绪论基本概念PPT课件.ppt

课程简介 地震 风灾 火灾等是人类社会经常遭遇的危及生命财产安全 极具破坏性的突发灾害 随着我国城市化的发展 人口和财富向城市高度集中 基础设施高度发达 各种灾害造成的后果将日益严重 我国是一个灾害频发的国家 防灾减灾是一项特殊的社会公益事业 它关系着经济发展和社会稳定 1 本课程主要学习结构抗震方面的相关概念 计算原理和设计方法 同时介绍结构抗风和结构抗火方面的知识 目的 掌握建筑结构抗震设计方面的基本理论知识和设计应用能力 熟悉结构抗风 抗火方面的基本概念和设计方法 2 主要内容 第一章概论第二章结构抗震基本知识第三章场地 地基和基础第四章结构地震反应分析与抗震验算第五章钢筋混凝土框架结构抗震设计第六章隔震与耗能减震房屋设计第七章风灾害与结构抗风设计第八章火灾害与结构抗火设计 3 第一章概论 灾害的类型自然灾害的危害防灾减灾系统土木工程防灾减灾 4 1 1灾害的类型 灾害的含义灾害是指那些由于自然的 人为的或人与自然的原因 对人类的生存和社会发展造成损害的各种现象 灾害是事物运动 变化 发展的一种极端的表现形式 其特点是损害人类的利益 威胁人类的生存和持续发展 5 灾害的类型自然灾害 给人类生存和发展带来各种祸害的自然现象 人为灾害 由于人为因素和社会行为失调或失控而产生的危害人类自身利益的社会现象 两者关系 有时两者密切相联 如人为自然灾害 水库诱发地震 地球温室效应等 火灾 污染 大气 水 海洋 核泄漏 战争等 地震 热带风暴 飓风 台风 洪涝 雷暴与龙卷风 雪暴 火山爆发 滑坡 泥石流 潮汐与海啸 6 1 1灾害的类型 从过程特性看自然灾害 潜在损失增加影响的长期性增加可预见性增加 7 1 2自然灾害的危害 主要表现在三个方面 危及人类的生命和健康造成严重经济损失破坏资源和环境 威胁国民经济的可持续发展 8 1 3防灾减灾系统 防灾减灾系统是一个由多种减灾措施组成的有机整体 灾害监测 灾害预报 防灾 抗灾 救灾灾后重建与恢复生产 防灾措施 近期预报 中期预报 长期预报 9 1 4土木工程防灾减灾 土木工程防灾减灾的主要内容 土木工程规划性防灾工程性防灾工程结构抗灾工程技术减灾工程结构在灾后的检测与加固 灾前工作 灾后工作 10 关于防灾减灾工程及防护工程专业 防灾减灾工程及防护工程学科是土木工程学科中的交叉学科 其核心内容为抗震 抗风 抗火和抗爆工程及灾后修复与加固等 学科的主要任务是 研究和发展工程结构和工程系统抵御自然灾害和人为灾害的科学理论 设计方法和工程措施 最大限度地减轻未来灾害可能造成的破坏 保证人民生命和财产的安全 保障灾后经济恢复和发展的能力 提高国家重大工程的防灾能力 11 关于防灾减灾工程及防护工程专业 防灾减灾工程及防护工程实质上是研究 结构工程 学科中的抗灾防灾问题 与 结构工程 内容交叉 相互促进 其研究的内容大多为结构工程中的前沿科学问题 主要研究领域为工程结构防灾减灾 包括抗震 抗风 抗火等 理论及应用技术的研究 包括 工程结构在地震 风 火 等荷载作用下的破坏机理及抗灾设计对策 新型抗震材料和抗震结构体系 特殊和复杂高层建筑结构抗灾设计理论与应用等 其中 抗震领域的研究范围最广 研究方向最多 12 第二章结构抗震基本知识 地震的类型及成因地震的基本概念地震震害工程结构的抗震设防抗震设计的基本要求 13 科学界多年的研究成果形成了一门学科 地震工程学 它包含工程地震和结构抗震两方面内容 工程地震主要研究 地震危险性分析 地震区划 潜在震源区地震活动规律 地震动工程参数的选择及估计等 结构抗震主要研究 建筑场地动力性能与抗震设计关系 构件与结构动力特性 结构动力破坏机制 结构地震反应分析理论与抗震设计方法等 14 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9 0级 发生于2011年3月11日的日本地震 2 1地震的类型及成因 15 地球的构造 地壳 陆地 花岗岩层 玄武岩层海洋 玄武岩层 地幔 橄榄岩层 具粘弹性 温度随深度增加而升高 地幔内部物质 地核 外核 2100km 液态内核 1400km 固态 壳局部变形 爆发地震各部分压力差别引起地 地震多发于地壳内 16 地震的类型及成因 天然地震 火山地震塌陷地震构造地震 破坏性地震主要属于此类 约占世界地震总数的90 以上 诱发地震 主要是由于人工爆破 矿山开采及工程活动 如兴建水库 所引发的地震 17 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 这类地震只占全世界地震的7 左右 1914年日本鹿儿岛海湾东面的樱岛火山爆发 产生的震动相当于一个6 7级地震 喷发的大量海底熔岩流使火山与陆地相连 18 塌陷地震 由于地下水溶解可溶性岩石 或由于地下采矿形成的巨大空洞 造成地层崩塌陷落而引发的地震 称为陷落地裂 这类地震次数少 约占地震总数的3 左右 震级也都比较小 19 诱发地震 在特定的地区因某种地壳外界因素诱发而引起的地震 称为诱发地震 如工业爆破 地下核爆炸造成的振动 大陨石冲击地面可能引起陨石冲击地震 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 20 世界上自20世纪30年代以来 有40多个国家与地区约有百余座水库诱发了地震 其中有4座大型水库诱发了大于6 0级以上的地震 占水库诱发地震总数的3 6 最大一次地震是印度柯依纳水库1961年12月10日发生的6 5级地震 我国发生水库诱发地震20余例 最大一次为1962年3月19日04时18分53秒新丰江水库诱发6 1级地震 21 新丰江水库诱发地震 水库于1959年10月20日开始蓄水 同年11月记录到地震活动 1960年5月当水位蓄至81米时 发生了3 4次地震活动 震级Ms 3 1 同年7月18日水位达到90米时 记录到Ms 4 3的地震活动 震中烈度 MercalliScale 估计为5度 1962年3月19日水库水位110 5米时发生了震级为M 6 1的强震 震中在坝下游1 1公里处 震源深度约为5公里 震中烈度约为8度 这次地震 在13 18号坝段高程108米附近产生了长达82米的上下游贯穿性裂缝 2 5 10号坝段 在同一高程附近也出现了不连续的水平裂缝 22 新丰江水库诱发地震 由于新丰江水库诱发地震的发生 中国对诱发地震开展了综合性的科学研究 包括1961 1973年3次大坝原型震动试验 以及1981年对新丰江大坝头部抗震稳定问题的模型试验和非线性计算分析 从1961年3月起到1967年止 对新丰江大坝做了两期工程加固 对支墩间空腔部分填实 并在坝趾加浇戗台 最后达到设计烈度9 5度和百年一遇洪水位110米相组合的标准 截至1964年底 新丰江大坝附近记录了超过18万次微震 以后22年又增加了12万次 其中大于2度的有1 3万次 地震活动于1962年3月19日达到M 6 1的高峰后即逐年迅速减弱 23 构造地震板块构造理论 六大板块板块之间处于拉张 挤压和剪切状态 产生地应力 应力产生变形 积聚能力 当变形过大 能力释放 导致岩层破裂而产生地震 断层理论 地球内部不断运动 造成地壳岩层不停变化 不断发生变形 产生地应力 当变形超过岩层的极限应变 岩层就会在薄弱处 新断层 旧断层或其交会处 发生断裂和错动 形成地震 24 构造地震的产生 由地壳构造运动所产生 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 该处岩体就会发生突然断裂或错动 从而引起地震 25 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 我国正好介于地球的两大地震带之间 26 2 2地震的基本概念 地震术语 震源震中震中距震源距极震区震源深度等震线 地震按震源深度分为 27 目前有记录的最深震源达720公里 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时20分发生于吉林的7 2级地震 震源深度为540km 无破坏 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范围内 28 一 地震时 地下岩体断裂 错动产生振动 并以波的形式从震源向外传播 这就是地震波 二 地震波分为体波和面波 其中在地球内部传播的波称为体波 沿地球表面传播的波叫做面波 地震波 29 体波分为纵波 P波 与横波 S波 纵波是压缩波 周期短 振幅小 波速快 200 1400m s 横波是剪切波 周期长 振幅大 波速慢 100 800m s 30 面波分为瑞雷波 Raleighwave R波 和乐夫波 Lovewave L波 瑞雷波 质点在波的传播方向和地表面法向组成的平面内 图中xz平面 作椭圆运动 传播时在地面上呈滚动形式 这种运动形式被认为是形成地面晃动的主要原因 乐夫波 质点在与波传播方向垂直的水平方向 图中y方向 运动 即地面水平运动 传播时在地面上呈蛇形运动形式 31 瑞雷波 Raleighwave 和乐夫波 Lovewave 32 地震波 33 地震观测地震仪 观测记录地震的仪器地震记录 一般为地震时的地面运动加速度记录地震台网 地震记录仪组成的观测阵列 地震加速度记录通常记录水平两个方向 东西 南北向 及竖向 上 下向 34 地震波与地震现象及震害的关系 由于纵波传播速度最快 横波次之 面波最慢 所以地震时震中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 地面振动最为猛烈 面波波长大 振幅强 能量大于体波 对结构物和地表造成的破坏以面波为主 由于地震波在传播过程中逐渐减弱 离震中较远的地方地面振动减弱 破坏作用也逐渐减轻 杂波 P波开始 S波开始 面波开始 35 地震震级与地震烈度 地震震级表征地震本身大小的尺度 与地震释放出的能量有关 通常用里氏震级 以M表示 M lgAA 标准地震仪在距震中100km处记录的以 m 微米 为单位的最大水平地动位移 震级与地震能量关系表达式 lgE 11 8 1 5M震级每差一级 地震释放能量相差32倍 36 震级与发生频率 摘自维基百科 不同里氏震级 ML 的年均发生次数和对震中地区的影响 数据来自美国地质调查局 需要注意的是由于地震影响还受当地地质条件等因素的影响 表中描述的是极端影响 历史纪录中最强烈的地震是1960年5月22日的智利大地震 里氏规模震级 ML 8 9级 地震矩规模 MW 9 5级 38 地震烈度定义 某一地区的地表和各类建筑物遭受一次地震影响的强弱程度 一般而言 震级越大 烈度就越大 同一次地震 震中距小则烈度高 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 地震传播介质和地基条件相关 与建筑物本身动力特性 施工质量也有很大关系 对于某次地震而言 震级只有一个 但不同的地区会有不同的烈度 39 地震烈度表 评定地震烈度大小的标准和尺度以描述震害宏观现象为主 即根据建筑物损坏程度 地貌变化特征 地震时人的感觉 家具动作反应等进行区分 另以地面加速度峰值和速度峰值作为参考物理指标 各国所规定的地震烈度表往往是不同的 我国目前采用的 中国地震烈度表 GB T17742 2008将地震烈度分为 度 40 中国地震烈度表 GB T17742 2008 表中的数量词 个别 为10 以下 少数 为10 50 多数 为50 70 大多数 为70 90 普遍 为90 以上 41 42 43 烈度与震级的关系 震中烈度 震中点的烈度震中烈度是地震大小和震源深度两者的函数震中烈度I0与震级M的对应关系 浅源地震 44 幅值 地面运动的加速度 速度或位移的峰值或某种意义的有效峰值 地震动幅值可定量反映地震动的强弱程度 且与震害有密切关系 地震动三要素 幅值 频谱和持续时间常称为地震动三要素 45 频谱 地面运动记录的频率分布特征 通常用功率谱和傅立叶谱来分析地震动的频谱特征 可揭示地震动的主导频率成分 与结构本身动力频率特征一起决定了结构振动响应的强弱 持续时间 即地震动持续作用于某个场地的时间 可反映地震动循环作用程度的强弱 与结构破坏的关系 46 2 3地震震害 喜马拉雅 地中海地震带 47 中国的地震背景我国处在世界两大地震带世界两大地震带 环太平洋地震带 喜马拉雅 地中海地震带 之间 有些地区本身就是这两个地震带的组成部分 并且广大地区都受它的影响 历史上就是地震多发国家之一 据统计 我国大陆地震约占世界大陆地震的三分之一 48 我国的地震活动我国主要地震带有两条 南北地震带 北起贺兰山 向南经六盘山 穿越秦岭沿川西至云南省东北 纵贯南北 地震带宽度各处不一 东西地震带 北面的一条沿陕西 山西 河北北部向东延伸至辽宁北部 南面一条自帕米尔经昆仑山至大别山 我国大致分为六个地震活动区 台湾及其附近海域 喜马拉雅山 南北地震带天山地震活动区 华北地震区 东南沿海 49 我国是世界上地震活动水平最高 地震灾害最重的国家频次高 我国平均每年发生30次5级以上地震 6次6级以上强震 1次7级以上大震分布广 除浙江和贵州两省之外 其余各省均有6级以上强震发生地震强度极大 20世纪全球发生的面波震级大于等于8 5级以上的特别巨大地震一共有3次 即1920年中国宁夏海原8 6级 1950年中国西藏察隅8 6级和1960年智利南方省8 5级地震 成灾比率高 我国为发展中国家 人口稠密 建筑物抗震能力低灾害重 20世纪全球因地震而死亡的人数为110万人 其中我国就占55万人之多 7 17次5万人 4 5次20万人 为全球的一半 a 50 地震所造成的破坏 次生灾害 水灾 火灾 泥石流 海啸等 工程结构破坏 它是造成人民生命财产损失的主要原因 地表破坏 山崩 滑坡 地面裂缝 地塌 喷砂冒水 1923年关东大地震 51 山崩 滑坡 1999集集地震新社乡中兴岭旁一排民宅靠山边因山崩而倒塌 52 2 4工程结构的抗震设防 抗震设防基本概念抗震设防对建筑结构进行抗震设计并采取一定的抗震构造措施 以达到结构抗震的效果和目的 抗震设防的目的在一定经济条件下 最大限度地限制和减轻工程结构的地震破坏 保障人民生命财产的安全 53 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称为设防烈度 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 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 54 地震基本烈度定义 50年设计基准期内 一般场地条件下可能遭遇的超越概率为10 的地震烈度值 由国家地震局制定的 中国地震动参数区划图 GB18306 2001 确定 一个地区考虑地震时的抗震设防烈度一般情况下取其基本烈度 在基本烈度相同情况下 建筑物所受地震影响并不完全相同 与产生该烈度的地震震级及震中距有关 55 设计基本地震加速度定义 50年设计基准期超越概率为10 的地震加速度的设计取值 结构抗震设计时取用的地震作用大小由抗震设防烈度决定 但最终需落实到设计基本地震加速度上 建筑抗震设计规范 规定了抗震设防烈度与设计基本地震加速度的对应关系 56 地震波传播过程中 会不断产生 损耗 传播距离越远 就会逐渐失去了其中的高频成分 对于震中距近的场地 地震波的高频成分还没有衰减 这些高频成分造成了地面上的普通建筑物的破坏 对于震中距远的情况 高频成分大部分都衰减掉了 此时地震波以长周期为主 会对高柔建筑产生明显影响 设计地震分组 57 设计地震分组不同地区的震害受到其不同震源的影响 即使宏观烈度相同 但震害可能会有所差异 抗震规范 用设计地震分组来考虑震级和震中距对设防烈度相同地区的不同影响 抗震设防烈度 或设计基本地震加速度 相同的地区 可能属于不同的设计地震分组 第一组表示近震中距 第二 三组表示远震中距 58 6度近震第一组 6度远震第二组 7度近震第一组 7度远震第二组 6度远震第三组 6 7 8 7 6 6 7 8 9 8 7 6 59 我国 建筑抗震设计规范 GB50011 2010明确提出的 三水准 抗震设防目标 第一水准 当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时 建筑物主体结构不受损坏或不需修理可继续使用 第二水准 当遭受相当于本地区设防烈度的设防地震影响时 建筑物可能发生损坏 但经一般修理仍可继续使用 第三水准 当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时 不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏 小震不坏 中震可修 大震不倒 抗震设防目标 要求 60 三个地震烈度水准小震 多遇烈度 50年设计基准期内一般场地条件下 可能遭遇的超越概率为63 2 的地震烈度 50年一遇 中震 基本烈度 50年设计基准期内一般场地条件下 可能遭遇的超越概率为10 的地震烈度 475年一遇 大震 罕遇烈度 50年设计基准期内一般场地条件下 可能遭遇的超越概率为2 3 的地震烈度 1600 2500年一遇 61 两阶段抗震设计方法 抗震规范 采用的两阶段设计过程为 第一阶段 设计阶段 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进行结构构件的截面承载能力设计和结构的弹性变形验算 保证小震不坏 第二阶段 验算阶段 按罕遇地震烈度对应的地震作用效应对结构薄弱部位进行弹塑性变形验算 并采取相应的构造措施保证大震不倒 对绝大多数建筑结构而言 不需专门进行第二水准的抗震设计 而认为按照上述两阶段设计的结构自然满足中震可修的要求 62 不同使用性质的建筑物 地震破坏所造成后果的严重性是不一样的 核电站 大坝通讯机房 医院住宅临时建筑所以 对于不同用途建筑的抗震设防 不宜采用同一标准 抗震设防类别与抗震设防标准 抗震设防分类根据建筑遭遇地震破坏后 可能造成的人员伤亡 直接和间接经济损失 社会影响的程度及其在抗震救灾中的作用等因素 对各类建筑所做的设防类别划分 63 我国 建筑工程抗震设防分类标准 GB50223 2008将建筑物按其用途的重要性分为四类 甲类 特殊设防类 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重大灾害后果 需进行特殊设防的建筑 64 如抗震城市中生命线工程的核心建筑生命线工程包括 供水 供电 交通 消防 通讯 救护 供气 供热等系统及应急避难所建筑20万人口以上城镇和县级防灾应急指挥中心省级电力调度中心大型铁路 公路交通枢纽的核心建筑 航站楼等大型体育场馆 文化娱乐中心 会展中心 大型商城 常