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建筑结构 主讲 蒲瑜 第一节地震的基本知识 第五章建筑结构抗震知识 一 地震概念 1 地震概念在建筑抗震设计中 所指的地震是由于地壳构造运动 岩层构造状态的变动 使岩层发生断裂 错动而引起的地面振动 2 常用的地震术语 地震 天然地震 诱发地震 构造地震 火山地震 陷落地震 构造地震 由于地壳运动使地壳某些部位的地应力 不断加强 当弹性地应力的积聚超过岩石的强度极限时 岩层就会发生突然断裂和猛烈错动 引起振动 振动以波的形式传到地面 造成地震 破坏性地震主要属于构造地震 占世界地震总数的90 以上 二 地震类型与成因 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 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 诱发地震 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 震源深度在60km以内的地震叫浅源地震震源深度为60 300km以内的叫中源地震震源深度为300km以上的叫深源地震世界上绝大部分地震是浅源地震 我国发生的地震绝大多数属于浅源地震 10 20Km 地球构成 三个圈层 地壳 地幔 地核 地幔物质对流 板块构造运动 根本原因 地震 地震形成的宏观背景 地震的形成 板块分布图 a 岩层的原始状态 b 受力发生弯曲 c 岩层破裂发生震动 地震形成的局部机制 地球板块运动 板块之间的相互作用力 地壳中岩层变形 变形积聚超过岩石所能承受的程度 岩体就会发生突然断裂或错动 地震 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 地震引起的振动是以波的形式从震源向各个方向传播并释放能量 地震波 体波 面波 在地球内部传播 在地球表面传播 纵波 P波 横波 S波 横波特点 周期长 振幅大 波速慢 100 800m s 其振动方向与波传播方向垂直 引起地面水平方向振动 纵波特点 周期短 振幅小 波速快 200 1400m s 其振动方向与波传播方向一致 引起地面垂直方向振动 三 地震波 面波 面波是体波经地层界面多次反射形成的次生波 包括瑞利波 R波 和洛夫波 L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 含义 一次地震释放能量大小的度量 三 震级与烈度 1 震级 能量越大 震级就越大 震级相差一级 地面振幅增加约10倍 而能量相差约32倍 一个6级地震相当于一个两万吨级的原子弹 2 地震烈度 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 是衡量地震引起后果的一种标度 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 地基条件 建筑物的动力特性 施工质量等因素有关 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2008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 中国地震烈度表 GB T17742 2008 房屋倒塌 五 地震的震害及分析 桥梁断落 水坝开裂 铁轨变形 地面裂缝 山崩 滑坡 海啸 火灾 第二节建筑抗震设防与设计 一 建筑抗震设防的一般知识 一 建筑抗震设防依据1 基本烈度一个地区未来50年内在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Ib 基本烈度也称为偶遇烈度或中震烈度 各地区的基本烈度由 中国地震动参数区划图 GB18306 2001 确定 3 2 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 用Id表示 设防烈度的取值依据 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 二 设防目标 1 大震和小震小震 小震是发生机会较多的地震 为烈度概率密度曲线上的峰值所对应的烈度 即众值烈度或称多遇烈度 当基准设计期为50年时 则50年内众值烈度的超越概率为63 2 这就是第一水准的烈度 基本烈度 即第二水准烈度 也就全国地震烈度区划图所规定的烈度 它在50年内超越概率大体为l0 大震或罕遇烈度 大震是罕遇的地震 50年内超越概率为2 3 的烈度 也是第三水准所对应的烈度 2 抗震设防目标建筑抗震设防目标总的趋势 在建筑物使用寿命期间 对不同频度和强度的地震 要求建筑物具有不同的抵抗能力 基于这一趋势 抗震规范 提示了 三水准 的抗震设防目标 第一水准 小震不坏 即当遭受到多遇的低于本地区设防烈度的地震 简称 小震 影响时 建筑物一般应不受损坏或不需修理仍能继续使用 第二水准 中震可修 当遭受到相当于本地区设防烈度的地震影响时 建筑可能损坏 经一般修理或不需修理仍能继续使用 第三水准 大震不倒 当遭遇受到高于本地区设防烈度的罕遇地震 简称 大震 影响时 建筑不致倒塌或发生危及生命的严重损坏 三 建筑抗震设防分类 1 建筑物重要性分类在进行建筑设计时 应根据建筑物的重要性不同 采取不同的抗震设防标准 抗震规范 将建筑物按其重要程度不同分为四类 甲类建筑 有特殊要求的建筑 如遇地震破坏会导致严重后果 如放射性物质的污染 剧毒气体的扩散或引起爆炸等 和经济上重大损失的建筑 政治上重大损失的建筑 政治上有特殊要求的或其它特别重要的建筑等 鸟巢 水立方 国家大剧院 乙类建筑 国家重点抗震城市的生命线工程的建筑 如消防 急救 供水 供电等 或人流密集的多层的大型公共建筑等 2008年的 建筑抗震设防分类标准 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 主要是体现对未成年人的保护 此外 此类建筑的人员密度较高 地震时容易导致大量人员伤亡 丙类建筑 除甲 乙 丁类以外的建筑 如一般工业与民用建筑 公共建筑 住宅 旅馆 厂房等 丁类建筑 次要建筑 如遇到地震破坏不易造成人员伤亡和较大经济损失的建筑 如一般的仓库 人员较少的辅助性建筑 第三节钢筋混凝土房屋的抗震规定及构造措施 框架结构的抗震构造措施1 梁端箍筋加密在梁端塑性铰区段范围内加密箍筋 可以起到约束混凝土 提高混凝土变形能力的作用 从而可提高梁截面转动能力 增加其延性 建筑抗震设计规范 GB50011 2010 对梁端加密区的范围和构造要求所作的详细规定见下表 注 d为钢筋直径 hb为梁截面高度 箍筋直径大于12mm 数量不少于4肢且肢距不大于150mm时 一 二级的最大间距应允许适当放宽 但不得大于150mm 梁端箍筋加密区的长度 箍筋的最大间距和最小直径 梁端加密区箍筋肢距 一级抗震不宜大于200mm和20倍箍筋直径的较大值 二 三级抗震不宜大于250mm和20倍箍筋直径的较大值 四级抗震不应大于300mm 在梁端箍筋加密区内一般不宜设置纵筋接头 2 柱端箍筋加密震害调查表明 框架柱的破坏主要集中在柱端1 0 1 5倍柱截面高度范围内 通过加密柱端箍筋可以提高柱端的抗剪能力 起到约束混凝土 提高混凝土的抗压强度及变形能力 防止纵筋压屈的作用 试验表明 当箍筋间距小于6 8倍柱纵筋直径时 在受压混凝土压碎前 一般不会出现钢筋压屈的现象 柱端箍筋加密区范围应按下列规定采用 柱端 取柱截面长边尺寸 圆柱直径 柱净高的1 6和500mm三者的最大值 底层柱的下端不小于柱净高的1 3 刚性地面上下各500mm 剪跨比不大于2的柱和因设置填充墙等形成的柱净高与柱截面高度之比不大于4的柱 框支柱 一级抗震及二级抗震框架的角柱 取全高 一般情况下 柱端箍筋加密区的箍筋间距和直径应符合下表的要求 表柱箍筋加密区的箍筋最大间距和最小直径 注 d为柱纵筋最小直径 柱根指框架底层柱的嵌固部位 柱箍筋加密区的箍筋肢距 一级不宜大于200mm 二 三级不宜大于250mm 四级不宜大于300mm 至少每隔一根纵筋宜在两个方向有箍筋或拉筋约束 采用拉筋复合箍筋时 拉筋宜紧靠纵向钢筋并钩住箍筋 3 钢筋接头和锚固钢筋锚固与接头除应符合 混凝土结构设计规范 的要求外 尚应符合下列要求 1 纵向钢筋的最小锚固长度laE应按下列公式计算 一 二级抗震laE 1 15la三级抗震laE 1 05la四级抗震laE 1 0la式中la 纵向钢筋的锚固长度 按 混凝土结构设计规范 确定 2 纵向钢筋接头位置宜避开梁端 柱端钢筋加密区 3 当采用搭接接头时 其搭接接头长度不应小于 llaE l为纵向受拉钢筋搭接长度修正系数 其值按表10 8采用 表10 8纵向受拉钢筋搭接长度修正系数 l 4 对于钢筋混凝土框架结构梁 柱的纵向受力钢筋接头方法应遵守以下规定 框架梁 一级抗震等级 宜选用机械连接接头 也可采用搭接接头或焊接接头 二 三 四级抗震等级 可采用搭接接头或焊接接头 框架柱 一级抗震等级 宜选用机械连接接头 二 三 四级抗震等级 宜选用机械接头 也可采用搭接接头或焊接接头 第四节多层砌体房屋抗震规定及构造措施 1 加强房屋整体性的构造措施 1 钢筋混凝土构造柱设置钢筋混凝土构造柱或芯柱的抗震作用在于和圈梁一起对砌体墙片乃至整幢房屋产生一种约束作用 从而提高墙片及整幢房屋的抗倒塌能力 对于砖房可设置钢筋混凝土构造柱 而对混凝土空心砌块房屋 可利用空心砌块孔洞设置钢筋混凝土芯柱 构造柱的截面尺寸不宜小于240 240mm 构造柱配筋中柱不宜少于4 12 边柱 角柱不宜少于4 14 竖向受力钢筋应基础梁和楼层圈梁中锚固 箍筋宜为 6 200 楼层上下500mm范围内宜为 6 100 砼强度等级不宜低于C20 对多层砖房应按表10 2要求设置钢筋混凝土构造柱 对外廊式和单面走廊式的多层砖房 应根据房屋增加一层后的层数按表10 2要求设置构造柱 且单面走廊两侧的纵墙均应按外墙处理 对横墙较少的房屋 应根据房屋增加一层后的层数按表10 2及以上要求设置构造柱 表10 2多层砖砌体房屋构造柱设置要求 钢筋混凝土构造柱的截面尺寸应大于等于240mm 180mm 其中设置412纵向钢筋 箍筋间距不宜大于250mm 且在柱上下端应适当加密 当6 7度时超过六层 8度时超过五层和9度时 构造柱纵向钢筋宜采用414 箍筋间距不应大于200 房屋四角的构造柱可适当加大截面及配筋 钢筋混凝土构造柱必须先砌墙 后浇柱 与墙连接处宜砌成马牙槎 并应沿墙高每500mm设26拉结钢筋 每边伸入墙内不宜小于1m 见图10 1 图10 1构造柱与墙体的连接 构造柱应与圈梁可靠连接 构造柱不必设置单独基础 一般应伸入室外地面下500mm 或与埋深小于500mm的基础圈梁相连 2 对空心砌块房屋钢筋混凝土芯柱设置对空心砌块房屋钢筋混凝土芯柱设置可按如下要求进行 混凝土小砌块应按表10 3要求设置钢筋混凝土芯柱 对医院 教学楼等横墙较少的房屋 应根据房屋增加一层后的层数按表10 3要求设置芯柱 表10 3多层小砌块房屋芯柱设置要求 接下表 续上表 注 外墙转角 内外墙交接处 楼电梯间四角等部位 应允许采用钢筋混凝土构造柱替代部分芯柱 混凝土小砌块房屋芯柱截面不宜小于120mm 120mm 芯柱混凝土强度等级不应低于Cb20 芯柱与墙连接处应设置拉结钢筋网片 竖向插筋应贯通墙身且应与每层圈梁连接 插筋不应小于112 6度和7度时超过五层 8度时超过四层和9度时 不应小于114 芯柱也应伸入室外地面下500mm 或与埋深小于500mm的基础圈梁相连 3 钢筋混凝土圈梁的设置对横墙承重的装配式钢筋混凝土楼 屋 盖或木楼 屋 盖房屋 应按表10 4的规定设置现浇圈梁 对纵墙承重房屋 每层均应设置圈梁 且抗震横墙方向的圈梁应比表10 4规定的适当加密 多层黏土砖房的现浇钢筋混凝土圈梁的截面高度不应小于120mm 配筋应符合表10 5的要求 为加强基础整体性和刚性而增设的基础圈梁 其截面高度不应小于180mm 配筋不应少于412 表10 4多层砖砌体房屋现浇钢筋混凝土圈梁设置要求 表10 5圈梁配筋要求 对砌块房屋的现浇钢筋混凝土圈梁 应提高一度后按多层黏土砖房对现浇钢筋混凝土圈梁设置的相应要求进行设置 但采用装配式钢筋混凝土楼盖时 每层均应设置圈梁 圈梁一般需现浇 必须闭合 遇有洞口时应上下搭接 圈梁宜与预制板设在同一标高处或紧靠板底 10 3 1 2加强构件间连接的构造措施 1 墙与墙之间的连接要求对多层砖房纵横墙之间的连接 一方面应在施工过程中注意纵横墙的咬槎 同时也应注意 对6度和7度时长度大于7 2m的大房间及8度和9度时外墙转角及内外墙交接处 应沿墙高每隔500mm配置26通长钢筋和4分布短筋平面内点焊组成的拉结网片或4点焊钢筋网片 对后砌的非承重砌体隔墙应沿墙高每隔500 600mm配置26拉结钢筋与承重墙或柱拉结 每边伸入墙内不应小于500mm 8度和9度时 长度大于5m的后砌隔墙的墙顶尚应与楼板或梁拉结 多层小砌块房屋墙体交接处或芯柱与墙体连接处应设置拉结钢筋网片 网片可采用直径4mm