lecture01e-4工程抗震设防

1、工程结构抗震与防灾4节工程抗震设防1内容回顾地震基本知识地震发生的机理地震动特性地震灾害直接灾害（地面破坏、滑坡塌方、砂土液化、工程结构的破坏）次生灾害（火灾、水灾、海啸）工程结构抗震与防灾2本节课第4节 工程结构抗震设防工程结构抗震设防3地震带来的灾害多为工程结构破坏引起研究并设法提高各类工程结构抗震性能利用现有科技成果进行工程结构抗震设防最大限度地降低地震带来的人民生命财产损失从震害入手来研究各类工程结构的破坏机理和抗震性能研究目的实践工程结构抗震设防4本节课授课要点了解各类工程结构的破坏机理介绍抗震设防的依据和抗震设计的思想给出现行抗震设计规范所给出的“三水准抗震设防目标”和“二阶段的抗

2、震设计方法”。工程结构抗震设防5工程结构的破坏机理 工程结构破坏机理6台湾集集地震(1999.9.21) 台湾省云林县12层钢筋混凝土商住楼、东侧楼为L型平面。质心和刚心偏离，产生扭转效应。 工程结构破坏机理7分析m地震力c抗力扭转效应平面形状较为复杂地震力是惯性力，惯性力作用在结构的质量中心。房屋的抗力是作用在所有抗侧力构件合力作用点的位置，即结构的刚度中心。平面形状较为复杂就会导致质心偏离刚心，产生扭转作用的效应。在扭转作用下，这座房屋向外发生了坍塌。 工程结构破坏机理8台湾集集地震(1999.9.21) 台湾省漳化县富贵名门大楼，16层钢筋混凝土住宅楼，平面为C型，平面不规整，柱子间距太

3、大，数量偏少。 工程结构破坏机理9分析平面形状较为复杂，除了具有扭转效应外房屋平面只有两侧有柱，即单跨框架结构。当一侧柱发生破坏时，整个结构都发生坍塌。这类结构明显抗震防线不足。 工程结构破坏机理10两栋建筑相邻的情况 两栋相临建筑的结构动力特性不一样。在地震时，由于振动不协调产生相互之间的挤压，导致坡坏。4层结构6层结构 工程结构破坏机理11土耳其地震(1999)防震缝处碰撞 防震缝两侧结构单元的结构性能不同中间设防震缝但缝宽不足两侧结构单元发生碰撞，产生损坏 工程结构破坏机理12竖向刚度的变化1989美国 Loma地震 商住楼框架结构（上刚下柔）底层刚度小，塑性变形集中的现象，产生结构过大

4、的偏移。 1995年阪神地震 1-5层钢骨混凝土结构，6-12层钢筋混凝土结构，中间层刚度突变，为薄弱层，导致应力集中。 工程结构破坏机理13设防水准过低 2001年1月26日在印度西北部古吉拉特邦发生强烈地震房屋倒塌原因，是由于设防水准太低，地震时抗震承载力不足。 工程结构破坏机理141976年7月28日 唐山大地震 7.8级唐山市河北省矿业学院图书馆，系装配式框架结构（节点连接是最薄弱的环节），西部倒毁，东部框架幸存。此处为唐山地震重点保护遗迹之一。装配式单层厂房牛腿柱顶与屋架连接不牢，使房屋丧失整体性，发生连续的坍塌。 工程结构破坏机理15 地震时地基失效引起的房屋破坏土耳其地震 199

5、9（倾斜约45度）日本阪神大地震 1995年 7.2级（顶部倾斜60cm） 工程结构破坏机理16地震时桥梁的破坏1）桥墩破坏 2）桥面脱落1995年日本阪神大地震（桥墩连根折断数百米）1971年 San Fernando地震 （桥面坍塌） 工程结构破坏机理17地震时道路毁坏路面裂缝 路面塌陷 路面隆起 工程结构破坏机理18地震时道路毁坏房屋倒塌造成的道路破坏 工程结构破坏机理19总结平面复杂产生扭转效应；相邻两部分振动不协调，产生相互挤压；防震缝宽度不足发生碰撞；竖向刚度变化，底层柔性，中间层刚度突变；房屋抗震承载力不足；构件间连接不牢，丧失整体性；地基失效引起的房屋破坏；桥墩破坏，桥面垮塌；

6、路面裂缝，路面塌陷等道路破坏。 在后面的课程中，将讲述如何采取合理的结构布置和可靠的构造措施来避免或减轻上述震灾。 工程结构破坏机理20工程结构抗震设防依据 工程结构抗震设防依据21 工程结构抗震设防依据工程抗震是这样一门艺术：使用材料，这些材料属性只能估算；建立真实的抗震结构：这些真实的结构只能近似分析；来承受地震作用：而地震发生的时间、地点、和大小事先不能准确得知；以满足我们对抗震设防职责的要求。改编自一位不知名的作者结构抗震的困难所在22地震烈度区划工程抗震的目标是减轻工程结构的地震破坏，降低地震灾害造成的损失，减轻震害得有效措施是对已有工程进行抗震加固和对新建工程进行抗震设防。在采取抗

7、震措施之前，必须知道哪些地方存在地震危险性，其危害程度如何。地震的发生在地点、时间和强度上都具有不确定性，只能给出基于概率含义的地震预测。该方法将地震的发生及其影响视作随机现象，根据区域性地质构造来分析历史地震活动性，划分潜在震源区，确定地震衰减规律，利用概率方法评价某一地区未来一定期限内遭受不同强度地震影响的可能性，给出以概率形式表达的地震烈度区划或其他地震动参数。 工程结构抗震设防依据23山东郯城安徽庐江郯庐断裂带在1668年7月28日郯城发生过8.5级大地震，以后至今未发生相应大地震，如今已蓄积了大量的能量。在构造上的脆弱地带，这里已积蓄了大量的岩石间应变。如何评价未来一定期限内某一地区

8、遭受不同强度不同频度地震的可能性脆弱地带发生断裂时，其能量和地震波的传播方式和衰减规律。9度8度7度 工程结构抗震设防依据举例24中国地震烈度区划图（1990）用基本烈度表示地震的危险性小于6度区6度区7度区8度区大于等于9度区基本烈度：一个地区未来50年内一般场地条件下可能遭受的具有10%超越概率的地震烈度值称为该地区的基本烈度。从某种意义上说，这是中长期的地震预报。 工程结构抗震设防依据25中国地震烈度区划图（1990）云南省江苏省南京市-7度无锡市-6度 工程结构抗震设防依据26中国地震动参数区划图（GB18306-2001）近年来随着我国地震研究的不断深入，对1990年的地震烈度区划图

9、进行了修订，已于2001年8月颁布了中国地震动参数区划图（GB18306-2001）。该图根据地震危险性分析，提供了类场地上，50年超越概率为10%的地震动参数，给出了设计地震动加速度区划图和地震动特征周期区划图。建筑抗震设计规范在此基础上规定了我国主要城镇抗震设防烈度，设计基本地震加速度值和设计地震分组特征周期，作为工程结构抗震设防的依据。 工程结构抗震设防依据27中国地震动峰值加速度区划图 工程结构抗震设防依据南京地区 基本加速度a=0.1g28中国地震动反应谱特征周期区划图 工程结构抗震设防依据南京地区 特征周期Tg=0.35s29建筑结构抗震设计依据 工程结构抗震设防依据30地震小区划

10、地震烈度区划对大区域地震活动作出了预测。震害经验表明，局部场地条件对地震动特性和地震破坏效应存在较大影响，同一地区不同场地上的建筑物震害程度有着明显差异。地震小区划是在地震烈度区划的基础上，考虑局部范围的地震地质背景、土质条件、地形地貌，给出一个城市内或一个大的工矿企业内的地震烈度和地震动参数。为工程抗震提供更为经济合理的场地地震特性评价。目前在采用双轨制做过地震小区划的地区，可采用大区划的设防烈度和地震动参数，也可采用小区划的设防烈度和地震动参数。 工程结构抗震设防依据31地震小区划南京市地震小区划江苏油田地震小区划 工程结构抗震设防依据江苏地区地震地质灾害包括饱合土或砂土液化、软土震陷、地

11、裂缝、地面沉陷、崩塌、滑坡、地震断层、地震海啸等。根据场区可能发生的地震地质灾害类型，编制给定概率水平相应的地震作用下地震地质灾害小区划图及说明。 32设计地震分组理论分析和震害表明，在同样烈度下有不同震级和震中距的地震对不同动力特性的结构造成的破坏程度是不同的。地震波是多种频率波的混合。短周期的波 传播过程中衰减快 近震短周期波主导长周期的波 传播过程中衰减慢 远震长周期波主导 工程结构抗震设防依据33设计地震分组思考题：图中两座建筑在同样烈度下，受到远震长周期地震波和近震短周期地震波的作用，那座建筑更易破坏？ 工程结构抗震设防依据共振实验高层建筑柔度大固有周期长多层建筑刚度大固有周期短34

12、设计地震分组一般说来，震级较大震中距较远的地震对长周期柔性结构的破坏，比同样烈度下震级较小震中距较近的地震造成的破坏要重。产生这种差异的主要原因是地震波中的高频成份随着传播距离的衰减比低频分量要快，震级大震中距远的地震波其主导频率为低频分量，与长周期的高柔结构自振周期接近，存在“类共振效应”所致。 工程结构抗震设防依据6度近震6度远震7度近震7度远震35设计地震分组为了反映同样烈度下，不同震级和震中距的地震对建筑物的影响，建筑抗震规范将建筑工程的设计地震划分为三组：第一组 近震 短周期分量为主第二组 中震 介于两者之间第三组 远震 长周期分量为主不同设计地震分组，采用不同的设计特征周期和设计基

13、本地震加速度。 工程结构抗震设防依据类场地第一组第二组第三组设计特征周期0.35s0.40s0.45s36工程结构抗震设计思想 工程结构抗震设计思想37 工程结构抗震设计思想为合理满足工程抗震的要求，应使建筑物具有一定的抗震能力。但由于地震的发生（时间、地点、强度）不能准确预测，要在未来可能发生的地震中使经过抗震设计过的房屋都不破坏是既不可能又不现实的。缘起38 工程结构抗震设计思想为了满足我们（工程抗震）的要求，人类所有的财富可能都是不够的，大量的一般结构都将成为坚不可摧的堡垒。E.Rosenbluth（墨西哥）抗震名家名言39抗震设防要求因此，抗震设防水准在很大程度上依赖于经济条件和技术水

14、平，既要使震前用于抗震设防的经费投入为国家经济条件所允许，又要使震后经过抗震技术设计的建筑的破坏程度不超过人们所能接受的限度。也就是要在安全性和经济性之间找一个平衡。从这一点说，抗震设防要求体现了一个国家的综合国力。工程结构抗震设计思想安全性经济性平衡点美国，日本发展中国家40 工程结构抗震设计思想但无论是发达国家也好，发展中国家也好，对于工程结构抗震设计的原则是一致的。那就是：建筑物在使用期间，要求工程结构对不同强度和频度的地震具有不同的抗震能力。我国目前的抗震规范中的抗震设防目标就是基于这样的原则提出的。工程结构抗震设计的原则41三水准的抗震设防目标第一水准小震不坏多遇烈度建筑物一般不损坏

15、或不需修理仍可继续使用。第二水准中震可修遭受本地区规定的基本烈度的地震建筑物可能有损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用第三水准大震不倒罕遇烈度建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。工程结构抗震设计思想工程结构对不同强度和不同频率的地震应当有不同的抗震能力。42三水准的抗震设防目标中震的定义 50年中在一般场地条件下有可能遭遇到的，遭遇概率大于10%的烈度值。工程结构抗震设计思想43大震与小震（极值III型概率分布）小震：多发地震 地震烈度概率密度曲线上的峰值所对应的烈度，即众值烈度时的地震大震：发生机会极小的地震，罕遇烈度时的地震 工程结构抗震设计思想北京地区 6.45度（多遇震度） 8度

16、（基本震度） 9度（罕遇震度）44二阶段设计方法（达到三水准目标）工程结构抗震设计思想阶段烈度作用效应组合第一阶段多遇地震烈度取水准一（即多遇烈度时）的地震动参数，计算结构的弹性地震作用，将地震作用效应和其他荷载效应组合，进行构件截面承载力和结构弹性变形验算，保证必要的可靠度，以保证小震不坏。采用合理的结构布置和抗震构造措施，以保证在基本烈度下可修，在罕遇烈度下不倒。第二阶段罕遇地震烈度针对特别重要的建筑或抗侧能力较弱的结构，除进行第一阶段设计外，还要取第3水准（即罕遇烈度时）的地震动参数进行薄弱部位的弹塑性变形验算，以保证大震不倒。45工程结构的分类和设防标准抗震设防分类依据：根据建筑遭受地

17、震破坏后可能产生的经济损失，社会影响及其在抗震救灾中的作用，分为四类。甲类： 重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑。 核电站、中央级的通讯枢纽乙类： 地震时使用不能中断或尽快恢复的建筑。 医疗、广播、通讯、供水、供电、供气、消防等丙类： 一般建筑。 如工厂、学校、机关、商场、住宅等丁类： 次要的建筑。指价值低，使用人员较少的建筑，如仓库等工程结构抗震设计思想46工程结构的分类和设防标准建筑类别该地区抗震设防烈度抗震构造措施地震作用计算甲类建筑68度提高一度设防烈度提高一度9度比9度更高乙类建筑按本地区的设防烈度提高一度考虑符合本地区抗震设防烈度的要求丙类建筑按本地区设防烈度考虑符合本地区抗震设防烈度的要求丁类建筑按本地区的设防烈度降低一度考虑，但6度不降。符合本地区抗震设防烈度的要求注：在设防烈度为6