抗震设计浅析

1、抗震设计浅析一、地震的类型和成因 地震按其产生的原因，可分为火山地震、陷落地震和构造地震。由于 地下空洞突然塌陷而引起的地震叫陷落地震； 由于地质构造运动引起 的地震称为构造地震。 一般火山地震和陷落地震强度低， 影响范围小， 而构造地震释放的能量大，影响范围广，造成的危害严重。工程结构 设计时，主要考虑构造地震的影响。 地质运动会使岩层变形而产生应力， 岩层变形的不断积累会使应力增 大，当岩层应力大于岩层强度时，岩层会突然破裂。岩层破裂后将以 振动的方式释放能量并产生地震波， 地震波引起地面运动， 称为地震。 地震按震源的深浅，可分为：浅源地震震源深度小于 60km、中源 地震震源深度在60

2、300km和深源地震震源深度大于 300km。 其中浅源地震造成的危害最大， 发生的数量也最多， 约占到世界地震 总数的 85%。当震源深度超过 100km 时，地震释放的能量在传播到 地面的过程中大局部被损失掉， 故通常不会在地面上造成危害。 我国 发生的地震绝大多数是浅源地震，震源深度一般为550km。二、震级和烈度 震级是衡量一次地震规模大小的数量等级。 目前国际上常用的是里氏 震级，震级增大一级，地面振动幅度增大 10 倍。一般 2 级以下人体 感觉不到，只有仪器能够记录到，称为微震； 24 级人体有所感觉， 称为有感地震， 大于 5 级会引起地面工程结构的破坏， 称为破坏性地 震级增

3、大一级，地震能约增大 32 倍。 将某一特定地区遭受一次地震影响的强弱程度定义为地震烈度。 一般 根据人的感觉、器物的反响以及地貌、 建筑物的破坏等现象综合评定。 一般采用 112 个等级划分，日本采用 07 的等级划分。三、地震波和地面运动岩层破裂时， 将引起周围介质振动， 并以波的形式从震源向各个方向 传播并释放能量，这种传播地震能量的波即为地震波。波分为两种，一种为纵波，一种为横波，纵波为压缩波，其质点的振 动方向与波的行进方向一致， 纵波可在固体和流体中传播； 横波是一 种剪切波， 其质点的振动方向与波的行进方向垂直， 横波只能在固体 中传播。纵波主要引起地面上下运动，横波主要引起地面

4、前后、左右 运动，可见地震地面运动总是三维运动，是极不规那么的。 地面运动的位移、 速度和加速度可以用仪器记录下来， 对工程结构抗 震研究与应用采用的多是地震加速度记录。 一般来说，烈度越大，地面运动强度越大。地震地面运动加速度的平均值与烈度间的平均关系为 a=1.25*2I-7m/s2影响地面运动主要有两个因素：一是震中距，二是场地条件。 一般波的周期越短， 在有阻尼介质中传播衰减得越快， 因此随着震中 距的增加， 地面运动短周期所占比例越来越小， 长周期所占比例越来越大。场地条件主要指所考虑的工程结构所在地地表土层的软硬程度和土 层的覆盖层厚度，场地特征周期 Tg=4d/vv-场地土平均剪

5、切波速d-剪切波速小于500m/s的场地土覆盖层厚度。参考抗震设计标准第四章 当地震波的周期与场地特征周期一致时， 会发生共振反响， 使地震波 产生的地面运动放大数倍甚至数十倍， 而对于其它周期不会有那样的 放大效应。由于地震波的周期成分很多，而仅与场地特征周期接近的周期被放 大，因此也是地面运动的主要周期，也称场地卓越周期。四、地震作用 一般结构进行地震反响分析时可以进行简化为单质点体系和多质点 体系。尽管地震地面运动是三维运动， 但假设结构处于弹性状态， 可将三维 地面运动分解为三个一维地面运动之和。通过平衡方程，可以得出地震最大绝对加速度反响与其自振周期的关 系，称为地震加速度反响谱，简

6、称地震反响谱， SaT。 地震作用 F=m Sa T地震反响谱与阻尼、地震动有关。一般体系阻尼比越小， 体系地震加速度反响越大， 因此地震反响谱值 越大。场地条件、震中距均对地震反响谱有影响 不同的地震记录，地震反响谱不同，当进行结构抗震设计时，由于无 法确知今后发生地震的时程， 因而无法确定相应的地震反响谱， 可见， 地震反响谱直接应用于结构的抗震设计有一定的困难， 而需改为可供 结构抗震设计用的反响谱，称之为设计反响谱。F=GkBTG-体系重量 k-地震系数B T-动力系数地震系数与根本地震加速度值相同。参考设计标准 3.2 章动力系数地震影响系数令口 T=k BT称为地震影响系数谱曲线

7、目前，我国建筑抗震采用两阶段设计， 第一阶段进行结构强度与弹性 变形验算时采用多遇地震烈度， 其 k 值相当于根本烈度所对应 k 值的 1/3；第二阶段进行结构弹塑性变形验算采用罕遇地震烈度，其k 值相当于根本烈度所对应 k 值的 1.52 倍。可由公式可以算出水平地震 影响系数最大值。五、地震分析方法 1、振型分解反响谱法 通过公式F二GkB T可以得出不同的质点不同振型的水平地震作用计算式。进行振型组 合。一般来说，结构的低阶振型反响大于高阶振型反响，振型阶数越高， 振型反响越小。因此，结构的总地震反响以低阶振型反响为主，而高 阶振型反响对结构总地震反响的奉献较小。故求结构总地震反响时，

8、不需要取结构全部振型反响进行组合， 通过统计分析， 振型反响的组 合数可按如下规定确定：1、一般情况下，可取结构前 23 阶振型进行组合，但不多于结构自 由度数。2、当结构根本周期大于 1.5s 或建筑高宽比大于 5 时，可适当增加振 型反响组合数。2、底部剪力法 采用振型分解反响谱法计算结构最大地震反响精度较高， 但一般情况 下无法采用手算，且计算量较大，理论分析说明，当建筑物高度不超 过40m,结构以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布较均匀时，结构的地震反响将以第一振型反响为主，而结构的第一振型接近直线。 因此假定：结构的地震反响可用第一振型反响表征，结构的第一振型为线性到三角形， 即任意

9、质点的第一振型位移与其高 度成正比。那么结构底部剪力的计算可简化为F=G a 然后将其分配到各个质点上。当结构根本周期较长时， 结构的高阶振型地震作用影响不可忽略， 为 此我国抗震标准采用在结构顶部附加集中水平地震作用的方法考虑 高阶振型的影响，标准规定，当结构根本周期大于 1.4Tg 时，需在结 构顶部附加集中水平地震作用。对于建筑物有局部突出屋面的小建筑等时， 由于该局部结构重量和刚 度突然变小， 将产生鞭梢效应， 因此当采用底部剪力法计算这类小建 筑的地震作用效应时，需乘以增大系数 3。3、时程分析法 选用一定的地震波， 直接输入到所设计的结构， 然后对结构的运动平 衡微分方程机型数值积

10、分， 求得结构在整个地震时程范围内的地震反 应。分为振型分解法和逐步积分法。时程分析法是完全动力方法，计算量大，而计算精度高，但时程分析 法计算的是某一确定的地震的时程反响， 不像底部剪力法和振型分解 反响谱法考虑了不同地震时程记录的随机性。4、结构弹塑性地震反响 在罕遇地震下，允许结构开裂和产生塑性变形，但不允许结构倒塌， 为保证结构“大震不倒 ，需进行结构弹塑性地震反响分析。 结构超过弹性变形极限， 进入弹塑性变形状态后， 结构的刚度发生变 化，这时结构弹性状态下的动力特征自振周期和振型不再存在， 因此基于结构弹性动力特征的振型分解反响谱法和底部剪力法不适 用与结构弹塑性地震反响分析，需专

11、门进行结构弹塑性计算。 滞回曲线 -将结构或构件在反复荷载作用下的力与弹塑性变形间的关 系曲线称为滞回曲线。可通过反复加载试验得到。5、竖向地震作用震害调查说明， 在烈度较高的震中区， 竖向地震对结构的破坏也会有 较大影响。烟囱等高耸结构和高层建筑的上部在竖向地震的作用下， 因上下振动，而会出现受拉破坏。因此我国抗震标准规定：8、9 度时的大跨度和长悬臂结构及 9 度时的高层建筑，应计算竖向地震作 用。可采用类似于水平地震作用的底部剪力法， 计算高层建筑的竖向地震 作用。即先确定结构底部总竖向地震作用， 再计算作用在结构各质点 上的竖向地震作用，公式为F=G aG-结构等效重力荷载，取实际的7

12、5%a -地震影响系数最大值，取水平地震影响系数最大值的 65% 很多情况下，竖向地震对多高层建筑结构的影响比水平地震的影响要 小得多，因此可近似忽略。重力荷载代表值G=D+L ipD-结构恒荷载标准值L-活荷载标准值p -活荷载组合值系数六、抗震设计 1、三不准设防工程抗震设防的根本目的是在一定经济条件下， 最大限度的限制和减 轻建筑物的地震破坏，保障人们生命财产平安，为了实现这一目的， 许多国家的抗震设计标准都趋向以 “小震不坏， 中震可修，大震不倒 作为建筑抗震设计的根本准那么。第一水准： 当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时， 建筑物一 般不受损坏或不需修理仍可继续使用；第二水准：

13、当遭受相当于本地区设防烈度的地震影响时， 建筑物可能损坏，但经一般修理即可恢复正常使用； 第三水准： 当遭受高于本地区设防烈度的地震影响时， 建筑物不致倒 塌或发生危及生命平安的严重破坏。实质上，上述“小震、中震、大震概念，指小震烈度、中震烈度、 大震烈度。我国对小震、中震、大震规定了具体的概率水准。 地震烈度的概率密度函数曲线从概率意义上说， 小震烈度就是发生时机较多的地震烈度。 分析年限 50年峰值烈度超越概率为 63.2%为小震烈度， 又称多遇地震烈度。 基 本烈度在 50 年内的超越概率一般为 10%，大震烈度应是罕遇的地震 烈度，在 50 年内超越概率为 2%左右。一般来说，根本烈度

14、比多遇烈度高 1.55度，比罕遇烈度低 1 度。2、两阶段设计 第一阶段设计：按多遇地震烈度对应的地震作用效应和其它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。第一阶段的设计， 保证了第一水准的承载能力要求和变形要求， 第二 阶段的设计， 那么旨在保证结构满足第三水准的抗震设防要求， 而明确 的抗震构造措施要求，可根本保证第二水准要求的实现。3、建筑物分类及设防标准分为甲类、乙类、丙类、丁类， 甲类建筑地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求， 其值应按批准 的地震平安性评价结果确定；抗震措施，当抗震设防烈度为68度

15、时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为 9 度时，应 符合比 9 度抗震设防更高的要求。乙类建筑，地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施， 一般情况下，当抗震设防烈度为 68 度时，应符合本地区抗震设防 烈度提高一度的要求，当为 9 度时，应符合比 9 度抗震设防更高的 要求。对较小的乙类建筑， 当其结构改用抗震性能较好的结构类型时， 应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震措施。丙类建筑，地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度的要 求。丁类建筑， 一般情况下， 地震作用仍应符合本地区抗震设防烈度的要 求；抗震措施应允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低， 但抗震

16、设防烈度为 6 度时不应降低。抗震设防烈度为 6 度时，除本标准有具体规定外，对乙、丙、丁类 建筑可不进行地震作用计算。4、计算要求底部剪力法、 振型分解反响谱法和振型分解时程分析法， 因建立在结 构的动力特性根底上， 只适用于结构弹性地震反响分析。 而逐步积分 时程分析法， 不仅适用于结构非弹性地震反响分析， 也适用于作为非 弹性特例的结构弹性地震反响分析。采用什么方法进行抗震设计， 可根据不同的结构和不同设计要求分别 对待，在小地震作用下，结构的地震反响是弹性的，可按弹性分析方 法计算；在大震作用下，结构的地震反响是非弹性的，那么要按非弹性 方法进行抗震计算。对于规那么、简单的结构，可采用

17、简化方法进行抗震计算；对不规那么、 复杂的结构， 那么应采用较精确的方法进行计算。 为此我国抗震设计标 准规定：1、高度不超过40m,以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比拟 均匀的结构，以及近似于单质点的结构，可采用底部剪力法； 2、除 1以外的结构,宜采用振型分解反响谱法； 3、特别不规那么结构、 甲类建筑和采用时程分析法的房屋高度范围所 列的高层建筑,应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。5、考虑扭转效应、偶然偏心与双向水平地震的影响控制偶然偏心的主要目的是控制结构的扭转效应。对于高层建 筑,即便是均匀、对称的结构,也应考虑偶然偏心的影响；对于多层 建筑，那么可以不考虑偶然偏心的影响

18、。 抗震标准条规定：质量和刚度分布明显不对称、不规那么的结构，应计 入双向地震作用下的扭转影响。七、抗震概念设计 完整的建筑结构抗震设计包括三个方面的内容和要求： 概念设计、 抗 震计算和构造措施。 概念设计在总体上把握抗震设计的主要原那么， 弥 补由于地震作用及结构地震反响的复杂性而造成抗震计算不准确的 缺乏；抗震计算为抗震设计提供定量保证； 构造措施那么为保证抗震概 念与抗震计算的有效提供保障，上述三个方面是一个不可分割的整 体，忽略任何一局部，都可能使抗震设计失效。 所谓概念设计一般指不经数值计算， 尤其在一些难以做出精确理性分 析或在标准中难以规定的问题中， 依据整体结构总体系与分体系

19、之间 的力学关系、结构破坏机理、震害经验总结、工程模拟试验和长期工 程设计经验中获得的根本设计原那么和设计思想， 从整体的角度确定建 筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制过程。主要内容； 1、在建筑体系上，应重视结构的选型和平、立面布置的规那么性，择 优选择抗震和抗风性能好且经济合理的结构体系， 结构应具有明确的 计算简图和合理的传递地震力途径， 结构在两个主轴方向的动力特征 宜相近。抗震标准条以强制性条文的形式规定 “建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规那么的设计方案。 2、在结构布局上，要使整体结构布置合理，有均匀的质量、刚度和 承载力分布，防止采用严重不规那么的方案，防

20、止传力途径间断、局部 削弱，刚度突变或产生过大应力集中的部位， 对可能出现的薄弱部位 采取有效的抗震措施， 使之既有足够的变形能力又不使薄弱层发生转 移。3、在结构构件上，要使构件既有必要的抗震承载力和刚度，又有很 好的承受非弹性变形的能力，设置多道抗震防线。建筑结构的概念设计是结构工程设计的灵魂，对结构抗震设计而言， 概念设计比计算设计更重要。通过执行各项标准和规程中的有关规 定，保证抗震概念设计的完成，使建筑物具有可靠的抗震性能，在做 好概念设计的根底上， 进行结构定量计算分析及采取可靠的抗震构造 措施，是建筑结构设计应遵守的原那么。八、软件调整振型个数振型个数是软件在做抗震计算时考虑振型

21、的数量， 振型数的多少与结 构层数及结构自由度有关， 该值不能太小， 取值太小不能正确反映模 型应当考虑的地震振型数量，使计算结果失真；该值也不能过大，取 值太大不仅浪费时间， 还可能使计算结果发生畸变， 最大值不能超过 结构有质量奉献的自由度总数。 刚性假定的结构， 每层有三个自由度， 振型数不应超过结构楼层数的三倍，对才应弹性楼板假定，或错层、 越层、楼板开大洞的结构， 由于存在大量的自由节点，而每个节点有 两个有质量奉献的自由度，振型数量应加倍选取。为止 最大地震力作用方向是指地震沿着不同的方向作用， 结构地震反响的 大小也各不相同，那么必然存在某个角度使得结构地震反响值最大， 这个方向称为结构的最不利地震作用