不一样，随 着距离震中的远近会出现多种不同的烈度。 此外，由于地层土不一样，地震波的表现也不一 样，因此震中距相同的建筑，其破坏程度也不一样。,此外，地震烈度与地面上的建筑物的抗震性能也 有关。08年8月底在攀枝花发生的6.1级与2010年4月玉 树地震带来的破坏也相对较大，原因之一就是处于山 区农民的房屋大部分是土坯房，即使不发生地震，也 应该是危房。 地震等级在地震发生后不久就可以确定，但是， 地震烈度则要经过调查后才能确定，时间相对较长。 例如，5.12汶川地震发生后，国家地震局随即就 发布了地震的等级为7.8级，两天后修改为8.0级。但 是地震烈度的情况则是在9月初公布。,汶川地震的烈度分布情况,1-2 地震动特性 由地震波传播所引发的地面振动，称为地震动。 一般通过记录地面运动的加速度来了解地震动的 特性。 地震动的三要素为地震动的峰值（最大振幅）、 频谱和持续时间。 工程结构的地震破坏与地震动三要素密切相关。 每次的地震动记录都是不一样的。但可根据地震 后的构筑物的破坏情况或者通过人工合成的办法确定 几种典型的地震动，作为进行工程结构的抗震分析用。,一、地震动幅值特性 地震动的幅值可以是地面的加速度、速度或位移 的某种最大值或某种意义下的有效值。 目前采用最多的地震动幅值是地面运动最大加速 度幅值，它可以描述地面震动的强弱程度，且与震害 有着密切的关系，可作为地震烈度的参考物理指标。 二、地震动频谱特性 震级、震中距和场地条件对地震动的频谱有重要 的影响，震级越大、震中距越远，地震动记录的长周 期分量就越显著。,地基土中软土且地层厚的地基上的卓越周期偏向 长周期，因此地震动的作用就可能被放大。 三、地震动持时特性 地震动持时对结构的破坏程度有着较大的影响。 在相同的地面运动最大加速度作用下，当强震的持续 时间越长，则该地点的地震烈度就高，结构物的地震 破坏就重。,地震的破坏作用 1.地表破坏及其影响 地表破坏表现为地裂缝、地面下沉、喷水冒砂和 滑坡等形式。 地裂缝分成为构造性地裂缝和重力式地裂缝。 地面不均匀沉陷易引起建筑物的破坏甚至倒塌。 2.建筑物及构筑物的破坏 由地表破坏造成的建筑物破坏性质上属于静力破 坏，这种破坏有时是灾难性的，如北川县城的一些建 筑的破坏。,更多的建筑物（大约90%）破坏由于地震地面运动 的动力响应引起的，在性质上属于动力破坏，也是人 们通过改善建筑物设计可以控制的。因此，结构物动 力破坏机制的分析，是结构抗震研究的重点和结构抗 震设计的基础。 建筑物的动力破坏主要表现为因为主体结构强度 不足所形成的破坏和结构丧失整体性两类破坏形式。,3.次生灾害 如地震形成的堰塞湖、水坝、煤气、通讯、易 燃、易爆、有毒物质的容器的破坏给人们的破坏也相 当巨大。例如北川的唐家山堰塞湖，若不及时处理， 给下游造成的破坏有可能大于地震本身的破坏。,1-4 工程结构的抗震设防 一、基本术语 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50年内超越概率为 10%的地震烈度，也称为基本烈度。 基本烈度是一个地区进行抗震设防的主要依据。 如前所述，地震等级表明的是地震释放能量的大 小，地震烈度是地面建筑物的破坏程度，因此对建筑 物进行抗震设计只能依据烈度大小。,在我国基本地震烈度的区划只能由国家地震局发 布，且基本上按县级行政区域进行划分，可以在抗震 设计规范中查出，如地震烈度、地震加速度峰值。 抗震设防标准 衡量抗震设防要求高低的尺度，由抗震设防烈度 或设计地震动参数及建筑物的抗震类别确定； 地震作用 由地震动引起的结构动态作用，包括水平地震作 用和竖向地震作用。 设计地震动参数 抗震设计用的加速度（速度、位移）时程曲线、加,速度反应谱和峰值加速度 设计基本加速度 50年设计基准期超越概率10%的地震加速度的设计 取值； 设计特征周期 抗震设计用的地震影响系数程曲线中反映地震震级 、震中距和场地类别等因素的下降起始点对应的周期 值，简称特征周期； 场地 工程群体所在地，其范围相当于厂区、居民小区 和自然村或不小于1平方公里的平面面积。,抗震措施 除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 根据抗震概念设计原则，一般不需要计算而对结 构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。,二、地震影响和抗震设防烈度 抗震设防烈度是一个地区进行抗震设防依据的地 震烈度。 一般情况下可采用中国地震动区划图的地震基本 烈度或与建筑抗震设计规范（GB50011-2010） 设计基本地震加速度值对应的烈度值。 抗震规范规定，设防烈度为6度及以上的地 区的建筑，必须进行抗震设计。 震害调查表明，虽然不同地区的宏观烈度相同， 但处于大震级远震中距的柔性建筑物，其震害要比小 震级近震中距的情况。,震害调查表明，虽然不同地区的宏观烈度相同， 但处于大震级远震中距的柔性建筑物，其震害要比小 震级近震中距的情况重得多。 因此，抗震规范用设计地震分组来体现震级 和震中距的影响，建筑工程的设计地震分成为三组。 第一组表示近震中距，第二、三组表示较远震中 距的影响。,三、建筑分类 我国抗震规范将建筑物按其用途的重要性分 成为特殊设防类（简称甲类）、重点设防类（乙类）、 标准设防类（丙类）、适度设防类（丁类）四类。 （1）特殊设防类建筑：指使用上有特殊设施，涉及 国家公共安全的重大建筑工程和地震时可能发生严重 次生灾害等特别重大灾害后果，需要进行特殊设防的 建筑。 （2）重点设防类建筑：指地震时使用功能不能中断 或者需尽快恢复的生命线相关建筑，以及地震时可能 导致大量人员伤亡等重大灾害后果，需要提高设防标,准的建筑如城市的建筑，简称乙类建筑。如城市的供 水、供电、通讯、交通控制中心、三甲医院的主要医 技楼及中小学、幼儿园的教学楼等。 （3）标准设防类建筑：除了（1）、（2）、（4）等 三类建筑以外的建筑，简称丙类建筑。 （4）适度设防类建筑：指使用上人员稀少且震损不致 产生次生灾害，允许在一定条件下适度降低要求的建 筑，简称丁类。如无人看守的仓库、临时建筑等。 经过汶川地震的教训，我国将中小学的建筑调整为 乙类建筑，国外如日本，学校的建筑是最安全的。,我国建筑抗震设防分类标准规定，各抗震设 防类别建筑的抗震设防标准应符合下列要求： （1）特殊设防类（甲类建筑） 地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求，其 值应按批准的地震安全性评价结果确定。 抗震措施，当抗震设防烈度为6-8度时，应符合比 本地区抗震设防烈度提高1度的要求，当为9度时，应 符合比9度抗震设防更高的要求。,（2）重点设防类（乙类建筑） 地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗 震措施，一般情况下，当抗震设防烈度为6-8度时，应 符合比本地区抗震设防烈度提高1度的要求，当为9度 时，应符合比9度抗震设防更高的要求；地基基础的抗 震措施应符合有关规定。 （3）标准设防类（丙类建筑） 地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈 度的要求。,（4）适度设防类（丁类建筑） 一般情况下，地震作用仍应符合本地区抗震抗震 设防烈度的要求；抗震措施应允许比按本地区抗震设 防烈度的要求适当降低，但抗震设防烈度为6度时不 应降低。 抗震设防烈度为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。,四、多遇地震烈度和罕遇地震 多遇地震烈度：是指发生机会较多的地震又称小震烈 度，是指在50年内发生的可能性（或者被超越的概率） 为63.6%，又称为小震烈度。 基本烈度：它在50年内发生的可能性（或者被超越的 概率）为10%，又称为中震对应的烈度 。 罕遇地震烈度：是指在在50年内发生的可能性（或者 被超越的概率）为2%，又称为大震烈度。 基本烈度较小震烈度约高1.55度，较罕遇地震烈 度低1度。,图：三种烈度含义及其关系,五、抗震设防目标 工程设防的基本目的是在一定的经济条件下，最 大限度地限制和减轻建筑物的地震破坏，保障人民生 命财产的安全。 我国抗震规范明确提出了三个水准的抗震设 防要求： 第一水准：当遭受低于本地区设防烈度的多遇地 震影响时，建筑物一般不受损坏或不需要修理仍可继 续使用；,第二水准：当遭受相当于本地区设防烈度的地震 影响时，建筑物可能损坏，但经一般修理即可恢复正 常使用； 第三水准：当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地 震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命安全的严 重破坏。 上述三个水准可简单表述为：“小震不坏、中震 可修，大震不倒” ，这也我国的抗震设防目标。,我国采取6度起设防的方针。这样，我国地震设 防区面积约占国土面积的60%。 每一个地区（具体到县级行政区）的抗震设防烈 度均可以在抗震规范中查出。 同一抗震设防烈度等级还有不同的地震加速度， 如7度区，设计基本加速度有0.10g与0.15g，为了区 分，俗称为7度及7度半。,六、两阶段抗震设计方法 我国抗震规范采用简化的两阶段设计方法： 第一阶段设计：按多遇地震烈度对应的地震作用 效应和其他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。 第二阶段设计：按罕遇地震烈度对应的地震作用 效应验算结构构件弹塑性变形。 第一阶段设计，保证了第一水准的承载力要求与 变形的要求。 第二阶段设计，则旨在保证了第三水准的抗震设,防要求，即大震不倒。 第二水准设防很难进行定量计算，目前主要通过 构造措施来保证。如钢筋的最小配筋率、钢筋的锚固 长度，最小截面要求等等。 汶川地震震害证明上述的三水准设防与两阶段 设计是比较科学的。,七、基于性能的抗震设计 为了强化结构抗震的安全目标和提高结构抗震的 功能要求，提出了基于性能的抗震设计思想和方法。 （1）从着眼于单体抗震设防转向同时考虑单体工程 和所相关系统的抗震。 （2）将抗震设计以保障人民的生命安全为基本目标转 变为在不同风险水平的地震作用下满足不同的性能目 标，即将统一的设防标准改变为满足不同性能要求的 更合理的设防目标和标准。,（3）设计人员可根据业主的要求，通过费用-效益的 工程决策分析确定最优的设防标准和设计方案，以满 足不同业主、不同建筑物的抗震要求。 基于抗震性能的抗震设计将是今后较长时期结构 抗震的研究和发展方向。,1-5 建筑场地 一、建筑场地类别 地震区的建筑宜选择有利地段，避开不利地段， 不在危险地段进行工程建设。 但建筑场地的选择则要受到地震以外的许多因素 的制约。 1.建筑场地的地震影响 不同场地上建筑物的震害差异是很明显的。 在软弱地基上，软性结构最容易遭到破坏，刚性 结构表现较好；在坚硬地基上，柔性结构表现较好， 而刚性结构表现不一。,就地面建筑总的破坏现象来说，在软弱地基上的破 坏现象比坚硬地基上的破坏要严重。 不同覆盖层厚度上的建筑物，其震害表现明显不 同。 覆盖层厚度 覆盖层厚度为地下基岩或剪切波速大于500m/s的 坚硬土层到地表面的距离，称为覆盖层厚度。,不同覆盖层厚度上的建筑物，其震害表现明显不 同。在覆盖层厚度为中等厚度的一般地基上，中等高 度一般房屋的破坏，比高层建筑的破坏严重，而在基 岩上各类房屋的破坏普遍较轻。,2.场地土的固有周期与场地的地震效应 不同场地上建筑物的震害差异是很明显的,其主 要原因在于场地土的固有周期及自振周期不同。 土层的固有周期与覆盖层厚度 有良好的相关 性，土层的固有周期随着覆盖层厚度的增加而增加。 场地土层的固有周期T可按下列简化公式进行计算 ，对于： 单一土层： 多层土：,场地土对于基岩传来的入射波具有放大作用。 当地震动的卓越周期与该地点的土层固有周期一 致时，将产生共振现象，导致地表的振幅大大增加。 由于表层土的滤波作用，坚硬场地土地震动以短 周期为主，而软弱场地土则以长周期为主。 当地震波中占优势的波动分量的周期与建筑物自 振周期相接近时，建筑物将由于共振效应而受到非常 大的地震作用，导致建筑物出现震害。,因此，坚硬场地土上自振周期短的建筑物一般震 害较严重，而软弱地基上长周期柔性建筑物的震害必 然严重。,3.建筑场地类别 建筑场地土类别是场地条件的表征。 我国抗震规范根据土层等效剪切波速的大小 以及覆盖层的厚度将场地划分为4个类别，即I 、II、 III、IV类，其中I类有2个子类。 相同的建筑建造在I类土上的抗震性能为最好，IV 类最差。,计算深度范围内土层的等效剪切波速应按下式计算： d0计算深度，取覆盖层厚度和20米两者的较小 值； n计算深度范围内土层的分层数； t剪切波在地面至计算深度之间的传播时间； 计算深度范围内第i土层的厚度（m）； 计算深度范围内第i土层的剪切波速； 土层的等效剪切波速 ；,关于覆盖层厚度的确定，应符合以下要求： 1）一般情况下，应按地面至剪切波速大于500m/s且其 下卧各层岩土的剪切波速均不小于500m/s的土层顶 面的距离确定； 2）当地面5m以下存在剪切波速大于其上部各土层剪切 波速2.5倍的土层，且该层及其下卧各层岩土的剪 切切波速剪切波速均不小于400m/s ，可按地面至 该土层顶面的距离确定； 3）剪切波速大于500m/s的孤石、透镜体，应视同周围 土层； 4）土层中的火山岩硬夹层，应视为刚体，应扣除。,例题：某场地的地质状况钻孔资料如下，请确定该场 地类别。,解：因为地表下7.5米以下土层的剪切波速为： ，因此覆盖层的厚度为7.5米。 所以，计算深度为： 等效剪切波速为： 根据抗震规范，即表1-4，该场地属于II类。,二、场地土的液化 1.场地土液化及其判别 饱和松散的砂土或粉土，地震时易发生液化现象 ，使地基承载力丧失或者减弱，甚至喷水冒砂，这种 现象称为砂土液化或者地基土液化。 液化机理土颗粒间的空隙水由于地震产生的 强烈挤压来不及排出，导致压力急剧增大并使得土粒 之间摩擦力消失，土颗粒处于“悬浮”状态，形成所 谓的液化现象。 地基土液化使土体抗震强度丧失，引起地基的不 均匀沉陷引发建筑物的破坏或倒塌，后果较为严重。,影响土的液化的因素： （1）土层的地质年代 （2）土中土粒的组成和密实程度 （3）砂土层埋置深度和地下水位深度 （4）地震烈度和地震持续时间,2.3.2液化的判别 1.初步判别 饱和的砂土或粉土当符合下列条件之一时，可初 步判别为不液化或可以不考虑液化的影响： （1）地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及其以前且 设防烈度为7、8度时； （2）粉土的粘粒含量百分率c（%），当烈度为7 度、8度、9度时分别大于10、13、16时； （3）地下水位深度和覆盖层非液化厚度满足下面三 式之一时：,2.标准贯入试验判别 当上述所有条件均不能满足时，地基存在液化的 可能，此时，应采用标准贯入试验进一步判别其是否 液化。 当地面下20米深度范围土的标准锤贯入击数 小于下式确定的下限值 时，则为液化土，否则为 不液化土。,2.液化场地的危害性分析与