深圳大学 建筑抗震设计1

2020 4 6 1 建筑抗震设计Seismicdesignofbuildings 多高层建筑结构抗震设计 2020 4 6 2 课程简介 本课程主要讲述建筑结构抗震设计理论及方法 课程内容紧密结合我国 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 建筑地基基础设计规范 GB50007 2002 混凝土结构设计规范 GB50010 2002 等现行规范 其中反映了当前国内外的结构抗震理论和试验研究成果以及工程实践经验 2020 4 6 3 教材选用 王社良主编 抗震结构设计 武汉理工大学出版社 2007年12月第3版 本教材反映了我国现行 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 的内容 编号为GB50011 2010的 建筑抗震设计规范 将于2010年12月1日起实施 现行的 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 将同时废止 2020 4 6 4 教材封面 2020 4 6 5 1绪论 1 1地震与地震动1 2地震活动性1 3地震震害1 4结构的抗震设防 2020 4 6 6 1 1 1地震及其成因 1 地震是一种普遍的自然现象 地震是地球内部构造运动的产物 是一种普遍的自然现象 全世界每年发生约500万次地震 其中 无感地震约占99 有感地震约占1 即约5万次 破坏性的大地震平均每年约18 20次 1 1地震与地震动 2020 4 6 7 2 地震又是一种突发的自然灾害 现代科技的发展 虽能对地震的发生进行预测 但准确预报何时 何地将发生何种强度的地震一般是很困难的 困难在于地壳运动的复杂性 及现代科学技术水平的局限性 因此 破坏性地震常常是突然发生的 2020 4 6 8 3 地震类型 按成因分 1 构造地震约占90 岩层构造变动引起 2 火山地震约占7 岩浆猛烈冲出地面引起 3 陷落地震约占3 以下 地下溶洞或旧坑崩塌引起 4 诱发地震数量很少 水库蓄水或深井注水等引起 后3种影响范围和破坏程度相对较小 构造地震破坏力大 影响范围广 是工程抗震研究的重点 2020 4 6 9 4 构造地震的成因 1 关于构造地震的成因有多种假说 主要有断层假说板块构造假说 2 为了便于说明 先简单地介绍一下地球的构造 2020 4 6 10 地球由三个圈层组成 地壳 厚度各处不一 约5 70km 由多种不均匀的岩层组成 地幔 厚度约2900km 其上部存在一个约几百公里厚的软流层 地球平均半径约6400km 内部由三个圈层组成 地核 是地球的核心部分 半径约3500km 2020 4 6 11 地球内部的温度随深度增加而升高 地球内部的压力随深度增加而增大 并且是不均衡的 地幔内部物质在高温状态下和不均衡压力作用下产生缓慢的运动 即所谓地幔对流 据研究 地幔对流是地壳运动的主要根源 2020 4 6 12 断层假说 在地幔对流等因素产生的巨大能量作用下 使地壳和地幔上部的岩石层发生皱褶变形 当积聚的地应力超过岩石的极限强度时 岩石层便发生脆性断裂 猛烈回弹错动 从而引起振动 以波的形式向地面传播 形成地震 2020 4 6 13 板块构造假说 地壳由美洲板块 非洲板块 欧亚板块 印澳板块 太平洋板块和南极洲板块等大板块组成 在地幔对流等因素产生的巨大能量作用下产生板块运动 这样板块之间相互挤压和错动 致使其边缘附近的岩石层脆性破裂而引发地震 2020 4 6 14 5 地震序列 每次大地震 在一定时间内 在震区相继发生一系列大小地震 称为地震序列 在一个地震序列中 最大的一次地震称为称为主震 主震之前发生的地震称为前震 主震之后发生的地震称为余震 2020 4 6 15 6 主震型 多发型 单发型 在一个地震序列中 若主震震级很突出 称为主震型地震 若一个地震序列是有多次震级相近的地震组成的 则称为多发型地震或震群型 若前震和余震很少 甚至没有 则称为单发型地震 三种类型地震中 主震型地震约占60 多发型地震约占30 单发型地震约占10 2020 4 6 16 7 地震类型 按震源深浅分 浅源地震 震源深度300km 占3 破坏性小 震源浅 破坏重 影响范围小 震源深 破坏轻 波及范围大 绝大多数地震发生在地壳内 少部分发生在地幔上部 目前观测到的最深地震发生在地下700km左右 2020 4 6 17 1 1 2地震波 地震时震源发出的振动 以波的形式向各个方向传播 并释放能量 这就是地震波 地震波包含在地球内部传播的体波和在地面附近传播的面波 2020 4 6 18 1 纵波 拉压波 纵波 由震源向外传播的疏密波或拉压波 或P波 质点振动向与波前进方向一致 特点 周期短 振幅小 引起地面竖向颠簸 纵波传播速度快 2020 4 6 19 2 横波 剪切波 横波 由震源向外传播的剪切波 或S波 质点振动方向与波前进方向垂直 特点 周期较长 振幅大 引起地面水平摇晃 横波速度比纵波慢 2020 4 6 20 3 纵波 剪切波的速度 纵波速度 剪切波速度 其中 E 介质的弹性模量 介质的泊松比 介质的密度 2020 4 6 21 4 纵波波速与剪切波速的关系 如果取泊松比 1 4 则由公式 1 1 和 1 2 得 可见 纵波速度比剪切波速度快 2020 4 6 22 5 纵波和横波波速的应用 1 利用纵波和剪切波到达的时间差 t推算震中位置 2 在工程中广泛应用剪切波速Vs来对层状地基的动力性质作出评价 第2章中将有详细的应用举例 2020 4 6 23 6 面波 R波和L波 1 面波是体波经地层界面多次反射形成的次生波 仅沿着地面传播 2 面波又分为瑞雷波 R波 和洛夫波 L波 2020 4 6 24 3 面波质点的振动方式 图 a R波 传播时 质点在波前进方向与地面法线所组成的平面内作椭圆运动 图 b L波 传播时 质点在地面上呈蛇形运动 2020 4 6 25 4 面波的特点 面波周期长 振幅大 速度为剪切波速的0 9 面波只能在地面附近传播 使建筑物既竖向振动又水平摇晃 面波衰减慢 能传播到很远的地方 面波随着地面深度的增加其振幅急剧衰减 地震波的传播速度 Vp Vs V面 2020 4 6 26 7 地震波对建筑物的作用 纵波使建筑物上下颠簸 剪切波使建筑物产生水平方向摇晃 面波则使建筑物既产生竖向颠簸有产生水平方向摇晃 剪切波和面波都到达时建筑物振动最为剧烈 面波的能量比体波的大 所以造成建筑物和地表的破坏主要以面波为主 由于面波随着地面深度增加而衰减的 所以这是地下建筑震害较轻的一个原因 2020 4 6 27 1 1 3地震强度 1 地震震级及其计算 1 地震震级是表示某次地震本身大小的一种定量指标 2 国际上最早采用的是里氏震级 由C F Richter给出 即地震震级M为 2020 4 6 28 3 震级公式中参数A的意义 A 为采用标准地震仪 在距震中100km处记录的以微米为单位的最大水平地动位移 单振幅 标准地震仪是指摆的自振周期为0 8s 阻尼系数为0 8 放大倍数为2800倍的地震仪 例如 在距离震中100km处地震仪记录的最大振幅A 1mm即A 1000 m 则由式 1 4 得 该次地震为里氏3级 微米 1 m 10 6m 2020 4 6 29 2 震级与地震释放能量 震级表示震源释放能量的多少 也表示地震强度的大小 不同震级与地震释放能量之间的关系为 其中 E为地震释放的能量 单位为尔格 1尔格 10 7焦耳 震级提高1级 能量增加约32倍 一次6级地震释放的能量相当于一个2万t级的原子弹 2020 4 6 30 3 地震类型 按震级划分 M5级 破坏性地震 M 7级 强烈地震或大震 M 8级 特大地震 到目前为止记录到的最大地震为8 9级 2004年12月发生在印度尼西亚 苏门答腊附近海域 2020 4 6 31 5 影响地震烈度的因素 震级 愈大 烈度愈高 反之 烈度愈低 震中距 愈近 烈度愈高 反之 烈度愈低 震源深度 愈浅 烈度愈高 反之 烈度愈低 传播介质 岩层 覆盖土层等 建筑物动特性 质量 刚度 自振周期等 4 地震烈度 地震烈度是指某地区的地面和各类建筑物遭受某次地震影响的强弱程度 P 4 2020 4 6 32 震级与震中烈度的对应关系如下表 6 震级与烈度 一次地震 只有一个震级 一次地震 有多个地震烈度 即一次地震 在不同地点有不同的地震烈度 震级与震中烈度的关系可有下列经验公式给出 其中 I0为震中烈度 2020 4 6 33 7 地震烈度的划分 1 国际上大多数国家采用12度划分地震烈度 也有少数国家不同 如少数欧洲国家采用10度 日本采用0 7度划分 2 我国将地震烈度划分为12度 我国1999年公布实施了 中国地震烈度表 GB T17742 1999 见教材附录1 P 281 3 我国划分地震烈度采用了宏观定性和物理两种指标 2020 4 6 34 宏观指标 人的感觉 家具器物反应 建筑物破坏程度 地貌变化特征等 2020 4 6 35 宏观描述 1 2度人无感觉3度在夜静时 少数人有感觉4 5度普遍有感觉 悬挂物摇晃6度器物倾倒 房屋轻微损坏7 8度房屋轻度或中度破坏 出现地裂9 10度房屋严重毁坏 地裂很多11 12度房屋普遍倒塌 地貌剧烈变化概括地描述 1 5度 以人的感觉为主 6 10度 以房屋震害为主 人的感觉仅供参考11 12度 以地表现象为主 2020 4 6 36 物理指标 物理指标 地面运动参数 加速度 速度等 目前主要还是以宏观指标作为评判烈度标准 物理指标仅作为参考 2020 4 6 37 1 1 4地震区划与地震影响 地震区划是指根据历史地震 地震地质构造和地震观测等资料 在地图上按地震情况的差异划出不同的区域 我国曾于1990年和2001年先后2次颁布地震区划图作为抗震设计的依据 2020 4 6 38 1 中国地震烈度区划图 1990 我国于1990年采用基本烈度 编制了 中国地震烈度区划图 1990 基本烈度定义 某地区的基本烈度 是指在50年期限内 一般场地条件下 可能遭遇超越概率为10 的地震烈度值 2020 4 6 39 2020 4 6 40 中国地震烈度区划图 2020 4 6 41 2020 4 6 42 全国地震烈度分布的面积数量 2020 4 6 43 2 中国地震动参数区划图 GB18306 2001 后来 我国于2001年按照地震动参数 即地震动峰值加速度和加速度反应谱编制了 中国地震动参数区划图 GB18306 2001 2020 4 6 44 3 抗震设防烈度 抗震设防烈度是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 规范规定 一般情况下 设防烈度可采用 中国地震动参数区划图 中的地震基本烈度 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 2020 4 6 45 表中 g为重力加速度 单位m s2 地震加速度为0 15g和0 30g地区内的建筑 除 抗震规范 另有规定外 应分别按抗震设防烈度7度和8度的要求进行抗震设计 4 设计基本地震加速度 设计基本地震加速度为上述区划图中的地震动峰值加速度 抗震设防烈度相对应的设计基本地震加速度见下表1 3 P 5 2020 4 6 46 5 设计地震分组 为了考虑建筑物所在地区的地震环境即震源 震级 震中距的影响 将设计地震分为第一 二 三组 抗震规范附录A列出了我国主要城镇的抗震设防烈度 设计基本地震加速度和设计地震分组 也可参见教材附录2 P 282 举例如下 2020 4 6 47 附录2我国主要城镇抗震设防烈度 设计基本地震加速度和设计地震分组 本附录仅提供我国抗震设防区各县级及县级以上城镇的中心地区建筑工程抗震设计时所采用的抗震设防烈度 设计基本地震加速度值和所属的设计地震分组 注 本附录一般把 设计地震第一 二 三组 简称为 第一组 第二组 第三组 2020 4 6 48 A 0 17广东省 1抗震设防烈度为8度 设计基本地震加速度值为0 20g 汕头 5个市辖区 澄海 潮安 南澳 徐闻 潮州 2抗震设防烈度为7度 设计基本地震加速度值为0 15g 揭阳 揭东 潮阳 饶平3抗震设防烈度为7度 设计基本地震加速度值为0 10g 广州 除花都外的9个市辖区 深圳 6个市辖区 湛江 4个市辖区 汕尾 海丰 普宁 惠来 阳江 阳东 阳西 茂名 化州 廉江 遂溪 吴川 丰顺 南海 顺德 中山 珠海 斗门 电白 雷州 佛山 2个市辖区 江门 2个市辖区 新会 陆丰 2020 4 6 49 A 0 20广东省 续 4抗震设防烈度为6度 设计基本地震加速度值为0 05g 韶关 3个市辖区 肇庆 2个市辖区 花都 河源 揭西 东源 梅州 东莞 清远 清新 南雄 仁化 始兴 乳源 曲江 英德 佛冈 龙门 龙川 平远 大埔 从化 梅县 兴宁 五华 紫金 陆河 增城 博罗 惠州 惠阳 惠东 三水 四会 云浮 云安 高要 高明 鹤山 封开 郁南 罗定 信宜 新兴 开平 恩平 台山 阳春 高州 翁源 连平 和平 蕉岭 新丰 注 全省县级及县级以上设防城镇 设计地震分组均为第一组 2020 4 6 50 A 0 20四川省 1抗震设防烈度不低于9度 设计基本地震加速度值不小于0 40g 第一组 康定 西昌2抗震设防烈度为8度 设计基本地震加速度值为0 30g 第一组 冕宁 3抗震设防烈度为8度 设计基本地震加速度值为0 20g 第一组 松潘 道孚 泸定 甘孜 炉霍 石棉 喜德 普格 宁南 德昌 理塘第二组 九寨沟 2020 4 6 51 A 0 20四川省 续 4抗震设防烈度为7度 设计基本地震加速度值为0 15g 第一组 宝兴 茂县 巴塘 德格 马边 雷波第二组 越西 雅江 九龙 平武 木里 盐源 会东 新龙第三组 天全 荥经 汉源 昭觉 布拖 丹巴 芦山 甘洛 2020 4 6 52 A 0 20四川省 续 5抗震设防烈度为7度 设计基本地震加速度值为0 10g 第一组 成都 除龙泉驿 清白江的5个市辖区 乐山 除金口河外的3个市辖区 自