建筑结构-第十一章　建筑结构抗震设计简介

第一节地震的基础知识地震俗称地动，是一种具有突发性的自然现象，是由于地面运动而引起的震动。一、地震的类型地震按其发生的原因，主要有以下几种类型：（１）火山地震。由于火山爆发而引起的地震。（２）陷落地震。由于地表或者地下岩层突然发生大规模陷落和崩塌而造成的地震。（３）诱发地震。由于人工爆破、矿山开采及工程活动引起的地震。（４）构造地震。由于地球内部岩层的构造变动引起的地震。下一页返回第一节地震的基础知识其中构造地震破坏作用大，影响范围广，是研究工程抗震时的主要对象。地球内部断层错动并引起周围介质振动的部位为震源；震源正上方的地面位置为震中；地面某处至震中的水平距离为震中距。二、地震波地震引起的振动以波的形式从震源向四周传播，这种波就称为地震波。地震波按其在地壳传播的位置不同，可分为体波和面波。上一页下一页返回第一节地震的基础知识（１）体波是在地球内部由震源向四周传播的波，可分为纵波和横波。１）纵波是由震源向四周传播的压缩波，介质质点的振动方向与波的传播方向一致，引起地面垂直振动，其周期短、振幅小、波速快。２）横波（Ｓ波）传播的是由震源向四周传播的剪切波，介质质点的振动方向与波的传播方向垂直，引起地面水平振动，其周期长、振幅大、波速慢。上一页下一页返回第一节地震的基础知识（２）面波是体波经地层界面多次放射、折射形成的次生波。面波的质点振动方向比较复杂，既引起地面水平振动，又引起地面垂直振动。当地震发生时，纵波首先到达，使房屋产生上下颠簸，接着横波到达，使房屋产生水平摇晃，一般是当面波和横波都到达时，房屋振动最为激烈。上一页下一页返回第一节地震的基础知识三、地震的破坏作用１.地表破坏现象（１）地裂缝。在强烈地震作用下，常常在地面产生裂缝，根据产生的原理，可分为重力地裂缝和构造地裂缝两种。重力地裂缝是由于地面作剧烈震动而引起的惯性力超过了土的抗剪强度所致；构造地裂缝与地质构造有关，是地壳深部断层错动延伸至地面的裂缝。上一页下一页返回第一节地震的基础知识（２）喷砂冒水。在地下水位较高的平原及沿海地区，地下存在埋深较浅的细砂或粉土层地震发生时，强烈震动使地下水压力急剧增高，使饱和的细砂或粉土颗粒处于悬浮状态，造成这部分土体液化，从地裂缝或土质松软的地方冒出地面，形成喷砂冒水现象。严重的地方可造成房屋下沉、倾斜、开裂甚至倒塌。（３）地面下沉。在强烈的地震作用下，在回填土和孔隙较大黏性土等松软而压缩性较高的土层中，往往发生震陷，使建筑物破坏。另外，在岩溶洞和采空区也常发生震陷。（４）滑坡、塌方。在强烈的地震下，常引起河岸、陡坡滑坡，有时规模很大，造成公路堵塞、岸边建筑物破坏。上一页下一页返回第一节地震的基础知识２.建筑物破坏（１）结构丧失整体性。建筑物一般都由许多构件组成，在地震作用下因构件连接不牢、支撑长度不够或作为支座的墙体倒塌、柱断裂，都会引起结构丧失整体性而破坏。（２）承重结构承载力不足而引起的破坏。作为结构主要承重的构件，墙、柱、梁等由于其强度不足，在地震发生时首先破坏，不能继续承受重力荷载从而造成房屋倒塌。（３）地基失效。当建筑物建在软弱的地基土上或建在液化的地基土上，而又未进行特殊处理，在地震发生时地基土的抗剪承载力不能抵抗重力的继续作用，从而造成房屋的局部倾斜或不均匀下沉。上一页下一页返回第一节地震的基础知识３.次生灾害地震除直接造成建筑物破坏外，还会引起火灾、水灾、爆炸、细菌蔓延、有毒物质污染和海啸等次生灾害。尤其在大城市，由次生灾害造成的损失有时比地震直接产生的灾害造成的损失还要大。四、震级与烈度地震震级是衡量一次地震释放能量大小的尺度，即表示地震本身大小的一种尺度，震级M常按下式确定：上一页下一页返回第一节地震的基础知识根据M的大小可将地震分为：M＜２，微震；M＝２～４，有感地震；M＞５，破坏性地震；M＝７～８，强烈地震；M＞８，特大地震。地震烈度是指某一地区的地面及建筑遭受到一次地震影响的强弱程度。用犐表示。相对震源而言，地震烈度也可以把它理解为地震场的强度。地震的震级与地震烈度是两个不同的概念，对于一次地震，只能有一个震级，而有多个烈度。一般来说离震中愈远地震烈度愈小，震中区的地震烈度最大，并称为“震中烈度”。同一地震中，具有相同地震烈度地点的连线称为等震线。可通过地震烈度表进行评定。上一页下一页返回第一节地震的基础知识一个地区在一定时期（我国取５０年）内，可能遭受的不同地震烈度的频率是不同的。根据地震发生的概率频度（５０年发生的超越概率）将地震分为“多遇烈度”“基本烈度”和“罕遇烈度”三种。其中，基本烈度（中震）的超越概率为１０％，是一个地区进行抗震设防的依据；多遇烈度（小震）出现概率最多，超越概率为６３．２％，比基本烈度约低１．５５度；罕遇烈度（大震）的超越概率为２％～３％，比基本烈度约高出１．０度。上一页返回第二节抗震设防与概念设计一、抗震设防的依据抗震设防烈度是指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。一般情况下，抗震设防烈度可采用地震基本烈度值。《建筑抗震设计规范》（ＧＢ５００１１—２０１０）规定，抗震设防烈度为６度及以上地区的建筑物必须进行抗震设计。下一页返回第二节抗震设防与概念设计二、抗震设防目标房屋结构的抗震设防目标，是对建筑结构应具有的抗震安全性能的总要求。《建筑抗震设计规范》（ＧＢ５００１１—２０１０）明确提出了三个水准的抗震设防要求。第一水准：当遭受低于本地区抗震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可继续使用。上一页下一页返回第二节抗震设防与概念设计第二水准：当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，建筑物可能损坏，但经一般修理或不修理仍可继续使用。第三水准：当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏。即要求建筑物在遭到多发的小震（即多遇烈度）时做到结构上不损坏，而在遭到发生概率很小的大震（即罕遇烈度）时允许结构破坏，但在任何情况下都不应使建筑物倒塌，不致造成人员伤亡。概括来说，抗震设防目标为“小震不坏，中震可修，大震不倒”。上一页下一页返回第二节抗震设防与概念设计三、抗震设计的方法《建筑抗震设计规范》（ＧＢ５００１１—２０１０）采用两阶段设计方法实现上述三个水准的设防要求。第一阶段设计：按第一水准（小震）的地震动参数计算结构地震作用效应并与其他荷载效应的基本组合，进行结构构件的截面承载力验算和弹性变形验算，同时采取相应的构造措施，这样既满足第一水准“不坏”的设防要求又能满足第二水准“损坏可修”的设防要求。第二阶段设计：对于地震时易倒塌的结构、有明显薄弱层的不规则结构以及特殊要求的建筑结构，还应进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算并采取相应的抗震构造措施，实现第三水准的设防要求。上一页下一页返回第二节抗震设防与概念设计四、抗震设计的基本要求建筑结构抗震设计的基本要求是确定建筑抗震设防分类、设防标准和场地选择等。１.建筑抗震设防的分类对于不同使用性质的建筑物，地震破坏所造成后果的严重性是不同的。因此，对于不同用途建筑物的抗震设防不宜采用同一标准，而应根据其破坏后果加以区别对待。为此，《建筑工程抗震设防分类标准》（ＧＢ５０２２３—２００８）将建筑物按其用途的重要性分为以下四类。上一页下一页返回第二节抗震设防与概念设计（１）特殊设防类。指使用上有特殊设施，涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害等特别重大灾害后果，需要进行特殊设防的建筑，简称甲类。（２）重点设防类。指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关建筑，以及地震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果，需要提高设防标准的建筑，简称乙类。（３）标准设防类。指大量的除甲、乙、丁类建筑以外按标准要求进行设防的建筑，简称丙类。（４）适度设防类。指使用上人员稀少且震损不致产生次生灾害，允许在一定条件下适度降低要求的建筑，简称丁类。上一页下一页返回第二节抗震设防与概念设计２.设防标准各抗震设防类别建筑的抗震设防标准，应符合下列要求：（１）标准设防类，应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用，达到在遭遇高于当地抗震设防烈度的预估罕遇地震影响时不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏的抗震设防目标。（２）重点设防类，应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为９度时应按比９度更高的要求采取抗震措施；地基基础的抗震措施，应符合有关规定。同时，应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。上一页下一页返回第二节抗震设防与概念设计（３）特殊设防类，应按高于本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为９度时应按比９度更高的要求采取抗震措施。同时，应按批准的地震安全性评价的结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定其地震作用。（４）适度设防类，允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低其抗震措施，但抗震设防烈度为６度时不应降低。一般情况下，仍应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。另外，对于划为重点设防类而规模很小的工业建筑，当改用抗震性能较好的材料且符合抗震设计规范对结构体系的要求时，允许按标准设防类设防。上一页下一页返回第二节抗震设防与概念设计３.场地选择建筑场地的地段类别应按表１１．１划分。选择建筑场地时应选择有利地段、避开不利地段，不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。建筑场地的类别，应根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度按表１１．２划分。五、建筑抗震概念设计概念设计是指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。由于地震是随机的，具有不确定性和复杂性，单靠“数值设计”很难有效地控制结构的抗震性能。结构的抗震性能取决于良好的“概念设计”。上一页下一页返回第二节抗震设防与概念设计（１）建筑及其抗侧力结构平面布置宜均匀、对称，并具有良好的整体性；建筑的立面和剖面宜规则，抗侧力结构的侧向刚度和承载力宜均匀。不规则的建筑结构（包括平面不规则和立面不规则两种），应按规范要求进行水平地震作用计算和内力调整，并对薄弱部位采取有效的抗震构造措施。建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。不规则的主要类型见表１１．３和表１１．４。上一页下一页返回第二节抗震设防与概念设计（２）平面不规则而竖向规则的建筑，应采用空间结构计算模型，并应符合下列要求：１）扭转不规则时，应计入扭转影响，且楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的１．５倍，当最大层间位移远小于规范限值时，可适当放宽。２）凹凸不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型；高烈度或不规则程度较大时，宜计入楼板局部变形的影响。３）平面不对称且凹凸不规则或局部不连续，可根据实际情况分块计算扭转位移比，对扭转较大的部位应采用局部的内力增大系数。上一页下一页返回第二节抗震设防与概念设计（３）平面规则而竖向不规则的建筑，应采用空间结构计算模型，刚度小的楼层的地震剪力应乘以不小于１．１５的增大系数，其薄弱层应按有关规定进行弹塑性变形分析，并应符合下列要求：１）竖向抗侧力构件不连续时，该构件传递给水平转换构件的地震内力应根据烈度高低和水平转换构件的类型、受力情况、几何尺寸等，乘以１．２５～２．０的增大系数。２）侧向刚度不规则时，相邻层的侧向刚度比应依据其结构类型符合相关章节的规定。上一页下一页返