lecture01e4工抗震设防

1、工程结构抗震与防灾工程结构抗震与防灾第一章第第一章第4 4节节工程抗震设防工程抗震设防内容回顾内容回顾p地震基本知识地震基本知识p地震发生的机理地震发生的机理p地震动特性地震动特性p地震灾害地震灾害n直接灾害（地面破坏、滑坡塌方、砂土液化、工程结构的破坏）直接灾害（地面破坏、滑坡塌方、砂土液化、工程结构的破坏）n次生灾害（火灾、水灾、海啸）次生灾害（火灾、水灾、海啸）工程结构抗震与防灾工程结构抗震与防灾本节课本节课第第4 4节节 工程结构抗震设防工程结构抗震设防工程结构抗震设防工程结构抗震设防地震带来的灾害多为地震带来的灾害多为工程结构破坏工程结构破坏引起引起研究并设法提高各类研究并设法提高各

2、类工程结构工程结构抗震性能抗震性能利用现有科技成果进行利用现有科技成果进行工程结构工程结构抗震设防抗震设防最大限度地最大限度地降低降低地震带地震带来的人民生命财产来的人民生命财产损失损失从从震害震害入手来研究入手来研究各类工程结构的各类工程结构的破破坏机理坏机理和和抗震性能抗震性能研究研究目的目的实践实践工程结构抗震设防工程结构抗震设防本节课授课要点本节课授课要点p了解各类工程结构的破坏机理p介绍抗震设防的依据和抗震设计的思想p给出现行抗震设计规范所给出的“三水准抗震设防目标”和“二阶段的抗震设计方法”。工程结构抗震设防工程结构抗震设防 工程结构破坏机理工程结构破坏机理台湾集集地震台湾集集地震

3、(1999.9.21)(1999.9.21) 台湾省云林县台湾省云林县1212层钢层钢筋混凝土商住楼、东筋混凝土商住楼、东侧楼为侧楼为l l型平面。质型平面。质心和刚心偏离，产生心和刚心偏离，产生扭转效应。扭转效应。 工程结构破坏机理工程结构破坏机理分析分析m地震力地震力c抗力抗力扭转效应扭转效应p平面形状较为复杂平面形状较为复杂p地震力是惯性力，惯性力地震力是惯性力，惯性力作用在结构的作用在结构的质量中心质量中心。p房屋的抗力是作用在所有房屋的抗力是作用在所有抗侧力构件合力作用点的抗侧力构件合力作用点的位置，即结构位置，即结构的刚度中心的刚度中心。p平面形状较为复杂就会导平面形状较为复杂就会

4、导致致质心偏离刚心质心偏离刚心，产生，产生扭扭转作用的效应转作用的效应。p在扭转作用下，这座房屋在扭转作用下，这座房屋向外发生了坍塌。向外发生了坍塌。 工程结构破坏机理工程结构破坏机理台湾集集地震台湾集集地震(1999.9.21)(1999.9.21) 台湾省漳化县富贵台湾省漳化县富贵名门大楼，名门大楼，1616层钢层钢筋混凝土住宅楼，筋混凝土住宅楼，平面为平面为c c型，平面型，平面不规整，柱子间距不规整，柱子间距太大，数量偏少。太大，数量偏少。 工程结构破坏机理工程结构破坏机理分析分析p平面形状较为复杂，平面形状较为复杂，除了具有除了具有扭转效应扭转效应外外p房屋平面只有房屋平面只有两侧有

5、两侧有柱柱，即单跨框架结构。，即单跨框架结构。当一侧柱发生破坏时，当一侧柱发生破坏时，整个结构都发生坍塌。整个结构都发生坍塌。这类结构明显这类结构明显抗震防抗震防线不足线不足。 工程结构破坏机理工程结构破坏机理两栋建筑相邻的情况两栋建筑相邻的情况 两栋相临建筑的两栋相临建筑的结构结构动力特性动力特性不一样。在不一样。在地震时，由于地震时，由于振动不振动不协调协调产生相互之间的产生相互之间的挤压，导致坡坏。挤压，导致坡坏。4层层结构结构6层结构层结构 工程结构破坏机理工程结构破坏机理土耳其地震土耳其地震(1999)(1999)防震缝处碰撞防震缝处碰撞 防震缝防震缝两侧两侧结构单元结构单元的结构性

6、能不同的结构性能不同中间设中间设防震缝防震缝但但缝宽不足缝宽不足两侧结构单元两侧结构单元发生发生碰撞碰撞，产生损坏，产生损坏 工程结构破坏机理工程结构破坏机理竖向刚度的变化竖向刚度的变化1989美国 loma地震 商住楼框架结构（上刚下柔）底层刚度小，塑性变形集中的现象，产生结构过大的偏移。 1995年阪神地震 1-5层钢骨混凝土结构，6-12层钢筋混凝土结构，中间层刚度突变，为薄弱层，导致应力集中。 工程结构破坏机理工程结构破坏机理设防水准过低设防水准过低 20012001年年1 1月月2626日在印度西北部古吉拉特邦发生强烈地震日在印度西北部古吉拉特邦发生强烈地震房屋倒塌原因，是由于设防水

7、准太低，地震时抗震承载力不足。 工程结构破坏机理工程结构破坏机理19761976年年7 7月月2828日日 唐山大地震唐山大地震 7.87.8级级唐山市河北省矿业学院图书馆，系唐山市河北省矿业学院图书馆，系装配式装配式框架结构框架结构（节点连接是最薄弱的环节）（节点连接是最薄弱的环节），西部倒毁，东部框架幸存。此处为唐山地西部倒毁，东部框架幸存。此处为唐山地震重点保护遗迹之一。震重点保护遗迹之一。装配式单层厂房装配式单层厂房牛腿柱顶与屋架连接不牢牛腿柱顶与屋架连接不牢，使，使房屋丧失整体性，发生连续的房屋丧失整体性，发生连续的坍塌。坍塌。 工程结构破坏机理工程结构破坏机理 地震时地基失效引起的

8、房屋破坏地震时地基失效引起的房屋破坏土耳其地震土耳其地震 19991999（倾斜约（倾斜约4545度）度）日本阪神大地震日本阪神大地震 19951995年年 7.27.2级级（顶部倾斜（顶部倾斜60cm60cm） 工程结构破坏机理工程结构破坏机理地震时桥梁的破坏地震时桥梁的破坏1 1）桥墩破坏）桥墩破坏 2 2）桥面脱落）桥面脱落19951995年日本阪神大地震年日本阪神大地震（桥墩连根折断数百米）（桥墩连根折断数百米）19711971年年 san fernandosan fernando地震地震 （桥面坍塌）（桥面坍塌） 工程结构破坏机理工程结构破坏机理地震时道路毁坏地震时道路毁坏路面裂缝路

9、面裂缝 路面塌陷路面塌陷 路面隆起路面隆起 工程结构破坏机理工程结构破坏机理地震时道路毁坏地震时道路毁坏房屋倒塌造成的道路破坏房屋倒塌造成的道路破坏 工程结构破坏机理工程结构破坏机理总结总结p平面复杂产生平面复杂产生扭转效应扭转效应；p相邻两部分相邻两部分振动不协调，产生相互挤压振动不协调，产生相互挤压；p防震缝宽度不足发生防震缝宽度不足发生碰撞碰撞；p竖向刚度变化竖向刚度变化，底层柔性，中间层刚度突变；，底层柔性，中间层刚度突变；p房屋房屋抗震承载力不足抗震承载力不足；p构件间连接不牢构件间连接不牢，丧失整体性；，丧失整体性；p地基失效地基失效引起的房屋破坏；引起的房屋破坏；p桥墩桥墩破坏，

10、破坏，桥面桥面垮塌；垮塌；p路面路面裂缝裂缝，路面路面塌陷塌陷等道路破坏等道路破坏。 在后面的课程中，将讲述如何采取在后面的课程中，将讲述如何采取合理的结构布置合理的结构布置和和可靠的构造措施可靠的构造措施来来避免避免或或减轻减轻上述震灾。上述震灾。 工程结构破坏机理工程结构破坏机理 工程结构抗震设防依据工程结构抗震设防依据 工程结构抗震设防依据工程结构抗震设防依据p工程抗震是这样一门艺术：使用材料，这些材料属性只能工程抗震是这样一门艺术：使用材料，这些材料属性只能估算；估算；p建立真实的抗震结构：这些真实的结构只能建立真实的抗震结构：这些真实的结构只能近似分析近似分析；p来承受地震作用：而地

11、震发生的时间、地点、和大小事先来承受地震作用：而地震发生的时间、地点、和大小事先不能准确得知不能准确得知；p以满足我们对以满足我们对抗震设防职责抗震设防职责的要求。的要求。改编自一位不知名的作者改编自一位不知名的作者结构抗震的结构抗震的困难所在困难所在地震烈度区划地震烈度区划p工程抗震的目标是减轻工程结构的地震破坏，降低地震灾害造成的损工程抗震的目标是减轻工程结构的地震破坏，降低地震灾害造成的损失，减轻震害得有效措施是失，减轻震害得有效措施是对已有工程进行抗震加固对已有工程进行抗震加固和和对新建工程进对新建工程进行抗震设防行抗震设防。p在采取抗震措施之前，必须知道在采取抗震措施之前，必须知道哪

12、些地方存在地震危险性哪些地方存在地震危险性，其危害程其危害程度如何度如何。p地震的发生在地点、时间和强度上都具有不确定性，只能给出地震的发生在地点、时间和强度上都具有不确定性，只能给出基于概基于概率含义的地震预测率含义的地震预测。p该方法将地震的发生及其影响视作随机现象，根据该方法将地震的发生及其影响视作随机现象，根据区域性地质构造区域性地质构造来来分析分析历史地震活动性历史地震活动性，划分，划分潜在震源区潜在震源区，确定，确定地震衰减规律地震衰减规律，利用概，利用概率方法评价率方法评价某一地区未来一定期限内遭受不同强度地震影响的可能性某一地区未来一定期限内遭受不同强度地震影响的可能性，给出以

13、概率形式表达的地震烈度区划或其他地震动参数给出以概率形式表达的地震烈度区划或其他地震动参数。 工程结构抗震设防依据工程结构抗震设防依据山东郯城山东郯城安徽庐江安徽庐江郯庐断裂带在在1668年年7月月28日郯城发生过日郯城发生过8.5级大地震，以后至今未发生相应大地级大地震，以后至今未发生相应大地震，如今已蓄积了大量的能量。震，如今已蓄积了大量的能量。在构造上的脆弱地带，这里已积在构造上的脆弱地带，这里已积蓄了大量的岩石间应变。蓄了大量的岩石间应变。如何评价如何评价未来一定期限内某一地区遭受未来一定期限内某一地区遭受不同强度不同频度不同强度不同频度地震的可能性地震的可能性脆弱地带发生断裂时，其脆

14、弱地带发生断裂时，其能量和地震波的传播方式能量和地震波的传播方式和衰减规律。和衰减规律。9度8度7度 工程结构抗震设防依据工程结构抗震设防依据举例举例中国地震烈度区划图（1990）用用基本烈度基本烈度表示表示地震的危险性地震的危险性n小于小于6 6度区度区n6 6度区度区n7 7度区度区n8 8度区度区n大于等于大于等于9 9度区度区基本烈度：基本烈度：一个地区未来一个地区未来5050年内一般场地条件下可能遭受的年内一般场地条件下可能遭受的具有具有10%10%超越概率的地震烈度值称为该地区的基本烈度。从超越概率的地震烈度值称为该地区的基本烈度。从某种意义上说，这是某种意义上说，这是中长期的地震

15、预报中长期的地震预报。 工程结构抗震设防依据工程结构抗震设防依据中国地震烈度区划图（1990）云南省云南省江苏省江苏省南京市南京市-7-7度度无锡市无锡市-6-6度度 工程结构抗震设防依据工程结构抗震设防依据中国地震动参数区划图（gb18306-2001）p近年来随着我国地震研究的不断深入，对近年来随着我国地震研究的不断深入，对19901990年的地震烈年的地震烈度区划图进行了修订，已于度区划图进行了修订，已于20012001年年8 8月颁布了月颁布了中国地震动中国地震动参数区划图参数区划图（gb18306-2001gb18306-2001）。）。p该图根据地震危险性分析，该图根据地震危险性分

16、析，提供了提供了类场地上，类场地上，5050年超越年超越概率为概率为10%10%的地震动参数，的地震动参数，给出了设计地震动给出了设计地震动加速度加速度区划区划图和地震动图和地震动特征周期特征周期区划图。区划图。p建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范在此基础上规定了我国主要城镇抗在此基础上规定了我国主要城镇抗震设防烈度，设计基本地震加速度值和设计地震分组特征震设防烈度，设计基本地震加速度值和设计地震分组特征周期，作为工程结构抗震设防的依据。周期，作为工程结构抗震设防的依据。 工程结构抗震设防依据工程结构抗震设防依据中国地震动峰值加速度区划图 工程结构抗震设防依据工程结构抗震设防依据南京地区南京地区

17、 基本加速度基本加速度a=0.1ga=0.1g中国地震动反应谱特征周期区划图 工程结构抗震设防依据工程结构抗震设防依据南京地区南京地区 特征周期特征周期t tg g=0.35s=0.35s建筑结构抗震设计依据 工程结构抗震设防依据工程结构抗震设防依据南京地区南京地区无锡地区无锡地区基本烈度基本烈度7度度6度度基本加速度基本加速度a a0.1g0.05g特征周期特征周期t tg g0.35s0.35s地震小区划地震小区划p地震烈度区划地震烈度区划对对大区域地震活动大区域地震活动作出了预测。作出了预测。p震害经验表明，震害经验表明，局部场地条件局部场地条件对地震动特性和地震破坏效对地震动特性和地震

18、破坏效应存在较大影响，同一地区不同场地上的建筑物震害程度应存在较大影响，同一地区不同场地上的建筑物震害程度有着明显差异。有着明显差异。p地震小区划地震小区划是在地震烈度区划的基础上，考虑是在地震烈度区划的基础上，考虑局部局部范围的范围的地震地震地质背景、土质条件、地形地貌地质背景、土质条件、地形地貌，给出一个城市内或，给出一个城市内或一个大的工矿企业内的地震烈度和地震动参数。为工程抗一个大的工矿企业内的地震烈度和地震动参数。为工程抗震提供更为经济合理的场地地震特性评价。震提供更为经济合理的场地地震特性评价。p目前在采用目前在采用双轨制双轨制做过地震小区划的地区，可采用大区划做过地震小区划的地区

19、，可采用大区划的设防烈度和地震动参数，也可采用小区划的设防烈度和的设防烈度和地震动参数，也可采用小区划的设防烈度和地震动参数。地震动参数。 工程结构抗震设防依据工程结构抗震设防依据地震小区划地震小区划p南京市地震小区划南京市地震小区划p江苏油田地震小区划江苏油田地震小区划 工程结构抗震设防依据工程结构抗震设防依据江苏地区地震地质灾害江苏地区地震地质灾害包括饱合土或砂土液化、包括饱合土或砂土液化、软土震陷、地裂缝、地软土震陷、地裂缝、地面沉陷、崩塌、滑坡、面沉陷、崩塌、滑坡、地震断层、地震海啸等。地震断层、地震海啸等。根据场区可能发生的地根据场区可能发生的地震地质灾害类型，编制震地质灾害类型，编

20、制给定概率水平相应的地给定概率水平相应的地震作用下地震地质灾害震作用下地震地质灾害小区划图及说明。小区划图及说明。 设计地震分组设计地震分组p理论分析和震害表明，在同样烈度下有理论分析和震害表明，在同样烈度下有不同震级不同震级和和震中距震中距的地震对的地震对不同动力特性的结构不同动力特性的结构造成的破造成的破坏程度是不同的。坏程度是不同的。p地震波是多种频率波的混合。地震波是多种频率波的混合。n短周期的波短周期的波 传播过程中衰减快传播过程中衰减快 n长周期的波长周期的波 传播过程中衰减慢传播过程中衰减慢 工程结构抗震设防依据工程结构抗震设防依据设计地震分组设计地震分组p思考题：思考题：图中两

21、座建筑在同样烈度下，受到图中两座建筑在同样烈度下，受到远震长周期地远震长周期地震波震波和和近震短周期地震波近震短周期地震波的作用，那座建筑更易破坏？的作用，那座建筑更易破坏？ 工程结构抗震设防依据工程结构抗震设防依据共振实验高层建筑柔度大固有周期长多层建筑刚度大固有周期短设计地震分组设计地震分组p一般说来，一般说来，震级较大震震级较大震中距较远的地震中距较远的地震对长周对长周期柔性结构的破坏，比期柔性结构的破坏，比同样烈度下同样烈度下震级较小震震级较小震中距较近的地震中距较近的地震造成的造成的破坏要重。产生这种差破坏要重。产生这种差异的主要原因是地震波异的主要原因是地震波中的高频成份随着传播中

22、的高频成份随着传播距离的衰减比低频分量距离的衰减比低频分量要快，震级大震中距远要快，震级大震中距远的地震波其主导频率为的地震波其主导频率为低频分量，与长周期的低频分量，与长周期的高柔结构自振周期接近，高柔结构自振周期接近，存在存在“类共振效应类共振效应”所所致。致。 工程结构抗震设防依据工程结构抗震设防依据6 6度近震度近震6 6度远震度远震7 7度近震度近震7 7度远震度远震设计地震分组设计地震分组p为了反映同样烈度下，不同震级和震中距的地震对建筑物为了反映同样烈度下，不同震级和震中距的地震对建筑物的影响，的影响，建筑抗震规范建筑抗震规范将建筑工程的设计地震划分为将建筑工程的设计地震划分为三

23、组：三组：n第一组第一组 近震近震 短周期分量为主短周期分量为主n第二组第二组 中震中震 介于两者之间介于两者之间n第三组第三组 远震远震 长周期分量为主长周期分量为主p不同设计地震分组，采用不同的设计特征周期和设计基本不同设计地震分组，采用不同的设计特征周期和设计基本地震加速度。地震加速度。 工程结构抗震设防依据工程结构抗震设防依据类场地类场地第一组第一组第二组第二组第三组第三组设计特征周期设计特征周期0.35s0.40s0.45s 工程结构抗震设计思想工程结构抗震设计思想 工程结构抗震设计思想工程结构抗震设计思想p为合理满足工程抗震的要求，应使建筑物具为合理满足工程抗震的要求，应使建筑物具

24、有一定的抗震能力。但由于地震的发生（时有一定的抗震能力。但由于地震的发生（时间、地点、强度）不能准确预测，要在未来间、地点、强度）不能准确预测，要在未来可能发生的地震中使可能发生的地震中使经过抗震设计过的房屋经过抗震设计过的房屋都都不破坏不破坏是既是既不可能不可能又又不现实不现实的。的。缘起缘起 工程结构抗震设计思想工程结构抗震设计思想p为了满足我们（工程抗震）的要求，人类所为了满足我们（工程抗震）的要求，人类所有的财富可能都是不够的，大量的一般结构有的财富可能都是不够的，大量的一般结构都将成为都将成为坚不可摧的堡垒坚不可摧的堡垒。e.rosenbluth（墨西哥）（墨西哥）抗震名家名言抗震名

25、家名言抗震设防要求抗震设防要求p因此，抗震设防水准在很大程度上依赖于因此，抗震设防水准在很大程度上依赖于经济经济条件条件和和技术水平技术水平，既要使震前用于抗震设防的，既要使震前用于抗震设防的经费投入为国家经济条件所允许，又要使震后经费投入为国家经济条件所允许，又要使震后经过抗震技术设计的建筑的破坏程度不超过人经过抗震技术设计的建筑的破坏程度不超过人们所能接受的限度。也就是要在们所能接受的限度。也就是要在安全性安全性和和经济经济性性之间找一个之间找一个平衡平衡。从这一点说，抗震设防要。从这一点说，抗震设防要求体现了一个国家的求体现了一个国家的综合国力综合国力。工程结构抗震设计思想工程结构抗震设

26、计思想安全性经济性平衡点平衡点美国，日本美国，日本发展中国家发展中国家 工程结构抗震设计思想工程结构抗震设计思想p但无论是发达国家也好，发展中国家也好，但无论是发达国家也好，发展中国家也好，对于工程结构抗震设计的对于工程结构抗震设计的原则是一致的原则是一致的。那就是：建筑物在使用期间，要求工程结那就是：建筑物在使用期间，要求工程结构对不同构对不同强度强度和和频度频度的地震的地震具有不同的抗具有不同的抗震能力震能力。我国目前的抗震规范中的抗震设。我国目前的抗震规范中的抗震设防目标就是基于这样的原则提出的。防目标就是基于这样的原则提出的。工程结构抗震设计的原则工程结构抗震设计的原则三水准的抗震设防

27、目标三水准的抗震设防目标第一水准第一水准小震不坏小震不坏多遇烈度多遇烈度建筑物一般建筑物一般不损坏不损坏或或不需修理仍可继续使不需修理仍可继续使用。用。第二水准第二水准中震可修中震可修遭受本地区遭受本地区规定的规定的基本基本烈度烈度的地震的地震建筑物可能有损坏，建筑物可能有损坏，经经一般修理一般修理或不需修或不需修理仍可继续使用理仍可继续使用第三水准第三水准大震不倒大震不倒罕遇烈度罕遇烈度建筑物建筑物不致倒塌不致倒塌或发或发生危及生命的严重破生危及生命的严重破坏。坏。工程结构抗震设计思想工程结构抗震设计思想三水准的抗震设防目标三水准的抗震设防目标p中震中震的定义的定义 5050年中在一般场地条

28、件下有可能遭遇到的，年中在一般场地条件下有可能遭遇到的，遭遇概率大于遭遇概率大于10%10%的烈度值。的烈度值。工程结构抗震设计思想工程结构抗震设计思想大震与小震（极值大震与小震（极值iii型概率分布）型概率分布）p小震：小震：多发多发地震地震 地震烈度概率密度曲线上的峰值所对应的烈度，地震烈度概率密度曲线上的峰值所对应的烈度，即众值烈度时的地震即众值烈度时的地震p大震：大震：发生机会极小的地震，发生机会极小的地震，罕遇罕遇烈度时的地震烈度时的地震 工程结构抗震设计思想工程结构抗震设计思想北京地区北京地区 6.45度度（多遇震度）（多遇震度） 8度度（基本震度）（基本震度） 9度度（罕遇震度）

29、（罕遇震度）二阶段设计方法二阶段设计方法（达到三水准目标）（达到三水准目标）工程结构抗震设计思想工程结构抗震设计思想阶阶段段烈烈度度作用效应组合作用效应组合第第一一阶阶段段多多遇遇地地震震烈烈度度取取水准一（即多遇烈度时）水准一（即多遇烈度时）的地震动参数，计算结构的地震动参数，计算结构的弹性地震作用，将地震作用效应和其他荷载效应组的弹性地震作用，将地震作用效应和其他荷载效应组合，进行合，进行构件截面承载力构件截面承载力和和结构弹性变形验算结构弹性变形验算，保证，保证必要的可靠度，以保证必要的可靠度，以保证小震不坏。小震不坏。采用合理的结构布置和抗震构造措施，采用合理的结构布置和抗震构造措施，

30、以保证以保证在基本在基本烈度下可修，在罕遇烈度下不倒。烈度下可修，在罕遇烈度下不倒。第第二二阶阶段段罕罕遇遇地地震震烈烈度度针对针对特别重要的建筑或抗侧能力较弱的结构，除进行特别重要的建筑或抗侧能力较弱的结构，除进行第一阶段设计外，还要取第一阶段设计外，还要取第第3水准（即水准（即罕遇烈度时）罕遇烈度时）的地震动参数进行的地震动参数进行薄弱部位的弹塑性变形验算薄弱部位的弹塑性变形验算，以保，以保证证大震不倒大震不倒。工程结构的分类和设防标准工程结构的分类和设防标准抗震设防分类抗震设防分类依据：依据：根据建筑遭受地震破坏后可能产生的经济损失，社会根据建筑遭受地震破坏后可能产生的经济损失，社会影响及其在抗震救灾中的作用，分为四类。影响及其在抗震救灾中的作用，分为四类。p甲类：甲类： 重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑。重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑。 核电站、中央级的通讯枢纽核电站、中央级的通讯枢纽p乙类：乙类： 地震时使用不能中断或尽快恢复的建筑。地震时使用不能中断或尽快恢复的建筑。 医疗、广播、通讯、供