建筑結(jié)構(gòu)抗震

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)

§1.0背景知識(shí)

1.0.1課程簡(jiǎn)介

地震是一種危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全、破壞性極大的突發(fā)性自然災(zāi)害，地震造成生命、財(cái)產(chǎn)損失的直接原因是建筑物的劇烈震動(dòng)、破壞倒塌。目前預(yù)測(cè)工作沒(méi)有發(fā)展到準(zhǔn)確預(yù)報(bào)的程度。隨著我國(guó)城市化的發(fā)展，人口和財(cái)富向城市高度集中，基礎(chǔ)設(shè)施高度發(fā)達(dá)，地震造成的后果將日益嚴(yán)重。我國(guó)是一個(gè)地震多發(fā)、震害嚴(yán)重的國(guó)家，抗震防災(zāi)是一項(xiàng)特殊的社會(huì)公益事業(yè)，它關(guān)系著經(jīng)濟(jì)發(fā)展和社會(huì)穩(wěn)定。建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防是減輕地震災(zāi)害的重要途徑。1.0.1課程簡(jiǎn)介

科學(xué)界多年的研究成果形成了一門(mén)學(xué)科——地震工程學(xué)。它包含工程地震和結(jié)構(gòu)抗震兩方面內(nèi)容。工程地震主要研究：地震危險(xiǎn)性分析、地震區(qū)劃、潛在震源區(qū)地震活動(dòng)規(guī)律、地震動(dòng)工程參數(shù)的選擇及估計(jì)等。結(jié)構(gòu)抗震主要研究：建筑場(chǎng)地動(dòng)力性能與抗震設(shè)計(jì)關(guān)系、構(gòu)件與結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、結(jié)構(gòu)動(dòng)力破壞機(jī)制、結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析理論與抗震設(shè)計(jì)方法等。1.0.1課程簡(jiǎn)介

建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是綜合了地震成因，強(qiáng)烈地面運(yùn)動(dòng)，結(jié)構(gòu)物的動(dòng)力特性和地震反應(yīng)等方面的研究成果而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)多科性的學(xué)科，它涉及地球物理學(xué)、地質(zhì)學(xué)、地震學(xué)、工程力學(xué)（結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)、材料力學(xué)、結(jié)構(gòu)靜力學(xué)）、工程結(jié)構(gòu)學(xué)（鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)、地基與基礎(chǔ)）、施工技術(shù)等多方面的知識(shí)。1.0.2課程性質(zhì)和目的

《建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)》是土木工程專(zhuān)業(yè)一門(mén)重要的專(zhuān)業(yè)主干課。學(xué)習(xí)本課程的主要目的是通過(guò)介紹地震作用計(jì)算的基本原理及結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者掌握建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)方面的基本理論知識(shí)和設(shè)計(jì)應(yīng)用能力而設(shè)置的一門(mén)課程，從而能貫徹執(zhí)行我國(guó)的相關(guān)法律、規(guī)范，對(duì)地震區(qū)作抗震減災(zāi)規(guī)劃，掌握防止或減少建（構(gòu)）筑物由于地震而造成的破壞的技能，使建筑經(jīng)抗震設(shè)防后，能盡可能地減輕震害，避免人員傷亡，減少經(jīng)濟(jì)損失。1.0.3課程要求

掌握結(jié)構(gòu)抗震的基本知識(shí)、基本理論、基本技能，了解抗震設(shè)計(jì)的一般規(guī)律；培養(yǎng)運(yùn)用規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)，查閱技術(shù)資料的能力和抗震計(jì)算能力；了解結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的新理論、新方法及抗震理論、方法的發(fā)展趨勢(shì)。地球平均半徑約6400km，內(nèi)部由三個(gè)圈層組成。1、地殼：地球最表面的一層，很薄，厚度各處不一，約5-40km,一般厚度為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(nèi)。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(zhì)的質(zhì)地比較堅(jiān)硬的橄欖巖組成。其上部存在一個(gè)約幾百公里厚的軟流層。地幔內(nèi)部的物質(zhì)在熱狀態(tài)和不均衡壓力作用下緩慢運(yùn)動(dòng)，可能是造成地殼運(yùn)動(dòng)的根源?！?.1地震與地震動(dòng)

1.1.1地震類(lèi)型與成因1.1.1地震類(lèi)型與成因3、地核：地球最里面的一層，半徑約為3500km，是地球的核心部分。可分為外核（厚2100km）和內(nèi)核（厚1400Km），其主要構(gòu)成物質(zhì)是鎳和鐵。根據(jù)推測(cè)，外核可能處于液態(tài)，內(nèi)核可能處于固態(tài)。地震觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：地震橫波不能通過(guò)外核（即不能通過(guò)液體）。1.1.1地震類(lèi)型與成因什么是地震？地震是指因地球內(nèi)部緩慢積累的能量突然釋放而引起的地球表層的振動(dòng)。地震是一種自然現(xiàn)象，地球上每天都在發(fā)生地震，一年約有500萬(wàn)次。其中約5萬(wàn)次人們可以感覺(jué)到；能造成破壞的約有1000次；7級(jí)以上的大地震平均一年有十幾次。目前記錄到的世界上最大地震是8.9級(jí)，發(fā)生于1960年5月22日的智利地震。1.1.1地震類(lèi)型與成因

什么叫震源、震中、震中距？震源：地殼巖層發(fā)生斷裂破壞、錯(cuò)動(dòng)，產(chǎn)生劇烈振動(dòng)的地方，稱(chēng)為震源。震中：震源正上方的地面位置稱(chēng)為震中。極震區(qū)：在震中附近，振動(dòng)最劇烈、破壞最嚴(yán)重的地區(qū)，叫極震區(qū)。震中距：地面某點(diǎn)至震中的距離稱(chēng)為震中距。震源深度：震中到震源的距離或震源到地面的垂直距離,稱(chēng)為震源深度。1.1.1地震類(lèi)型與成因一、地震成因地震是地球動(dòng)力作用的產(chǎn)物內(nèi)動(dòng)力——構(gòu)造地震、火山地震外動(dòng)力——塌陷地震（地下溶洞、礦坑、礦井的崩塌）人類(lèi)工程活動(dòng)——誘發(fā)地震（水庫(kù)，城市、油田的抽水、注水，人工爆破、爆炸等）1.1.1地震類(lèi)型與成因

構(gòu)造地震的成因板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)假說(shuō)地殼由六大板塊組成。這些板塊在地幔對(duì)流等因素產(chǎn)生的巨大能量作用下產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，使板塊之間相互擠壓和錯(cuò)動(dòng)，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(shuō)在地幔對(duì)流等因素產(chǎn)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(dāng)積聚的地應(yīng)力超過(guò)巖石的極限強(qiáng)度時(shí)，巖石層便發(fā)生脆性斷裂，猛烈回彈錯(cuò)動(dòng)，從而引起振動(dòng)，以波的形式向地面?zhèn)鞑?，形成地震?.1.1地震類(lèi)型與成因

二、地震的分類(lèi)1、按成因分類(lèi)：1）構(gòu)造地震：由于地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使深部巖石薄弱部位的應(yīng)變超過(guò)容許值，巖層發(fā)生斷裂、錯(cuò)動(dòng)而引起的地面振動(dòng)。破壞性地震主要屬于構(gòu)造地震。據(jù)統(tǒng)計(jì)，構(gòu)造地震約占世界地震總數(shù)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(chēng)為火山地震，這類(lèi)地震只占全世界地震的7%左右，在我國(guó)很少見(jiàn)。3）誘發(fā)地震：因人為因素如由于水庫(kù)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(dòng)；在深井中進(jìn)行高壓注水以及大水庫(kù)蓄水后增加了地殼的壓力，有時(shí)也會(huì)誘發(fā)地震。1.1.1地震類(lèi)型與成因

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(lèi)地震的震級(jí)很小，造成的破壞很少，次數(shù)也很少，約占3%。構(gòu)造地震破壞力大，影響范圍廣，建筑抗震設(shè)計(jì)中僅限于討論構(gòu)造地震作用下建筑的設(shè)防問(wèn)題。后兩種地震影響范圍和破壞程度相對(duì)較小。1.1.1地震類(lèi)型與成因

2、按震源深度分類(lèi)：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(cè)到的最深地震發(fā)生在地下720km左右。1.1.1地震類(lèi)型與成因

3、按地震序列分類(lèi)：

地震時(shí)彈性應(yīng)變能，以波的形式釋放擴(kuò)散，經(jīng)多次反射、折射形成持續(xù)過(guò)程，加之?dāng)嗔彦e(cuò)位不是瞬間完成的，故在一定時(shí)間內(nèi)（幾十天或數(shù)月）相繼發(fā)生在相鄰地區(qū)的一系列大小地震稱(chēng)為地震序列。在一個(gè)地震序列中，最大的一次地震稱(chēng)為主震。主震之前發(fā)生的地震稱(chēng)為前震。主震之后發(fā)生的地震稱(chēng)為余震。主震型地震：在一個(gè)地震序列中，若主震震級(jí)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(jiàn)的破壞性地震類(lèi)型。1.1.1地震類(lèi)型與成因

震群型或多發(fā)型地震：在一個(gè)地震序列中，若主震震級(jí)不突出，主要地震能量是由多個(gè)震級(jí)相近地震釋放出來(lái)的。孤立型或單發(fā)型地震：在一個(gè)地震序列中，若前震和余震都很少，甚至沒(méi)有，絕大部分地震能量都是通過(guò)主震一次釋放出來(lái)的。三種類(lèi)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(rèn)識(shí)和判別對(duì)預(yù)報(bào)地震和預(yù)防地震都很重要。1.1.2地震波

地震波：地震產(chǎn)生的地殼運(yùn)動(dòng)（振動(dòng)）以波的形式從震源向各個(gè)方向傳播并釋放能量，這種波稱(chēng)為地震波。地震波包含：體波和面波。1、體波：在地球內(nèi)部傳播的波?？v波：在傳播過(guò)程中，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的前進(jìn)方向一致，又稱(chēng)為壓縮波或疏密波。特點(diǎn)：周期短，振幅小，波速快,引起地面豎向顛簸?？v波也叫初波橫波：在傳播過(guò)程中，介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與波的前進(jìn)方向垂直，故又稱(chēng)為剪切波。特點(diǎn)：周期較長(zhǎng)，振幅較大，波速慢,引起地面水平搖晃。橫波也叫次波。體波橫波（S波）縱波（P波）1.1.2地震波

2、面波：只限于在地面附近傳播的波，也就是體波經(jīng)過(guò)地層界面多次反射形成的次生波。

特點(diǎn)：周期長(zhǎng)，振幅大，比體波衰減慢，能傳播到很遠(yuǎn)的地方。建筑物破壞主要是由面波造成。瑞雷波：傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)在波的傳播方向和地面法線組成的平面內(nèi)（XZ）做橢圓形運(yùn)動(dòng)，而在與XZ平面垂直的水平方向（Y）沒(méi)有振動(dòng)，質(zhì)點(diǎn)在地面上呈滾動(dòng)形式。洛夫波：傳播時(shí)，質(zhì)點(diǎn)只在與傳播方向相垂直的水平方向（Y）運(yùn)動(dòng)，在地面上呈蛇形運(yùn)動(dòng)形式。面波瑞利波（R波）樂(lè)夫波(L波)1.1.2地震波

從實(shí)際地震時(shí)記錄到的地震波可以看出，首先達(dá)到的是縱波（初波、P波），接著是橫波（次波、S波），面波達(dá)到的最晚。一般情況下，當(dāng)橫波或面波達(dá)到時(shí)，振幅增大，地面振動(dòng)最猛烈，造成的危害也最大。雜波P波開(kāi)始S波開(kāi)始面波開(kāi)始1.1.3地震動(dòng)

地震動(dòng)：由地震波傳播引起的地面運(yùn)動(dòng)。一般特征可用地面運(yùn)動(dòng)加速度記錄曲線來(lái)說(shuō)明。地震地面運(yùn)動(dòng)的一般特征概括為：1.地面運(yùn)動(dòng)最大加速度：決定強(qiáng)震時(shí)作用于結(jié)構(gòu)的地震力2.地面運(yùn)動(dòng)的周期：對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)起重要作用3.強(qiáng)震的持續(xù)時(shí)間：對(duì)建筑物的破壞程度有較大的影響§1.2地震震級(jí)與地震烈度

1.2.1地震震級(jí)定義：震級(jí)是表示一次地震本身強(qiáng)弱程度或大小的尺度，也是表示一次地震釋放能量的多少，是一個(gè)衡量地震強(qiáng)度的指標(biāo)，用M表示。一次地震只有一個(gè)震級(jí)。目前，國(guó)際上比較通用的是里氏震級(jí)，

在1935年由查爾斯·里克特（1900～1985年）給出定義，即地震震級(jí)為

M=lgA

式中A是標(biāo)準(zhǔn)地震儀（周期0.8s，阻尼系數(shù)0.8，放大倍數(shù)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(dòng)位移（單振幅）。1.2.1地震震級(jí)

地震按震級(jí)大小分類(lèi)（1）微震：小于2級(jí)，人感覺(jué)不到，只有儀器才能記錄下來(lái)。（2）有感地震：2-4級(jí)，人能感覺(jué)到。（3）破壞性地震：5級(jí)以上地震，能夠引起不同程度破壞。（4）強(qiáng)烈地震或大震：7級(jí)以上地震。（5）特大地震：8級(jí)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(jí)大，破壞力不一定大；震級(jí)小，破壞力不一定就小。1.2.2地震烈度

定義：指某一地區(qū)的地面和各類(lèi)建筑物遭受一次地震影響的強(qiáng)弱程度，簡(jiǎn)稱(chēng)為烈度。一般而言，震級(jí)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(jí)、震中距外，還與震源深度、地震的傳播介質(zhì)、表土性質(zhì)、建筑物的動(dòng)力特性和施工質(zhì)量等許多因素有關(guān)。震級(jí)與烈度的區(qū)別：一次地震只有一個(gè)震級(jí)，但不同的地點(diǎn)會(huì)有不同的烈度。1.2.2地震烈度

地震烈度表地震烈度表是評(píng)定地震烈度的標(biāo)準(zhǔn)和尺度。它以描述震害宏觀現(xiàn)象為主，即根據(jù)建筑物的破壞程度、地貌變化特征、地震時(shí)人的感覺(jué)、家具的動(dòng)作反應(yīng)等進(jìn)行區(qū)分。

現(xiàn)在主要由地面震動(dòng)的速度和加速度確定。

如水平向的加速度

10度為1000cm/s29度為500cm/s28度為250cm/s2

7度為125cm/s26度為63cm/s2

我國(guó)在1980年制定的《中國(guó)地震烈度表》將地震烈度分為1-12度（不同的國(guó)家的分度方法不同）。1.2.3基本烈度與地震區(qū)劃

基本烈度：一個(gè)地區(qū)未來(lái)50年內(nèi)一般場(chǎng)地條件下可能遭受的具有10%超越概率的地震烈度值稱(chēng)為該地區(qū)的基本烈度?；玖叶纫卜Q(chēng)為偶遇烈度或中震烈度。1.2.3基本烈度與地震區(qū)劃

地震區(qū)劃：是指根據(jù)歷史地震、地震地質(zhì)構(gòu)造和地震觀測(cè)資料，在地圖上按地震情況的差異劃出的不同區(qū)域。

《中國(guó)地震動(dòng)參考區(qū)劃圖》，是確定我國(guó)城鎮(zhèn)抗震設(shè)防烈度、設(shè)計(jì)基本地震加速度和設(shè)計(jì)地震分組的依據(jù)，具有法律效應(yīng)。

鄭州地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，地震動(dòng)加速度為0.1g

抗震設(shè)防烈度和設(shè)計(jì)基本地震加速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系抗震設(shè)防烈度6度7度8度9度設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)基本地震加速度值0.05g0.1g（0.15g）0.2g（0.3g）0.4g1.2.3基本烈度與地震區(qū)劃

設(shè)計(jì)地震分組：是新規(guī)范新提出的概念，用以代替舊規(guī)范設(shè)計(jì)近震、設(shè)計(jì)遠(yuǎn)震的概念。6度近震6度遠(yuǎn)震7度近震7度遠(yuǎn)震在宏觀烈度大體相同條件下，處于大震級(jí)遠(yuǎn)離震中的高聳建筑物的震害比中小級(jí)震級(jí)近震中距的情況嚴(yán)重的多。設(shè)計(jì)地震分三組，對(duì)于Ⅱ類(lèi)場(chǎng)地，第一、二、三組的設(shè)計(jì)特征周期分別為：0.35s、0.40s、0.45s.

§1.3地震災(zāi)害概說(shuō)

1.3.1中國(guó)地震背景一、災(zāi)害分為自然災(zāi)害和人為災(zāi)害。人為災(zāi)害：火災(zāi)、污染（大氣、水、海洋）、核泄漏、戰(zhàn)爭(zhēng)等。自然災(zāi)害：地震災(zāi)害是群災(zāi)之首，它具有突發(fā)性和不可預(yù)測(cè)性，以及頻度較高，并產(chǎn)生嚴(yán)重次生災(zāi)害，對(duì)社會(huì)也會(huì)產(chǎn)生很大影響等特點(diǎn)。地震是一種普遍的自然現(xiàn)象地震是地球內(nèi)部構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的產(chǎn)物，是一種普遍的自然現(xiàn)象。全世界每年發(fā)生約500萬(wàn)次地震。其中：破壞性的大地震平均每年約18~20次。1.3.1中國(guó)地震背景

地震又是一種突發(fā)的自然災(zāi)害。現(xiàn)代科技的發(fā)展，雖能對(duì)地震的發(fā)生進(jìn)行預(yù)測(cè)，但準(zhǔn)確地預(yù)報(bào)何時(shí)、何地將發(fā)生何種強(qiáng)度的地震一般是很困