地震对建筑的影响

1、地震对建筑的影响大地震后的， 它通常是可以通过在一段较长的时间遭受地震冲击的地区的历史记录来跟 踪的。 前震和余震是可以识别的， 在延伸到相当一段长时间段内， 其中的一些本身可以是很 显着的事件。地震通常持续时间比拟短， 往往只持续了几秒钟，很少超过一分钟左右。 在地 震期间， 通常有一个或多个主要峰值的运动幅度。 这些峰值代表地震的强度或幅度。 这是一 个运动的能量体，同时强度更多的是与加速度有关，而不是简单的地面运动。现代录音设备和实践技术为我们提供了在不同的地形位置上对地面运动的呈现， 从而使 我们能够模拟主要地震的效果。图 9.33就是一个在地震期间记录的象征性的图形形式。在这 个例子

2、中， 图形是为地面的加速度绘制的， 表示为重力加速度的百分比形式， 因为它随着时 间的推移而变化。 使用这种记录， 可以用做事件回放， 同时可以将这种运动应用到实验室模 型结构上。实验室回放会使用在研究中， 有时也会用于设计侧向电阻结构。 但是， 大多数建筑设计 工作，是根据通过了实践与经验相结合， 理论研究， 以及一些从研究和试验派生的经验关系 而逐步形成的数据， 标准和程序来进行的。 当前收集的知识的结果被作为推荐的设计形式的 首要纳入了标准建筑标准的程准那么。尽管它可能看起来像是以一个可怕的方式来完成， 每一次一个大地震导致一些主要建筑 结构损坏， 我们再提升我们的设计水平。 工程界和其

3、他组织会常规性地派遣调查队到该区域 报告大地震对建筑物的影响。 特别令人感兴趣的是对最近建成的建筑物的影响情况， 因为这 些能够有效的全面的测试我们新近设计技术的有效期。 基于观察以往许多地震， 老建筑的反 馈通常是可预见的， 这就是我们现在的设计主要关注的。 建筑模型代码的每一个新版本通常 都反映了从最新的灾难中累积到的不断拣选的知识的一些影响。地震影响由地震引起的地面运动可以有几个类型的破坏性影响。其中主要影响如下：直接运动结构 ，这是通过连接到地面的结构引起的运动。 这种运动的两大影响一般是不 稳定的影响， 由快速翻转以及上下运动的结构， 惯性的结构和冲力产生的一系列别离块所造 成的。地

4、面故障，外表缺陷包括裂缝，垂直偏移，一般区域沉降，山体滑坡等等。这些可能是 或大或小，轻微的造成损伤小，主要的造成结构崩溃。潮汐 ，水下的地层震动能够造成水体外表上的大波动， 可能会导致海岸线地区的重大损 害。水灾，火灾，瓦斯爆炸事故等等 ，接地故障或地面运动可能会导致水坝，水库，河岸， 埋地管道等等的损坏，这些都可以导致独立的灾害。虽然所有这些可能产生的影响是我们关注的问题， 但是在这本书中只处理首因效应 直接运动的结构。 对这种影响的关注促使我们提供一定程度的动态稳定 一般耐晃动 和一 些量化的抵抗能量加载的结构。运动引起的影响力一般是直接与结构的自重或更精确地说， 结构承当的总自重成正比

5、的 这个重量也一定程度上决定了结构的动态响应的特性。 其他主要影响结构的回应的是它的基 本振动周期和它的能量吸收效率。 振动周期根本上是根据质量， 刚度和结构体的大小决定的。 能源效率是由结构的伸缩性和各种因素， 如刚度支持， 独立地移动部件的数量和刚性连接决 定的。主要关注的一种关联是结构的使用周期和地震发生之间哪一个会出现问题。图 9.34所示的一组曲线，称为频谱曲线， 这表示这种关联是来自于不同时期的结构中大量的地震 “播放。 最上方的曲线表示主要影响结构没有阻尼。 阻尼结构的运动导致幅度的影响降低， 但一般附 着的根本形式的响应依然存在。频谱的影响的一般性解释是地震对建筑物都有其主要的

6、直接力的影响，其根本周期较 短。这些往往影响建筑物僵硬的横向支撑系统，如剪力墙和 X- 支撑框架，以及体积小和 /或 大的轮廓的建筑。阻尼可能会因材料或施工结构的细节而出现。 一个显着的这种类型阻尼的来源是， 由于 发生屈折和变形连接。 然而，主要的阻尼一般源由于非结构局部的建筑构造和他们的干预结 构的平稳振动。对于非常大的， 灵活的结构， 如高塔和高层建筑， 他们的根本周期这么长以至于结构的 上部不响应地面运动，直到地震已经经过了几回，几个周期。这可能会产生一个挥鞭效应， 在同一时间，不同层次上的结构会做方向相反的运动，如图9.35所示。分析这种行为需要使用动态方法，这超出这本书的讨论范围。

7、三个一般情况下的结构响应如图 9.36中所示。参照光谱曲线在图 9.34， 建筑物周期的期 间低于楼宇表示的曲线上的截止约 0.3秒，这响应表示一个刚性结构几乎没有弯曲。对于 这种情况，地震力的作用只由阻尼减少，同时结构的反响根本上是一个切变。建筑物运动了一段略高于 0.3秒但低于 1.0秒时间时，将有一个稳定的对于地震力震级的 减少。结构响应在这里将会是剪切和弯曲的组合形式。这种效果是由于建筑的可测量运动， 消耗掉了一些地震力的能量。由于建设周期增加超过 1.0秒， 运动紧跟而来， 对于图 9.35中修长塔而言， 建筑物的实际 运动和弯曲很大地影响其对地震力的反响力。除了建筑物作为一个整体的

8、运动以外， 建筑的不同局部有独立的动作。 这些局部将各自 具有它们自己的振动周期，同时在结构中发生的总的运动也会因此相当复杂。对建筑物的一般影响 为地震力设计的结构的主要关注点是横向电阻结构体系建筑的行为。 在此系统中的任何 局部发生故障，或各局部之间的连接，可能会导致严重损坏建筑，包括全面崩溃的可能性。图9.34所示为频谱响应曲线，即使对支撑系统不会造成明显的损害，但是其变形可能会 对建筑的其它局部造成相当大的损害。 平安是关键的问题， 但为了建筑在地震发生后仍然可 用，非结构性损害也应予以考虑。然而， 需要记住的是，地震憾动了整个建筑。 结构的幸免是至关重要的，但如果天花板 掉下，窗户粉碎

9、，管道爆裂，电梯出轨，那么它就只是一种有限的成就。一个重要的设计考虑因素是， 将建筑结合在一起以便于使之各个局部不会动摇， 当谈到 结构，这意味着各个单独的部件都必须是彼此固定的。 建筑连接的细节是抗震性结构设计的 一个主要局部。在某些情况下， 考虑建筑的局部的一定程度的单独运动是合理的。 在平安依附于这是尤 其关键的情况下，一个平安的依恋之间的结构和各种非结构元素，比方窗户玻璃， 可能导致对非结构局部的非预想中的强制性的转变。 在这些情况下必须 考虑使用确保零件到位的连接性材料和细节；在这里，同时仍允许相对独立的运动。为了地震而设计的横向负载在很多方面与为了处理风的水平力的设计有相似之处。

10、支撑 结构的阻力行为大多也是这样的特性。 仅仅是提了风， 然而还有许多关于地震作用的进一步 的思考。在下一节中这个讨论将会解决为了地震而分析，设计的规定的使用问题。针对地震影响的建筑标准要求模范建筑标准，如国际建筑代码IBC ，参考文献 2，几乎代表了最新式的为地震而设计样式的全面指南。 模型代码通常每隔几年就会更新成最新的版本， 抗震设计标准和程序每 一个新的版本都会改变。使用IBC这个版本是因为这本书包含一个大量的描述地震设计的要求的内容。这种内容的完整说明远远超出了这本书的讨论范围。 接下来的讨论笼统的描述了这个问题， 并总结了 各种涉及到的关键问题。抗震设计的一个关键性决定设计是基底剪

11、力， 它是被建筑物假定设置为总侧向剪切力作 为建筑低级的侧向支撑， 通常被当做建筑的地基。 除了提供在地基上， 这个力以某种方式贯 穿在整个横向阻力结构体系中。作为一个等效静力效果， 基底剪力表现在一些建筑物重量百分比。 在早期的设计代码里 它的简单形式 V = 0.1W 或者干脆用建筑重量的 10%来表示。 这个简单的公式在经过一些年之 后被改善成了反映这类问题的变量， 它作为针对所处位置、 建筑的动态响应、 潜在工地的相 互作用以及针对大灾难的建筑的相对重量性的潜在风险的量级。 因此， 现在基地剪力的通式 用一个一般的形式，可是描述成 V = QW，在式子里修正因子 Q代表大量变量的集合。

12、这些 变量处理的主要问题如下：风险的程度 ，这涉及到存在网站的区域， 会有一定程度的风险。 代码会使用地图来确定 这些区域以及它们的风险程度。靠近地震断层 ，广泛的地质研究已经确定了许多主要的地震断层， 一般是地图上所指的 画线。 该距离从这些故障建立一个网站另一层关注的风险。重要性，建筑物按照重要性分类，这值得考虑的有，如建筑的震后援助方面，许多人通 常被压在建筑下，以及在建筑里可能存在的危险因素这些重要方面。建筑的地震反响的性质 ，这包括了很多问题的考虑， 如建筑物的形状， 结构的凹凸程度， 横向支撑系统的样式， 建筑物的大小 特别是其高度 ，以及建筑响应横向运动的根本周期。冗余的支撑结构

13、 ，许多结构在地震中垮了， 因为单个组件支撑体系的失败所致。 现在的 代码会摒弃掉这种情形，并推动包含多个元素或是欠缺的多种模式的冗余的支撑结构。支护结构的规律性 ，代码现在定义规那么结构作为定期的资格条件， 通过推理， 一个是不 规那么的。 这种情况可能涉及到建筑方案或是支撑结构的垂直部件的形式。不规那么的条件不一定禁止的，它只是意味着将需要更高的横向力和结构的行为的动态分析位置结构关系 ，地位置条件可能会产生各种不同的问题， 其中有一些不只是与地震 活动有关，然而有一些是只与其有关。 其中一个代码解决的是所谓的结构位置相互作用，结构现场互动 。这是指动态条件下， 涉及到的位置响应以及建筑响

14、应或是两者的同时发 生。违规结构产品违规的的条件在代码表中是说明了的。 虽然代码参考适用于结构， 它也通常认定当 涉及哦结构的形式时， 一般的建筑形式对行为也有重大的影响，图9.37说明了一些违规样式。图9.37中的描述中， 包括提到的几种在早期的章节中讨论过的类型， 如三面建筑， 柔软理论， 开口隔膜，中断的立式结构和捆绑式建筑。在图 9.37所示的主要条件被提出不是作为建筑的多样性的一个参数，而仅仅是为了让设计师意思到地震反响的影响。 简单性， 对称性和规律性对结构的目的而言都是所有的理想条 件，但是，一般而言，对于建筑设计来说，也有许多其他可能的关注点。复杂的建筑形式的一个可能的解决方案

15、是将建筑物上的结构形式别离到不同的层次。 图 9.38显示了局部实现的两种情形。在平面图中，外墙可见，尽管以对称的方式蜿蜒。如果这 作为结构的周长的定义而言，其结果是复杂的，捆绑式的，不规那么的结构。由于定义了列， 但是，该结构是相当有序并且如果开发为支撑系统，巧妙地消除方案中的所有不规那么结构。 蜿蜒的墙壁所产生的地震横向负载仅仅是被水平结构抓住， 同时分布到盖度规那么的垂直支撑 结构上。图9.38b还通过有一系列断裂的多层建筑显示了一个垂直剖面一一对于规那么结构而言不好的形式， 尤其是当不对称以及突然发生在这里。 然而， 支撑是靠建筑物内的一个大型桁架 部件来实现的。 这个支撑系统是一个相

16、当规那么的， 非常简单的解决方案， 设想成它可以在室 内空间规划中集成。对于违规方案，一种解决方案涉及到使用地震别离关节。这种技术的例子如图9.17中所示，其中的捆绑式multimassed建筑就是一般被描述的情况。地震基底剪力分布总的水平地震力，计算为根底剪切V，必须在垂直和水平方向分布到横向阻尼系统的部件上面。这个过程开始于对建筑质量 重量 的处理的考虑， 其质量根本上加大了实际 的地震力。 然而，对于模拟动态响应的目的， 力量分布针对结构的行为的调查可能会被修改。代码要求在多层建筑的不同层次中， 横向力得再分配。 这些力量被设定将作用在横向膜 片的水平方向上， 虽然再分配是用于修改垂直支

17、撑体系的负载的形式。 这一修改的一个主要 作用是将一些横向载荷加载到高层建筑上， 更真实地模拟垂直悬臂对动态负载的自然响应的 性质。适用于任何级别的建筑的总剪切一般设定要被分发到其刚度成比例的系统电阻侧向偏转的垂直构件。如果横向支撑元件对称地放置同时他们的聚集中心中心刚度对应于该建筑物质量的重力中心，这个简单的假设就足够了。这种纯对称性不是通常的条件，但是， 有两种可能的条件， 是必须考虑直接配送的简单假设的修改。 第一个条件得考虑阻力中心的 重合和重心。 如果这两个不对准， 将会在水平隔膜上有扭转的效果。 扭转会产生必须剪切并 添加到所产生的任何直接的阻力。 这是常见的， 即使当完美的对齐明

18、显然发生时， 现在的代 码也需要一个最低扭力，称为偶然偏心，作为一种平安措施，。第二个可能的水平分布的修改关注的是水平隔膜的相对刚度。 影响此条件的两大因素是膜片的纵横比 长度， 宽垂直支 撑元件之间的比率 和根本的隔膜的建设。 木板和成形的钢形甲板是灵活的， 而具体的甲板 是僵硬的。隔膜的这方面的动作在 9.4节中讨论了。日常生活守那么代码一般而言是为了公众平安而开发出来的， 生命平安是主要问题。 除非生命平安是一 个不关心的问题， 代码并不关心保护建筑外观， 失去关键的建设效劳， 一般非结构构件的破 坏，持续功能使用的建筑，或是建筑业主的投资的保护。 设计师或建筑业主关注超越生命平安，应考

19、虑代码标准作为最小和继续评估建筑的其它成效 。减轻地震效应大局部的为抗震的设计工作已经瞄准加强结构或以某种方式控制结构的动作。 另一种方 是，试图减少地震本身的影响缓解减少其作用到建筑的地震效果。 实现这种目标的各种 方法包括：建筑设计，以减少建筑物的脆弱性和不必要的反响。使用地震的别离关节。使用根底隔震。使用横向阻力结构内的运动和吸震装置。 地面材料的修改，以提高响应位置和建筑现场互动。 这些努力的总体目标是要修改加载在建筑物和它的支撑结构上的能量的形式以及大小， 以便于减少用于地震勘探的需求阻力。 第二个目标， 这对一些建筑物而言可能是非常重要的， 即建筑物的运动的实际规模的减少。使用别离

20、接头 在9.4节里讨论了实现地震别离的手段。别离的原因包括希望隔离一个捆绑式multimassed 建筑的各个组件或是消除连续建筑物或建筑群的部件的结构连接局部。 当成功地实现了地震别离允许各个独立的局部单独运作对地震的响应。 这可能会消除一 些不良的行动， 例如严重扭转， 如果连接局部作为一个整体运作， 将会发生。 在其他情况下， 可能会是拆开一局部以便于其能够从可能经历相当大的运动变到单独经历小的运动。一个艰难的设计决定是与各种别离的关节 地震， 温度膨胀， 收缩控制，差分地基沉降 等有关的。注意到实际的别离局部的尺寸， 通常是运动关节内的容许尺寸表示的。这涉及 到决定每个局部可以允许移动多大的范围，这可以由两个别离的结构的变形调查来决定。般，即使是最简单的结构的变形也只能是近似的，而更复杂的结构或负载， 计算出的运动尺寸越接近。 对于处于地震动态负载下的建筑物， 地面状况的改变以及非结构性建筑的影响的考虑， 运动的实际尺寸的计算是设定的。 要被理解。事实上， 别离可能只是局部地靠设计实现。 一节中讨论。 这些器件还实现别离的一种形式，当估计任何隔离的关节有多大用处时，