抗震设计基础知识

1、第一章 地震及结构抗震的基本知识 知识点解析：1. 地球构造： 地球是一个近似于球体的椭球体 , 平均半径约 6370km. 赤道半径约 6378km. 两极半径约 6357km。 地球内部可分为 3 大部分：地壳、地幔和地核。（ 1）地壳 地震多发区域：绝大部分发生在地壳内。（ 2）地幔 地幔物质根据推算形态应为粘弹性体（可传播横波 ） 。（ 3）地核2地震的发生过程：（ 1）地震：是地球内某处因地球构造运动、 岩层突然破裂 （构造地震 ）、成因局部岩层塌陷 （ 塌陷地震 ） 、火山爆发 （火 山地震 ）等发生了振动 , 并以波的形式传到地表、引起地面的颠簸和摇晃。 震源：发生地震的地方。

2、震中：震源在地表的投影。 震源深度：震源至地面的垂直距离。分为：（a）浅源地震 （=60km.）（ 世界上绝大部分地震 ）.（b）中源地震 （60-300km）.（c）深源地震 （300km）. 震源深度影响：浅震波及范围小、破坏程度大；深震波及范围大而破坏程度小。 3地震的成因与类型：（ 1）地震成因：地壳的变形（ 2）地震类型： 构造地震：全球地震发生总数约90%为构造地震。火山地震 塌陷地震 此外，水库也能诱发地震、核爆炸可能在场地激发地震。4地震波及其传播（ 1）地震波定义：地震引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播。（ 2）分类： 体波：通过地球本体传递的波。（i ）纵波：可在固体

3、、液体传播，为压缩波。（ ii ）横波：只能在固体中传播，为剪切波。面波：为次生波。分为： （a） 乐甫波、 （b） 瑞雷波。 5地震波的主要特性：地震加速度、速度和位移波形 地震加速度波形及三大要素：峰值、频谱、持续时间。6地震震级：是表征地震强弱的指标，是地震释放能量多少的尺度，一次地震仅一个震级。 分为： （1） 近震震级 ML；（2） 面波震级 MS； （3） 体波震级 MB。基于震级的地震分类：微震、有感地震、破坏地震、强烈地震。 7地震烈度：地震对地面影响的强烈程度。8中国地震活动的主要特点：（ 1）分布范围广：面积 79%以上为 6 度抗震设防。（ 2）震源浅、强度大：绝大部分深

4、度20-30km 。（ 3）强震的重演周期长：（ 4）位于地震区的大中城市多，建筑物抭震能力低。8中国的地震灾害：（ 1）地表破坏：地震缝、喷砂冒水、滑坡塌方。（ 2）建筑物的破坏（ 3）次生震害：一次灾害、次生灾害。 9抗震设防目标的确定（1）依据现有的科学水平和经济条件（2）合理的设防目标具有重要意义，既能有效减轻地震破坏，又能合理使用资金。 10中国抗震设防标准（ 1）原则：在建筑物使用寿命期间，对不同频度和强度的地震，要求建筑物具有不同水平的抵抗能力。（ 2）地震危险性分析地震频度和强度。 基本烈度（中震）：相当于 50 年超越概率为 10%的烈度，重现周期为 475 年。 众值烈度（

5、小震）： 50 年超越概率为 63.2%，重现周期为 50 年，众值烈度比基本烈度低 1.55 度。 罕遇烈度 （大震） ：超越概率为 3%重现周期为 1461-2475 年，罕遇烈度比基本烈度高 1 度。11 中国抗震设计规范 （2001） 设防目标： 三水准的设防要求：小震不坏、中震可修、大震不倒。12抗震设防目标的实现（ 1）中国抗震设防的目标，是根据不同的水准用不同的抗震设计方法和要求实现的，称为三水准、二阶段抗震设 计方法。第一水准：建筑物在遭受颇度较高、强度较低的各种地震时，按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合、验算结 构构件的承载能力、及在小震作用下验算结构弹性变形。第二水准：

6、对各类结构按规定要求采取抗震措施。 第三水准：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。（ 2）二阶段抗震设计方法： 强度验算：以小震验算承戴能力，小震验算结构弹性变形。 （ 第一水准设防 ） 构造措施：通过构造措施保证结构必要的变形能力。（ 第二水准设防 ）变形验算：变形验算、对特别重要的结构和易倒塌结构按大震验算层间位移。（ 第三水准设防 ）第二章 场地、地基和基础 知识点解析与小结：1. 掌握建筑地段的选择和场地类别的分类。2. 了解天然地基与基础的抗震验算。3. 掌握液化地基的现象、影响因素、液化地基的判别与处理。4. 了解地基基础抗震加固的方法，掌握地基加固处理方法的选择原

7、则。 1地段类别的划分：有利地段、不利地段、危险地段。在建筑物选址时，应选择对抗震有利的地段，避开不利地段，当无法避开时，应采取适当的抗震措施，不应在危险 地段建造建筑物。2发展断裂带的震害和避让 3局部孤突地形的震害影响 4场地土的分类：（ 1）建筑场地对建筑物震害的影响 软弱地基上，柔性结构易破坏，刚性结构相应表现较好。 坚硬地基上，柔性结构表现较好，刚性结构表现不一。 深厚覆盖土层上建筑物的震害较重，而浅层土上建筑物的震害则相对要轻些。（ 2）场地土类的划分 影响因素：覆盖土层厚度、表层土的剪切波速将建筑物场地分为 I-IV（ 3）抗震规范场地类别划分： 抗震规范按照表层土的剪切波速和场

8、地覆盖层厚度两个因素， 四种类别。5地基的抗震验算：（ 1）天然地基破坏极少。（ 2）可不进行抗震验算的天然地基。（ 3）天然地基的抗震验算。 6地基土的液化现象：在地震作用下，饱和砂土或粉土颗粒间急剧上升的孔隙水压力来不及消散，使有效压力降 低，当有效压力完全消失时，土体抗剪强度为0，形成有如 液体的现象，即称为 液化 。7液化危害：（ 1）地面：喷水、冒砂、地陷等。（ 2）建筑物：下沉、倾斜8决定地基液化的主要因素有：（1） 土层的地质年代。（2） 土的组成和密实饱度。（3）液化土层的埋深。（4）地下水位深度。（5）地震烈度和持续时间。 9液化的初步判别：初步判别为不液化或可不考虑液化影响

9、的条件。试验判别：标准贯入试验的判别公式为： 液化指数的大小，从定量上反映了土层液化的可能性大小和液化危害的轻重程度。10地基抗液化措施 根据建筑物的重要性和地基的液化等级， 并结合当地的施工条件、 习惯采用的施工方法和施工工艺等具体情况予以 确定。11地基加固处理处理方法 首先考虑采用天然地基方案，其次考虑采取加强上部结构的建筑和结构措施，当仍然不能满足抗震要求时，再考虑 采用人工地基加固处理方案。 （ 1）换土垫层法（ 2）重锤夯实法（ 3）强夯法（ 4）振动水冲法（ 5）深层挤密法（ 6） 砂井预压法第三章 单自由度体系结构的地震反应知识点解析与小结1地震反应：地面运动作用于房屋 , 在

10、房屋结构中产生的内力、变形、位移速度和加速度。 影响地震反应的因素：房屋结构的动力特性、地面运动特性 （ 幅值、频谱特性、持续时间 ）等。 2单自由度体系结构的动力计算简图：房屋结构的简化：一般将一单层房屋集中为一个质的，将竖向构件质量集 中至上下两端，忽略质量的扭转效应，按单自由度考虑。3力学模型及运动方程：（ 1）荷载作用下的运动方程：2）地面运动作用下运动方程：4运动方程的解：（ 1）单自由度体系的无阻尼自由振动：加速度 惯性力（ 2）单自由度体系的有阻尼自由振动： 有阻尼的自振频率5单自由度体系地震反应的数值计算6求解地震作用下结构内力的方法：（ 1）比较精确的方法：建立结构体系的动力

11、学模型，根据在地震作用下的位移反应，利用刚度方程，直到求觧内 力。适用情况：理论分析。（ 2）近似方法：根据地震作用下结构的加速度反应，求出该结构体系的惯性力，将此惯性力视作为一种反映地震 影响的等效力，即地震作用，再进行结构静力计算，求出各构件内力。适用于结构设计。7地震影响系数：地震影响系数不包含地面运动强烈程度和结构反应大小地震系数 : 反应地面运动强烈程度，一般情况下，地震烈度越高，地面运动加速度愈大，所以、地震系数与地震烈度之间有 定的对应关系。 P49、表 3.1动力系数 （ 放大倍数 ）单质点体系最大绝对加速度与地面运动最大加速度的比值。 8水平地震作用的计算：, 关键要确定 ,

12、 影响因素 , 设防烈度，场区的地震动特性和场地条件。 9地震反应谱： 反应谱曲线的特点：（ 1）多峰值（ 2）阻尼影响大（ 3）随周期变化规律显著。 地面运动无规律，包含了不同频率的分量，不同结构放大频率不同。 10标准地震加速度反应谱曲线： 标准反应谱曲线的应用：已知结构的周期即可由标准反应谱曲线直接查出加速度反应。 11 抗震规范 设计反应谱：场地条件决定：场地类型和地震分组 （分为第一组、第二组、第三组 ） 。阻尼的影响：一般钢筋砼的阻尼比取 0.05 ，但建筑结构的阻尼比也会有较多的变化，如阻尼器的采用，钢结构房 屋等阻尼比均不相同。第四章 多自由度体系结构的地震反应知识点解析与小结

13、： 1多自由度体系的常用分析模型：层间模型：每个楼面、屋面可作用一个质点，墙柱质量则分别向上下质点集中。 2两自由度体系结构无阻尼运动方程：3多自由度体系结构无阻尼运动方程：考虑阻尼时：采用端雷阻尼假定： 4多自由度体系的自振频率：（4.11）P62 第一自振圆频率 （ 较小）第二自振圆频率 （较大 ）较大的为第一自振周期较小的为第二自振周期较小的为第一自振频率较大的为第二自振频率5多自由度体系的振型 振型的概念：对应某一自振频率各质点位移向的关系： （ 1）对应某一自振频率各质点位移的比值： 特点：位移幅值的比值为常数。（ 2）对应某一自振频率、各质点任意时刻位移的关系： 特点：位移比值仍为

14、常数。（ 3）体系运动的组成：包含所有的频率和振型。6振型的正交性：任意两个不同频率的主振型之间有在互相正交的性质。 振型关于质量矩阵正交性（4.17）振型于刚度矩阵正交性(4.18)进一步可得 :7结构周期的近似计算：( 1)基本周期的实用近似计算：能量法Ui 将质点的重力荷载视为水平力所产生的质点 i 处的水平位移 . 等效质量法： 基本思想：用一个等效单质点体系、代替原来的多质点体系。等效原则为：1) 等效单质点体系与原多质点体系的基本自振效率相等。2) 等效单质点体系与自由振动的最大动能与原多质点体系的基本自由振动的最大动能相等。连续质量体系弯曲型悬臂构件，剪切型悬臂构件弯剪型悬臂结构

15、介于前两者之间。等效单质点体系的频率：体系在等效质奌处 , 受单位水平力所产生所水平位移 顶点位移法基本思想：将悬臂结构的基本周期，用顶点位移表示，而该顶点位移为将结构重力荷载作为水平荷载作用在结构顶点所产生的假想顶点位移。对质量沿高度均匀分布的等截面弯曲型悬臂杆将重力荷载作为水平荷载产生的顶点位移为：8多自由度体系的振型分解法互相独立的微分方程，从而使原来多自由( 1)振型分解法基本概念： 思路：利用各振型相互正交的特性，将原来耦联的微分方程组变为若 度体系的动力计算变为若干个单自由度体系的问题。求解：求得各单自由度体系的解后，再将各个解进行组合，从而可求得多自由度体系的地震反应。（ 2）多

16、自由度体系地震反应振型分解法的求解步骤： 求体系自振效率和振型 . 计算振型参与系数 Vj求解各单自由度体系的广义坐标： 按振型叠加原理计算各质点的位移9振型分解反应谱法： 多自由度体系的水平地震作用、可用各质点所受的惯性力来代表。振型的地震组合时振型反应的确定： 结构的总地震反应应以底阶振型为主，高阶振型的影响较小。（ 1）一般情况下、可取结构前 2-3 振型进行组合、但不多于结构自由度。（ 2）当结构基本周期大于 1.5s 或高宽比大于 5 时，可适当增加。10底层剪力法（ 1）适用条件：结构的质量和刚度沿高度分布比较均匀；房屋的总高度不超过40 米；建筑结构在地震作用下的变形以剪切变形为

17、主；建筑结构在地震作用时的扭转效应可忽略不计。（ 2）底部剪力计算 鞭梢效应：突出屋面的小建筑，由于刚度和质量突然变小，局中地震反应有可能加剧，计算作用在小建筑上的地震 作用需乘以增大系数，抗震规范规定为3，向主体结构传递时不乘增大系数。11多自由度体系地震反应的时程分析的适用范围第五章 地震作用和结构抗震设计要点 知识点解析与小结：1. 建筑抗震设防分类标准：根据建筑的重要性、 在地震中和地震后建筑物的损坏对社会和经济产生的影响大小以及在抗震防灾中的作用， 将建 筑明确地划分为甲、乙、丙、丁四类。2. 各类建筑抗震设防的标准。3. 各类建筑抗震设防的目标：“三水准”、“两阶段”抗震设计目标

18、, 即“小震不坏、中震可修、大震不倒” , 分别按弹性和弹塑性两阶段设计。4. 抗震概念设计： 抗震概念设计主要体现在以下几方面：（ 1）预防为主，全面规划；（ 2）选择有利的抗震场地，作好地基基础的抗震设计；（ 3）建筑布置宜规则；（ 4）选用良好的抗震结构体系；（ 5）重视防止非结构构件的震害。5. 地震作用计算的一般规定：（ 1）抗震规范规定的计算原则。（ 2）地震作用计算方法的确定： 地震作用计算方法： 现行抗震规范的抗震设计计算采用以下三种方法：底部剪力法、振型分解反应谱法、时程分析法。 地震作用各计算方法的特点。 地震作用计算方法的选用情况： 根据不同的结构、不同的设计要求区别对待

19、。6. 重力荷载代表值的计算：进行结构抗震设计时考虑的重力荷载称为重力荷载代表值，重力荷载包括恒载和活载。由于地震发生时，活载往往 达不到标准值，因此，在计算顶点的重力荷载可对活载进行折减，7水平地震作用的有关规定：（ 1）考虑扭转藕联时水平地震作用计算：1）考虑扭转振动的原因； 地面运动存在主义转动分量、或地震时地面各点的运动存在相位差。 结构本身存在偏心，即结构的刚度中心和质量中心不重合。2）考虑扭转的效应方法：3）平扭耦合体系地震作用的计算方法 平面规则的建筑结构，中国抗震规范规定当规则结构不考虑扭转耦联计算时，应采用增大边榀结构地震内力的 简化方法、考虑由于施工、使用等原因所产生的偶然

20、偏心引起的地震扭转效应及地震地面运动转动分量的影响。 平行于地震作用的方向的两个边榀，其地震作用效应可乘以增大系数。一般情况下，短边可按 1.15 采用、长边可 按 1.05 采用；当扭转刚度较小时、宜按不小于 1.3 采用。（ 2）突出屋面小房间的地震作用（ 3）楼层最小地震剪力的规定（ 4）楼层地震剪力的分配 8地基与结构相互作用的考虑（ 1）地基与结构的相互作用概念（ 2）相互作用的结果（ 3）抗震规范规定9竖向地震作用的计算抗震规范规定： 8 度和 9 度时的大跨度结构、长悬臂结构、 9 度时的高层建筑，应考虑竖向地震作用。（ 1）高层建筑的竖向地震作用的计算：按反应谱法计算。（ 2）

21、网架及大跨度屋架的地震作用的计算：静力法。（ 3）长悬臂和其它大跨度结构：静力法。10结构抗震验算内容（ 1）多遇地震下结构允许弹性变形验算，防止非结构构件破坏。（小震不坏）（ 2）多遇地震下强度验算，防止结构构件破坏。（小震不坏）（ 3）罕遇地震下结构的弹塑性变形验算，防止结构倒塌。（大震不倒 ）中震可修 （ 非计算、通过构造保证 ） 。11结构抗震验算：1）多遇地震下结构允许弹性变形验算：2）多遇地震下强度验算：*结构构件的地震作用效应和其它荷载效应组合，可按下式计算：（ 3）罕遇地震作用下结构弹塑性变形验算： 结构的弹塑性变形控制目标：保证结构不致倒塌。 验算方法： 应对结构的薄弱层 （

22、变形大 ）进行弹塑性验算， 一般在强震作用下使其小于某限值， 以保证结构不致倒塌。 抗震规范规定罕遇地震作用下薄弱层（部位 ） 的抗震变形验算范围 弹塑性层间位移计算公式：（ 部位 ） 的位置确定。 结构薄弱层 （部位 ）的确定：结构薄弱层定义、楼层屈服强度系数、结构薄弱层结构薄弱层 （部位 ）弹塑性层间位移计算公式：第六章 多层和高层钢筋混凝土结构房屋抗震设计知识点解析与小结：1框架结构震害 .（ 1）结构层间屈服强度有明显薄弱楼层；（ 2）柱端破坏；（ 3）节点破坏；（ 4）砌体填充墙破坏严重。2防震缝破坏普遍3抗震墙 （相当于剪力墙 ） 结构的震害：连梁震害、墙肢破坏4抗震等级（ 1）地

23、震作用越大，房屋抗震要求越高。（ 2）结构的抗震能力主要取决于主要抗侧力构件的性能，主、次要抗侧力构件的要求可以有区别。（ 3）房屋越高，地震反应越大，其抗震要求越高。 抗震等级划分：综合考虑地震作用、结构类型和房屋高度等因素、划分抗震等级进行抗震设计，可以对同一设防烈 度的不同高度的房屋采用不同抗震等级设计5结构体系的选择原则（ 1）应使结构自振周期避开场地特征周期。（ 2）钢筋砼结构适用的房屋最大高度。（ 3）结构布置的规则性。（ 4）沿房屋高度的层间刚度和层间屈服强度的分布宜均匀（ 5）宜布置成双向框架。（ 6）结构宜有多道抗震防线：6合理设计结构破坏机制：（ 1）框架结构的破坏机制 概

24、念设计理念：强柱弱梁、强剪弱弯、强节点弱杆件。（ 2）框架抗震墙结构的破坏机制 7控制构件在极限破坏前不发生明显的脆性破坏：（ 1）轴压比限制： 1）目的：控制偏心受拉边钢筋先达到抗拉强度 . 防止受压边砼先达到极限压应变。2）轴压比对柱变形能力的影响：轴压比增加、变形能力急剧降低，需进行限制，但又要符合技术水平和经济条件。3）轴压比的确定：（ 2）剪压比限制：1）剪压比影响： 配筋率过大时、不能充分发挥箍筋强度，发生斜压破坏。 剪压比对截面变形有影响。实际上是限制最小截面尺寸。2）剪压比限值：剪跨比大于 2 的矩形框架：剪跨比不大于 2 的矩形框架：8结构抗震设计内力组合情况（ 1）需考虑的

25、内力组合项1）2）3）2）承载力验算式：对于某些需考虑竖向地需作用的结构，尚需按下式验算：（ 3）梁端内力不利组合；（ 4）柱内力不利组合。 9抗震设计构件内力设计值调整：（ 1）根据强柱弱梁原则进行柱弯矩值调整：P130（6.14）9 度和一级框框尚应符合：式中 :- 强柱系数 :. 一级为 1.4 二级为 1.2 三级为 1.1（ 2）根据强剪弱弯原则进行剪力设计值调整 框架梁剪力设计值调整9 度和一级框架尚应符合：框架柱剪力设计值的调整：9 度和一级框架尚应符合：（ 3）根据强节点弱杆件进行节点核心区剪力设计值调整。 10截面抗震验算：（ 1）梁截面验算：正截面验算、斜截面验算。（ 2）柱截面验算：正截面验算、轴压比的限制、斜截面的验算。（ 3）框架节点验算：1）节点受力：2）影响节点承载力和延性的因素： 梁板的约束作用：有直交梁的中柱节点砼抗剪强度有明显提高。 轴压比较小时， 压力的存在对砼抗剪强度有利， 当轴压比大于 0.6-0.8 时，节点区砼抗剪强度