建筑结构抗震课件PPT课件

06 04 2020 第一章绪论 1 1地震与地震动 1 2地震震级与地震烈度 1 3地震灾害概说 1 4工程抗震设防 1 5抗震设计的总体要求 1 1地震与地震动概述1 1 1地震类型与成因1 1 2地震波1 1 3地震动 概述地震是一种自然现象 据统计 地球每年平均发生500万次左右的地震 其中 5级以上的强烈地震约1000次左右 如果强烈地震发生在人类聚居区 就会造成地震灾害 为了抗御与减轻地震灾害 有必要进行建筑工程结构的抗震分析与抗震设计 地壳由各种不均匀的岩石组成 地球的构造 世界上绝大部分的地震都发生在这一薄薄的地壳内 地壳岩石长期积累的变性在瞬间内转换为动能而产生地震 地面为沉积岩 地壳上部为花岗岩岩层 地壳下部为玄武岩岩层 海洋下只有玄武岩岩层 地幔主要有质地坚硬的橄榄岩组成 地幔是地壳运动的根源 其原因 由于地球内部放射性物质不断释放能量 地球内部的温度也随深度的增加而升高 地下200Km到700Km其温度由600 升至2000 在这一范围内的地幔中存在着一个厚约几百公里的软流层 因温度分布不均匀 就发生了地幔内部物质的对流 另外地球内部的压力也是不均衡的 在地幔上部约900MPa 地幔中部为3700MPa 地核是地球的核心 分为 观测发现 地震横波不能通过外核 即不能通过液体 外核 厚2100Km 处于液态内核 厚1400Km 处于固态地核主要构成物质是镍 铁 1 1 1地震类型与成因 按其成因分 构造地震 由于地球内部岩层构造变化引起的地震 分布最广 危害最大 火山地震 由于火山爆发 岩浆猛烈冲出地面起 我国没有 日本有 陷落地震 由于地表或地下岩层突然发生大规模的陷落和崩塌所引起小范围的地面震动 诱发地震 由于水库蓄水或深井注水等引起的地面震动 在工程抗震设计中仅考虑构造地震的设防问题 构造地震的成因和分布成因 断层说在自然界 大规模的破裂面被称为地质断层 一条断层的两侧可以逐渐地并难以察觉地互相滑过 也可以突然破裂 以地震形式释放能量 犹他州喀那布附近的切过岩层的小而清晰的正断层 断层学说的佐证 来自以色列的精彩实例原来水平的刚性岩石层在长时期作用的构造力挤压下褶皱 断层学说的佐证 板块说 大陆漂移假说 它是德国气象学家魏格纳 Wegener 1880 1930年 在讲课中提出来的 这一假说在约10年时间内没有受到地质界的重视 在1922年2月16日有一篇评述魏格纳的书的一无人署名的短文 发表于著名的科学杂志 自然 上 说 该书直接应用了物理学原理 但遭到许多地质学家的强烈反对 魏格纳假定一个超级大陆于3亿年前破裂 其碎块漂移出去形成现今的大陆 作为证据 他指出不同大陆的大型地质构造 如非洲西海岸和南美的东海岸似乎可以吻合 这一原理能够解释许多地质学问题 在以后几十年代中成为辩论的主要焦点 由洋中脊 海沟和转换断层构成边界的主要构造板块美洲板块 欧亚板块 印澳板块 太平洋板块 南极洲板块等 板块学说的佐证 板块学说的佐证 震源 地下地震的发源处地球内部断层错动并辐射出地震波的部位 震源不是一个点 而是有一定的深度和范围 浅源地震300km 1 1 2地震波 按震源深浅 地震又可分为 震中 震中距 等震线 垂直于震源的地表为震中 体波 纵波 P波 为压缩波 速度快 产生颠簸 vp 1 67vs横波 S波 vs为剪切波 速度稍慢 产生摇晃 地震P波 纵波 和S波 横波 运行时弹性岩石运动的形态 勒夫波和瑞利波传播过程中近地表岩石的运动 面波 有勒夫波和瑞利波 vR vL 0 9vs 能量大 破坏大 产生颠簸摇晃 地震波记录图 1 1 3地震动 为什么地震时人的感觉是先颠后晃 由地震波传播所引发的地面振动 通常称为地震动 地震时 震中及其附近的人们先感觉到上下颠簸 然后感到前后或左右摇晃 这是因为地震发生时 地震波主要有两种 一种是纵波 它传播的速度快 可达5 6Km 秒 另一种是横波 它的速度较慢 达3 4Km 秒 因为纵波先到 使人们产生上下颠簸的感觉 而横波后到 让人们感到水平摇晃 对建筑物的破坏主要是横波 人们在感觉到 颠 的时候 要马上就地避震 因为大的破坏力马上就要到了 海啸是一种灾难性的海浪 通常由震源在海底下50千米以内 里氏震级6 5以上的海底地震引起 水下或沿岸山崩或火山爆发也可能引起海啸 在一次震动之后 震荡波在海面上以不断扩大的圆圈 传播到很远的距离 正象卵石掉进浅池里产生的波一样 海啸波长比海洋的最大深度还要大 轨道运动在海底附近也没受多大阻滞 不管海洋深度如何 波都可以传播过去 2004年12月26日 印度洋发生强烈地震并引发海啸 造成周边国家重大人员伤亡和财产损失 印度洋海啸造成近30万人遇难 海啸的起因 1 2地震震级与地震烈度1 2 1地震震级1 2 2地震烈度1 2 3基本烈度与地震区划 用标准的地震仪在距震中100km处记录最大水平位移A 以 m 10 6m计 震级M logA 查尔斯 里克特 1900 1985年 震级是一次地震强弱的等级 现国际上的通用震级表示为里氏震级 Richter 1 2 1地震震级 震级与能量的关系logE 11 8 1 5M震级差一级 能量差32倍之多 按着这个定义 对一个100千米外的地震 如果标准地震仪记录到1厘米的峰值波振幅 即1 毫米的104倍 则震级为4级 1级微震 人们无感觉 2 4级有感地震5级以上破坏性地震7级以上强烈地震8级以上特大地震现记录到的最强地震为8 9级 唐山地震7 8级 地震烈度 某一地点地面震动的强烈程度 由地面建筑的破坏程度 人的感觉 物体的振动及运动强烈程度而定 现在主要由地面震动的速度和加速度确定 1 2 2地震烈度 注意与震级区分 烈度 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 烈度与震级的关系 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 分项 人的感觉 大多数房屋震害程度 其他现象 加速度 水平向 厘米 秒 速度 水平向 厘米 秒 烈度表 I度 为无感觉 损坏一个别砖瓦掉落墙体微细裂缝 河岸和松软土上出现裂缝 分为1 12度 不同的国家的分度方法不同 中国地震烈度表 VII 7 度 大多数人仓惶逃出 轻度破坏 局部破坏 开裂 但不妨碍使用 河岸出现塌方 饱和砂层常见喷砂冒水 松软土上地裂缝较多 大多数砖烟囱中等破坏 加速度125厘米 秒 8 度 摇晃颠簸行走困难 中等破坏 结构受损 需要修理 干硬土上亦有裂缝 大多数砖烟囱严重破坏 加速度250厘米 秒 VI 6 度 惊慌失措 仓惶逃出 饱和砂层出现喷砂冒水 地面上有的砖烟囱轻度裂缝 掉头 加速度63厘米 秒 10 度 骑自行车的人会摔倒 处不稳状态的人会摔出几尺远 有抛起感 大部倒塌 不堪修复 山崩和地震断裂出现 基岩上的拱桥破坏 大多数砖烟囱从根部破坏或倒毁 加速度1000厘米 秒 12 度 地面剧烈变化 山河改观 9 度 坐立不稳行动的人可能摔跤 严重破坏 墙体龟裂 局部倒塌 复修困难 严重破坏 墙体龟裂 局部倒塌 复修困难 加速度500厘米 秒 1 2 3基本烈度与地震区划 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 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 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 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 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 设计地震分组 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 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 辽宁省各地震设防地区多属第一组 1 3地震灾害概说1 3 1中国地震背景1 3 2地震的破坏作用 本世纪以来 全世界破坏性强的地震平均每年18次 造成经济损失达数千亿美元 126万人死亡 近千万人严重伤残 我国本世纪以来 发生6级以上地震500余次 8级以上地震9次 一次大地震可在数10秒钟之内使一座繁荣的城市变成废墟 人们几代人的积累和财富化为乌有 1 3 1中国地震背景 世界范围内有两大地震带 环太平洋地震带和欧亚地震带 我国主要有两条地震带 南北地震带和东西地震带 在海滨地区跨圣安德烈斯断裂的篱笆在1906年旧金山地震时错动了2 6米 远处的土地向右移动 1 3 2地震的破坏作用 1988年亚美尼亚地震造成的新鲜断崖 1976年7月28日 在河北省唐山 丰南一带发生了7 8级强烈地震 唐山地震造成24 2万人死亡 16 4万人受重伤 仅唐山市区终身残废者达1700多人 倒塌民房530万间 唐山地区总的直接经济损失达54亿元 公共设施遭受严重破坏 灾情之大举世罕见 1 4工程抗震设防1 4 1抗震设防的目的和要求1 4 2抗震设计方法1 4 3建筑物重要性分类与设防标准 1 4 1抗震设防的目的和要求 许多国家的抗震设计规范都趋向于以 小震不坏 中震可修 大震不到 作为建筑抗震设计的基本准则 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 工程抗震设防的基本目的 简称为 小震不坏 中震可修 大震不倒 三水准 抗震设防目标 第一水准 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 第二水准 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 第三水准 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 1 4 2抗震设计方法 在进行建筑抗震设计时 原则上应满足上述 三水准 的抗震设防要求 在具体做法上 我国建筑抗震设计规范采用了简化的 两阶段 的抗震设计方法 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的弹塑性变形 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 第一阶段的设计 保证了第一水准的承载力要求和变形要求 第二阶段的设计 则旨在保证结构满足第三水准的抗震设防要求 如何保证第二水准的抗震设防要求 尚在研究之中 目前一般认为 良好的抗震构造措施有助于第二水准要求的实现 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 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 1 4 2抗震设计方法 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 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 根据抗震概念设计 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 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 1 5抗震设计的总体要求1 5 1注意场地的选择1 5 2把握建筑体型1 5 3利用结构延性1 5 4设置多道防线1 5 5注意非结构因素 1 5 1注意场地的选择 工程地质条件对地震破坏的影响很大 常有地震烈度异常现象 即 重灾区里有轻灾 轻灾区里有重灾 产生的原因是局部地区的工程地质条件不同 地段划分 水边地的地下水位较高 土质也较松软 容易在地震时产生土壤滑动或地层液化 山坡地在地震时会产生土壤滑动 用另外的土石來填补地基 常有土壤密实度不足情形 导致建筑物在地震时产生倾斜 沉陷 冲积地的土质松软 地震时容易塌陷 如果此处有地下水层 还容易发生液化 临近悬崖 容易滑落 谷地或低地 这里的建筑物容易在地震发生时 受土石崩塌破坏 萨尔瓦多地震引发了一巨大的泥石流 数百户人家被埋在泥石里 估计有1200多人遇难 地裂 地段选择 1 选择有利地段 2 避开不利地段 当无法避开时 应采取适当的抗震措施 3 不在危险地段建设 局部突出地形的影响 1994年云南昭通地震 芦家湾某村坐落于山梁上 山梁长150m 顶部最宽15m 最窄5m 高60m 距震中18km 突出端部的最大加速度为0 632g 鞍部为0 257g 大山根部为0 431g 烈度为9度 烈度为8度 烈度为7度 局部突出地形的影响 1 高突地形距离基准面的高度愈大 高处的反应愈大 2 离陡坎和边坡顶部边缘的距离大 反应相对减小 3 在同样地形条件下 土质结构的反应比岩质结构大 4 高突地形顶面愈开阔 远离边缘的中心部位的反应明显减小 5 边坡愈陡 其顶部的放大效应相应加大 发震断裂的影响 与地下断裂构造直接相关的地裂 与发震断裂间接相关的受应力场控制所产生的地裂 断裂带是地质上的薄弱环节 浅源地震多与断裂活动有关 发震断裂带附近地表 在地震时可能产生新的错动 使建筑物遭受较大的破坏 属于地震危险地段 建设时应避开 发震断裂带上可能发生地表错位的地段主要在高烈度区 全新世以来经常活动的断裂上面 抗震有利的建筑场地和地基 1选择薄的场地覆盖层 2选择坚实的场地土 3将建筑物的自振周期与场地的固有周期错开 避免共振 4采取基础隔震或消能减震措施 5避免场地土液化 建筑结构的规则性 结构体系的合理选择 房屋的高宽比要求 防震缝的设置 房屋的适用最大高度 1 5 2把握建筑体型 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 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 平面不规则的类型 竖向不规则的类型 结构体系的合理选择 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 房屋的适用最大高度 抗震规范 规定 乙 丙和丁类建筑的框架结构和框架 抗震墙结构适用的最大高度应不超过下表的规定 甲类建筑适用的最大高度应专门研究 注 1 房屋高度指室外地面到主要屋面板板顶的高度 不包括局部突出屋顶部分 2 超过表内高度的房屋 应进行专门研究和论证 采取有效的加强措施 3 平面和竖向均不规则的结构或建造在 场地的构 使用的最大高度应适当降低 一般降低20 左右 选择合理的结构材料 从抗震角度考虑 作为一种好的结构材料 其结构材料应具备 延性系数高 如钢结构 强度 重力比值大 如轻质高强材料 匀质性好 正交各向同性 变形相同 构件的连接具有整体性 连续性和较好的延性 并能发挥材料的全部强度 按照上述标准 常见结构类型 按其抗震性能的优劣排序为 钢结构型钢混凝土结构混凝土 钢组合结构现浇钢筋混凝土结构预应力混凝土结构装配式钢筋混凝土结构配筋砌体结构砌体结构 钢筋 1 不希望使用高强钢筋 2 钢筋的实际屈服强度不能太高 3 钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值之比不应小于1 25 4 不能使用冷拉钢筋 5 应检测钢筋的应变老化脆裂 可焊性低温抗脆裂 普通钢筋的强度等级 纵向受力钢筋宜选用HRB400级和HRB335级热轧钢筋 箍筋宜选用HRB335级和HB235级热轧钢筋 混凝土 要求混凝土有最低强度等级限制 混凝土结构的混凝土最高强度等级 9度时不宜超过C60 8度时不宜超过C70 对于框支梁 框支柱及抗震等级为一级的框架梁 柱 节点核心区 不应低于C30 构造柱 芯柱 圈梁及其各类构件不应低于C20 延性 结构承载能力无明显降低的前提下 结构产生非弹性变形的能力 总体延性 用结构的 顶点侧移比 或结构的 平均侧移比 表达 楼层延性 以一个楼层的层间侧移比表达 构件延性 指整个结构中某一构件 如一榀框架或一片墙体 的延性 杆件延性 指一个构件中某一杆件 框架的梁 柱 墙中的连梁或墙肢 的延性 1 5 3利用结构延性 在结构竖向 重点提高可能出现塑性变形集中的相对柔弱楼层的构件延性 在结构平面 着重提高房屋周边转角处 平面突变处及复杂平面各翼相接处的构件延性 对多道抗震防线的抗侧力体系 着重提高第一道防线中构件的延性 在同一构件中 着重提高关键杆件的延性 同一构件中 着重提高延性的部位应是预期构件首先屈服的部位 提高结构延性的原则 控制结构变形结构变形可以用层间位移和顶点位移表达 层间位移主要影响到非结构构件的破坏 梁柱节点的滑移 抗震墙的开裂 塑性铰的发展以及屈服机制的形成 顶点位移主要影响防震缝宽度 结构的总体稳定以及小震时人的感觉 1 5 4设置多道防线 多道抗震防线对抗震结构是必要的 当第一道防线的抗侧力构件在强烈地震袭击下遭到破坏后 后备的第二道至第三道防线的抗侧力构件立即接替 抵挡住后续的地震动的冲击 可保证建筑物最低限度的安全 免于倒塌 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 一般优先选择不负担或少负担重力荷载的竖向支撑或填充墙 或选择轴压比值较小的抗震墙 实墙筒体之类的构件 第一道防线的构件选择 一般情况 不宜采用轴压比很大的框架柱兼作第一道防线的抗侧力构件 如因条件有限 只能采用单一的框架体系 框架就成为整个体系中唯一的抗侧力构件 此时应采用 强柱弱梁 型延性框架 即梁为第一道 柱为第二道 抗震结构体系 应有若干个延性较好的分体系组成 并由延性较好的结构构件连接起来协同工作 如 框架 抗震墙体系是由延性框架和抗震墙两个系统组成 双肢或多肢抗震墙体系由若干个单肢墙分系统组成 抗震结构体系应有最大可能数量的内部 外部赘余度 有意识地建立一系列分布的屈服区 以使结构能够吸收和耗散大量的地震能量 一旦破坏也易于修复 结构体系的多道设防 强柱弱梁 使框架结构塑性铰出现在梁端的设计要求 用以提高结构的变形能力 防止在强烈地震作用下倒塌 强剪弱弯 使钢筋混凝土构件中与正截面受弯承载力对应的剪力低于该构件斜截面受剪承载力的设计要求 用以改善构件自身的抗震性能 柔性底层 用变形能力大的延性框架代替房屋底层的抗震墙 以减少地震震动向上部各层传递的一种抗震设计思想 框支剪力墙 底层或底部两三层为框架体系 上部各层为抗震墙或框架 抗震墙体系 强墙弱梁强柱弱梁 左图 框架 抗震墙体系 右图 框架 支撑体系 从结构类型的选择和施工两方