结构抗震知识.doc

1.2 结构抗震知识1.2.1 地震的基本概念地震是一种突发性的自然灾害，其作用结果是引起地面的颠簸和摇晃。由于我国地处两大地震带（环太平洋地震带及地中海南亚地震带）的交汇区，且东部台湾及西部青藏高原直接位于两大地震带上，因此，其地震区分布广，发震频繁，是一个多地震国家。地震发生的地方叫震源；震源正上方的位置叫震中；震中附近地面振动最厉害，也是破坏最严重的地区，叫做震中区或极震区；地面某处至震中的距离叫做震中距；地震时地面上破坏程度相近的点连成的线称为等震线；震源至地面的垂直距离叫做震源深度（图1.19）。图1.19 地震依其成因，地震可分为三种主要类型：火山地震、塌陷地震和构造地震。根据震源深度不同，又可将构造地震分为三种：浅源地震震源深度不大于60km；中源地震震源深度60300km； 深源地震震源深度大于300km。地震引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播，它使地面发生剧烈的运动,从而使房屋产生上下跳动及水平晃动。当结构经受不住这种剧烈的颠晃时，就会产生破坏甚至倒塌。1地震的震级衡量地震大小的等级称为震级，它表示一次地震释放能量的多少，一次地震只有一个震级。地震的震级用M表示，单位是“里氏”。一般来说，震级小于里氏2级的地震，人们感觉不到，称为微震；里氏2级到4级的地震称为有感地震；5级以上的地震称为破坏地震，会对建筑物造成不同程度的破坏；78级地震称为强烈地震或大地震；超过8级的地震称为特大地震。到目前，世界最大的地震是1960年发生在智利的8.7级地震，1976年我国河北唐山发生的地震为7.8级，2008.5.12四川汶川地震为8级。2地震烈度地震烈度是指某一地区地面和建筑物遭受一次地震影响的强烈程度。地震烈度不仅与震级大小有关，而且与震源深度、震中距、地质条件等因素有关。一次地震只有一个震级，然而同一次地震却有好多个烈度区。一般来说，离震中越近，烈度越高。我国地震烈度采用十二度划分法（见表1.1）。表1.1 地震烈度表 烈度 在地面上人的感觉 房屋震害程度 其他震害现象 水平向地面运动 震害现象 平均震害指数 峰值加速度m/s2 峰值速度m/s 无感 室内个别静止中人有感觉 室内少数静止中人有感觉 门、窗轻微作响 悬挂物微动 室内多数人、室外少数人有感觉，少数人梦中惊醒 门、窗作响 悬挂物明显摆动，器皿作响 室内普遍、室外多数人有感觉，多数人梦中惊醒 门窗、屋顶、屋架颤动作响，灰土掉落，抹灰出现微细烈缝，有檐瓦掉落，个别屋顶烟囱掉砖 不稳定器物摇动或翻倒 0.31 (0.220.44) 0.03 (0.020.04) 多数人站立不稳，少数人惊逃户外 损坏墙体出现裂缝，檐瓦掉落，少数屋顶烟囱裂缝、掉落 00.10 河岸和松软土出现裂缝，饱和砂层出现喷砂冒水；有的独立砖烟囱轻度裂缝 0.63 (0.450.89) 0.06 (0.050.09) 大多数人惊逃户外，骑自行车的人有感觉，行驶中的汽车驾乘人员有感觉 轻度破坏局部破坏，开裂，小修或不需要修理可继续使用 0.110.30 河岸出现坍方；饱和砂层常见喷砂冒水，松软土地上地裂缝较多；大多数独立砖烟囱中等破坏 1.25 (0.901.77) 0.13 (0.100.18) 多数人摇晃颠簸，行走困难 中等破坏结构破坏，需要修复才能使用 0.310.50 干硬土上亦出现裂缝；大多数独立砖烟囱严重破坏；树梢折断；房屋破坏导致人畜伤亡 2.50 (1.783.53) 0.25 (0.190.35) 行动的人摔倒 严重破坏结构严重破坏，局部倒塌，修复困难 0.510.70 干硬土上出现地方有裂缝；基岩可能出现裂缝、错动；滑坡坍方常见；独立砖烟囱倒塌 5.00 (3.547.07) 0.50 (0.360.71) 骑自行车的人会摔倒，处不稳状态的人会摔离原地，有抛起感 大多数倒塌 0.710.90 山崩和地震断裂出现；基岩上拱桥破坏；大多数独立砖烟囱从根部破坏或倒毁 10.00 (7.084.14) 1.00 (0.721.41) 普遍倒塌 0.911.00 地震断裂延续很长；大量山崩滑坡 地面剧烈变化，山河改观 注：表中的数量词：“个别”为10以下；“少数”为1050；“多数”为5070；“大多数”为7090；“普遍”为90以上。3抗震设防烈度抗震设防烈度是按国家批准权限审定，作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。建筑抗震设计规范给出了全国主要城镇抗震设防烈度。表1.2给出了全国主要城市抗震设防烈度。表1.2 全国主要城市抗震设防烈度6度重庆 哈尔滨 杭州 南昌 济南 武汉 长沙 南宁 贵阳 青岛7度（0.1g）上海 石家庄 沈阳 长春 南京 合肥 福州 广州 成都 西宁 澳门 大连 深圳 珠海7度（0.15g）天津 厦门 郑州 香港8度（0.2g）北京 太原 呼和浩特 昆明 拉萨 西安 兰州 银川 乌鲁木齐8度（0.3g）海口 台北注：()内数字是设计基本地震加速度。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。抗震设防烈度大于9度地区的建筑和行业有特殊要求的工业建筑,其抗震设计应按有关专门规定执行。即我国抗震设防的范围为地震烈度为6度、7度、8度和9度地震区。特别提示1、我国抗震设防烈度为6度-9度，一般低于6度不用考虑抗震设计，6度只需满足抗震构造规定，7-9度必须进行抗震计算和构造设计。2、震级和烈度是两个概念，新闻报道的都是震级，烈度仅对地面和房屋的破坏而言。4抗震设防的一般目标抗震设防是指对建筑物进行抗震设计并采取抗震构造措施，以达到抗震的效果。抗震设防的依据是抗震设防烈度。建筑抗震设计规范提出了“三水准两阶段”的抗震设防目标：v 第一水准小震不坏 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。v 第二水准中震可修 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。v 第三水准大震不倒 当遭受高于本地区抗震设防烈度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。 “两阶段”指：弹性阶段的概念设计和弹塑性阶段的抗震设计。1.2.2 地震的破坏作用1地表的破坏现象在强烈地震作用下，地表的破坏现象为：地裂缝（图1.20）、喷砂冒水、地面下沉及河岸、 陡坡滑坡。2建筑物的破坏现象 结构丧失整体性 房屋建筑或构筑物是由许多构件组成的，在强烈地震作用下，构件连接不牢、支撑长度不够和支撑失稳等都会使结构丧失整体性而破坏（图1.21）。 图1.20 汶川地震的地裂缝 图1.21汶川地震的房屋破坏 强度破坏 对于未考虑抗震设防或设防不足的结构，在具有多向性的地震力作用下，会使构件因强度不足而破坏。如：地震时砖墙产生交叉斜裂缝、钢筋混凝土柱被剪断、压酥等（图1.22）。 图1.22 汶川地震的砖墙产生交叉斜裂缝、钢筋混凝土柱压酥 地基失效 在强烈地震作用下，地基承载力可能下降甚至丧失，也可能由于地基饱和砂层液化而造成建筑物沉陷、倾斜或倒塌。3次生灾害次生灾害是指地震时给排水管网、煤气管道、供电线路的破坏，以及易燃、易爆、有毒物质、核物质容器的破裂，堰塞湖等造成的水灾、火灾、污染、瘟疫等严重灾害。这些次生灾害有时比地震造成的直接损失还大。1.2.3 建筑抗震设防分类和设防标准在进行建筑设计时，应根据建筑的重要性不同，采取不同的抗震设防标准。建筑工程抗震设防分类标准将建筑按其使用功能的重要程度不同，分为以下四类：9分类定义抗震设防标准1 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特别重大灾害后果，需要进行特殊设防的建筑。如：三级医院中承担特别重要医疗任务的门诊、医技、住院用房；承担研究、中试和存放剧毒的高危险传染病病毒任务的疾病预防与控制中心的建筑或其区段；国家和区域的电力调度中心；国际出入口局、国际无线电台，国家卫星通信地球站，国际海缆登陆站等应按高于本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施。同时，应按批准的地震安全性评价的结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定其地震作用。2 乙类（重点设防类）指地震时使用功能不能中断或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：县级市及以上的疾病预防与控制中心的主要建筑；作为应急避难场所的建筑；消防车库及其值班用房；体育建筑中，规模分级为特大型的体育场，大型、观众席容量很多的中型体育场和体育馆（含游泳馆）；文化娱乐建筑中，大型的电影院、剧场、礼堂、图书馆的视听室和报告厅、文化馆的观演厅和展览厅、娱乐中心建筑；商业建筑中，人流密集的大型的多层商场；博物馆和档案馆中，大型博物馆，存放国家一级文物的博物馆，特级、甲级档案馆；会展建筑中，大型展览馆、会展中心等抗震设防类别应划为重点设防类。教育建筑中，幼儿园、小学、中学的教学用房以及学生宿舍和食堂抗震设防类别应不低于重点设防类。应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施；地基基础的抗震措施，应符合有关规定。同时，应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。3 丙类（标准设防类）：指大量的除1、2、4条以外按标准要求进行设防的建筑。如：居住建筑的抗震设防类别不应低于标准设防类。 应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用，达到在遭遇高于当地抗震设防烈度的预估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的抗震设防目标。4丁类（适度设防类）：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。如：一般的储存物品的价值低、人员活动少、无次生灾害的单层仓库等。 允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低其抗震措施，但抗震设防烈度为6度时不应降低。一般情况下，仍应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。1.2.4 抗震设计的基本要求为了减轻建筑物的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失，对地震区的房屋必须进行抗震设计。建筑结构的抗震设计分为两大部分：一是计算设计对地震作用效应进行定量分析计算；一是概念设计正确地解决总体方案、材料使用和细部构造，以达到合理抗震设计的目的。根据概念设计的原理，在进行抗震设计、施工及材料选择时，应遵守下列一些要求：1选择对抗震有利的场地和地基确定建筑场地时，应选择有利地段，避开不利地段，不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。图1.23 四川省北川县因山体崩塌产生的巨大滚石，造成了建筑的破坏地基和基础设计应符合下列要求：同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上；同一结构单元不宜部分采用天然地基,部分采用桩基。2选择对抗震有利的建筑体型建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不规则的建筑方案应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑方案应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施。不应采用严重不规则的设计方案。建筑平面和立面布置宜规则、对称，其刚度和质量分布宜均匀。体型复杂的建筑宜设防震缝。3选择合理的抗震结构体系结构体系应根据建筑的抗震设防类别、抗震设防烈度、建筑高度、场地条件、地基、结构材料和施工等因素,经综合分析比较确定。结构体系应具有多道抗震防线,对可能出现的薄弱部位,应采取构造措施提高抗震能力。4结构构件应有利于抗震结构构件应符合下列要求：砌体结构应按规定设置钢筋混凝土圈梁和构造柱、芯柱,或采用配筋砌体等；混凝土结构构件应控制选择尺寸和纵向受力钢筋与箍筋；钢结构构件应避免局部失稳或整个构件失稳；多高层的混凝土楼、屋盖宜优先采用现浇混凝土板。当采用混凝土预制装配式楼、屋盖时，应从楼盖体系和构造上采取措施确保各预制板之间连接的整体性。5处理好非结构构件非结构构件，包括建筑非结构构件（如：女儿墙、围护墙、隔墙、幕墙、装饰贴面等）和建筑附属机电设备。附着于楼、屋面结构上的非结构构件，以及楼梯间的非承重墙体，应与主体结构有可靠的连接或锚固，避免地震时倒塌伤人或砸坏重要设备；围护墙和隔墙应考虑对结构抗震的不利影响，避免不合理设置而导致主体结构的破坏；幕墙、装饰贴面与主体结构应有可靠的连接，避免地震时脱落伤人；安装在建筑物上的附属机械、电气设备系统的支座和连接，应符合地震时使用功能的要求，且不应导致相关部件的损坏。图1.24 混凝土结构出屋面小塔楼破坏状况6采用隔震和消能减震设计隔震和消能减震是建筑结构减轻地震灾害的新技术。隔震的基本原理是：通过隔震层的大变形来减少其上部结构的地震作用，从而减少地震破坏。隔震设计主要解决的问题是：隔震层的位置、隔震垫的布置及隔震支座的受力计算。消能减震的基本原理是：通过消能器的设置来控制预期的结构变形，从而使主体结构在罕遇地震下不发生严重破坏。消能减震设计主要解决的问题是：消能器及消能部件的选型、布置，与主体结构的连接及计算。目前，隔震和消能减震设计，主要应用于使用功能有特殊要求的建筑及抗震设防烈度为8、9度的建筑。 图1.25 隔震装置7合理选用材料结构材料性能指标,应符合下列最低要求:1）砌体结构材料应符合下列规定:烧结普通砖和烧结多孔砖的强度等级不应低于MU10，