结构抗震设计.ppt

1 第1章抗震设计的基本知识和基本要求 1 2地震的一些基本概念 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 地震是一种自然现象 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8 9级 发生于1960年5月22日的智利地震 什么是地震 2 什么叫震源 震中 震中距 地球内部发生地震的地方叫震源 震源在地面上的投影点称为震中 震中及其附近的地方称为震中区 也称极震区 从震中到地面上任何一点的距离称为震中距 3 地震分类 一 按地震成因分类 天然地震包括构造地震 火山地震 陷落地震 1 构造地震 破坏性地震主要属于构造地震 据统计 构造地震约占世界地震总数的90 以上 92 的地震发生在地壳中 其余的发生在地幔上部 4 图岩层的断裂 地壳的板块构造学说认为 地球的表面岩层是由六大板块构成 即美洲板块 太平洋板块 澳洲板块 南极板块 欧亚板块和非洲板块 这些板块在相对缓慢地运动着 在它们的边界处产生挤压 拉伸 和剪切 甚至有些板块呈现插入另一板块之下欲将其翘起的趋势 地球上大多数地震就发生在这些板块的交界之处 除了构造地震外 还有由于火山喷发引发的火山地震 岩层坍塌引发的坍塌地震 如大面积的矿山系空区坍塌 抽水注水引发的地震和爆破 山崩引发的地震 5 2 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年日本樱岛火山爆发 产生的震动相当于一个6 7级地震 6 3 陷落地震 由于地下溶洞或矿井顶部塌陷而引起的地震称为塌陷地震 这类地震的规模比较小 次数也很少 人工地震 因人为因素直接造成的地震是人工地震 如工业爆破 地下核爆炸造成的振动 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 1962年3月19日在广东河源新丰江水库坝区发生了迄今我国最大的水库诱发地震 震级为6 1级 在工程抗震设计中仅考虑构造地震的设防问题 7 水库诱发地震 文成 泰顺地震 2006年2月 8月期间 最大震级4 6级 未造成大的破坏 无人员伤亡 该地震属于水库诱发地震 珊溪水库 8 珊溪水库 珊溪水库大坝为混凝土面板堆石坝 坝高132 5m 坝顶长448m 珊溪水库坝址控制流域面积1529km2 总库容18 24亿m3 装机容量20万kW 4 5万kW 多年平均年发电量3 55亿kW h 为温州电网提供调峰电力22万kW 9 珊溪水库 10 地表和道路的破坏大地震使地表发生大的改变 造成地陷 地裂 山崩 滑坡 地表隆起及喷砂冒水等现象 使房屋的地基 道路 地下结构等发生破坏 造成灾害 图地震引起山体滑坡 11 图1 4道路裂缝 12 1 2 2桥梁结构的破坏在水平地震作用和竖向地震作用下 沿桥的纵向和横向在上下部结构上均产生严重的破坏 如基础的破坏 基础整体翻转 桥墩的破坏 在地震剪力作用下的典型斜裂缝 13 桥梁支座滑移 桥梁上部结构的破坏 桥梁的滑落 14 二 按震源深浅分类 浅源地震 震源深度小于60千米的称为浅源地震 全世界85 以上的地震都是浅源地震 中源地震 震源深度在60至300千米的称为中源地震 深源地震 震源深度在300千米以上的称为深源地震 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 20发生于吉林的7 2级地震 震源深度为540km 无破坏 目前有记录的最深震源达720公里 地震分类 一 按地震成因分类 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内 15 地震波 地震波是地震发生时由震源地方的岩石破裂产生的弹性波 地震波分为体波和面波 横波特点 周期长 振幅大 波速慢 100 800m s 纵波特点 周期短 振幅小 波速快 200 1400m s 面波比体波衰减慢 振幅大 周期长 传播远 建筑物破坏主要由面波造成 杂波 P波开始 S波开始 面波开始 16 1 3地震波 震级和烈度 1 3 1地震波当岩层断裂错动或者其他原因引发地震时 地下积蓄的变形能量以波的形式释放 从震源向四周传播 地震波是一种体波 它主有两种成分 压缩波 又称纵波或疏密波 它使得质点的振动方向与波的前进方向一致 可在固体或液体中传播 其特点是周期短 振幅小 从物理学可知 压缩波的波速为 17 剪切波 又称横波或等容波 它使得介质的震动方向与波的前进方向垂直 仅能在固体中传播 其特点是周期较长 振幅大 从物理学可知 剪切波的波速为 若取 由上式有 18 体波从基岩射到上层土时 经分层地质界面的多次反射和折射 投射到地表面形成一种次生波 面波 它主要有两种成分 1 瑞雷波 2 乐甫波 面波的振动形式 19 根据记录的地震波曲线 图1 15 可看到 压缩波 P波 最先到达 然后是剪切波 S波 再后是面波 L波和R波 到达 虚波波速V 一般约为8公里 秒 20 1 3震级与烈度 一 地震震级 1 定义 能量越大 震级就越大 震级相差一级 能量相差约32倍 相差二级 能量相差1000倍 反映一次地震本身大小的等级 用M表示 式中A表示标准地震仪距震中100km纪录的最大水平地动位移 单位为微米 2 震级与能量的关系 一个6级地震相当于一个两万吨级的原子弹 能量E的单位 尔格 1尔格 21 22 3 按震级的地震分类 微震 2级以下 人感觉不到 有感地震 2 4级人有感觉 破坏性地震 5级以上有破坏 强烈地震 7级以上有破坏 特大地震 8级以上有破坏 由于震源深浅 震中距大小等不同 地震造成的破坏也不同 震级大 破坏力不一定大 震级小 破坏力不一定就小 1 3震级与烈度 23 二 地震烈度 一般而言 震级越大 烈度就越大 同一次地震 震中距小烈度就高 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 地质构造和地基条件等因素有关 1 定义及影响因素 一次地震对某一地区的影响和破坏程度称地震烈度 简称为烈度 用I表示 2 地震烈度表 地震烈度表是评定烈度的标准和尺度 我国在1980年制定了 中国地震烈度表 中国地震烈度表 将地震烈度分为1 12度 24 个别 10 以下少数 10 50 多数 50 70 大多数 70 90 普遍 90 以上 25 二 地震烈度 1 地震烈度定义及影响因素 2 地震烈度表 3 基本烈度 一个地区未来50年内一般场地条件下可能遭受的具有10 超越概率的地震烈度值称为该地区的基本烈度 用Ib表示 相当于475年一遇的最大地震的烈度 各地区的基本烈度由 中国地震动参数区划图 GB18306 2001 确定 下图是原中国地震烈度区划图 基本烈度也称为偶遇烈度或中震烈度 26 中国地震烈度区划图 27 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 用Id表示 规范规定 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 4 设防烈度 设防烈度的取值依据 规范规定 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 28 规范附录中列出了我国主要城镇的抗震设防烈度 如 长沙市 抗震设防烈度为6度 设计基本地震加速度值为0 05g 二 地震烈度 29 建筑所在地区在设计基准期 50年 内出现的频度最高的烈度 也称为常遇烈度 小震烈度 用Is表示 其超越概率为63 2 重现期为50年 5 多遇烈度 6 罕遇烈度 建筑所在地区在设计基准期 50年 内具有超越概率2 3 的地震烈度 也称为大震烈度 重现期约为2000年 30 三 地震烈度 震级与地震影响的关系 1 5 0 5 4级地震 震中烈度多为六度 其面积小于500平方公里 2 5 5 5 9级地震 震中烈度多为七度 其面积不超过200平方公里 六度区面积也只有数百平方公里 3 6 0 6 4级地震 震中烈度多数为八度 其面积几十平方公里 七度区不超过200平方公里 六度区数百平方公里 如震中烈度为七度 则与5 5 5 9级地震结果相同 4 6 5 6 9地震 震中烈度一半为八度 结果与6 0 6 4级地震一样 另一半为九度 其面积小于100平方公里 八度区不超过500平方公里 七度区则在1500平方公里以内 1 5 0 5 9级地震造成人员伤亡者占24 而仅引起人员死亡的地震更少 只占11 5 一次5级多地震中死亡人数最多为117人 而死亡29人以上的地震都发生在夜间 2 6 0 6 9级地震有43 造成人员伤亡 而只有人员死亡仅占35 一次地震死亡人数最多为600人 震级与伤亡的关系 31 1 4设计地震分组 请思考 图中的两座建筑在经历不同周期特点的地震作用下 那座建筑更易破坏 32 设计地震分组是新规范新提出的概念 用以代替旧规范设计近震 设计远震的概念 在宏观烈度大体相同条件下 处于大震级远离震中的高耸建筑物的震害比中小级震级近震中距的情况严重的多 设计地震分三组 对于 类场地 第一 二 三组的设计特征周期分别为 0 35s 0 40s 0 45s 浙江省各地震设防地区均属第一组 1 4设计地震分组 33 1 5地震地面运动的一般特征 1 地面运动最大加速度 2 地面运动的周期 3 强震的持续时间 地面运动的一般特征可用地面运动加速度记录曲线来说明 34 1 5地震地面运动的一般特征 35 汶川大地震主震加速度记录统计 36 汶川大地震主震加速度记录统计 37 1 6地震的破坏作用 震害现象 由地震的原生现象如地震断层错动 以及地震波引起的强烈地面振动所造成的灾害 主要有 1 地面破坏 如地面裂缝 错动 塌陷 喷水冒砂等 一 直接灾害 38 2 建筑物与构筑物的破坏如房屋倒塌 桥梁断落 水坝开裂 铁轨变形等 1 6地震的破坏作用 震害现象 39 2 建筑物与构筑物的破坏如房屋倒塌 桥梁断落 水坝开裂 铁轨变形等 1 6地震的破坏作用 震害现象 40 2 建筑物与构筑物的破坏如房屋倒塌 桥梁断落 水坝开裂 铁轨变形等 1 6地震的破坏作用 震害现象 41 2 建筑物与构筑物的破坏如房屋倒塌 桥梁断落 水坝开裂 铁轨变形等 1 6地震的破坏作用 震害现象 42 3 山体等自然物的破坏 如山崩 滑坡等 1 6地震的破坏作用 震害现象 43 4 海啸海底地震引起的巨大海浪冲上海岸 可造成沿海地区的破坏 1 6地震的破坏作用 震害现象 44 45 46 47 二 次生灾害 直接灾害发生后 破坏了自然或社会原有的平衡 稳定状态 从而引发出的灾害 有时 次生灾害所造成的伤亡和损失比直接灾害还大 1 火灾由震后火源失控引起 1923年日本关东地震 东京市内227处起火 33处未能扑灭造成火灾蔓 旧市区烧毁约50 横滨市烧毁80 死亡10万 主要的次生灾害有 48 2 水灾 由水坝决口或山崩拥塞河道等引起 3 毒气泄漏 由建筑物或装置破坏等引起 4 瘟疫 由震后生存环境的严重破坏而引起 二 次生灾害 49 三 工程结构破坏现象 1 结构丧失整体性 2 承重结构强度不足 3 结构变形过大导致倒塌 50 4 结构构件连接支撑失效 三 工程结构破坏现象 1 结构丧失整体性 2 承重结构强度不足 3 结构变形过大导致倒塌 51 5 地基失效 6 非结构构件破坏 4 结构构件连接支撑失效 三 工程结构破坏现象 1 结构丧失整体性 2 承重结构强度不足 3 结构变形过大导致倒塌 52 1 7抗震设防的基本要求 通过抗震设防 减轻建筑的破坏 避免人员死亡 减轻经济损失 一 抗震设防目标及方法 1 总目标 具体通过 三水准 的抗震设防要求和 两阶段 的抗震设计方法实现 2 三水准 抗震设防目标 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 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 当遭受高于本地区抗震设防烈度的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 简称为 小震不坏 中震可修 大震不倒 53 3 三水准 抗震设防是对单一水准设防的改进 是向 性能设计 发展的重要步骤 单一水准设防思想是我国 74规范 78规范 和目前许多国家采用的设防思想 设防目标是 当遭遇相当于设计烈度的地震时 建筑物的损坏不致使人民生命财产和重要生产设备遭受危害 建筑物不需修理或经一般修理仍可继续使用 1989年美国LomaPreita地震 7 1级 死亡65人 直接经济损失 建筑物破坏重建 80亿美元 间接经济损失150亿美元 1994年美国Northridge地震 6 7级 伤亡不多 经济损失为200亿美元 1995年日本阪神地震 7 2级 经济损失为1000亿美元 1999年台湾集集地震 7 3级 经济损失为94亿美元 单一设防目标不适合当前现代化发展要求 应研究开发下一代性能设计规范和抗震设计方法 54 性能设计 要点 1 对抗震设计规定相应的地震作用标准 2 建立建筑应满足的性能水准 55 4 两阶段 抗震设计方法 第一阶段 对绝大多数结构进行小震作用下的结构和构件承载力验算 在此基础上对各类结构按规定要求采取抗震措施 第二阶段 对一些规范规定的结构进行大震作用下的弹塑性变形验算 有特殊要求的建筑 地震易倒塌的建筑 有明显薄弱层的建筑 不规则的建筑等 一 抗震设防目标及方法 56 二 抗震设防范围 抗震设防烈度为6度及以上地区的所有新建建筑工程均必需进行抗震设计 规范适用于6 9度地区抗震设计及隔震 消能减震设计 超过9度的地区和行业有特殊要求的工业建筑按有关专门规定执行 三 抗震设防依据 一般情况下采用抗震设防烈度 在一定条件下可采用抗震设防区划提供的地震动参数 1 7抗震设防的基本要求 57 四 抗震设防分类及抗震设防措施 建筑类别不同 抗震设防标准也不同 1 抗震设防分类 国家技术监督局和建设部在1995年4月19日公布了 建筑抗震设防分类标准 GB50223 该标准主要以地震中和地震后房屋的损坏对社会和经济产生的影响的程度大小 将建筑分成4个抗震设防类别 国家质量监督检验检疫总局和建设部在2001年7月20日公布了 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 该规范对上面标准作了修改 58 四 抗震设防分类及抗震设防措施 59 较小乙类建筑 工矿企业的变电所 空压站以及城市供水水源的泵房等 抗震性能较好的结构类型指钢筋混凝土结构或钢结构 2 抗震设防措施 抗震措施 除结构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 一般不须计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求 60 3 地震作用 在设防烈度为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 61 抗震设计流程 62 抗震设计的内容 建筑抗震设计包括三个层次的内容1 抗震概念设计 基于震害经验建立的抗震基本原则和思想 包括工程结构的总体布置和细部构造 2 抗震计算 为抗震设计提供定量手段3 抗震构造措施 通过保证结构整体性 加强局部薄弱环节 补充抗震计算的不足 注意 抗震措施 除结构地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容 包括抗震构造措施和抗震概念设计等 63 1 8建筑抗震概念设计 一 定义与基本内容 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 基本内容有三部分 1 建筑设计应重视建筑结构的规则性 2 合理的建筑结构体系选择 3 抗侧力结构和构件的延性设计 64 二 建筑结构的规则性 建筑结构的规则性对抗震能力的重要影响的认识始自若干现代建筑在地震中的表现 最为典型的例子是1972年2月23日南美洲的马那瓜地震 马那瓜有相距不远的两幢高层建筑 一幢为十五层高的中央银行大厦 另一幢为18层高的美洲银行大厦 当地地震烈度估计为8度 一幢破坏严重 震后拆除 另一幢轻微损坏 稍加修理便恢复使用 65 马那瓜中央银行大厦 试问 那一幢破坏严重呢 马那瓜美洲银行大厦 66 67 平面不规则的类型 68 平面不规则的类型 69 竖向不规则的类型 70 竖向不规则的类型 71 二 结构体系的合理选择 抗震结构体系是抗震设计应考虑的关键问题 结构方案的选取是否合理 对安全性和经济性起决定性作用 规范规定 1 结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径 受力明确 传力合理 传力路线不间断 抗震分析与实际表现相符合 72 2 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 由于柱子的数量较少或承载能力较弱 部分柱子退出工作后 整个结构系统丧失了对竖向荷载的承载能力 抗震设计的一个重要原则是结构应有必要的赘余度和内力重分配的功能 73 3 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 足够的承载力和变形能力是需要同时满足的 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 由于在不大的地震作用下会产生较大的变形 导致非结构构件的破坏或结构本身的失稳 74 有较高的承载能力而缺少较大变形能力如不加约束的砌体结构 很容易引起脆性破坏而倒塌 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 足够的承载力和变形能力是需要同时满足的 75 三 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 这些抗震措施是 采用水平向 圈梁 和竖向 构造柱 芯柱 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 2