第1章 抗震设计原则.ppt

1、建筑结构抗震设计,学习本门课要达到如下目的,掌握抗震的基本知识、基本理论、基本技能，了解抗震 设计的一般规律；,培养运用规范、标准，查阅技术资料的能力和抗震计算 能力；,了解结构抗震设计的新理论、新方法及抗震理论、方法 的发展趋势。,导入案例 2008年5月12日，我国汶川发生了特大地震（8.0级）（5.12特大地震），此次地震造成了震中及附近地区的许多房屋建筑、道路、桥梁的严重损坏，造成救援困难，并引发山体滑坡、形成堰塞湖等灾害。地震为什么会造成房屋的开裂、倾斜或倒塌、道路、桥梁破坏？为什么会造成山体崩裂、滑坡等灾害？地震具有怎样的特性？又该怎样设防？我们可以通过本章的学习得到了解。,教学目

2、标与要求 1.熟悉地震特性及震害现象。 2.掌握地震震级、地震烈度、基本烈度、设防烈度的概念及区别。 3.深刻领会三水准设防目标及两阶段设计方法。 4.掌握建筑物抗震设防分类及其设防标准。 5.理解和掌握建筑抗震概念设计的内涵。,第一章 抗震设计原则,第一章 抗震设计原则,地震灾害概述,一、地震是群灾之首,人为灾害：,火灾、污染（大气、 水、海洋）、核泄 漏、战争等,自然灾害：,地震灾害是群灾之 首，它具有突发性和不 可预测性，以及频度较 高，并产生严重次生灾 害，对社会也会产生很 大影响等特点。,世界上最容易发生地震的地方,世界上最容易发生地震的地方是美国加州帕克菲乐德。帕克菲乐德是一座古怪

3、的小镇。它只有一栋仅一间的校舍，一所县图书馆和一条孤零零的大街。但在一家咖啡馆旁的水塔上却赫然呈现大幅“广告”：世界上最容易发生地震的地方。,过去的150年里，里氏震级约为6级的地震曾平均每隔22年就出现一次。因为该地恰巧座落在岩质地壳的1290公里长裂缝带，即“圣安德烈亚斯断层”的上面，而该断层正是加州屡次发生地震的震源。由于这里是研究地震活动的理想场所，因而地震学家都来此进行研究，安置各种仪器、现场观测地面运动、水位、磁场及岩石形变等，以便获取地震的前兆现象。,世界上最不容易发生地震的地方,在地震史上，地球的南、北极地区还从未发生过任何级别的地震，这一奇异的地质现象一直是地质学界的一个未解

4、之迷。美国的科学家经过30多年的观测研究认为，巨大的冰层是造成南极大陆和北极的格陵兰岛内陆地区没有发生过任何地震的主要原因。据多年观测统计，南极大陆和格陵兰岛的冰雪覆盖面分别达到90和80，且冰层厚度大。由于冰层的压力，其底部几乎处于“熔融”状态，同时由于冰层面积大且份量重，在垂直方向产生强烈的压缩，而这种冰层形成的巨大压力，与地层构造的挤压力达到了平衡，因而不会发生倾斜和弯曲，所以分散和减弱了地壳的形变，因而无地震发生。,世界上最大的地震海啸,最大的一次由地震引起的海啸，或者称之为“海震”（常被错误地称作“海潮波”的记录），是1971年4月24日发生在日本琉球群岛中的石垣岛的那一次，估计当时

5、巨大海浪的波峰高达84.7米，排山倒海的巨浪将重量达850吨的整珊瑚礁抛出2.092公里以上。这次海震所击起的海浪，据测它的行进速度为每小时788.557公里。,地震的发生与地质构造密切相关 已有断裂带易发生地震，特别是活动性大断裂带的两端、转弯部位。 重力、磁力异常部位、莫霍面陡峭部位等。 世界范围内，地震分布也有一定的规律。带形分布 两组主要地震带 环太平洋地震带，沿南北美洲西海岸、阿留申群岛，转向西南到日本列岛，再经我国台湾岛，到菲律宾、新几内亚、新西兰。 欧亚地震带，西起大西洋的亚速岛，经意大利、土尔其、伊朗、印度北部、我国西部和西南地区，过缅甸、印度尼西亚。 我国处于以上两大地震带之

6、间 台湾属环太平洋地震带 西藏属欧亚地震带 北冰洋、大西洋、印度洋地震活动带 东非洲地震活动带,二、我国的地震情况,1.我国是一个多地震国家,喜马拉雅地中海地震带,以上两个地震带释放的能量，约占全球所有地震释放能量的95%。,2.我国是一个地震灾害最严重的国家,1920年宁夏海原地震（8.5级）死亡23.4万人。 1976年河北唐山地震（7.8级）死亡24.2万人。,中国地震活动频度高、强度大、震源浅，分布广，是一个震灾严重的国家。1900年以来，中国死于地震的人数达55万之多，占全球地震死亡人数的53%；1949年以来，100多次破坏性地震袭击了22个省（自治区、直辖市），其中涉及东部地区1

7、4个省份，造成27万余人丧生，占全国各类灾害死亡人数的54%，地震成灾面积达30多万平方公里，房屋倒塌达700万间。,20世纪全球两次死亡20万人以上的大地震均发生于我国。,3.我国的地震活动地区,台湾省及其附近海域； 西南地区，主要是西藏、四川西部和云南中西部； 西北地区，主要在甘肃河西走廊、青海、宁夏、天山南北麓； 华北地区，主要在太行山两侧、汾渭河谷、阴山-燕山一带、 山东中部和渤海湾； 东南沿海的广东、福建等地。,我国的地震活动主要分布在五个地区的23条地震带上。,这五个地区是：,第一章 抗震设计原则,1.1 地震的一些基本概念,地震是指因地球内部缓慢积累的能量突然释放而引起的地球表层

8、的振动 。,地震是一种自然现象，地球上每天都在发生地震，一年约有500万次。其中约5万次人们可以感觉到；能造成破坏的约有1000次； 7级以上的大地震平均一年有十几次。目前记录到的世界上最大地震是8.9级，发生于1960年5月22日的智利地震。,什么是地震？,地球的内部构造,地球内部由地壳、地幔及地核三圈层构成，其中地壳是地球外表面的一层很薄的外壳，它由各种不均匀岩石及土组成；地幔是地壳下深度约为2895km的部分，由密度较大的超基岩组成；地核是地幔下界面（称为古登堡界面）至地心的部分，地核半径约为3500km，地球内部各部分的密度、温度及压力随深度的增加而增大。,古登堡界面,地震分类,一.按

9、地震成因分类,-天然地震包括构造地震、火山地震、陷落地震,1.构造地震,破坏性地震主要属于构造地震。据统计，构造地震约 占世界地震总数的90%以上。,92%的地震发生在地壳中， 其余的发生在地幔上部,构造板块之间岩层的破坏过程,2.火山地震,由于火山作用，如岩浆活动、气体爆炸等引起的地震称为火山地震，这类地震只占全世界地震的7%左右。,1914年日本樱岛火山爆发，产生的震动相当于一个6.7级地震。,3.陷落地震,由于地下溶洞或矿井顶部塌陷而引起的地震称为陷落地震。这类地震的规模比较小，次数也很少。,人工地震,因人为因素直接造成的地震是人工地震。,如工业爆破、地下核爆炸造成的振动；在深井中进行高

10、压注水以及大水库蓄水后增加了地壳的压力，有时也会诱发地震。,1962年3月19日在广东河源新丰江水库坝区发生了迄今我国最大的水库诱发地震，震级为6.1级。,什么叫震源、震中、震中距？,地球内部发生地震的地方叫震源；,震源在地面上的投影点称为震中；,震中及其附近的地方称为震中区，也称极震区 ；,从震中到地面上任何一点的距离称为震中距。,二.按震源深浅分类,浅源地震震源深度小于60千米的称为浅源地震。 全世界85%以上的地震都是浅源地震。,中源地震震源深度在60至300千米的称为中源地震。,深源地震震源深度在300千米以上的称为深源地震。,浅源地震波及范围小，但破坏力大；深源地震波及范 围大，但破

11、坏力小。,2002年6月29日晨1：20发生于吉林的7.2级地震，震源深度为540km，无破坏。,目前有记录的最深震源达720公里。,地震分类,一.按地震成因分类,1960年2月29日发生于摩洛哥艾加迪尔城的5.8级地震， 深度为3km。震中破坏极为严重，但破坏仅局限在震中8km内。,地震波是地震发生时由震源地方的岩石破裂产生的弹性波。,地震波分为体波和面波。,横波特点:周期长、振幅大、 波速慢,100-800m/s,纵波特点:周期短,振幅小, 波速快,200-1400m/s,面波比体波衰减慢、振幅大、 周期长、传播远。建筑物破坏 主要由面波造成。,杂波,P波开始,S波开始,面波开始,1.2

12、地震波,1.3 震级与烈度,一、 地震震级,1.定义,能量越大，震级就越大；震级相差一级，能量相差约32倍；相差二级，能量相差1000倍。,衡量一次地震释放能量大小的等级，用M表示,式中A表示标准地震仪距震中100km纪录的最大水平地 动位移，单位为微米。,2.震级与能量的关系,一个6级地震相当于一个两万吨级的原子弹。,能量E的单位：尔格（1尔格= ）,修正公式,3.按震级的地震分类,微震- 2级以下 人感觉不到,有感地震- 2-4级 人有感觉,破坏性地震- 5级以上 有破坏,强烈地震- 7级以上 有破坏,特大地震- 8级以上 有破坏,由于震源深浅、震中距大小等不同，地震造成 的破坏也不同。震

13、级大，破坏力不一定大；震级小， 破坏力不一定就小。,二、 地震烈度,一般而言，同一地点，震级越大，烈度就越大。同一次地震，震中距小烈度就高，反之烈度就低。影响烈度的因素，除了震级、震中距外，还与震源深度、地质构造和地基条件等因素有关。,1.定义及影响因素,在一定地点震动的强烈程度称为地震烈度，简称为烈度。用I表示。,2.地震烈度表,地震烈度表是评定烈度的标准和尺度。,我国在1980年制定了中国地震烈度表。,中国地震烈度表将地震烈度分为1-12度。,个别：10%以下 少数：10%50% 多数：50%70% 大多数：70%90% 普遍：90%以上,3.基本烈度P7,一个地区未来50年内一般场地条件

14、下可能遭受的具有10%超越概率的地震烈度值称为该地区的基本烈度。用Ib表示。,相当于475年一遇的最大地震的烈度。,各地区的基本烈度由中国地震动参数区划图（GB18306-2001)确定。,（下图是原中国地震烈度区划图）,基本烈度也称为偶遇烈度或中震烈度。,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称为设防烈度，用Id表示。,规范规定：一般情况下，可采用中国地震动参数区划图中的地震基本烈度。对已编制抗震设防区划的 城市，可按批准的抗震设防烈度进行抗震设防。,4.设防烈度P8,设防烈度的取值依据：,规范规定： 抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑必须进行抗震设计,规范附录中列出了我国主

15、要城镇的抗震设防烈度。如：,湖北省,1.抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.10g: 竹溪、竹山、房县；,2.抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g: 武汉（13个市辖区），荆州（ 2个市辖区），荆门，襄樊（ 2个市辖区）， ,注：全省县级及县级以上设防城镇，设计地震分组均为第一组。,建筑所在地区在设计基准期（50年）内出现的频度最 高的烈度。也称为常遇烈度、小震烈度，用Is表示。其超 越概率为63.2%，重现期为50年。,5.多遇烈度,6.罕遇烈度,建筑所在地区在设计基准期（50年）内具有超越概率 2%-3%的地震烈度。也称为大震烈度，重现期约为2000年。,三、地震

16、烈度、震级与地震影响的关系,（1）5.0-5.4级地震，震中烈度多为六度，其面积小于500平方公里。 （2）5.5-5.9级地震，震中烈度多为七度，其面积不超过200平方公里；六度区面积也只有数百平方公里。 （3）6.0-6.4级地震，震中烈度多数为八度，其面积几十平方公里；七度区不超过200平方公里，六度区数百平方公里，如震中烈度为七度，则与5.5-5.9级地震结果相同。 （4）6.5-6.9地震，震中烈度一般为八度，结果与6.0-6.4级地震一样；另一半为九度，其面积小于100平方公里，八度区不超过500平方公里，七度区则在1500平方公里以内。,（1）5.0-5.9级地震造成人员伤亡者占

17、24%。而仅引起人员死亡的地震更少，只占11.5%。一次5级多地震中死亡人数最多为117人，而死亡29人以上的地震都发生在夜间。 （2）6.0-6.9级地震有43%造成人员伤亡，而只有人员死亡仅占35%，一次地震死亡人数最多为600人。,震级与伤亡的关系,四、平均震害指数,震害指数：表示该类房屋的平均震害程度。 （举例说明） 某一类房屋（105幢），按破损程度分为6个等级 全部倒塌 1.0 10（幢） 大部分倒塌 0.8 15 少数倒塌 0.6 35 局部倒塌 0.4 24 裂缝 0.2 19 基本完好 0.0 2 加权平均得这类房屋的震害指数。 平均震害指数=各类房屋震害指数的平均值。,一、

18、 抗震设防分类及抗震设防措施,建筑类别不同，抗震设防标准也不同。,1.抗震设防分类,国家技术监督局和建设部在1995年4月19日公布了建筑抗震设防分类标准GB50223。,该标准主要以地震中和地震后房屋的损坏对社会和经济产生的影响的程度大小，将建筑分成4个抗震设防类别。,国家质量监督检验检疫总局和建设部在2001年7月20日公布了建筑抗震设计规范GB50011-2001。该规范对上面标准作了修改。,1.4 抗震设防分类、设防标准和设防目标,较小乙类建筑：工矿企业的变电所、空压站以及城市供水水源的泵房等。,抗震性能较好的结构类型指钢筋混凝土结构或钢结构。,2.抗震设防措施,抗震措施:除结构地震作

19、用计算和抗力计算以外的抗震设计内容，包括抗震构造措施。,抗震构造措施：一般不须计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。,3.地震作用,在设防烈度为6度时，除规范有具体规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。,通过抗震设防，减轻建筑的破坏，避免人员死亡，减轻经济损失。,二、抗震设防目标及方法,1.总目标,具体通过“三水准”的抗震设防要求和“两阶段”的抗 震设计方法实现。,2.“三水准”抗震设防目标,当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时， 一般不受损坏或不需修理可继续使用。,当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时， 可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。,当遭受

20、高于本地区抗震设防烈度的预估的罕遇地震 影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。,简称为：“小震不坏，中震可修，大震不倒”。,3.“两阶段”抗震设计方法,第一阶段：,对绝大多数结构进行小震作用下的结构和构件承载 力验算,及结构的弹性变形；在此基础上对各类结构按规定要求采取抗震措施。,第二阶段：,对一些规范规定的结构进行大震作用下的弹塑性变 形验算。,有特殊要求的建筑、地震易倒塌的建筑、有明显薄弱层的建筑，不规则的建筑等,4、抗震设防范围,抗震设防烈度为6度及以上地区的所有新建建筑工程均必需进行抗震设计。,规范适用于6-9度地区抗震设计及隔震、消能减震设计。,超过9度的地区和行业有特殊要求的工

21、业建筑按有 关专门规定执行。,5、抗震设防依据,一般情况下采用抗震设防烈度。,在一定条件下可采用抗震设防区划提供的地震动参数。,基本烈度（中震）：50年内超越概率为10%的地震烈度值。 烈度区划图：把全国各地的基本地震烈度用图表示出来。随着地震资料的积累，地震区划工作进一步合理，地震区划图也在不断改进。 众值地震烈度和罕遇地震烈度 众值地震烈度（众值烈度，小震） 该地区50年超越概率为63.2%的地震烈度值 罕遇地震烈度（大震） 该地区50年超越概率为2%3%的地震烈度值,三、小震和大震,统计结果表明，在规定的年限内某一地区的地震烈度基本符合怀布尔极值型分布。,1.5 地震的破坏作用（震害现象

22、）,由地震的原生现象如地震断层错动，以及地震波引起的强烈地面振动所造成的灾害。主要有：,1、地表破坏。 如地面裂缝、地面下沉、喷水冒砂等；,一、直接灾害：,日本地震裂缝,汶川地震的道路裂缝破坏,喷水冒砂,2建筑物破坏（1）结构承载力不足或变形过大而造成的破坏。（2）结构丧失整体性而引起的破坏。（3）地基失效引起的破坏。,地震作用附加于建筑上，使其内力和位移增大，改变其受力形式，导致结构的抗剪、抗弯、抗压等强度不足或结构变形过大而受到破坏。如墙体开裂、混凝土压酥，房屋倒塌等。,在强烈地震时，部分结构构件材料进入弹塑性变形阶段。若节点强度不足、延性不够、主要竖向承重构件失稳等就会使结构丧失整体稳定

23、性，造成局部或整体倒塌破坏。,在可液化地基区域，当强烈地震作用时，由于地基产生液化现象而使其承载力下降或消失，引起整个建筑物倾斜、倒塌而破坏。,建筑物破坏,承载力不足或丧失整体性导致建筑物倒塌,地基失效导致 建筑物倾斜,日本 神户地震 部分震害,3、构筑物的破坏 如桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；,3、构筑物的破坏 如桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；,3、构筑物的破坏 如桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；,4、山体等自然物的破坏。如山崩、滑坡等；,汶川大地震时山体崩塌,5、海啸。 海底地震引起的巨大海浪冲上海岸，可造成沿海地区 的破坏；,二、次生灾害：,直接灾害发生后，破坏了自然或社会原有的平衡

24、、稳定状态，从而引发出的灾害。有时，次生灾害所造成的伤亡和损失比直接灾害还大。,1、火灾 由震后火源失控引起；,1923年日本关东地震，东京市内227处起火，33处未能扑灭造成火灾蔓，旧市区烧毁约50%；横滨市烧毁80%，死亡10万。,主要的次生灾害有：,2、水灾。 由水坝决口或山崩拥塞河道等引起；,3、毒气泄漏。 由建筑物或装置破坏等引起；,4、瘟疫。 由震后生存环境的严重破坏而引起.,台湾9.21大地震后的次生灾害,三、工程结构破坏现象,1、结构丧失整体性,2、承重结构强度不足,3、结构变形过大导致倒塌,4、结构构件连接支撑失效,5、地基失效,6、非结构构件破坏,建筑抗震设计应包括三部分内

25、容: 抗震概念设计(seismic concept design of buildings)是指根据地震灾害和工程经验等所形成的结构总体设计准则、设计思想，进行结构的总体布置、确定细部构造的设计过程; 抗震计算和验算为抗震设计提供定量手段； 抗震构造措施（details of seismic design）一般不需要计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。可以保证结构的整体性、加强局部薄弱环节以及保证抗震计算结果的有效性。 抗震设计上述三个层面的内容是一个不可分割的整体，忽视任何一部分，都可能导致抗震设计的失败。,1.5 抗震设计的基本要求,建筑抗震概念设计主要包括：注意选择有利场地

26、、合理选用建筑体型，采用合理抗震结构体系，进行合理的结构布置，保证非结构构件安全，采用隔震、消能技术，确保材料和施工质量。,一、选择有利的建筑场地,二、建筑结构的规则性（选用合理的建筑体型）,建筑结构的规则性对抗震能力的重要影响的认识始自若干现代建筑在地震中的表现。,最为典型的例子是1972年2月23日南美洲的马那瓜地震。,马那瓜有相距不远的两幢高层建筑，一幢为十五层高的中央银行大厦，另一幢为18层高的美洲银行大厦。当地地震烈度估计为8度。一幢破坏严重，震后拆除；另一幢轻微损坏，稍加修理便恢复使用。,1、体型简单，平面布置规则受力性能明确，便于分析。 2、平、立面刚度、质量力求对称。质量中心和

27、刚度中心尽量重合，避免扭转振动。 3、建筑物的质量、刚度分布要均匀。 避免质量、刚度产生突变。,要求：,马那瓜中央银行大厦,试问： 那一幢破坏严重呢？,马那瓜美洲银行大厦,1）平面不规则 4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙。 4层以上的楼板仅为5cm厚，搁置在高45cm长14m小梁上。 2）竖向不规则 塔楼上部（4层楼面以上），北、东、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在4层楼板水平处的过渡大梁上，大梁又支承在其下面的10根1m 1.55m的柱子上（间距9.4m）。上下两部分严重不均匀，不连续。 主要破坏：第4层与第5层之间(竖向刚度和承载力突变),周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈； 横向

28、裂缝贯穿3层以上的所有楼板(有的宽达1cm),直至电梯井东侧； 塔楼西立面、其他立面窗下和电梯井处的空心砖填充墙及其它非结构构件均 严重破坏或倒塌。 震后计算分析结果:1.结构存在十分严重扭转效应;2.塔楼3层以上北面和南面大多数柱子抗剪能力大大不足,率先破坏；3.水平地震作用下,柔而长的楼板产生可观的竖向运动等。,马那瓜 中央银行大厦,结构是均匀对称的，基本的抗侧力体系包括4个L形的筒体，对称地由连梁连接起来，这些连梁在地震时遭到剪切破坏，是整个结构能观察到的主要破坏。 分析表明：1.对称的结构布置及相对刚强的联肢墙，有效地限制了侧向位移，并防止了明显的扭转效应；2.避免了长跨度楼板和砌体填

29、充墙的非结构构件的损坏；3.当连梁剪切破坏后，结构体系的位移虽有明显增加，但由于抗震墙提供了较大的侧向刚度，位移量得到控制。,美洲 银行,平面不规则的类型,平面不规则的类型,竖向不规则的类型,竖向不规则的类型,三、结构体系的合理选择,抗震结构体系是抗震设计应考虑的关键问题，结构方案的选取是否合理，对安全性和经济性起决定性作用。,规范规定：,1.结构体系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。,受力明确、传力合理、传力路线不间断、抗震分析与 实际表现相符合。,2.应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。,由于柱子的数量较少或承载能力较弱，部分柱子退出工作

30、后，整个结构系统丧失了对竖向荷载的承载能力。,3.结构体系应具备必要的承载能力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。,足够的承载力和变形能力是需要同时满足的。,有较大的变形能力而缺少较高的抗侧向力的能力如钢或钢筋混凝土纯框架，由于在不大的地震作用下会产生较大的变形，导致非结构构件的破坏或结构本身的失稳。,有较高的承载能力而缺少较大变形能力如 不加约束的砌体结构，很容易引起脆性破坏而 倒塌。,必要的承载能力和良好的变形能力的结合便是结构在地震作用下具有的耗能能力。,足够的承载力和变形能力是需要同时满足的。,四、处理好非结构构件 (1)应与主体结构有可靠的连接 (2)填充墙、内隔墙、维护结构避免形

31、成短柱，防止平面外倒塌。 (3)装饰贴面与主体结构连接可靠，避免落地伤人。,五、采用隔震、消能减震技术 对经济条件许可下的有特殊要求的建筑，可以采用在建筑上部结构与基础之间设置隔震层技术，以及在抗侧力结构中设置消能器减震技术。但应进行技术、经济可行性论证后方可采用。并根据现阶段规范进行专门设计、施工。,六、结构材料和施工质量 结构抗震设计目标的实现，与结构的材料选用和施工质量密切相关，应予以重视。抗震结构对材料和施工质量的具体要求应在设计文件上注明，如所用材料强度等级的最低限制，钢筋的抗震性能指标要求，抗震构造措施的施工要求等，并在施工过程中加强管理监督，保证按其执行。,1.7 设计地震分组(补充),请思考：图中的两座建筑在经历不同周期特点的地震作 用下，那座建筑更易破坏？,设计地震分组是新规范新提 出的概念，用以代替旧规范设计 近震、设计远震的概念。,在宏观烈度大体相同 条件下，处于大震级远离