高層結(jié)構(gòu)抗風(fēng)與抗震設(shè)計(jì).pptVIP

高層結(jié)構(gòu)抗風(fēng)與抗震設(shè)計(jì),李正良 重慶大學(xué)土木工程學(xué)院 教授、博士生導(dǎo)師,前言 第一章 第二章 風(fēng)荷載及風(fēng)致影響 第三章 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì),前言,結(jié)構(gòu)體系的概念 剪切：(a)不被剪斷 (b)剪切變形不能過大,彎曲：(a)必須不被傾覆,(b)不發(fā)生因拉或壓縮的破壞,（c）彎曲變形不能過大,兩個(gè)系數(shù): BRI （ Bending Rigidity Index ） SRI ( Shear Rigidity Index ),BRI: 100 世貿(mào)中心：33 帝國大廈：33,（a）,BRI: 33,（b）,（c）,（d）,BRI: 33 外框筒內(nèi)框架,成束筒BRI: 33,BRI: 33 ( 花旗銀行大廈 ),BRI:56,BRI: 63,（e）,（f）,（g）,抗剪：理想的抗剪體系是一片無洞口的板塊或墻體,SRI=100,SRI=62.5,與桿件的長度、截面、高度有關(guān),SRI=31.3,SRI,BRI的概念設(shè)計(jì)及應(yīng)用 wind design, seismic design.,第一章,第二章 風(fēng)荷載及風(fēng)致影響 21 風(fēng)力、結(jié)構(gòu)風(fēng)力及風(fēng)效應(yīng) 22 基本風(fēng)速和基本風(fēng)壓 23 順風(fēng)向的等效風(fēng)荷載 24 橫風(fēng)向渦流脫落共振等效風(fēng)荷載,第二章 風(fēng)荷載及風(fēng)致影響,高層建筑在風(fēng)力遭到損壞的例子 ： 1926年9月美國邁阿密市芽咯薩大樓（17層鋼框架）臺(tái)風(fēng)襲擊后發(fā)生塑性變形，頂部水平殘余位移竟達(dá)0.61m。里特洛爾大樓 在整個(gè)風(fēng)暴中嚴(yán)重?fù)u晃。 在較近時(shí)期，美國德克薩斯州洛波克市的哥比雷夫大樓也在風(fēng)暴中嚴(yán)重?fù)u晃，波士頓一座大樓在一次風(fēng)暴中幾乎所有玻璃全都粉碎。,風(fēng)荷載是高層建筑主要側(cè)向荷載之一。 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)分析（包括荷載、內(nèi)力、位移、加 速度）是高層建筑設(shè)計(jì)計(jì)算的重要因素。,由流體力學(xué)中的伯努利可知風(fēng)壓與風(fēng)速關(guān)系：,21 風(fēng)力、結(jié)構(gòu)風(fēng)力及風(fēng)效應(yīng),（21）,空氣質(zhì)點(diǎn)密度,風(fēng) 速,風(fēng)壓力,在標(biāo)準(zhǔn)大氣情況下，,約為,沿海城市上海，上值約為,高山地區(qū)的拉薩，上值約為,空氣單位體積重力,風(fēng)的形成：空氣從氣壓高的地方流動(dòng)到氣壓 低的地方。 風(fēng) 力：風(fēng)的強(qiáng)度。（通常由風(fēng)速或換算為風(fēng)壓來表示),back,已知某以高度z處的風(fēng)速為v，則作用在結(jié)構(gòu)上的風(fēng)力一般可表示為順風(fēng)向風(fēng)力（ilong-wind）、橫風(fēng)向風(fēng)力(across-wind)和扭風(fēng)力矩。,（22）,圖21結(jié)構(gòu)上的風(fēng)力,阻力系數(shù),橫向力系數(shù)（水平向結(jié)構(gòu)也稱升力系數(shù)）,扭矩系數(shù),B 結(jié)構(gòu)的參數(shù)尺度，常取截面垂直于流動(dòng)方向的最大尺度（m）,當(dāng)無偏心風(fēng)力矩時(shí)，在順力向風(fēng)力作用下，結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生順風(fēng)向的振動(dòng)，對(duì)高層結(jié)構(gòu)來說，一般可為彎曲型（剪力墻），也有剪切型（框架），當(dāng)為框剪結(jié)構(gòu)時(shí)，可為彎剪型。,當(dāng)風(fēng)吹向結(jié)構(gòu)，可在結(jié)構(gòu)周圍產(chǎn)生旋渦，當(dāng)旋渦脫落不對(duì)成時(shí)，可在橫風(fēng)向產(chǎn)生橫風(fēng)向風(fēng)力，所以橫風(fēng)向振動(dòng)在任意風(fēng)力情況下都能發(fā)生渦激振動(dòng)現(xiàn)象。在抗風(fēng)計(jì)算時(shí)，除了必須注意第一類振動(dòng)以外，還必須同時(shí)考慮第二類振動(dòng)現(xiàn)象。特別是，當(dāng)旋渦脫落頻率接近結(jié)構(gòu)某一自振頻率時(shí)，可產(chǎn)生共振現(xiàn)象，即使在考慮阻尼存在的情況下，仍將產(chǎn)生比橫向風(fēng)力大十倍甚至幾十倍的效應(yīng)，必須予以格外的重視。,結(jié)構(gòu)在順風(fēng)向和橫風(fēng)向風(fēng)力甚至扭力矩作用下，當(dāng)有微小風(fēng)力攻角時(shí)，在某種截面形式下，這些風(fēng)力可以產(chǎn)生負(fù)號(hào)阻尼效應(yīng)的力。如果結(jié)構(gòu)阻尼力小于這些力，則結(jié)構(gòu)將處在總體負(fù)阻尼效應(yīng)中，振動(dòng)將不能隨著時(shí)間增長而逐漸衰減，卻反而不斷增長從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。這時(shí)的起點(diǎn)風(fēng)速稱為臨界風(fēng)速，這種振動(dòng)猶如壓桿失穩(wěn)一樣，但受到的不是軸心壓力而是風(fēng)力，所以常稱為空氣動(dòng)力失穩(wěn)，在風(fēng)工程中，通常稱為弛振（彎或扭受力）或顫振（彎扭耦合受力）。 空氣動(dòng)力失穩(wěn)在工程上視為必須避免發(fā)生的一類振動(dòng)現(xiàn)象。 風(fēng)的流動(dòng)水平方向是主要的，但也可能在一定的仰角下流動(dòng)，從而除水平風(fēng)力外，還存在豎向風(fēng)力，由于高層建筑主要荷載是水平側(cè)向荷載，豎向荷載的適當(dāng)增加并不起著很大的影響，因此對(duì)于高層建筑來說，主要考慮水平側(cè)向風(fēng)力的影響。,22 基本風(fēng)速和基本風(fēng)壓,一、標(biāo)準(zhǔn)高度的規(guī)定 房屋建筑類統(tǒng)一取10m為標(biāo)準(zhǔn)高度 二、標(biāo)準(zhǔn)地貌的規(guī)定 標(biāo)準(zhǔn)地貌指空曠平坦地區(qū)，在具體執(zhí)行時(shí)，對(duì)于城市郊區(qū)，房屋較為低矮的小城市，也作標(biāo)準(zhǔn)地貌處理。 三、平均風(fēng)速的時(shí)距 取平均風(fēng)速時(shí)距為10分鐘 （風(fēng)的卓越周期約在1分鐘） 四、最大風(fēng)速的樣本 取年最大風(fēng)速為統(tǒng)計(jì)樣本，即每年以一最大風(fēng)速記錄值為一個(gè)樣本,設(shè)重現(xiàn)期為 年，則 為超過設(shè)計(jì)最大風(fēng)速的 概率，因?yàn)椴怀^該設(shè)計(jì)最大風(fēng)速的概率或保證率應(yīng) 為：,五、最大風(fēng)速的重現(xiàn)期,我國荷載規(guī)范規(guī)定：對(duì)一般結(jié)構(gòu)，重現(xiàn)期為30 年，對(duì)于高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)，重現(xiàn)期取50年，對(duì)于特別重要和有特殊要求的高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)，重現(xiàn)期可取100年。重現(xiàn)期為年通常俗稱為 年一遇。,平均值 根方差 設(shè)計(jì)最大風(fēng)速 保證系數(shù),（六）最大風(fēng)速的概率或概率密度曲線（線型） 采用極值型 分布曲線，它的概率分布函數(shù)為：,設(shè)計(jì)值與平均值及根方差的關(guān)系,基于上述六個(gè)條件，我國建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范規(guī)定，基本風(fēng)壓系以當(dāng)?shù)乇容^空曠平坦地面、離地10m高，統(tǒng)計(jì)所得30年一遇10分鐘平均最大風(fēng)速 為標(biāo)準(zhǔn)。 一般按 確定的風(fēng)壓值，但不得小于 對(duì)于高層建筑和高聳結(jié)構(gòu)，上述的風(fēng)壓應(yīng)乘以1.1 對(duì)于特別重要和有特殊要求的高層建筑和高層結(jié)構(gòu)，應(yīng)乘以1.2 對(duì)于其他重要結(jié)構(gòu)，其基本風(fēng)壓值也可酌情提高。,平均風(fēng)速 和脈動(dòng)風(fēng)速,23 順風(fēng)向的等效風(fēng)荷載,在風(fēng)的時(shí)程曲線中，會(huì)有兩種成分： 長周期部分，持續(xù)10分鐘以上平均風(fēng)（穩(wěn)定風(fēng)） 靜力作用 短周期部分，只有幾秒鐘左右 脈動(dòng)風(fēng) 動(dòng)力作用,結(jié)構(gòu)風(fēng)壓體形系數(shù) 風(fēng)壓高度變化系數(shù),順風(fēng)向等效風(fēng)荷載平均風(fēng)壓等效脈動(dòng)風(fēng)壓 即：,風(fēng)振系數(shù)：,上式可變?yōu)椋?二、風(fēng)壓高度變化系數(shù) 梯度風(fēng)高度：在一定高度不受地面粗糙的影響。 設(shè)標(biāo)準(zhǔn)地面下的梯度風(fēng)高度為 ，粗糙度系數(shù)為 ，任意地貌下相應(yīng)值為 ，則：,解得上兩式得到：,我國規(guī)范修訂稿將地貌分成A，B，C，D四類 A類指近海海面、海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)。取 ， ； B類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的中小城鎮(zhèn)和大城市郊區(qū)為標(biāo)準(zhǔn)地貌。取 ， ； C類指有密集建筑群的城市市區(qū)。取 ， D類指有密集建筑群且房屋較高的城市市區(qū)。取 ， 。將以上數(shù)據(jù)代入上述公式，即得A,B,C,D四類風(fēng)壓高度變化系數(shù)為,三、風(fēng)壓體型系數(shù) 1、單體風(fēng)壓體型系數(shù) 2、群體風(fēng)壓體型系數(shù),根據(jù)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)確定,風(fēng)洞試驗(yàn),動(dòng)力試驗(yàn)（m、c、k）,靜力試驗(yàn),（自振頻率）,對(duì)第i層：,總的,實(shí)測(cè),迎風(fēng)面,理論,四、風(fēng)振及陣風(fēng)系數(shù),的結(jié)構(gòu),1、無扭轉(zhuǎn)時(shí) （1）基本方法 脈動(dòng)風(fēng)為隨機(jī)動(dòng)力風(fēng)載，用隨機(jī)振動(dòng)理論求解。 當(dāng)考慮風(fēng)和空間相關(guān)系性時(shí)，一般用一維連續(xù)桿件來模擬高層結(jié)構(gòu)。 無限自由度體系的振動(dòng)方程：,式中m(z)、c(z)、I(z)、p(z)均沿高度上的質(zhì)量、阻尼系數(shù)、慣性和水平風(fēng)力 f(t)為時(shí)間函數(shù)，最大值為1，而w（x，z）為坐標(biāo)（x，z）處的單位面積上的風(fēng)力,（1）, 振型的廣義坐標(biāo),振型函數(shù)，與 和 有關(guān),設(shè)用振型分解法求解，位移按振型展開為：,無限自由度體系：,上式的簡化利用質(zhì)量、剛度、阻尼（比例阻尼）的正交性,（2）,將（2）代入（1），得：,只考慮第一振型，求出風(fēng)振位移根方差 ，再乘以保證系數(shù)，即得風(fēng)振位移值,式中 為考慮風(fēng)壓空間相關(guān)性后單位基本風(fēng)壓下第一振型廣義脈動(dòng)風(fēng)力與廣義質(zhì)量的比值， 則為相應(yīng)的動(dòng)力系數(shù)。當(dāng)取空間相關(guān)性系數(shù)與風(fēng)的頻率無關(guān)僅與位置有關(guān)的,時(shí)， 值分別為：,（3）,第1振型頻率影響函數(shù)（傳遞函數(shù)） 風(fēng)譜，代表風(fēng)能在各個(gè)頻率上的分布函數(shù)（此時(shí)平均值0，根方差1） 脈動(dòng)系數(shù) 風(fēng)壓空間相關(guān)性系數(shù),有關(guān)值可采用：,（3）式亦可改寫成,則： 相應(yīng)的風(fēng)振力,其中：,第一振型脈動(dòng)增大系數(shù) 等截面結(jié)構(gòu)第一振型影響系數(shù) 振型函數(shù) 截面變化時(shí)的修正系數(shù)（若為等截面，其值均為1）,（4）,等截面高層結(jié)構(gòu) 值,脈動(dòng)增大系數(shù),相對(duì)高度,高層建筑彎剪型振型系數(shù),尺度、質(zhì)量沿高度作同一規(guī)律變化時(shí)的,（2）求風(fēng)振系數(shù)的簡化方法：,（4）亦可寫成：,可知：,在工程上，根據(jù)長期積累的經(jīng)驗(yàn)，周期 常用經(jīng)驗(yàn)公式來求出。即：,鋼筋混凝土高層結(jié)構(gòu) 高層鋼結(jié)構(gòu),（H為總高度）,的近似值,的近似值（ 常在 左右）,因此： 變成了只與 及 五個(gè)因素有關(guān),根據(jù)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu) 、鋼結(jié)構(gòu) 的規(guī)范數(shù)據(jù)，可以直接制出沿高度變化的系數(shù)計(jì)算用表： 等截面高層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù) 注：1.此 處為基本風(fēng)壓（B類），對(duì)于非B類即A、C、D類，已將其影響反映在表內(nèi)； 2.對(duì)于C、D兩類地貌，下部風(fēng)壓高度變化系數(shù)的變化（見表21），由于對(duì)高層結(jié)構(gòu)影響 較小，未反映在表內(nèi)； 3.表中數(shù)據(jù)可用內(nèi)插值法。 等截面高層鋼結(jié)構(gòu)風(fēng)振系數(shù) 注：1.此處 為基本風(fēng)壓（B類），對(duì)于非B類即A、C、D類，已將其影響反映在表內(nèi)； 2.對(duì)于C、D兩類地貌，下部風(fēng)壓高度變化系數(shù)的變化（見表21），由于對(duì)高層結(jié)構(gòu)影響較小，未反映在表內(nèi)； 3.高層鋼結(jié)構(gòu)， 常在 2 以上，本表按 制出。,地貌,2、有扭轉(zhuǎn),常用等效脈動(dòng)風(fēng)荷載直接計(jì)算，即用公式 高層建筑每一層均團(tuán)集質(zhì)量，因此每一層一般情況下除了兩個(gè)方向得位移以外，還有一個(gè)扭轉(zhuǎn)角，共有三個(gè)自由度。如果層數(shù)為n，則結(jié)構(gòu)有3n個(gè)自由度。 由各運(yùn)動(dòng)方向的平衡條件，可列出3n個(gè)聯(lián)立微分方程組，其矩陣形式為：,式中：,（5）,質(zhì)量矩陣 質(zhì)量極慣性矩矩陣 阻尼矩陣 剛度矩陣,第 個(gè)質(zhì)量的 向、 向水平位移和扭轉(zhuǎn)角 在第 個(gè)片質(zhì)量上 向、 向的風(fēng)力和風(fēng)扭矩,設(shè)位移 按振型 分解，即,代入（5），由于振型正交性和考慮阻尼項(xiàng)亦符合正交性的假設(shè)，得到,設(shè)計(jì)位移值,等效脈動(dòng)風(fēng)荷載,脈動(dòng)影響系數(shù),脈動(dòng)增大系數(shù) 與無扭轉(zhuǎn)時(shí)的相同,當(dāng)脈動(dòng)風(fēng)力方向與y方向時(shí)，脈動(dòng)力,（6），,當(dāng)風(fēng)向與y軸一致時(shí)，由于脈動(dòng)風(fēng)力系慣性力，通過質(zhì)心，因此僅在y向的振型起作用，亦即式（6）中 實(shí)即 。 計(jì)算研究表明，對(duì)一般工程結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)對(duì)第1振型y向坐標(biāo)即y向的第1振型不產(chǎn)生大的影響，在式（6）分母中，扭轉(zhuǎn)影響不大，而第1振型對(duì)位移響應(yīng)起著決定作用。由此可以得到 可用 代替進(jìn)行計(jì)算，偏心的影響主要反映在振型上。,24 橫風(fēng)向渦流脫落共振等效風(fēng)荷載,對(duì)于圓柱體結(jié)構(gòu)試驗(yàn)表明，渦流脫落振動(dòng)特征描述： Re雷諾數(shù),根據(jù)雷諾數(shù)的大小，可分為三個(gè)臨界范圍為： 1、亞臨界范圍：周期脫落振動(dòng) 2、超臨界范圍：隨機(jī)不規(guī)則振動(dòng) 3、跨臨界范圍：基本上恢復(fù)到周期脫落振動(dòng),對(duì)于建筑，1，3范圍可能產(chǎn)生共振。 1范圍內(nèi)，速度小，影響不大，可以忽略。 3范圍內(nèi)，速度大，影響很大，不可忽略。,工程上關(guān)注的是跨臨界范圍的共振,共振臨界風(fēng)速：根據(jù)斯脫羅哈數(shù)（Strouhal Number ）,產(chǎn)生共振的條件：,共振起點(diǎn)高度 ，可由以下求出：,頂點(diǎn)風(fēng)速 ：,橫風(fēng)向共振時(shí)運(yùn)動(dòng)方程為：,按結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)即可求解為：,橫向共振風(fēng)力,如取 ，則相應(yīng)的橫風(fēng)向共振等效風(fēng)荷載為：,其中 由反彈所產(chǎn)生,25 風(fēng)力下空氣動(dòng)力失穩(wěn),弛振彎曲失穩(wěn) 顫振彎扭耦合失穩(wěn),負(fù)阻尼,可能為負(fù)，即為負(fù)阻尼,風(fēng)洞試驗(yàn)（wind tunnel test）,1、靜力試驗(yàn)：確定風(fēng)載體型系數(shù) 2、動(dòng)力試驗(yàn)： 由相似理論作模型 氣動(dòng)彈性現(xiàn)象,第三章 高層建筑結(jié)構(gòu)抗震分析與設(shè)計(jì),第一節(jié) 地震的破壞作用 第二節(jié) 歷次地震的破壞特點(diǎn)：（略） 第三節(jié) 高層建筑地震經(jīng)驗(yàn) 第四節(jié) 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì),第一節(jié) 地震的破壞作用,一、地震是地球內(nèi)部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，是一種自然現(xiàn)象 1556年 關(guān)中大地震 80萬人 1920年 海原大地震 1976年 唐山大地震 24萬人,二、強(qiáng)地震三要素,地面運(yùn)動(dòng)的多維性 峰值加速度 頻譜組成 持續(xù)時(shí)間,三、房屋破壞的直接原因,地震引起的山崩、滑坡、地陷、地面裂縫或錯(cuò)位 等地面變形，對(duì)上部建筑物的直接危害。,地震引起的砂土液化，軟土震陷等地基失效，對(duì)上部建筑物的破壞。,建筑物在地面激發(fā)下產(chǎn)生劇烈震動(dòng)過程中因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足、過大變形、連接破壞，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)或整體傾覆而破壞。,第三節(jié) 高層建筑地震經(jīng)驗(yàn),一、震害規(guī)律 （一）地基方面 砂土液化引起地基不均勻沉陷，導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)破壞或整體傾斜。 在具有深厚軟弱沖擊土層的場地土，高層建筑的破壞率顯著曾高。 當(dāng)高層建筑的基礎(chǔ)周期與場地自振周期相近時(shí)，破壞程度因共振效應(yīng)而加重。,（二）房屋體形方面 1、L形等復(fù)雜平面房屋破壞率顯著增高。,2、有大地盤的高層建筑群房頂面與主樓相接處樓 板面積突然減小的樓層破壞程度加重。,3、房屋高寬比值較大且上面各層剛度很大的高層建筑底層框架柱因地震傾覆力矩引起的巨大壓力而發(fā)生剪壓破壞。 4、防震縫處多因縫的寬度太小而發(fā)生碰撞。,（三）結(jié)構(gòu)體系方面 1、 相對(duì)框架體系而言，采用“框墻體系”（框剪體系）的房屋破壞程度輕，特別有利于保護(hù)填充墻和裝飾免遭破壞。 2、 采用“填充墻框架”體系的房屋，在鋼筋混凝土框架平面內(nèi)嵌砌磚填充墻時(shí)，柱上部易發(fā)生剪切破壞，外墻框架柱在窗洞處因受窗下墻的約束而發(fā)生短柱型剪切破壞。 3、 采用“鋼筋混凝土板柱體系”的房屋，或因樓板沖切破壞，或因樓層側(cè)移過大 柱頂、柱腳破壞，各層樓板墜落，重疊在地面上。 4、 采用“框托墻”體系（框支剪力墻）的房屋，相對(duì)柔弱的底層，破壞程度十分嚴(yán)重。,（四）剛度分布方面 1、 采用L形、三角形等不對(duì)稱平面的建筑，地震時(shí)發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞而使震害加重。 2、 矩形平面建筑，電梯間豎筒等抗側(cè)力構(gòu)件布置存在偏心時(shí)，同樣因扭轉(zhuǎn)而使震害加重。,（五）構(gòu)件形式方面 1、 鋼筋混凝土多肢剪力墻的窗下墻（連梁）常發(fā)生斜向裂縫或交叉裂縫。 2、 在框架結(jié)構(gòu)中，絕大多數(shù)情況下，柱的破壞程度重于梁的板。 3、 鋼筋混凝土框架，如在同一樓層中出現(xiàn)長、短柱并用的情況，短柱破壞嚴(yán)重。 4、 配筋螺旋箍的鋼筋混凝土柱，當(dāng)層間位移角達(dá)到很大數(shù)值時(shí)，核心混凝土依然保持完好，依然具有較大的豎向承載力；對(duì)于配制方形箍的鋼筋混凝土柱，箍筋繃開，核心混凝土破碎脫落。,第四節(jié) 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì),地震是一種隨機(jī)振動(dòng)，有著難于把握的復(fù)雜性和不確定性。要準(zhǔn)確把握預(yù)測(cè)建筑物能遭受地震的特性及參數(shù)一時(shí)尚難做到。（建筑抗震理論）,計(jì)算設(shè)計(jì),彈性計(jì)算,時(shí)程分析,彈性時(shí)程分析,彈塑性時(shí)程分析,概念設(shè)計(jì)：,（空間作用、非線性性質(zhì)、材料時(shí)效、阻尼變化等不確定的因素),能量輸入,房屋體形,結(jié)構(gòu)體系,剛度分布,結(jié)構(gòu)延伸,一、抗震設(shè)計(jì)目標(biāo) 抗震設(shè)防的基準(zhǔn) 1、基本烈度概念 是指該地區(qū)在未來一定時(shí)期內(nèi)（如一百年）在一般場地條件下可能遭遇的最大地震烈度。 2、基本烈度 一般采用建筑物所在地區(qū)的基本烈度。對(duì)于重要和特別重要的建筑加以調(diào)整。 甲類建筑重大建筑工程和地震時(shí)可能發(fā)生嚴(yán)重次 生災(zāi)害的建筑 乙類建筑地震時(shí)使用功能不能中斷或需要盡快恢復(fù)的建筑 丙類建筑除甲、乙、丁類以外的一般建筑。 丁類建筑抗震次要的建筑,3、設(shè)防烈度的取值 (1)除甲類外，其他建筑取本地區(qū)基本烈度作為計(jì)算設(shè)防烈度。 (2)確定建筑的抗震構(gòu)造措施時(shí)，除甲類有特殊的規(guī)定外，對(duì)于乙類建筑按基本烈度提高一度作為設(shè)防烈度（9度 適當(dāng)增強(qiáng)措施），對(duì)于丙類建筑，按原基本烈度，對(duì)于丁類建筑，則降低一度設(shè)防。 (3)國家抗震文件規(guī)定，6度區(qū)內(nèi)100萬以上人口大城市的高層建筑，抗震計(jì)算和構(gòu)造按7度設(shè)防。,二、三個(gè)水準(zhǔn)的設(shè)防要求 地震是多發(fā)性的，而且不同地震烈度有其不同的發(fā)生概率。 （一）三個(gè)水準(zhǔn) “小震不壞，中震可修，大震不倒” 1、遭遇第一水準(zhǔn)烈度（小震）時(shí)，一般情況下，建筑物不出現(xiàn)任何損壞。從使用角度看，建筑物處于正常狀態(tài)；從結(jié)構(gòu)受力角度看，結(jié)構(gòu)處于彈性變形階段。構(gòu)件應(yīng)力完全按彈性反映譜理論分析計(jì)算結(jié)果相一致。 2、遭遇第二水準(zhǔn)烈度（中震）時(shí)，建筑物雖然可能出現(xiàn)一定程度的損壞，但修復(fù)后即可恢復(fù)正常使用。從結(jié)構(gòu)受力角度看，結(jié)構(gòu)雖越過屈服極限，進(jìn)入非彈性變形階段，但結(jié)構(gòu)的彈塑性變形被控制在某一限度內(nèi)，震后殘留的永久變形不大。,3、遭遇第三水準(zhǔn)烈度（大震）時(shí)，建筑物破壞雖然比較嚴(yán)重，但整個(gè)結(jié)構(gòu)的非彈性變形依然受到控制，與結(jié)構(gòu)倒塌的臨界變形尚有一段距離，從而保障了建筑內(nèi)部人員的安全。 三個(gè)設(shè)防水準(zhǔn)的建筑的破壞程度與層間位移角的大致對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖所示：,（二）三個(gè)水準(zhǔn)烈度的關(guān)系 地震危險(xiǎn)性分析： 50年超越概率為63。7的地震烈度為眾值烈度，它比基本烈度低1.55度，被規(guī)范取為第一水準(zhǔn)烈度； 50年超越概率為10的烈度，大體相當(dāng)于現(xiàn)行地震烈度區(qū)劃 圖中規(guī)定的基本烈度，規(guī)范取為第二水準(zhǔn)烈度。 50年超越概率為23%的烈度，約比基本烈度高一度左右，規(guī)范取為第三水準(zhǔn)。,(三) 兩階段設(shè)計(jì) 對(duì)建筑抗震的三個(gè)水準(zhǔn)設(shè)防要求，是通過“兩階段設(shè)計(jì)”來實(shí)現(xiàn)，其方法和步驟是： 1、第一階段設(shè)計(jì) 第一步采用第一水準(zhǔn)烈度的地震動(dòng)參數(shù)，先計(jì)算出結(jié)構(gòu)在彈性狀態(tài)下的地震作用效應(yīng)，與風(fēng)、重力等荷載效應(yīng)組合，并引入承載力抗震調(diào)整系數(shù)，進(jìn)行構(gòu)件截面設(shè)計(jì)，從而滿足第一水準(zhǔn)的強(qiáng)度要求； 第二步是采用同一地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算出結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角，使其不超過規(guī)定的限值（ ， ；其中 裝飾檔次）； 同時(shí)采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延續(xù)、變形能力和塑性耗能，從而自動(dòng)滿足第二水準(zhǔn)的變形要求。,2、第二階段設(shè)計(jì) 采用第三水準(zhǔn)烈度的地震動(dòng)參數(shù)，計(jì)算（可采用的計(jì)算方法：簡化計(jì)算方法彈塑性時(shí)程分析法）出結(jié)構(gòu)（特別是柔弱樓層和抗震薄弱環(huán)節(jié)）的彈塑性層間位移角，使之小于抗震規(guī)范限值 并結(jié)合采取必要的抗震構(gòu)造措施，從而滿足第三水準(zhǔn)的防倒塌要求。,框 架,框剪,剪力墻、筒體,（四）避免地面變形的直接危害 斷層：發(fā)震斷層 非活動(dòng)斷層 三崩 滑坡 地陷 （五）選擇抗震有利地段 避開不利地形（孤立上頂?shù)捻敳浚?遠(yuǎn)離河岸 不跨兩類土層 不采用震陷土作為天然地基,（六）減少地震輸入 薄的場地覆蓋層 堅(jiān)實(shí)的場地土 地震剪切波（橫波）的傳播（p ,s） 土的綜合橫量Gs或剪切波速Vs 評(píng)價(jià),錯(cuò)開地震動(dòng)卓越周期 卓越周期：地震動(dòng)主導(dǎo)周期，它相當(dāng)于根據(jù)地震時(shí)某一地區(qū)地面運(yùn)動(dòng)記錄計(jì)算出的反應(yīng)譜的主峰位置的對(duì)應(yīng)的周期。 （震源機(jī)制、傳播介質(zhì)、場地土條件） 地震動(dòng)卓越周期的估計(jì)： a.脈動(dòng)量測(cè) （微幅振動(dòng)）環(huán)境振動(dòng) b.計(jì)算公式： 單一土層時(shí)， ； 多層土?xí)r， 式中， 單一土層或多層土中的土厚度， 剪切波速（計(jì)算深度一般為15m以下）,（七）削減地震反應(yīng) 提高結(jié)構(gòu)阻尼 增設(shè)阻尼裝置 采用高延性構(gòu)件（結(jié)構(gòu)） 提高承載力只能推遲結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性階段； 提高延性，不僅能削減地震反應(yīng)，而且提高了結(jié)構(gòu)抵御地震的能力。 延性： 最大允許變形， 屈服變形,對(duì)于實(shí)測(cè)荷載變形曲線，如何確定其屈服變形和最大允許變形，國內(nèi)外尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)。,一般傾向于：對(duì)應(yīng)取理想彈塑性結(jié)構(gòu)開始屈服時(shí)的變形 ，作為屈服變形，取實(shí)際結(jié)構(gòu)極限荷載下降10時(shí)的變形（ 或 ）作為最大允許變形。,延性是通過抗震構(gòu)造措施來保證的。 延性的作用：,（八）有利的房屋體形 平面 方形、圓形、矩形、正六邊形、正八邊形、橢圓形 L形、T形、十字形、U形、H形、Y形 立面變化要均勻,合適的房屋高度 與結(jié)構(gòu)體系有關(guān) 房屋高寬比限制 與設(shè)防烈度、結(jié)構(gòu)體系有關(guān) 足夠的基礎(chǔ)埋深 a. ， （樁） （地下室） b. 抗傾覆穩(wěn)定性 抗震傾覆力矩 底部剪力法確定的第i層處水平地震作用 由基礎(chǔ)底面至第i層樓蓋處的高度 建筑總層數(shù),防震縫的合理設(shè)置 防震縫的寬度,（九）合理的結(jié)構(gòu)設(shè)置 結(jié)構(gòu)力求對(duì)稱（扭轉(zhuǎn)效應(yīng)） 抗推構(gòu)件的合理布置（核心筒體居中） 抗震墻（剪力墻）沿房屋周邊布置 結(jié)構(gòu)豎向要等強(qiáng),（十）樓層屈服強(qiáng)度系數(shù) 定義：樓層屈服強(qiáng)度是指按樓層各構(gòu)件的截面實(shí)際配筋和材料標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度計(jì)算得出的抗力標(biāo)準(zhǔn)值；樓層屈服強(qiáng)度系數(shù) 則是樓層受剪承載力標(biāo)準(zhǔn)值（屈服剪力）與結(jié)構(gòu)彈性地震反應(yīng)樓層剪力的比值。 若 （i1，2，N）大致相等，則地震作用下各樓層的側(cè)移將是均勻變化的。,（十一）抗側(cè)力體系的優(yōu)化,地震影響系數(shù)曲線,地震影響系數(shù)； 地震影響系數(shù)最大值； 直線下降段 下降斜率調(diào)整系數(shù) 衰減指數(shù)； 特征周期； 阻尼調(diào)整系數(shù)，阻尼比一般取0.05 此時(shí) 1.0,場地確定后，結(jié)構(gòu)越柔，自振周期愈長， 越小，結(jié)構(gòu)的地震力越小。 剛、柔之爭 剛性、柔性學(xué)說 美國主張柔（舊金山 柔，洛杉機(jī) 剛）， 日本主張剛一些 結(jié)論： 雙向地震作用對(duì)柔性框架不利 高層建筑剛一些好 超靜定次數(shù)的作用 進(jìn)入倒塌的過程長,（十二）結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制 結(jié)構(gòu)最佳破壞機(jī)制的特征： 結(jié)構(gòu)在其桿件出現(xiàn)塑性鉸之后，在承載力基本保持穩(wěn)定的條件下，可以持續(xù)地變形而不倒塌，最大限度地吸收和耗散地震能量。 結(jié)構(gòu)最大破壞機(jī)制的判別條件： 結(jié)構(gòu)的塑性發(fā)展從次要結(jié)構(gòu)開始，或從主要構(gòu)件的次要桿件上出現(xiàn)塑性鉸，從而形成多道抗震防線； 結(jié)構(gòu)中能形成的塑性鉸的數(shù)目多，塑性變形發(fā)展的過程長； 構(gòu)件中塑性鉸的塑性轉(zhuǎn)動(dòng)量大，結(jié)構(gòu)的塑性變形量大。 屈服機(jī)制的類型： 樓層屈服機(jī)制（剪切型屈服機(jī)制、柱鉸機(jī)制） 總體屈服機(jī)制（彎曲型屈服機(jī)制、梁鉸機(jī)制）,四、構(gòu)件的耐震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則（四強(qiáng)四弱） 強(qiáng)節(jié)弱桿 強(qiáng)柱弱梁 強(qiáng)剪弱彎 強(qiáng)壓弱拉 五、耗能構(gòu)件的優(yōu)化 原則：它不是承受豎向荷載的主要構(gòu)件，在整個(gè)地震過程中，它的軸壓比始終處于較低值； 它在結(jié)構(gòu)總剛度中能占的份額較??； 它屈服后的變形和穩(wěn)定，受到依然處于彈性階段的其他構(gòu)件的約束； 它能提供飽滿穩(wěn)定的滯回環(huán)。 選取水平桿為主要耗能桿件（連梁等軸力心） 耗能形式 a彎曲耗能優(yōu)于剪切耗能 b彎曲耗能優(yōu)于軸變耗能,第十節(jié) 控制結(jié)構(gòu)變形,高層建筑地震側(cè)移曲線,塑性變形集中：,（ 為受壓彈性模量）,為墻有效面積， 為框架柱截面積）,對(duì)高層建筑而言，要盡量做到各樓層的屈服強(qiáng)度系數(shù)大致相等 等強(qiáng)度設(shè)計(jì),（二）避免出現(xiàn)柔弱底層 框托墻體系 （三）承力豎向構(gòu)件的突變 柱、墻的面積均勻減少，與混凝土強(qiáng)度等級(jí)相互錯(cuò)開。 三、屋頂小塔樓的合理設(shè)計(jì) 鞭梢效應(yīng) （高階振型） 設(shè)計(jì)措施 設(shè)計(jì)適當(dāng)放大地震力 提高延性（構(gòu)造）,（十）多道抗震防線 純框架單一抗側(cè)力體系（倒塌率較高） 框墻、框撐體系、筒框、筒中筒 第一道防線的構(gòu)件選擇 1、 雙重體系 優(yōu)先選擇不負(fù)擔(dān)或梢負(fù)擔(dān)重力荷載的豎向支撐或填充墻，或選擇軸壓比較小的框架柱兼作第一道防線。 防倒塌 （軸壓比） 2、 單一體系 強(qiáng)柱弱梁的延性設(shè)計(jì),利用贅余桿件增多抗震防線 1、 連系梁的作用 （贅余桿件的屈服及變形） 2 、新的抗震概念 一方面利用贅余桿件的屈服和變形，來耗散地震能量； 另一方面利用贅余桿件的破壞和退出，使整個(gè)結(jié)構(gòu)從一種穩(wěn)定體系過渡到另一種穩(wěn)定體系，實(shí)現(xiàn)周期的變化，以避免地震動(dòng)卓越周期長時(shí)間持續(xù)作用一起的共振效應(yīng)。 實(shí)例： 1972年12月馬那瓜地震一萬幢房屋嚴(yán)重破壞或倒塌 尼加拉瓜的美洲銀行大廈 （18層、61m；1963年設(shè)計(jì)； 6倍于設(shè)計(jì)地震力 ）,結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的計(jì)算理論,（一）振型分解反應(yīng)譜法 計(jì)算原則：利用單自由度體系反應(yīng)譜和振型分解原則解決多自由度體系地震反應(yīng)的計(jì)算方法。,目前的主導(dǎo)方法,計(jì)算原則可概括為如下五點(diǎn)： 具有連續(xù)分布質(zhì)量的多層平面結(jié)構(gòu)及立體結(jié)構(gòu)，可以轉(zhuǎn)化為離散的串聯(lián)質(zhì)點(diǎn)系及串并聯(lián)質(zhì)點(diǎn)系 水平荷載下多質(zhì)點(diǎn)系的一組相對(duì)側(cè) ，可以采用多質(zhì)點(diǎn)系自由振動(dòng)n個(gè)振型的n幅值 ，（j=1,2,n）的線性組合來表示，即 其中 為廣義坐標(biāo)，是一組待定常數(shù)，角表j為多質(zhì)點(diǎn)系的振型序號(hào)。,多質(zhì)點(diǎn)體系按某一振型振動(dòng)時(shí)，它的功能和位能不會(huì)轉(zhuǎn)移到另一振型上去，就是說，體系按某一振型時(shí)，不會(huì)激起該體系其他振型的振動(dòng)，即各個(gè)振型是相互獨(dú)立無關(guān)的。,體系按某一振型振動(dòng)時(shí)，任何時(shí)刻各質(zhì)點(diǎn)相對(duì)側(cè)移狀態(tài)不變，隨時(shí)間僅作比例放大或縮小，任何時(shí)刻體系的側(cè)移值 等于該振型幅值 乘以常數(shù)C。因而體系按某移振型振動(dòng)時(shí)可以視作一個(gè)廣義單自由度體系的振動(dòng)。 分別采用相當(dāng)于各個(gè)廣義單自由度體系的各個(gè)振型的周期，查反應(yīng)譜即可求出體系的各振型最大地震反應(yīng)。然后按照適當(dāng)?shù)慕M合法則，即得多質(zhì)點(diǎn)體系的最大地震反應(yīng)。,（二）設(shè)計(jì)步驟 根據(jù)結(jié)構(gòu)特征選擇平面結(jié)構(gòu)或空間結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型及相應(yīng)的多質(zhì)點(diǎn)或多層剛片？體系振動(dòng)模型。 建立質(zhì)點(diǎn)的無阻尼自由振動(dòng)方程并解之，得質(zhì)點(diǎn)系的各階振型 和周期 ； 取前若干較長的周期 ,按建筑的設(shè)防烈度，近震或遠(yuǎn)震，場地類別，分別查反應(yīng)譜，得出相應(yīng)于前若干振型的地震影響系數(shù) 。,計(jì)算出前若干個(gè)振型的振型參與系數(shù) 分別計(jì)算出多質(zhì)點(diǎn)系的前若干振型地震作用 分別計(jì)算出前若干個(gè)振型地震作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形 按照一定法則進(jìn)行結(jié)構(gòu)振型地震內(nèi)力和變形的組合，得結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的地震內(nèi)力和變形 將構(gòu)件地震內(nèi)力與其它荷載內(nèi)力組合，進(jìn)行截面設(shè)計(jì),（三）結(jié)構(gòu)動(dòng)力特征計(jì)算,可采用雅可比法、迭代法或QR法等,設(shè),（四）振型參與系數(shù),SRSS法,第i,k振 915個(gè)振型 j振型與k振的耦聯(lián)系數(shù)