结构抗震(本科)全册配套精品完整课件

1、结构抗震结构抗震(本科本科)全册配套精品完整课全册配套精品完整课件件结构抗震设计原理结构抗震设计原理概概述述地震是一种突发的自然灾害地震是一种突发的自然灾害我国是世界上多地震国家之一我国是世界上多地震国家之一六、七十年代的强烈地震造成了严重损失六、七十年代的强烈地震造成了严重损失近几年地震比较活跃近几年地震比较活跃搞好新建工程的抗震设计是最根本的减搞好新建工程的抗震设计是最根本的减灾措施灾措施地震是地壳运动的一种形式地震是地壳运动的一种形式是一种普遍的自然现象是一种普遍的自然现象每年约500万次地震99%以上是人感觉不到的不到1万次能感觉到5级以上强烈地震仅有1000次左右全球地震分布是有规律

2、全球地震分布是有规律环太平洋地震带和欧亚地震带环太平洋地震带和欧亚地震带全球地震分布是有规律全球地震分布是有规律地震带位于板块边界85%发生在海洋，15%发生在大陆概概述述地震是一种突发的自然灾害我国是世界上多地震国家之一六、七十年代的强烈地震造成了严重损失近几年地震比较活跃搞好新建工程的抗震设计是最根本的减灾措施世界陆地世界大陆面积中国约占十四分之一地震次数中国约占三分之一我国是大陆地震最多的国家我国是大陆地震最多的国家=20世纪以来统计结果我国地震灾害特点我国我国 20世纪以世纪以来地震灾害统计来地震灾害统计6.0-6.9级地震：395次7.0-7.9级地震：8.0级以上地震：8.5级以上

3、地震：死亡人数：伤残人数：倒坍房屋：受灾人数：直接经济损失：间接经济损失：70次+1+18次+1+12次59万人+776万人600余万间数亿人次数百亿元数千亿元我国地震灾害特点我国我国20世纪世纪以来地震活动以来地震活动我国地震灾害特点我国地震以浅源为主我国地震以浅源为主台湾、喜马拉雅中源，东北深源我国地震灾害特点以下VII度区以下以80%70%60%50%40%30%20%10%0%90%VII度区以上50% 50%VII度区以上城市67%VII度 33%区VII度上 区以下特大城市VII度区以下59%41%VII VII度 度区 区以上全国我国城市危险程度我国城市危险程度100%23个省会

4、城市、2/3百万以上人口的大城市我国地震灾害特点气象灾害40%地质灾害4%海洋与林业灾害1%其他灾害1%建国后地震死亡人数为群灾之首建国后地震死亡人数为群灾之首地震灾害 54%死亡人总数约为55万，地震死亡28万，超过一半我国地震灾害特点1556年陕西华县8级地震，死亡83万人1920年宁夏海原8.6级地震，死亡23.4万人1976年河北唐山7.8级地震，死亡24.2万人856年伊朗8级地震，死亡20万人2004年印尼苏门达腊8.7级地震，死亡30万人历史记载上死亡超历史记载上死亡超20万人的地震万人的地震1303年山西洪洞8级地震，死亡20万人我国地震灾害特点概概述述地震是一种突发的自然灾害

5、我国是世界上多地震国家之一六、七十年代的强烈地震造成了严重损失近几年地震比较活跃搞好新建工程的抗震设计是最根本的减灾措施唐山大地震唐山大地震1976年7月28日，唐山市发生7.8级地震。地震的震中位置位于唐山市区。这是中国历史上一次罕见的城市地震灾害。顷刻之间，一个百万人口的城市化为一片瓦砾，人民生命财产及国家财产遭到惨重损失。北京市和天津市受到严重波及。地震破坏范围超过3万平方公里，有感范围广达14个省、市、自治区，相当于全国面积的三分之一。地震发生于深夜，市区80%的人来不及反应，被埋在瓦砾之下。极震区包括京山铁路南北两侧的47平方公里。区内所有的建筑物均几乎都荡然无存。地震共造成24.2

6、万人死亡，16.4万人受重伤。唐山市文化路青年宫，为砖混结构的二层楼房，7.8级地震时倒塌一层，7.1级地震时除四根门柱外，全部坍塌。开滦煤矿医院，为砖混结构的五层楼房（局部七层），仅西部转角残存 。唐山市开滦煤矿救护楼，为砖混结构人字木屋架的三层楼房，墙倒顶塌。唐山市河北省煤矿设计院，砖混结构的楼房局部倒塌。唐山地区交通局，砖混结构的三层办公楼遭到破坏。（此处为唐山地震重点保护遗迹之一。）唐山市河北省矿业学院图书馆，三层高的阅览室，系装配式纯框架结构，西头倒毁，东头框架幸存。（此处为唐山地震重点保护遗迹之一。）唐山市机车车辆厂震后概貌。震后工厂厂区死亡死亡2424人，经济损失人，经济损失94

7、94亿美元亿美元!印印 度度 大大 地地 震震 当地时间当地时间2001年年1月月26日上午日上午8时时46分（北京时分（北京时间间2001年年1月月26日日11时时16分分36.4秒，国际时间秒，国际时间2001年年1月月26日日03时时16分分40秒），在印度西北部古吉拉特邦秒），在印度西北部古吉拉特邦发生一次强烈地震。据印度地震部门测定，这次地发生一次强烈地震。据印度地震部门测定，这次地震为震为里氏里氏7.9级级，震中位于北纬，震中位于北纬23.6度和东经度和东经69.8度。度。至至31日止，地震发生后已发生了日止，地震发生后已发生了196次余震。次余震。座落在活断层上的一座二层小学教学

8、楼被完全摧毁。座落在活断层上的一座二层小学教学楼被完全摧毁。 地震造成达地震造成达180180公里的破碎带，水平和垂直错距都很大，公里的破碎带，水平和垂直错距都很大，引起地表沉陷、隆起、裂缝、液化等地表破坏，同时引起地表沉陷、隆起、裂缝、液化等地表破坏，同时造成建筑物的大量毁坏。造成建筑物的大量毁坏。概概述述地震是一种突发的自然灾害我国是世界上多地震国家之一六、七十年代的强烈地震造成了严重损失近几年地震比较活跃搞好新建工程的抗震设计是最根本的减灾措施概概述述地震是一种突发的自然灾害我国是世界上多地震国家之一六、七十年代的强烈地震造成了严重损失近几年地震比较活跃搞好新建工程的抗震设计是最根本的减

9、灾措施抗震减灾的的任务抗震减灾的的任务结构工程师的任务结构工程师的任务对地震区域作抗震减灾规划；对地震区域作抗震减灾规划；对新建筑工程作抗震设计；对新建筑工程作抗震设计；已存在的工程结构作抗震鉴定、抗震已存在的工程结构作抗震鉴定、抗震加固。加固。第十七条第十七条 新建、扩建、改建建设新建、扩建、改建建设工程，必须达到抗震设防要求。工程，必须达到抗震设防要求。第十九条第十九条 建设工程必须按照抗震建设工程必须按照抗震设防要求和抗震设计规范进行抗设防要求和抗震设计规范进行抗震设计，并按照抗震设计进行施震设计，并按照抗震设计进行施工。工。中华人民共和国防震减灾法(1997年12月29日第八届全国人民

10、代表大会常务委员会第二十九次会议通过)第四十五条第四十五条 违反本法规定，有下列行为之一的，由违反本法规定，有下列行为之一的，由县级以上人民政府建设行政主管部门或者其他有关县级以上人民政府建设行政主管部门或者其他有关专业主管部门按照职责权限责令改正，处一万元以专业主管部门按照职责权限责令改正，处一万元以上十万元以下的罚款：上十万元以下的罚款：（一）不按照抗震设计规范进行抗震设计的；（一）不按照抗震设计规范进行抗震设计的；（二）不按照抗震设计进行施工的（二）不按照抗震设计进行施工的中华人民共和国防震减灾法(1997年12月29日第八届全国人民代表大会常务委员会第二十九次会议通过)学习本课程的主要

11、目的学习本课程的主要目的掌握抗震的基本知识、基本理论、基本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；技能，了解抗震设计的一般规律；培养运用规范、标准，查阅技术资料的培养运用规范、标准，查阅技术资料的能力和抗震计算能力；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。抗震理论、方法的发展趋势。第一章 绪论1.1 地震与地震动1.1.1 地震类型与成因地震的类型：地震的类型：诱发地震诱发地震：水库蓄水、人工爆炸或矿山开采等引起的地震：水库蓄水、人工爆炸或矿山开采等引起的地震天然地震天然地震1)构造地震构造地震：

12、由：由地球内部岩层的构造变动引起的地震地球内部岩层的构造变动引起的地震2)火山地震：火山爆发岩浆冲出引起的地震火山地震：火山爆发岩浆冲出引起的地震诱发地震水库地震新丰江水库大坝1962年3 月19日04时18分（北京时间），在大坝东北1.1 公里处发生6.1级地震，震源深度5 公里，震中烈度 VIII 度。这次地震成为我国截止目前最大的水库地震。极震区长轴约9 公里，面积约28平方公里。诱发地震水库地震构造地震构造地震的成因地球内部由三个圈层组成：地壳、地幔、地核地壳是由一些巨大的板块组成美洲板块非洲板块欧亚板块印-澳板块 太平洋板块南极洲板块岩流层（地幔）板块间相互挤压、冲撞引起地震板块之间

13、的相互作用力会使地壳中的岩层发生变形，当这种变形积聚到一定程度时，该处岩体就会发生突然断裂或错动，引发地震。构造地震成因和震源机制火山地震震源、震中和地震波1.1.2震源和震中H60m60mH300m浅源地震中源地震深源地震同样大小的地震,H较小时,震中区范围小,破坏程度大;H较大时,震中区范围大,破坏程度小;震源震中区震源深度H观测点L震中距震源深度地震波（弹性波）VpVsVLVp=1.67Vs地震波体波面波(L波)纵波(P波)上下颠簸横波(S波)瑞雷波乐夫波左右摇晃上下颠簸左右摇晃地震波1.1.3 地震动强震时的地面运动加速度记录曲线可以反映地震动的特征地震动的三要素：最大振幅：反映强度特

14、性频 谱：反映周期分布特征持续时间：地震作用程度的强弱M5破坏性地震M7强烈地震1.2 地震震级与地震烈度1.2.1 地震震级地震震级: 衡量一次地震强弱程度即地震所释放的能量大小的度量指标近震震级（震中距小于100km）M=logA+ R（）震级M与震源释放能量E（单位为 10-7J）之间的关系为：logE=11.8+1.5M地震震级震级是通过地震仪器的记录计算出来的，地震越强，震级越大。震级相差一级，能量相差约30倍。目前世界上有纪录的最大地震是1960年5月22日发生在智利的8.9级地震。一个6级地震相当于一个两万吨级的原子弹1.2.2 地震烈度地震烈度：地震时一定地点地面震动的强弱程度

15、。是某一区域的地表和各类建筑物遭受某一次地震影响的平均强弱程度。震中距L不同，烈度I不同震中烈度：I0=1.5（M-1） 或M=1+2I0/3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。地震烈度地震烈度表示地面受到地震的影响和破坏程度。一个地震的震中只有一个烈度，但随着各地的远近和受破坏的程度不同而出现不同的烈度。目前我国地震烈度采用12等级。1.2.3 基本烈度与地震区划基本烈度是指一个地区在一定时期（我国取50年）一般场地条件下按一定的概率（ 我国取10%）可能遭遇到的最大地震烈度。相当于475年一遇的最大地震的

16、烈度基本烈度是该地区进行抗震设防的依据。各地区的基本烈度由中国地震动参数区划图（GB18306-2001)确定。2008年修订版，2010版新规范。地震区划：给出每一地区在未来一定时限内关于某一烈度的超越概率，从而将国土划分为不同基本烈度所覆盖的区域。1990年版的中国地震烈度区划图 将烈度划分为5个等级：5度、6度、7度、8度和9度1.2.3 基本烈度与地震区划中国地震烈度区划图中国地震动参数区划图P286 附录B地震动峰值加速度g0.050.050.100.150.200.300.40地震基本烈度值 1.2 B 0.3BmaxBmaxB 0.3BmaxBmaxBmaxB 0.3BmaxBm

17、axB 0.3Bmax扭转不规则凹凸角不规则不规则类型定义侧向刚度不规则该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%竖向抗侧力构件不连续竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架等向下传递楼层承载力突变抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%竖向不规则的类型Ki + 2Ki +1Ki +3Ki沿竖向的侧向刚度不规则（有柔软层） 竖向抗侧力构件不连续不规则类型定义侧向刚度不规则该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层外，

18、局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%竖向抗侧力构件不连续竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架等向下传递)楼层承载力突变抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%Qy ,i +1Qy ,iQy ,i 0.8Qy ,i +1多项不规则指标超过表中指标或某一项大大超过规定值，具有严重的抗震薄弱环节，将会导致地震破坏的严重后果者。注：以上规定主要针对钢筋混凝土和钢结构的多层和高层建筑。竖向抗侧力结构屈服抗剪强度不均匀（有薄弱层）竖向不规则的类型严重不规则是指体型复杂，1.5.3 利用结构延性设计中通过构造措施和截面设计尽量增加结构与构件的延性结构的变形能力

19、取决于组成结构的构件及其连接的延性水平。规范对各类结构采取的抗震措施，基本上是提高各类结构构件的延性水平。这些抗震措施是：1. 采用水平向（圈梁）和竖向（构造柱、芯柱）混凝土构件，加强对砌体结构的约束，或采用配筋砌体；使砌体在发生裂缝后不致坍塌和散落，地震时不致丧失对重力荷载的承载能力；2. 避免混凝土结构的脆性破坏（包括混凝土压碎、构件剪切破坏、钢筋同混凝土粘结破坏）先于钢筋的屈服；3. 避免钢结构构件的整体和局部失稳，保证节点焊接部位（焊缝和母材)在地震时不致开裂。1.5.4 设置多道防线如“强柱弱梁”型框架结构有两道抗震防线：一、从结构弹性到部分梁出现塑性铰；二、从梁塑性铰发生较大转动到

20、柱根破坏。在两道防线之间，大量地震输入能量被结构的弹塑性变形所消耗。设置手段：采用超静定结构、设置人工塑性铰、利用填充墙、设置耗能元件或装置等设置原则：1、不同的设防阶段应使结构周期有明显差别，避免共振；2、最后一道防线要具备一定的强度和足够的变形潜力。1.5.5 注意非结构因素非结构构件对结构的影响：1、影响主体结构的动力特性（周期、阻尼等）；2、地震时会先期破坏。设计中应注意的问题：1、与主体结构的有效连接方式；2、分析及估计其对主体结构可能带来的影响，并采取一定的措施。非结构构件，包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备，自身及其与结构主体的连接，应进行抗震设计。1. 附着于楼、屋面结构上的

21、非结构构件，应与主体结构有可靠的连接或锚固，避免地震时倒塌伤人或砸坏重要设备。2. 围护墙和隔墙应考虑对结构抗震的不利影响，避免不合理设置而导致主体结构的破坏。3. 幕墙、装饰贴面与主体结构应有可靠连接，避免地震时脱落伤人。4. 安装在建筑上的附属机械、电气设备系统的支座和连接，应符合地震时使用功能的要求，且不应导致相关部件的损坏。思 考 题1.1 震级和烈度有什么区别和联系？1.2 如何理解不同类型建筑的抗震设防？1.3 怎样理解小震、中震与大震？1.4 概念设计、抗震计算、构造措施三者之间的关系是什么？1.5 试讨论结构延性与结构抗震的内在联系。2008.5.12汶川地震资料来自网络第二章

22、第二章 场地与地基场地与地基2.1 场地划分与场地区划2.2 地基抗震验算2.3 场地土液化及其防治2.1.1 场地及其地震效应2.1 场地划分与场地区划场地：建筑物所在地，其范围大体相当于厂区、居民点和自然村的范围场地的地震效应历史震害资料表明：房屋倒塌率随土层厚度的增加而加大；土层对地震波的作用表现在两方面：1）放大通过频率与场地固有周期接近的波群；2）过滤缩小频率与场地固有周期不一致的波群。使得地表震动的卓越周期在很大程度上取决于场地的固有周期，所以坚硬场地土的震动以短周期为主，软弱场地土的震动以长周期为主。硬（软）土上的刚（柔）性建筑震害严重。一般说来，软土地基上的建筑物震害要重于硬土

23、地基。场地的地震效应多层土的地震效应主要取决于三个基本因素：1）覆盖土层厚度2）土层的剪切波速3）岩土的阻抗比场地的地震效应场地的地震效应2.1.2 覆盖层厚度定义：地下基岩或剪切波速大于500m/s的坚硬土层至地表面的距离,也即覆盖在基岩面上部的土层厚度。v se =dni = 10d iv si式中：d0计算深度，取覆盖层厚度与20m两者的较小值土层等效剪切波速4diT = 2.1.4场地区划对于中等规模以上的城市，我国抗震规范允许采用经过批准的场地抗震设防区划进行抗震设计；场地设计地震动的区域划分一般给出城区范围内的场地类别区域划分、设防地震动参数区划和场地地面破坏潜势区划等结果；ni

24、=1 vsi场地固有周期T的计算方法2.1.1 地基抗震设计原则大量地基具有较好的抗震能力四类不利地基液化地基地基失效、不均匀沉陷、滑坡等（7-9度，6度不考虑液化）软土地基震陷、不均匀沉陷等（7-9度；8、9度明显）严重不均匀地基不均匀沉陷等（6-9度）新填土及其它不稳定地基不均匀沉陷、滑移等（7-9度）2.2 地基抗震验算松软土地基通常指淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土及地基承载力标准值小于80（7度）、100（8度）、120（9度）kPa的粘性土、粉土等软土层松软土地基在地震时会全部或部分丧失承载能力或产生不均匀沉陷，造成建筑物破坏，所以应采取地基处理措施（如置换、加密、强夯等）消除土的动

25、力不稳定性，或采用桩基础避开不利影响。可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算的建筑：砌体；一般厂房、单层空旷房屋、多层框架厂房；不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋等;规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。对位于软弱场地土上的建筑物，基本烈度在7度以上时，应采取防地裂措施；岩土名称和性状 a岩石，稍密的碎石土，密实的砾、粗、中砂， 的粘性土和粉土f k 300kPa1.5中密、稍密的碎石土，中密和稍密的砾、粗、中砂，密实和中密的细、粉砂，150 kPa f k 300 kPa 的粘性土和粉土1.3稍密的细、粉砂，100kPa f k 150kPa的粘性土和粉土，新近沉积的粘性土和粉

26、土1.1淤泥，淤泥质土，松散的砂，填土1.02.2.2 地基土抗震承载力进行天然地基抗震验算时，地基土的抗震承载力为：f aE = a f a地基土抗震承载力调整系数2.2.2 地基土抗震承载力进行天然地基抗震验算时，地基土的抗震承载力为：f aE = a f a调整的出发点：1）地震是偶发事件，地基抗震承载力安全系数可比静载时降低；2）多数土在有限次的动载下，强度较静载下稍高。p f aE2.2.3 地基抗震验算验算地基承载力时，应将建筑物上各类荷载效应和地震作用效应加以组合，并取基底压力为直线分布。验算公式：pmax 1.2 f aEppmaxpmax零应力区且应满足：1、对于高宽比大于4

27、的高层建筑，基底不宜出现拉应力；2、一般建筑，基底零应力区面积不超过基础底面的15%。2.3 地基土液化及其防治液化现象：地震作用压密饱和土颗粒结构，使颗粒间的孔隙水压力急剧上升，冲散了土颗粒间的有效连接使土处于悬浮状态，达到液化，场地土失效。危害：喷水冒砂，地基失效，地面陷坑、上鼓、开裂、滑移等，使结构倾斜、下沉、开裂、破坏。影响因素：地质年代；土层土粒的组成和密实程度；砂土层埋置深度；地下水位深度；地震烈度；地震持续时间等。2.3.1 地基土液化及其危害唐山地震时，严重液化地区喷水高度可达8米，厂房沉降可达1米。天津地震时，海河故道及新近沉积土地区有近3000个喷水冒砂口成群出现，一般冒砂

28、量0.1-1立方米，最多可达5立方米。有时地面运动停止后，喷水现象可持续30分钟。液化的震害：喷水冒砂淹没农田，淤塞渠道，淘空路基；沿河岸出现裂缝、滑移，造成桥梁破坏，等等。2.3.2 液化的判别液化判别和处理的一般原则：对存在饱和砂土和粉土（不含黄土）的地基，除6度外，应进行液化判别。对6度区一般情况下可不进行判别和处理，但对液化敏感的乙类建筑可按7度的要求进行判别和处理。存在液化土层的地基，应根据建筑的抗震设防类别、地基的液化等级结合具体情况采取相应的措施。dw(m)dw=6mdu=5.5mdb=2m例1 图示为某场地地基剖面图上覆非液化土层厚度du=5.5m其下为砂土，地下水位深度为dw

29、=6m.基础埋深db=2m,该场地为8度区。确定是否考虑液化影响。解：按土层液化判别图确定12347891012345678910du (m)5 6砂土du=5.5mdw=6m需要考虑液化影响。钻孔至试验土层上15cm处,用63.5公斤穿心锤，落距为76cm，打击土层，打入30cm所用的锤击数记作N63.5，称为标贯击数。用N63.5与规范规定的临界值Ncr比较来确定是否会液化。1-穿心锤2-锤垫3-触探杆4-贯入器头5-出水孔6-贯入器身7-贯入器靴2、标准贯入试验判别2.3.3 液化地基的评价定量分析、评价液化土的指标为液化指数I lEiicriinilEWdNNI)1 (1=n-判别深度

30、内每一个钻孔标准贯入试验点总数；criiNN ,-分别为i点标准贯入锤击数的实测值和临界值，当实测值大于临界值时取临界值的取值；id-第i点所代表的土层厚度（m)；iW-第i层考虑单位土层厚度的层位影响权系数（单位为m-1)。若判别深度为15m，当该层中点深度不大于5m时采用10，等于15m时应取零值,515m时应按线性内插值法取值;若判别深度为20m，当该层中点深度不大于5m时采用10，等于20m时应取零值，520m时应按线性内插值法取值。AA或B+CC或其它经济措施A或B+CC或其它更高要求的措施DB或CC或DD乙丙丁甲严重中等特殊考虑，但不得低于乙类轻微液化等级建筑类别A 全部消除液化沉

31、陷的地基措施B 部分消除液化沉陷的地基措施C 基础和上部结构处理D 可不采取措施2.3.4 液化地基的抗震措施抗液化措施全部消除地基液化措施采用桩基、深基础、土层加密法或挖除全部液化土层等措施；采用深基础时，基底埋入液化深度以下稳定土层中不小于0.5米；采用加密法对液化地基进行加固处理时，应处理至液化深度下界，且N 63.5Ncr下限挖除全部液化土层分层回填时，地基处理宽度（基底以外）应超过基地下处理深度的1/2，且不小于处理总宽度的1/5。部分消除地基液化措施处理深度应使液化指数减小；d=15m, IlE4; d=1520m, IlE5;对于独立基础和条形基础，处理深度不小于基底下液化土特征

32、深度和基础宽度的较大值处理后的液化土层应满足：N 63.5Ncr基础和上部结构处理措施选择合适的地基埋深，调整基底底面积，减小基础偏心；加强基础的整体性和刚度；增强上部结构的整体刚度和均匀对称性，合理设置沉降缝；管线穿过建筑处采用柔性接头。一般情况下，除丁类建筑以外，不能将未处理的液化土层作为地基的持力层。第三章 结构地震反应分析与抗震计算3.1 概述3.2 单自由度体系的弹性地震反应分析3.3 单自由度体系的水平地震作用与反应谱3.4 多自由度弹性体系的地震反应分析3.5 多自由度弹性体系的最大地震反应与水平地震作用3.6 竖向地震作用3.7 结构平扭耦合地震反应与双向地震影响3.8 结构非

33、弹性地震反应分析3.9 结构抗震验算 结构地震反应：由地震动引起的结构内力、变形、位移及结构运动的速度、加速度等结构的反应。 结构的地震反应是一种动力反应，其大小不仅与地面运动有关，还与结构的动力特性有关。3.1概 述 地震作用由于结构地震反应是地震动通过结构惯性引起的，因此这种结构地震惯性力属于间接作用，不称为荷载，称作地震作用。等效地震荷载3.1概 述3-1概述 地震作用是由地震反应分析确定的； 地震反应分析的第一步就是建立结构动力计算简图； 地震作用与结构变位相互影响，借助于结构体系的运动微分方程进行求解。 抗震设计的过程：计算地震作用求地震作用效用（M，N，V）静力荷载效应荷载组合强度

34、与变形验算结构动力计算简图及体系自由度 工程上常采用集中质量法确定结构动力计算简图； 取结构各区域主要质量的质心为质量集中位置，将次要质量合并到相邻主要质量的质点上； 一个自由质点在空间内有三个自由度，在平面内有两个自由度。水塔、单层房屋的计算简图多层房屋的计算简图P283.2.2 运动方程的解运动方程的解1、齐次解、齐次解-自由振动自由振动 （2） 有阻尼时有阻尼时 定义定义时，时，其中，其中， 为特征解，负实数为特征解，负实数时，时，阻尼比通常较小，近似可得阻尼比通常较小，近似可得mP(t )x(t )P(t )t tt3.特解一般强迫振动将荷载看成是连续作用的一系列冲量，求出每个冲量引起

35、的位移后将这些位移相加即为动荷载引起的位移。-冲量法方程的通解方程的通解 = 齐次解 + 特解体系的地震反应 = 自由振动 + 强迫振动由于体系的自由振动由初位移和初速度引起，且有阻尼运动会逐渐衰减，直到消失，所以一般可不考虑。因此，可仅取体系强迫振动解来计算体系的地震位移反应。相对速度反应谱绝对加速度反应谱相对位移反应谱地震反应谱的特点1.阻尼比对反应谱影响很大2.对于加速度反应谱，当结构周期小于某个值时幅值随周期急剧增大，大于某个值时，快速下降。3.对于速度反应谱，当结构周期小于某个值时幅值随周期增大，随后趋于常数。4.对于位移反应谱，幅值随周期增大。不同场地条件对反应谱的影响将多个地震反

36、应谱平均后得平均加速度反应谱Sa / g坚硬场地厚的无粘性土层周期（s)软土层岩石结构的阻尼比和场地条件对反应谱有很大影响。地震反应谱是现阶段计算地震作用的基础，通过反应谱把随时程变化的地震作用转化为最大的等效侧向力。基本烈度6789地震系数k0.050.10（0.15）0.20（0.30）0.40地震系数k与基本烈度的关系90.321.4080.16(0.24)0.90(1.20)70.08(0.12)0.50(0.72)60.04-烈度多遇地震罕遇地震水平地震影响系数最大值max2) 查表3-3得max=0.0890.321.4080.16(0.24)0.90(1.20)70.08(0.1

37、2)0.50(0.72)60.04-烈度多遇地震罕遇地震 例题 某钢筋混凝土单层框架结构的自振周期为0.88s，其集中于屋盖处的重力荷载代表值G=1200kN，结构的阻尼比为0.05，II类场地，设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，设计地震分组为第二组，试确定该结构在多遇地震作用下的水平地震作用。解：1) 查表3-2得特征周期： Tg=0.4s; 4 4）水平地震作用：）水平地震作用：0.90.9max0.40.080.0390.88gTT=0.039 120046.80FGkN=问答题（P92）3.1.2 什么是地震作用？什么是地震反应？3.1.3 什么是地震反应谱？什么是设计反

38、应谱？它们有何关系？3.1.5 什么是地震系数和地震影响系数？它们有何关系？作业3-23.5.3 结构自振周期的近似计算通过结构的频率方程求自振周期比较复杂，这里介绍几种近似计算方法。能量法能量守恒原理一个无阻尼的弹性体系作自由振动 时，其总能量（势能与动能之和）在任何时刻保持不变。m nm1x n (t )x 2 (t )x1 ( t )等效质量法等效单质点体系的自振频率与原多质点体系的基本频率相等；等效单质点体系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。eqMx mm 1m nx1x nm 1m Nx1x neqMx eq等效质量法顶点位移法将悬臂结构的基本周期用将结构

39、重力荷载代表值作为水平荷载所产生的顶点位移UT来表示.mEIq = m gu T弯曲型：T1 = 1.6 uT剪切型：T1 = 1.8 uTUT指将各质点的Gi视为水平荷载加在质点i上产生的顶点假想位移。T1 = 1.6 uTT1 = 1.8 uTT1 = 1.7 uT1、 弯曲型结构：2、 剪切型结构：3、弯剪型结构：顶点位移法3.6 竖向地震作用规范规定：设防烈度为8度和9度区的大跨度屋盖结构、长悬臂结构、烟囱及类似高耸结构和9度区的高层建筑，应考虑竖向地震作用。效应：使建筑物上下颠簸3.7 结构平扭耦合地震反应与双向水平地震影响规范规定：对于质量及刚度明显不均匀、不对称的结构，应考虑水平

40、地震作用的扭转影响。m刚心ug (t)质心3.7 结构平扭耦合地震反应与双向水平地震影响分析思路：建立结构平扭耦合运动微分方程求出j振型i质点在x、y两个方向的水平地震作用及其扭转地震作用振型分解法三种地震作用产生的地震效应地震效应的振型组合 Fxji = j tj x ji GiFyji = j tj y ji GiF?ji = j tj ri 2 ji GijkS j SkS =r rj =1 k =1D& D& &按照静力分析方法求出每一振型的某种地震作用效应，如：扭转角，平动位移等振型组合3.7 结构平扭耦合地震反应与双向水平地震影响分析过程：M + C + K

41、 D = M Dg 振型分解法 jk=jkS j SkS =r rj =1 k =13.7 结构平扭耦合地震反应与双向水平地震影响振型相关系数8(1 + T )1T.5 2(1 T2 ) 2 + 2(1 + T ) 2 (1 T2 ) 2振型周期比S = (0.85S x ) + SS = S + (0.85S y )双向水平地震影响结构同时在x、y两方向的地震作用下所产生的地震反应取下面两式计算的较大值：22x22y当S x = S ySmax = 1.31S x所以一般建筑当只考虑单向水平地震作用时，角柱的地震效应需提高30% )(1)()()()( txMtxtKtxCtxM g=+ +

42、 3.8 结构非弹性地震反应分析为保证结构“大震不倒”，需进行结构的非弹性地震反应分析，基于弹性体系的振型分解反应谱法及底部剪力法就不适用了。结构处于弹塑性状态时的刚度要小于弹性刚度，且不断变化，为时间和材料恢复力特征的函数。 体系运动的增量方程： 利用地震波，采用逐步积分法，通过计算程序来求解线形加速度法；平均加速度法；Newmark-法；Wilson-法等时程分析法由构件的恢复力特性即滞回模型决定滞回曲线：结构或构件在反复荷载作用下的力与非弹性变形间的关系曲线。受弯钢筋凝土构件的滞回曲线滞回模型：描述结构或构件滞回关系的数学模型。双线性模型双线性模型一般适用于钢结构梁、柱、节点域构件。钢筋

43、混凝土梁、柱、墙等一般采用退化三线性模型。退化三线性模型结构非弹性地震反应分析的简化方法适用范围：不超过12层且层刚度无突变的钢筋混凝土框架结构和填充墙钢筋混凝土框架结构；不超过20层且层刚度无突变的钢框架结构和支撑钢框架结构；Vy (i)Ve (i) y (i) =结构非弹性地震反应分析的简化方法一、确定楼层屈服强度系数y式中： Vy (i)Ve (i)按框架构件实际截面、配筋和材料强度标准值计算的楼层抗剪承载力。结构的屈服机制不同，计算公式不同。罕遇地震作用下楼层的弹性地震剪力。取罕遇地震烈度对应的max，无论什么结构阻尼比均取0.05。结构非弹性地震反应分析的简化方法Vy (i)Ve (

44、i) y (i) =一、确定楼层屈服强度系数yV y 的计算：=jcyj+ Mh jM VjV y =下cj上cj-分别为楼层屈服时柱j上、下端弯矩；下cj上cj、 MMh j -为楼层柱j的净高。、 M 的计算下cj上cjM1）强梁弱柱型节点cycycc= M= M)= f yk A sa ( h 0 a s/ ) + 0 . 5 N G h c (1 = f yk W PN G 1 f ck b c h c钢筋混凝土结构 M钢结构Mb c 、 h ch 0a s/f ykf ck-构件截面的宽和高；-构件截面的有效高度；-受压钢筋合力点至截面近边距离；-受压钢筋或钢材强度标准值；-混凝土轴

45、心抗压强度标准值；1-系数，混凝土强度等级不超过C50时，取1.0，C80时为0.94，其间按线性内插值法确定；A sa-实际受拉钢筋面积；GPNW-重力荷载代表值所产生的柱轴压力；-构件截面塑性抵抗矩。钢筋混凝土结构PbybyMM= f yk W= f yk A sa ( h 0 a s/ )钢结构=bybyMMi c 1i c 1 + i c 2i c 2i c 1 + i c 2c 1c 2上、下柱的柱端弯矩为： MM3）混合型节点=c 2byc 1cyc 2 MMM= M上、下柱的柱端弯矩为： M上 下cj cj2）强柱弱梁型节点梁端屈服弯矩为：二、结构薄弱层位置判别结构薄弱层：塑性变

46、形集中的楼层，即y最小或相对较小的楼层对于y沿高度分布均匀的框架结构，底层作为薄弱层。2 y (i) y (i 1) + y (i + 1) (i) =多层框架结构的y沿高度分布是否均匀，可通过参数判别： y (0) = y (2) y (n + 1) = y (n 1) (i) 0.8 (i) 0 .8分布均匀，底层为薄弱层分布不均匀， y较小层为薄弱层总层数ny或部位0.50.40.30.22-41.301.401.602.10多层均匀框架结构5-71.501.651.802.406-121.802.002.202.80单层厂房上柱1.301.602.002.60三、结构薄弱层层间弹塑性位

47、移计算Ve (i)kiu p = p uep的确定： (i) 0 .8ue (i) =按下表确定总层数npy或部位0.50.40.30.22-41.301.401.602.105-71.501.651.802.406-121.802.002.202.80三、结构薄弱层层间弹塑性位移计算p的确定： (i) 0 .8 (i) 0 .5u p = p ue按下表确定按下表中值的1.5倍确定0.5 (i) 1008度、类场地809度60采用时程分析法的房屋高度范围可变荷载种类组合值系数雪荷载0.5屋面积灰荷载0.5屋面活荷载不考虑按实际情况考虑的楼面活荷载1.0藏书库、档案库0.8的楼面活荷载其它民用

48、建筑0.5硬钩吊车0.3吊车悬吊物重力软钩吊车不考虑3.9.3 重力荷载代表值计算地震作用时，建筑的重力荷载代表值应取结构和构配件自重标准值和各可变荷载组合值之和。GE = Dk + i Lki组合值系数3.9.4 不规则结构的内力调整及最低水平地震剪力要求对于竖向不规则结构，其薄弱层的地震剪力应乘以1.15的增大系数，并应符合下列要求：1)竖向抗侧力构件不连续时，该构件传递给水平转换构件的地震内力应乘以1.251.5的增大系数2) 楼层承载力突变时，薄弱层抗侧力结构的受剪承载力不应小于相邻上一楼层的65%。竖向抗侧力构件不连续水平转换构件的地震内力扩大1.251.5倍不规则结构的内力调整Qy

49、 ,iQy ,i +1Qy ,i 0.8Qy ,i +1不规则结构的内力调整薄弱层薄弱层抗侧力结构的受剪承载力不应小于相邻上一楼层的65%竖向抗侧力结构屈服抗剪强度不均匀（有薄弱层）VEki G j楼层最小地震剪力原因 长周期反应谱值小，长周期结构效应计算值小nj =i9度0.0640.0408度0.032(0.048)0.024(0.032)7度0.016(0.024)0.012(0.018)类别扭转效应明显或T1小于3.5sT1大于5s3.5s-5s的结构插值扭转效应明显据耦联分析结果判断与结构阻尼无关 位移对长周期结构起控制作用楼层最小地震剪力系数值对于8和9度时的、类场地采用箱基、刚性

50、较好筏基和桩箱联合基础的高层，当结构基本周期处于特征周期的1.2至1.5倍范围时的建筑，若计入地基与结构动力相互作用影响，则按常规方法的水平地震剪力应进行折减，按折减后的剪力计算层间位移。3.9.5 地基结构相互作用烈度场地类别类类80.080.2090.100.253.9.5 地基结构相互作用0.9)T1T1 + T = (1、对于高宽比小于3的结构，各楼层水平地震剪力的折减系数为：T附加周期3.9.5 地基结构相互作用0.9)T1T1 + T = (2、高宽比不小于3的结构，底部地震剪力按1款折减，顶部不折减，中间层内插。3、折减后各楼层的水平地震剪力，尚应满足结构最低地震剪力要求。3.9

51、.6 结构抗震验算的内容验算范围 除6度建筑（IV类场地上的较高层除外）和规定可不进行验算的结构外，均应验算验算内容 截面承载力抗震验算防止结构构件破坏 抗震变形验算 多遇地震作用下的弹性变形验算非结构构件的破坏 罕遇地震作用下的弹塑性变形验算抗倒塌组合类型地震作用用途多遇地震作用下作用效应的基本组合多遇地震截面抗震验算多遇地震作用下短期效应组合多遇地震弹性变形验算罕遇地震作用下短期效应组合罕遇地震弹塑性变形验算地震作用下的作用效应组合S =GCGGE +EhCEhEhk +EvCEvEvk +wwCwwkSs = CEh Ehk截面承载力抗震验算S R RE内力基本组合设计值抗震承载力设计值

52、承载力调整系数材料结构构件受力状态 RE钢柱、梁支撑节点板件、连接螺栓连接焊缝0.750.800.850.90砌体两端均有构造柱、芯柱的抗震墙其他抗震墙受剪受剪0.91.0混凝土梁梁轴压比小于0.15柱梁轴压比不小于0.15柱抗震墙各类构件受弯偏压偏压偏压受剪、偏拉0.750.750.800.850.85承载力抗震调整系数S R / RE地震作用 Eh Ev仅计算水平地震作用1.30.0仅计算竖向地震作用0.01.3同时计算水平与竖向地震作用1.30.5G-重力荷载分项系数，一般取1.2，当重力荷载效应对构件承载能力有利时，不应大于1.0；EvEh、 -分别为水平、竖向地震作用分项系数，按右表

53、采用；W-风荷载分项系数，应采用1.4；W -风荷载组合系数;一般结构可不考虑,风荷载起控制作用的高层建筑应采用0.2;S =GCGGE +EhCEhEhk +EvCEvEvk +wwCwwk结构抗震变形验算抗震变形验算多遇地震作用下的弹性位移验算罕遇地震作用下的弹塑性位移验算e e 层高弹性变形验算 目的：防止非结构构件出现过重破坏 表达式：u p p h弹塑性层间位移弹塑性层间位移角限值 弹塑性变形验算 目的：防止倒塌或严重破坏 表达式结构类型 e 钢筋混凝土框架1/550钢筋混凝土框架-抗震墙、板柱-抗震墙、框架-核心筒1/800钢筋混凝土抗震墙、筒中筒1/1000钢筋混凝土框支层1/1

54、000多、高层钢结构1/300ue e h结构类型 p 单层混凝土柱排架1/30钢筋混凝土框架1/50底部框架砖房中的框架-抗震墙1/100钢筋混凝土框架-抗震墙、板柱-抗震墙、框架-核心筒1/100钢筋混凝土抗震墙、筒中筒1/120多、高层钢结构1/50up p h作业（P92）4.计算地震作用时结构的质量或重力荷载代表值应怎样取？7.一般结构应进行哪些抗震验算？以达到什么目的？12.为什么抗震设计截面承载力可以提高？ii+1m1m2mimn3.4 多自由度弹性体系的地震反应分析多层房屋可以简化为一个多质点体系，需要进行纵、横两个方向的水平地震作用验算。在单向水平地震作用下n质点体系有n个自

55、由度。3.4 多自由度弹性体系的地震反应分析振型分解法：将求解n个自由度弹性体系的地震反应分解为求解n个独立的等效单自由度弹性体系的最大地震反应，从而求得对应每一个振型的作用效应（M,V,N，等），再按一定的法则将每个振型的效应组合成总的地震作用效应进行截面抗震验算。n个质点就有n个振型，n个周期，一般周期最长的主振型对总效应贡献最大，其余次之。即使n个质点，一般只需考虑前几个振型（35），精度就很高了。作业P93，3.2计算题13.5 多自由度弹性体系的水平地震作用与最大地震反应确定体系最大地震反应的前提就是求出体系的水平地震作用振型分解反应谱法底部剪力法例题3-5注意的问题：应先求出各振型

56、的地震反应（剪力、位移等)，再进行组合如果将地震力直接进行振型组合，然后再求地震反应，结果与前者不一致。结构的低阶振型反应大于高阶振型反应；结构的总地震反应以低阶振型反应为主；一般情况下，取结构前23阶振型反应进行组合即可，当建筑物的基本周期较大时可适当增加振型反应组合数。作业P93，3.2计算2题中的k3 = 98000kN / m3.5.2底部剪力法振型分解反应谱法比较复杂，质点多时无法手算。对于H40m的规则结构，振动以第一振型为主，且第一振型接近直线，可简化为底部剪力法进行计算。1i=CHiHiFiFEkFn作业：P93，3.2计算题：3结构振型与地震响应结构振型与地震响应国巍国巍 博

57、士博士中南大学土木建筑学院中南大学土木建筑学院高速铁路建造技术国家工程实验室高速铁路建造技术国家工程实验室多层结构多层结构-振型振型多层结构多层结构-地震时程响应地震时程响应高层结构高层结构 某高层建筑某高层建筑高层结构高层结构-振型振型高层结构高层结构-地震时程响应地震时程响应第四章 多层砌体结构抗震设计多数砖房的抗破坏能力很低，但抗倒塌能力较高，经过合理的设计，可用于地震区。4.1 多层砌体结构的震害特点4.1.1 宏观震害统计基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏倒塌11.835.329.423.50.0基本完好轻微破坏中等破坏严重破坏倒塌70.719.59.80.00.0从震害调查可见：经抗

58、震设防可减轻砌体结构的震害，减少严重破坏和倒塌率。天津市8度区经7度设防的74年通用住宅震害统计(%)唐山地区8度区多层砖房的震害统计（%）历史震害统计（设防）烈度891011基本完好11.81.30.60.3轻微破坏35.36.85.01.5中等破坏29.434.36.54.7严重破坏23.532.519.911.7倒塌0.025.168.081.8唐山地区多层砖房的震害统计（%）未经抗震设防的多层砖房在高烈度区的倒塌率非常高。历史震害统计（未设防）1、全部倒塌2、上部倒塌3、局部倒塌房屋整体性好，而底层强度不足时；房屋整体性不好，而上层墙体过于弱时；房屋上层自重大，刚度差；上层砌体强度过弱

59、，整体性差时；个别部位的整体性特别差，纵墙与横墙间联系不好，平面或立面有显著的局部突出，抗震缝处理不当等；4.1.2 震害现象及分析一、倒塌外纵墙全部脱开横墙而坍塌是较常见的震害。4.1.2 震害现象及分析一、倒塌4.1.2 震害现象及分析一、倒塌4.1.2 震害现象及分析二、裂缝抗剪承载力不足,产生裂缝,主要有“X”形、水平和竖向三种类型。1、 “X”形裂缝墙体在竖向压力和反复水平剪力作用产生的裂缝。常出现“X”形裂缝的位置：与主震方向平行的墙体；在横向，房屋两端的山墙；在纵向，窗间墙。4.1.2 震害现象及分析二、裂缝抗剪承载力不足,产生裂缝,主要有“X”形、水平和竖向三种类型。1、 “X

60、”形裂缝墙体在竖向压力和反复水平剪力作用产生的裂缝。若主震方向与横纵墙成某一角度时，常在房屋的角部出现局部倒塌。4.1.2 震害现象及分析二、裂缝抗剪承载力不足,产生裂缝,主要有“X”形、水平和竖向三种类型。2、 水平裂缝大都发生于外纵墙窗口的上下皮处。当房屋纵向承重，横墙间距大而屋盖刚度弱时，纵墙出平面受弯产生水平裂缝。3、 竖向裂缝大都发生于横纵墙交接处或变化较大的两部体系的交接处。4.1.2 震害现象及分析二、裂缝三、其它破坏1、楼梯间破坏楼梯间的墙体一般震害较重。原因是：横墙间距小，抗剪刚度大；空间刚度较小；墙体有削弱等；三、其它破坏突出屋面的屋顶间（电梯机房、水箱间等）、烟囱、女儿墙，由于“鞭端效应”引