建筑結構抗震設計第1章課件

1、建筑結構抗震設計Seismic design of buildings課程簡介地震是一種危及人民生命財產安全、破壞性極大的突發(fā)性自然災害，地震造成生命、財產損失的直接原因是建筑物的劇烈震動、破壞倒塌。目前預測工作沒有發(fā)展到準確預報的程度。隨著我國城市化的發(fā)展，人口和財富向城市高度集中，基礎設施高度發(fā)達，地震造成的后果將日益嚴重。我國是一個地震多發(fā)、震害嚴重的國家，抗震防災是一項特殊的社會公益事業(yè)，它關系著經濟發(fā)展和社會穩(wěn)定。建筑結構抗震設防是減輕地震災害的重要途徑?？茖W界多年的研究成果形成了一門學科地震工程學。它包含工程地震和結構抗震兩方面內容。工程地震主要研究：地震危險性分析（數理統(tǒng)計分析方

2、法）、地震區(qū)劃、潛在震源區(qū)地震活動規(guī)律、地震動工程參數的選擇及估計等。結構抗震主要研究：建筑場地動力性能（動剪切模量、土阻尼比、剪切波速）與抗震設計關系、構件與結構動力特性、結構動力破壞機制（彎曲破壞、剪切破壞）、結構地震反應分析理論（振型分解反應譜法、時程分析法）與抗震設計方法（基于承載力的設計方法、基于承載力和構造保證延性設計方法、基于損傷和能量的設計方法、能力設計、性能/位移設計）等。建筑結構抗震設計是綜合了地震成因，強烈地面運動，結構物的動力特性和地震反應等方面的研究成果而發(fā)展起來的一門多科性的學科，它涉及地球物理學、地質學、地震學、工程力學（結構動力學、材料力學、結構靜力學）、工程結

3、構學（鋼筋混凝土結構、鋼結構、地基與基礎）、施工技術等多方面的知識。課程性質和目的建筑結構抗震設計是土木工程專業(yè)一門重要的專業(yè)主干課。學習本課程的主要目的是通過介紹地震作用計算的基本原理及結構抗震的設計方法，培養(yǎng)學習者掌握建筑結構抗震設計方面的基本理論知識和設計應用能力而設置的一門課程，從而能貫徹執(zhí)行我國的相關法律、規(guī)范，對地震區(qū)作抗震減災規(guī)劃，掌握防止或減少建（構）筑物由于地震而造成的破壞的技能，使建筑經抗震設防后，能盡可能地減輕震害，避免人員傷亡，減少經濟損失。建筑結構抗震設計內容第一章 緒論第二章 場地、地基與基礎第三章 結構地震反應分析與抗震驗算第四章 建筑抗震概念設計 第五章 多層和

4、高層鋼筋混凝土房屋抗震設計第六章 多層砌體結構房屋的抗震設計 第七章 高層及多層鋼結構房屋的抗震設計第八章 單層鋼筋混凝土柱廠房的抗震計 第九章 隔震與耗能減震房屋設計 第1章 緒 論 1.1 地震災害概述（了解內容）1.2 地震基本知識（重點掌握）1.3 地震的震害（了解內容）1.4 結構的抗震設防（重點掌握）1.1 地震災害概述1.1.1 地震是群災之首一、災害分為自然災害和人為災害。人為災害：火災、污染（大氣、水、海洋）、核泄漏、戰(zhàn)爭等。自然災害：地震災害是群災之首，它具有突發(fā)性和不可預測性，以及頻度較高，并產生嚴重次生災害，對社會也會產生很大影響等特點。地震是一種普遍的自然現象 地震是

5、地球內部構造運動的產物，是一種普遍的自然現象。全世界每年發(fā)生約500萬次地震。其中：破壞性的大地震平均每年約1820次。1.1.2 我國的地震情況 1.我國是一個多地震國家 據統(tǒng)計，我國大陸地震約占世界大陸地震的三分之一。原因是：我國正好介于地球的兩大地震帶之間。2.我國是一個地震災害最嚴重的國家 我國地震活動頻度高、強度大、震源淺，分布廣，是一個震災嚴重的國家。1900年以來，中國死于地震的人數達55萬之多，占全球地震死亡人數的53%。20世紀全球兩次死亡20萬人以上的大地震均發(fā)生于我國。 1920年寧夏海原地震（8.5級）死亡23.4萬人。1976年河北唐山地震（7.8級）死亡24.2萬人

6、，傷20余萬。1.1.2 我國的地震情況續(xù)3.我國的地震活動地區(qū) 我國的地震活動主要分布在五個地區(qū)的23條地震帶上。這五個地區(qū)是：臺灣省及其附近海域；西南地區(qū)，主要是西藏、四川西部和云南中西部；西北地區(qū)，主要在甘肅河西走廊、青海、寧夏、天山南北麓；華北地區(qū)，主要在太行山兩側、汾渭河谷、陰山-燕山一帶、 山東中部和渤海灣；東南沿海的廣東、福建等地。1.1.2 我國的地震情況續(xù)4.目前的地震形勢 地震的發(fā)生有間歇性。一段時間內發(fā)生較頻繁，一段時間內較平靜。世界以及我國目前均處于地震活躍期，抗震任務不容忽視。1.2 地震基本知識1.2.1 地球內部構造地球平均半徑約6400km，內部由三個圈層組成。

7、1、地殼 地球最表面的一層，很薄，厚度各處不一，約5-40km,平均厚度約為30km。主要由各種不均勻的巖石組成：沉積巖花崗巖玄武巖等。 絕大部分地震都發(fā)生在地殼內。2、地幔 中間一層，很厚，平均厚度約為2900km。主要由具有粘彈性性質的質地比較堅硬的橄欖巖組成。其上部存在一個約幾百公里厚的軟流層。 地幔內部的物質在熱狀態(tài)和不均衡壓力作用下緩慢運動，可能是造成地殼運動的根源。1.2.3 地震成因和分類一、地震成因地震是地球動力作用的產物 內動力構造地震、火山地震 外動力塌陷地震（地下溶洞、礦坑、礦井的崩塌） 人類工程活動誘發(fā)地震（水庫，城市、油田的抽水、注水，人工爆破、爆炸等）1.2.3 地

8、震成因和分類續(xù)構造地震的成因板塊構造運動假說 地殼由六大板塊組成。這些板塊在地幔對流等因素產生的巨大能量作用下產生運動，使板塊之間相互擠壓和錯動，致使其邊緣附近的巖石層脆性破裂而引發(fā)地震。斷層假說 在地幔對流等因素產生的巨大能量作用下，使地殼和地幔上部的巖石層發(fā)生皺褶變形，當積聚的地應力超過巖石的極限強度時，巖石層便發(fā)生脆性斷裂，猛烈回彈錯動，從而引起振動，以波的形式向地面?zhèn)鞑?，形成地震?.2.3 地震成因和分類續(xù)二、地震的分類1、按成因分類：1）構造地震：由于地殼構造運動使深部巖石薄弱部位的應變超過容許值，巖層發(fā)生斷裂、錯動而引起的地面振動。 破壞性地震主要屬于構造地震。據統(tǒng)計，構造地震約

9、占世界地震總數的90%以上。 2）火山地震 ：由于火山作用，如巖漿猛烈沖出地面、氣體爆炸等引起的地震稱為火山地震，這類地震只占全世界地震的7%左右，在我國很少見。3）誘發(fā)地震： 因人為因素如由于水庫蓄水或深井注水等引起的地震。如工業(yè)爆破、地下核爆炸造成的振動；在深井中進行高壓注水以及大水庫蓄水后增加了地殼的壓力，有時也會誘發(fā)地震。 1.2.3 地震成因和分類續(xù) 1962年3月19日在廣東河源新豐江水庫壩區(qū)發(fā)生了迄今我國最大的水庫誘發(fā)地震，震級為6.1級。 4）陷落地震 ：由于地表或地下巖層突然大規(guī)模陷落或崩塌而造成的地震，如地下溶洞或舊坑崩塌引起。這類地震的震級很小，造成的破壞很少，次數也很少

10、，約占3% 。 構造地震破壞力大，影響范圍廣，建筑抗震設計中僅限于討論構造地震作用下建筑的設防問題。 后兩種地震影響范圍和破壞程度相對較小。1.2.3 地震成因和分類續(xù)2、按震源深度分類：1）淺源地震：震源深度小于70千米的地震。 全世界85%以上的地震都是淺源地震。淺源地震波及范圍小，但破壞力大。2）中源地震：震源深度在70至300千米的地震，占12%，破壞性大。 3）深源地震：震源深度300km，占3%。震源深，波及范圍大，破壞性小。 92%的地震發(fā)生在地殼中，其余的發(fā)生在地幔上部。 目前觀測到的最深地震發(fā)生在地下720km左右。1.2.3 地震成因和分類續(xù)3、按地震序列分類： 地震時彈性

11、應變能，以波的形式釋放擴散，經多次反射、折射形成持續(xù)過程，加之斷裂錯位不是瞬間完成的，故在一定時間內（幾十天或數月）相繼發(fā)生在相鄰地區(qū)的一系列大小地震稱為地震序列。 在一個地震序列中，最大的一次地震稱為主震。 主震之前發(fā)生的地震稱為前震。 主震之后發(fā)生的地震稱為余震。主震型地震：在一個地震序列中，若主震震級很突出，其釋放的能量占全序列中的絕大部分，叫主震型地震。這是一種常見的破壞性地震類型。1.2.3 地震成因和分類續(xù)震群型或多發(fā)型地震：在一個地震序列中，若主震震級不突出，主要地震能量是由多個震級相近地震釋放出來的。孤立型或單發(fā)型地震：在一個地震序列中，若前震和余震都很少，甚至沒有，絕大部分地

12、震能量都是通過主震一次釋放出來的。 三種類型地震中：主震型地震約占60%，多發(fā)型地震約 占30%，單發(fā)型地震約占10%。 地震序列的認識和判別對預報地震和預防地震都很重要。1.2.4 地震波動理論地震波：地震產生的地殼運動（振動）以波的形式從震源向各個方向傳播并釋放能量，這種波稱為地震波。 地震波包含：體波和面波。1、體波：在地球內部傳播的波?？v波：在傳播過程中，介質質點的振動方向與波的前進方向一致，又稱為壓縮波或疏密波。特點：周期短，振幅小，波速快, 引起地面豎向顛簸。縱波也叫初波橫波：在傳播過程中，介質質點的振動方向與波的前進方向垂直，故又稱為剪切波。特點：周期較長，振幅較大，波速慢, 引

13、起地面水平搖晃。橫波也叫次波。體波橫波（S波）縱波（P波）1.2.4 地震波動理論續(xù)2、面波：只限于在地面附近傳播的波，也就是體波經過地層界面多次反射形成的次生波。特點：周期長，振幅大，比體波衰減慢，能傳播到很遠的地方。建筑物破壞主要是由面波造成。 瑞雷波：傳播時，質點在波的傳播方向和地面法線組成的平面內（XZ）做橢圓形運動，而在與XZ平面垂直的水平方向（Y）沒有振動，質點在地面上呈滾動形式。 洛夫波：傳播時，質點只在與傳播方向相垂直的水平方向（Y）運動，在地面上呈蛇形運動形式。面波瑞利波（R波）樂夫波 (L波)1.2.5 震級與烈度1、地震震級定義：震級是表示一次地震本身強弱程度或大小的尺度

14、，也是表示一次地震釋放能量的多少，是一個衡量地震強度的指標，用M表示。 一次地震只有一個震級。 目前，國際上比較通用的是里氏震級，在1935年由查爾斯里克特（19001985年）給出定義，即地震震級為 M=lgA 式中 A是標準地震儀（周期0.8s，阻尼系數0.8，放大倍數2800倍的地震儀）在距震中100km處記錄的以微米（1微米=10-6m）為單位的最大水平地動位移（單振幅）。1.2.5 震級與烈度續(xù)地震按震級大小分類（1）微震：小于2級，人感覺不到，只有儀器才能記錄下來。（2）有感地震：2-4級，人能感覺到。（3）破壞性地震：5級以上地震，能夠引起不同程度破壞。（4）強烈地震或大震：7級

15、以上地震。（5）特大地震：8級以上地震。 由于震源深淺、震中距大小等不同，地震造成的破壞也不同。震級大，破壞力不一定大；震級小，破壞力不一定就小。1.2.5 震級與烈度續(xù)2、 地震烈度 指某一地區(qū)的地面和各類建筑物遭受一次地震影響的強弱程度，簡稱為烈度。只取整數值。 一般而言，震級越大，烈度就越大。同一次地震，震中距小烈度就高，反之烈度就低。影響烈度的因素，除了震級、震中距外，還與震源深度、地震的傳播介質、表土性質、建筑物的動力特性和施工質量等許多因素有關。 注意與震級區(qū)分。1.2.5 震級與烈度續(xù)地震烈度表 地震烈度表是評定地震烈度的標準和尺度。它以描述震害宏觀現象為主，即根據建筑物的破壞程

16、度、地貌變化特征、地震時人的感覺、家具的動作反應等進行區(qū)分?，F在主要由地面震動的速度和加速度確定。如水平向的加速度 10度為1000cm/s2 9度為500 cm/s2 8度為250 cm/s2 7度為125 cm/s2 6度為63 cm/s2 我國在1980年制定的中國地震烈度表將地震烈度分為1-12度（不同的國家的分度方法不同），1999年11月1日起實施修訂后的新烈度表中國地震烈度表（GB/T17742-1999）。等震線圖1.2.5 震級與烈度續(xù)3、基本烈度和地震區(qū)劃基本烈度：一個地區(qū)未來50年內一般場地條件下可能遭受的具有10%超越概率的地震烈度值稱為該地區(qū)的基本烈度。 基本烈度也稱

17、為偶遇烈度或中震烈度。 1.2.5 震級與烈度續(xù)地震區(qū)劃：是指根據歷史地震、地震地質構造和地震觀測資料，在地圖上按地震情況的差異劃出的不同區(qū)域。 2015年版的中國地震動參考區(qū)劃圖，是確定我國城鎮(zhèn)抗震設防烈度、設計基本地震加速度和設計地震分組的依據，具有法律效應。 如武漢地區(qū)抗震設防烈度為6度，地震動加速度為0.05g 抗震設防烈度和設計基本地震加速度的對應關系抗震設防烈度6度7度8度9度設計基本地震加速度值0.05g0.1g（0.15g）0.2g（0.3g）0.4g1.2.6 設計地震分組 設計地震分組是新規(guī)范新提出的概念，用以代替舊規(guī)范設計近震（地震基本烈度與震中烈度相差=兩度）的概念。

18、在宏觀烈度大體相同條件下，處于大震級遠離震中的高聳建筑物的震害比中小級震級近震中距的情況嚴重的多。 設計地震分三組，對于類場地，第一、二、三組的設計特征周期分別為：0.35s、0.40s、0.45s. 湖北省各地震設防地區(qū)均屬第一組。6度近震6度遠震7度近震7度遠震1.2.7 地震地面運動的一般特征地面運動的一般特征可用地面運動加速度記錄曲線來說明，它是由一系列非周期性的加速度脈沖所組成。地震地面運動的一般特征概括為：1.地面運動最大加速度：決定強震時作用于結構的地震力2.地面運動的周期：對結構地震反應起重要作用3.強震的持續(xù)時間：對建筑物的破壞程度有較大的影響1.3 地震的震害1.3.1 概

19、述 一次大地震可在數10秒鐘之內使一座繁榮的城市變成廢墟，人們幾代人的積累和財富化為烏有。一、直接災害 由地震的原生現象如地震斷層錯動，以及地震波引起的強烈地面振動所造成的災害。主要有：1、地面破壞如地面裂縫、錯動、塌陷、噴水冒砂等。2、建筑物與構筑物的破壞：如房屋倒塌、橋梁斷落、水壩開裂、鐵軌變形等。3、山體等自然物的破壞：如山崩、滑坡等。 4、海嘯：海底地震引起的巨大海浪沖上海岸，可造成沿海地區(qū)的破壞。 1.3.1 概述續(xù)二、次生災害：直接災害發(fā)生后，破壞了自然或社會原有的平衡、穩(wěn)定狀態(tài)，從而引發(fā)出的災害。有時，次生災害所造成的傷亡和損失比直接災害還大。主要的次生災害有：1、火災：由震后火

20、源失控引起。2、水災：由水壩決口或山崩擁塞河道等引起。3、毒氣泄漏：由建筑物或裝置破壞等引起。4、瘟疫：由震后生存環(huán)境的嚴重破壞而引起。 1.3.1 概述續(xù)三、工程結構破壞現象1、結構喪失整體性。2、承重結構強度不足。 3、結構變形過大導致倒塌。 4、結構構件連接支撐失效。 5、地基失效。 6、非結構構件破壞。 1.3.2 工程地質條件對震害的影響1、局部地形條件的影響：孤立突出的山梁、山包、條狀山嘴、高差較大的臺地、陡坡及故河道岸邊等，均對建筑物的抗震不利。2、局部地質構造的影響：主要指斷層，斷層為地質構造的薄弱環(huán)節(jié)，分發(fā)震斷層和非發(fā)震斷層。具有潛在地震活動的斷層為發(fā)震斷層，多數淺源地震與發(fā)

21、震斷層有關。因此，在選擇建筑物的場地時，應盡量使房屋遠離斷層及其破碎帶。3、地下水位的影響：地下水位越淺震害越重，地下水位深度在5m以內時，對震害影響最為明顯。1.4 結構的抗震設防1.4.1 抗震設防目標及方法 抗震設防是指對建筑物進行抗震設計并采取一定的抗震構造措施，以達到結構抗震的效果和目的。1、總目標 通過抗震設防，減輕建筑的破壞，避免人員死亡，減輕經濟損失。具體通過“三水準”的抗震設防要求和“兩階段”的抗震設計方法實現。2、“三水準”抗震設防目標 近年來，國內外抗震設防目標的發(fā)展總趨勢是要求建筑物在使用期間，對不同頻率和強度的地震，應具有不同的抵抗能力，即“小震不壞，中震可修，大震不

22、倒”。 1.4.1 抗震設防目標及方法續(xù)我國抗震規(guī)范中抗震設防的目標如下：(1)在遭受低于本地區(qū)設防烈度(基本烈度)的多遇地震影響時，建筑物一般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用，即小震不壞；(2)在遭受本地區(qū)規(guī)定的設防烈度的地震影響時，建筑物(包括結構和非結構部分)可能有一定損壞，但不致危及人民生命和生產設備的安全，經一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用，即中震可修；(3)在遭受高于本地區(qū)設防烈度的預估罕遇地震影響時，建筑物不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞，即大震不倒。1.4.1 抗震設防目標及方法續(xù)3、三種地震烈度水準 基于上述抗震設防目標，建筑物在使用期間對不同強度的地震應具有不同的抵抗能力，用三

23、個地震烈度水準來考慮，即1）第一水準(眾值烈度)：發(fā)生概率最多的地震，在50年期限內，一般場地條件下，可能遭遇的超越概率為63.2%的地震烈度值，相當于50年一遇的烈度值。 相當于基本烈度-1.55度。1.4.1 抗震設防目標及方法續(xù)2）第二水準(基本烈度)：在50年期限內，一般場地條件下，可能遭遇的超越概率為10%的地震烈度值，相當于474年一遇的烈度值。3）第三水準(罕遇烈度)：在50年期限內，一般場地條件下，可能遭遇的超越概率為2%3%的地震烈度值，相當于16002500年一遇的烈度值。 相當于基本烈度+1度。1.4.1 抗震設防目標及方法續(xù)4、 “兩階段”抗震設計方法 為保證抗震設防的

24、目標，規(guī)范規(guī)定了“兩階段”抗震設計方法第一階段： 對絕大多數結構進行小震作用下的結構和構件承載力驗算；在此基礎上對各類結構按規(guī)定要求采取抗震措施，保證小震不壞和中震可修。第二階段： 對一些規(guī)范規(guī)定的結構(有特殊要求的建筑、地震時易倒塌的建筑、有明顯薄弱層的建筑，不規(guī)則的建筑等)進行大震作用下的彈塑性變形驗算，并采取相應的構造措施保證大震不倒。（易倒：抗震性從強到弱為：鋼結構、框剪結構、框架結構、磚混結構、土木結構、磚木結構、磚石結構是最差的，有地震最先倒的就是石頭房子）1.4.2 抗震設防范圍和依據一、抗震設防范圍規(guī)范規(guī)定：抗震設防烈度為6度及以上地區(qū)的所有新建建筑工程均必需進行抗震設計。 6

25、度一般只需按構造考慮。規(guī)范適用于6-9度地區(qū)抗震設計及隔震、消能減震設計。超過9度的地區(qū)和行業(yè)有特殊要求的工業(yè)建筑按有關專門規(guī)定執(zhí)行。1.4.2 抗震設防范圍和依據續(xù)二、抗震設防依據設防烈度：按國家規(guī)定的權限批準的作為一個地區(qū)抗震設防依據的地震烈度稱為設防烈度。設防烈度的取值一般情況下，可采用中國地震動參數區(qū)劃圖中的地震基本烈度。對已編制抗震設防區(qū)劃的城市，可按批準的抗震設防烈度進行抗震設防。一般情況下抗震設防采用抗震設防烈度。在一定條件下可采用抗震設防區(qū)劃提供的地震動參數。1.4.3 抗震設防分類及抗震設防措施一、抗震設防分類國家技術監(jiān)督局和建設部公布了建筑抗震設防分類標準GB50223-2008。該標準主要根據建筑使用功能的重要性，即以地震中和地震后房屋的損壞對社會和經濟產生的影響的程度大小，將建筑分成4個抗震設防類別，采用不同的設防標準?？拐鸫我ㄖɡ纾瑔螌觽}庫）丁類 除甲乙丁類以外的一般建筑丙類 地震時使用功能不能中斷需盡快恢復的建筑（醫(yī)院、基礎設施、交通、電）乙類 重大建筑工程和地震時可能發(fā)生嚴重次生災害的建筑（三峽工程、國家大劇院等）甲類 設防分類1.4.3 抗震設防分類及抗震設防措施續(xù)二、抗震設防標準1、抗震措施抗震措施:除結構地震作用計算和抗力計算以外的抗震設計內容，包括抗震構造措施。 抗