工程结构抗震与防灾

工程结构抗震与防灾

主讲人：黄雄军手机-mail：huangxj8@

第1章结构抗震基本知识§1-1地震基本知识

地震是一种经常发生的自然现象，只不过在发生小于四级地震时，人们没有感觉。但是，如果地震发生在人群居住地并且地震级别较大时，将给人们带来灾难甚至是灭顶之灾，例如：1976年的唐山大地震，2008年的四川汶川大地震及2013年4月的四川芦山地震。

尽管目前人们尚不能控制及预测地震的发生，但是实践表明，设计出抗震性能优良的建筑物，则有可

能减少地震带来的生命与财产损失。因此，为了抵御和减轻地震灾害，有必要进行工程结构的抗震分析与设计。一、地球的构造地球：地球是一个平均半径约为6400km的椭圆球体。

由外到内可分为三层，即地壳、地幔与地核。

地壳：地球外表面的一层薄壳，平均厚度约为30km，最薄处约5km，地震多发于此。通常认为，地壳（地球最外层）是由一些巨大的板块所组成的，板块向下延伸的深度大约为70-100km。

地幔主要由质地坚硬的橄榄岩组成。由于地球内部放射性物质不断释放热量，地球内部的温度随深度的增加而升高，导致地幔内物质的对流。

地核是地球的核心部分，可分为内核与外核。二、地震的类型与成因地震安全成因主要分为：构造地震火山地震水库引发地震矿山开发人工爆破其中，前两项为天然地震，后面为诱发地震。

构造地震的成因主要有：1.断层说

地球内部在不断运动的过程中，始终存在着巨大的能量，造成地壳岩层不停地连续变动，不断发生变形，产生地应力。

当地应力产生的应变超过某处岩层的极限应变时，岩层就会发生突然断裂和错动。

2.板块构造说地球表面的岩石层不是一块整体，而是由六大板块和若干小板块组成，即欧亚板块、美洲板块、非洲板块、太平洋板块、澳洲板块和南极板块。由于地幔物质的对流，板块一直在缓慢地相互运动，板块构造说认为：板块的构造运动是产生构造地震的根本原因。从局部机制上分析，地球板块在运动过程中，板块之间的相互作用力会使地壳中的岩层发生变形。当这种变形积聚到超过岩石所能承受的程度时，该处的岩体突然断裂或错动，从而引起地震。三、世界的地震震活动据统计，地球上上平均每年发生生震级8级以上、震中烈度11度以上的毁灭性性地震2次；震级7级以上、震中烈度9度以上的大地震震不到20次；震级在2.5级以上的有感地震15万次以上。三、我国的地震震活动我国东临太平洋洋地震带，南接接欧亚地震带，，地震分布相当广泛。。我国6个地震活动区：：台湾及其附近海海域喜马拉雅山脉活活动区南北地震带天山地震活动区区华北地震活动区区东南沿海地震活活动区五、近期世界地地震活动2004年12月26日印尼发生的地地震为8.7级；2008年5月12日四川汶川发生生的地震为8.0级；2010年1月12日海地发生的地地震为7.3级；2010年2月27日智利发生的地地震为8.8级；2011年3月11日日本发生的地地震为9.0级，引发海啸与核泄漏，，以致造成巨大大的灾难；2013年4月20日四川芦山发生生的地震为7.0级；§1-2地震的基本术语语一、震源和震中中地球内部由于某某种原因发生振振动，并以波的的形式传递到地地表引起地面震震动内部发生振动的的地方称之为震震源震源在地表的投投影叫震中震源至地面的垂垂直距离叫震源源深度根据震源深度将将地震划分为：：浅源地震——震源深度小于60km；中源地震——震源深度在60km-300km之间；深源地震——震源深度大于300km；其中，浅源地震震的破坏性为最最大。二、地震波地震由于地下岩岩体发生断裂、、错动产生震动动并以波的形式从震源源向外传播，即即为地震波，可可分为体波与面波。（1）体波体波是指通过地地球本体内传播播的波，包含纵纵波、横波。纵波：质点振动方向与与波的传递方向向一致的波。横波：质点振动方向与与波的传递方向向垂直的波。纵波：压缩波波，无无论是是在固固体内内还是是液体体内均均能传播；；周期短短、振振幅小小，在在地面面引起起上下下颠簸簸运动动。横波：：剪切波波，只只能在在固体体内传传播；；周期较较长，，振幅幅较大大，引引起地地面水水平方方向的的运动。。（2）面波波面波是是指介介质表表面或或地球球表面面及其其附近近传播播的波，一一般认认为是是体波波经地地层界界面多多次反反射形形成的的次生生波，包包含瑞瑞雷波波和乐乐普波波。瑞雷波波传播时时，质质点在在波的的前进进方向向与地地表法法向组成的的平面面内作作逆向向椭圆圆运动动。这这种运运动形形式被被认为为是形成成地面面晃动动的主主要原原因。。乐夫波波传播时时，质质点在在与波波的前前进方方向垂垂直的的水平方向向运动动，在在地面面上表表现为为蛇形形运动动。瑞雷波振动轨迹剖面(a)和射线(b)地震波波的传传播速速度，，以纵纵波最最快、、横波波次之之，面面波最慢慢。所以，，在地地震发发生的的中心心地区区人们们的感感觉是是，先先上下颠颠簸，，后左左右摇摇晃。。当横横波或或面波波到达达时，，地面面振动最最为强强力，，产生生的破破坏作作用也也最大大。在离震震中较较远的的地方方，地地震波波衰减减，地地面振振动减减弱，破破坏作作用也也就减减轻。。三、地地震震震级地震震震级是是表示示地震震本身身大小小的一一种度度量。。其数数值是根根据地地震仪仪记录录到的的地震震波图图确定定的。。例如如某时时某地发发生了了里氏氏7级地震震。地震震震级M与震幅幅的关关系：：地震震级M与震源释放能量的的关系如下：从该公式可以知道道，如果地震震级级M增加1级，则震源释放能量E增加大约为30倍。四、地震烈度地震烈度是指某一一区域的地表和各各类建筑物遭受某一次地震影响的的平均强弱程度。。一次地震，表示地地震本身大小的震震级只有一个。然而，由于同一次次地震对不同地点点的影响不一样，，随着距离震中的远近近会出现多种不同同的烈度。此外，由于地层土土不一样，地震波波的表现也不一样，因此震中距相相同的建筑，其破破坏程度也不一样样。此外，地震烈度与与地面上的建筑物物的抗震性能也有关。08年8月底在攀枝花发生生的6.1级与2010年4月玉树地震带来的破坏坏也相对较大，原原因之一就是处于于山区农民的房屋大部部分是土坯房，即即使不发生地震，，也应该是危房。地震等级在地震发发生后不久就可以以确定，但是，地震烈度则要经过过调查后才能确定定，时间相对较长长。例如，5.12汶川地震发生后，，国家地震局随即即就发布了地震的等级级为7.8级，两天后修改为为8.0级。但是地震烈度的情况况则是在9月初公布。汶川地震的烈度分分布情况§1-2地震动特性由地震波传播所引引发的地面振动，，称为地震动。一般通过记录地面面运动的加速度来来了解地震动的特性。地震动的三要素为为地震动的峰值（（最大振幅）、频谱和持续时间。。工程结构的地震破破坏与地震动三要要素密切相关。每次的地震动记录录都是不一样的。。但可根据地震后的构筑物的破坏坏情况或者通过人人工合成的办法确确定几种典型的地震动动，作为进行工程程结构的抗震分析析用。一、地震动幅值特特性地震动的幅值可以以是地面的加速度度、速度或位移的某种最大值或某某种意义下的有效效值。目前采用最多的地地震动幅值是地面面运动最大加速度幅值，它可以描描述地面震动的强强弱程度，且与震震害有着密切的关系，，可作为地震烈度度的参考物理指标标。二、地震动频谱特特性震级、震中距和场场地条件对地震动动的频谱有重要的影响，震级越大大、震中距越远，，地震动记录的长长周期分量就越显著。。地基土中软土且地地层厚的地基上的的卓越周期偏向长周期，因此地震震动的作用就可能能被放大。三、地震动持时特特性地震动持时对结构构的破坏程度有着着较大的影响。在相同的地面运动动最大加速度作用用下，当强震的持持续时间越长，则该地地点的地震烈度就就高，结构物的地地震破坏就重。地震的破坏作用1.地表破坏及其影响响地表破坏表现为地地裂缝、地面下沉沉、喷水冒砂和滑坡等形式。地裂缝分成为构造造性地裂缝和重力力式地裂缝。地面不均匀沉陷易易引起建筑物的破破坏甚至倒塌。2.建筑物及构筑物的的破坏由地表破坏造成的的建筑物破坏性质质上属于静力破坏，这种破坏有时时是灾难性的，如如北川县城的一些些建筑的破坏。更多的建筑物（大大约90%）破坏由于地震地地面运动的动力响应引起的的，在性质上属于于动力破坏，也是是人们通过改善建筑物物设计可以控制的的。因此，结构物物动力破坏机制的分析析，是结构抗震研研究的重点和结构构抗震设计的基础。建筑物的动力破坏坏主要表现为因为为主体结构强度不足所形成的破坏坏和结构丧失整体体性两类破坏形式式。3.次生灾害如地震形成的堰塞塞湖、水坝、煤气气、通讯、易燃、易爆、有毒物物质的容器的破坏坏给人们的破坏也也相当巨大。例如北川川的唐家山堰塞湖湖，若不及时处理理，给下游造成的破坏坏有可能大于地震震本身的破坏。§1-4工程结构的抗震设设防一、基本术语抗震设防烈烈度按国家规定定的权限批批准作为一一个地区抗抗震设防依依据的地震烈烈度。一般般情况下，，取50年内超越概概率为10%的地震烈度度，也称为为基本烈度。基本烈度是是一个地区区进行抗震震设防的主主要依据。。如前所述，，地震等级级表明的是是地震释放放能量的大大小，地震烈烈度是地面面建筑物的的破坏程度度，因此对对建筑物进行抗震震设计只能能依据烈度大小。在我国基本本地震烈度度的区划只只能由国家家地震局发发布，且基本本上按县级级行政区域域进行划分分，可以在在抗震设计规范中中查出，如地震烈度度、地震加加速度峰值值。抗震设防标标准衡量抗震设设防要求高高低的尺度度，由抗震震设防烈度度或设计地震震动参数及及建筑物的的抗震类别别确定；地震作用由地震动引引起的结构构动态作用用，包括水水平地震作作用和竖向地地震作用。。设计地震动动参数抗震设计用用的加速度度（速度、、位移）时时程曲线、、加速度反应谱谱和峰值加加速度设计基本加加速度50年设计基准准期超越概概率10%的地震加速速度的设计计取值；设计特征周期期抗震设计用的的地震影响系系数程曲线中中反映地震震震级、震中距和场场地类别等因因素的下降起起始点对应的的周期值，简称特征征周期；场地工程群体所在在地，其范围围相当于厂区区、居民小区区和自然村或不不小于1平方公里的平平面面积。抗震措施除地震作用计计算和抗力计计算以外的抗抗震设计内容容，包括抗震构构造措施。抗震构造措施施根据抗震概念念设计原则，，一般不需要要计算而对结结构和非结构各各部分必须采采取的各种细细部要求。二、地震影响响和抗震设防防烈度抗震设防烈度度是一个地区区进行抗震设设防依据的地地震烈度。一般情况下可可采用中国地地震动区划图图的地震基本本烈度或与《建筑抗震设计计规范》（GB50011-2010）设计基本地震震加速度值对对应的烈度值值。《抗震规范》规定，设防烈烈度为6度及以上的地地区的建筑，必必须进行抗震震设计。震害调查表明，虽虽然不同地区的宏宏观烈度相同，但处于大震级远震震中距的柔性建筑筑物，其震害要比比小震级近震中距的情情况。震害调查表明，虽虽然不同地区的宏宏观烈度相同，但处于大震级远震震中距的柔性建筑筑物，其震害要比比小震级近震中距的情情况重得多。因此，《抗震规范》用设计地震分组来来体现震级和震中距的影响，，建筑工程的设计计地震分成为三组组。第一组表示近震中中距，第二、三组组表示较远震中距的影响。三、建筑分类我国《抗震规范》将建筑物按其用途途的重要性分成为特殊设防类（（简称甲类）、重重点设防类（乙类类）、标准设防类（丙类类）、适度设防类类（丁类）四类。。（1）特殊设防类建筑筑：指使用上有特殊设设施，涉及国家公共安全的重重大建筑工程和地地震时可能发生严严重次生灾害等特别重重大灾害后果，需需要进行特殊设防防的建筑。（2）重点设防类建筑筑：指地震时使用功能能不能中断或者需尽快恢复的的生命线相关建筑筑，以及地震时可可能导致大量人员伤亡亡等重大灾害后果果，需要提高设防防标准的建筑如城市的的建筑，简称乙类建筑。如城市的供水、供电、通讯、、交通控制中心、、三甲医院的主要要医技楼及中小学、幼幼儿园的教学楼等等。（3）标准设防类建筑筑：除了（1）、（2）、（4）等三类建筑以外的建建筑，简称丙类建建筑。（4）适度设防类建筑筑：指使用上人员稀少少且震损不致产生次生灾害，允允许在一定条件下适度度降低要求的建筑，简称丁类。如无人看守的仓仓库、临时建筑等等。经过汶川地震的教教训，我国将中小小学的建筑调整为为乙类建筑，国外如如日本，学校的建建筑是最安全的。。我国《建筑抗震设防分类类标准》规定，各抗震设防类别建筑的抗震震设防标准应符合合下列要求：（1）特殊设防类（甲甲类建筑）地震作用应高于本本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震震安全性评价结果果确定。抗震措施，当抗震震设防烈度为6-8度时，应符合比本地区抗震设防烈烈度提高1度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的的要求。（2）重点设防类（乙乙类建筑）地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施，一般情况况下，当抗震设防烈度为为6-8度时，应符合比本地区抗震震设防烈度提高1度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的的要求；地基基础础的抗震措施应符合有关规定。（3）标准设防类（丙丙类建筑）地震作用和抗震措措施均应符合本地区抗震震设防烈度的要求。（4）适度设防类（丁丁类建筑）一般情况下，地震震作用仍应符合本地区抗震抗抗震设防烈度的要求；抗震措施应允允许比按本地区抗抗震设防烈度的要求适当当降低，但抗震设设防烈度为6度时不应降低。抗震设防烈度为6度时，除规范有具具体规定外，对乙、丙、丁类建建筑可不进行地震震作用计算。四、多遇地震烈度度和罕遇地震多遇地震烈度：是指发生机会较多多的地震又称小震震烈度，是指在50年内发生的可能性性（或者被超越的的概率）为63.6%，又称为小震烈度度。基本烈度：它在50年内发生的可能性性（或者被超越的的概率）为10%，又称为中震对应应的烈度。罕遇地震烈度：是指在在50年内发生的可能性性（或者被超越的概率）为为2%，又称为大震烈度度。基本烈度较小震烈烈度约高1.55度，较罕遇地震烈烈度低1度。图：三种烈度含义义及其关系五、抗震设防目标标工程设防的基本目目的是在一定的经经济条件下，最大限度地限制和减减轻建筑物的地震震破坏，保障人民民生命财产的安全。我国《抗震规范》明确提出了三个水水准的抗震设防要求：第一水准：当遭受受低于本地区设防防烈度的多遇地震影响时，建筑物物一般不受损坏或或不需要修理仍可可继续使用；第二水准：当遭受受相当于本地区设设防烈度的地震影响时，建筑物可可能损坏，但经一一般修理即可恢复复正常使用；第三水准：当遭受受高于本地区设防防烈度的罕遇地震影响时，建筑物物不致倒塌或发生生危及生命安全的的严重破坏。上述三个水准可简简单表述为：“小震不坏、中震震可修，大震不倒倒”，这也我国的抗抗震设防目标。。我国采取6度起设防的方针针。这样，我国国地震设防区面积约占国国土面积的60%。每一个地区（具具体到县级行政政区）的抗震设设防烈度均可以在《抗震规范》中查出。同一抗震设防烈烈度等级还有不不同的地震加速速度，如7度区，设计基本本加速度有0.10g与0.15g，为了区分，俗称为7度及7度半。六、两阶段抗震震设计方法我国《抗震规范》采用简化的两阶阶段设计方法：：第一阶段设计：：按多遇地震烈烈度对应的地震震作用效应和其他荷载载效应的组合验验算结构构件的的承载能力和结构的弹性变变形。第二阶段设计：：按罕遇地震烈烈度对应的地震震作用效应验算结构构构件弹塑性变形形。第一阶段设计，，保证了第一水水准的承载力要要求与变形的要求。第二阶段设计，，则旨在保证了了第三水准的抗抗震设防要求，即大震震不倒。第二水准设防很很难进行定量计计算，目前主要要通过构造措施来保证证。如钢筋的最最小配筋率、钢钢筋的锚固长度，最小截面面要求等等。汶川地震震害证证明上述的三水水准设防与两阶阶段设计是比较科学学的。七、基于性能的的抗震设计为了强化结构抗抗震的安全目标标和提高结构抗抗震的功能要求，提出出了基于性能的的抗震设计思想想和方法。（1）从着眼于单体体抗震设防转向向同时考虑单体体工程和所相关系统的的抗震。（2）将抗震设计以以保障人民的生生命安全为基本本目标转变为在不同风险险水平的地震作作用下满足不同同的性能目标，即将统一的的设防标准改变变为满足不同性性能要求的更合理的设防目目标和标准。（3）设计人员可根根据业主的要求求，通过费用-效益的工程决策分析确确定最优的设防防标准和设计方方案，以满足不同业主、不不同建筑物的抗抗震要求。基于抗震性能的的抗震设计将是是今后较长时期期结构抗震的研究和发发展方向。§1-5建筑场地一、建筑场地类类别地震区的建筑宜宜选择有利地段段，避开不利地地段，不在危险地段进进行工程建设。。但建筑场地的选选择则要受到地地震以外的许多多因素的制约。1.建筑场地的地震震影响不同场地上建筑筑物的震害差异异是很明显的。。在软弱地基上，，软性结构最容容易遭到破坏，，刚性结构表现较好；；在坚硬地基上上，柔性结构表表现较好，而刚性结构表现现不一。就地面建筑总的的破坏现象来说说，在软弱地基基上的破坏现象比坚硬地地基上的破坏要要严重。不同覆盖层厚度度上的建筑物，，其震害表现明明显不同。覆盖层厚度覆盖层厚度为地地下基岩或剪切切波速大于500m/s的坚硬土层到地表表面的距离，称称为覆盖层厚度度。不同覆盖层厚度度上的建筑物，，其震害表现明明显不同。在覆盖层厚度为为中等厚度的一一般地基上，中中等高度一般房屋的破破坏，比高层建建筑的破坏严重重，而在基岩上各类房屋的的破坏普遍较轻轻。2.场地土的固有周周期与场地的地地震效应不同场地上建筑筑物的震害差异异是很明显的,其主要原因在于场地地土的固有周期期及自振周期不不同。土层的固有周期期与覆盖层厚度度有良好好的相关性，土层的固有有周期随着覆盖盖层厚度的增加加而增加。场地土层的固有有周期T可按下列简化公公式进行计算，对于：单一土层：多多层土：场地土对于基岩岩传来的入射波波具有放大作用用。当地震动的卓越越周期与该地点点的土层固有周周期一致时，将产生共共振现象，导致致地表的振幅大大大增加。由于表层土的滤滤波作用，坚硬硬场地土地震动动以短周期为主，而软软弱场地土则以以长周期为主。。当地震波中占优优势的波动分量量的周期与建筑筑物自振周期相接近时时，建筑物将由由于共振效应而而受到非常大的地震作用，，导致建筑物出出现震害。因此，坚硬场地地土上自振周期期短的建筑物一一般震害较严重，而软软弱地基上长周周期柔性建筑物物的震害必然严重。3.建筑场地类别建筑场地土类别别是场地条件的的表征。我国《抗震规范》根据土层等效剪剪切波速的大小小以及覆盖层的厚厚度将场地划分分为4个类别，即I、II、III、IV类，其中I类有2个子类。相同的建筑建造造在I类土上的抗震性性能为最好，IV类最差。计算深度范围内内土层的等效剪剪切波速应按下下式计算：d0——计算深度，取覆覆盖层厚度和20米两者的较小值；n——计算深度范围内内土层的分层数数；t——剪切波在地面至至计算深度之间间的传播时间；；——计算深度范围内内第i土层的厚度（m）；——计算深度范围内内第i土层的剪切波速速；——土层的等效剪切切波速；；关于覆盖层厚度度的确定，应符符合以下要求：：1）一般情况下，，应按地面至剪剪切波速大于500m/s且其下卧各层岩土的的剪切波速均不不小于500m/s的土层顶面的距离确定；；2）当地面5m以下存在剪切波波速大于其上部部各土层剪切波速2.5倍的土层，且该该层及其下卧各各层岩土的剪切切波速剪切波波速均不小于400m/s，可按地面至该土层顶面的距距离确定；3）剪切波速大于于500m/s的孤石、透镜体体，应视同周围围土层；4）土层层中的的火山山岩硬硬夹层层，应应视为为刚体体，应应扣除除。例题：：某场场地的的地质质状况况钻孔孔资料料如下下，请请确定定该场场地类别别。土层底部深度（m）土层厚度（m）岩土名称土层剪切波速（m/s）1.51.5杂填土1803.52粉土2407.54细砂31015.58砾砂520解：因因为地地表下下7.5米以下下土层层的剪剪切波波速为为：，因此此覆盖盖层的的厚度度为7.5米。所以，，计算算深度度为：：等效剪剪切波波速为为：根据《抗震规规范》，即表表1-4，该场场地属属于II类。二、场场地土土的液液化1.场地土土液化化及其其判别别饱和松松散的的砂土土或粉粉土，，地震震时易易发生生液化化现象象，使地地基承承载力力丧失失或者者减弱弱，甚甚至喷喷水冒冒砂，，这种种现象称称为砂砂土液液化或或者地地基土土液化化。液化机机理——土颗粒粒间的的空隙隙水由由于地地震产产生的的强烈挤挤压来来不及及排出出，导导致压压力急急剧增增大并并使得得土粒粒之间摩摩擦力力消失失，土土颗粒粒处于于“悬浮”状态，，形成成所谓的液液化现现象。。地基土土液化化使土体体抗震震强度度丧失失，引引起地地基的的不均匀沉沉陷引引发建建筑物物的破破坏或或倒塌塌，后后果较较为严严重。。影响土土的液液化的的因素素：（1）土层的地地质年代（2）土中土粒粒的组成和和密实程度度（3）砂土层埋埋置深度和和地下水位位深度（4）地震烈度度和地震持持续时间2.3.2液化的判别别1.初步判别饱和的砂土土或粉土当当符合下列列条件之一一时，可初初步判别为不不液化或可可以不考虑虑液化的影影响：（1）地质年代代为第四纪纪晚更新世世（Q3）及其以前前且设防烈度为为7、8度时；（2）粉土的粘粘粒含量百百分率ρc（%），当烈度度为7度、8度、9度时分别大大于10、13、16时；（3）地下水位位深度和覆覆盖层非液液化厚度满满足下面三三式之一时：：2.标准贯入试试验判别当上述所有有条件均不不能满足时时，地基存存在液化的的可能，此时时，应采用用标准贯入入试验进一一步判别其其是否液化。当地面下20米深度范围围土的标准准锤贯入击击数小于下式确确定的下限限值时时，则则为液化土土，否则为为不液化土。。2.液化场地的的危害性分分析与抗液液化措施当经过上述述两步判别别地基土确确实存在液液化趋势后，应进一一步定量分分析、评价价液化土可可能造成的的危害程度，即通通过液化指指数来判定定：根据液化指指数的大小小，可将液化地地基