抗震设计基本思想

吉林勘察设计建筑结构抗震设计简介袁志仁地震的基本概念

地震是指因地球内部缓慢积累的能量突然释放而引起的地球表层的振动。什么是地震？构造地震

地壳运动推挤岩层产生断裂、错动，引起地面的震动，占地震总数的90％。浅源地震：震源深度＜60km的地震。占全世界总释放能量的85%，如唐山地震、汶川地震、玉树就是浅源地震，危害极大。汶川地震震源深度为10～20千米。中源地震：震源深度在60～300km的地震。中源地震一般不造成灾害。深源地震：震源深度＞300km的地震。深源地震约占地震总数的4%，所释放的能量约占地震总释放能量的3%。深源地震大多分布于太平洋一带的深海沟附近。深源地震一般不会造成灾害。吉林的珲春、延吉均与今年发生过深源地震。震源深度地震波地震波是地震发生时由震源地方的岩石破裂产生的弹性波。地震波分为体波和面波。体波横波（S波）纵波（P波）面波瑞利波乐甫波横波特点:周期长、振幅大、波速慢,100-800m/s纵波特点:周期短,振幅小,

波速快,200-1400m/s面波比体波衰减慢、振幅大、周期长、传播远。建筑物破坏主要由面波造成。杂波P波开始S波开始面波开始

纵波：使建筑物产生上下颠簸地震波横波：使建筑物产生水平方向摇晃面波：使建筑物既产生上下颠簸又水平方向摇晃，对建筑物破坏最严重

横波和面波同时到达时，震动最剧烈地震波瑞雷波（R波）洛夫波（L波）地震波震级——原因能量烈度——结果加速度、震害指数地震动的三要素加速度峰值早期认为地面峰值加速度<0.5g;现已记录到超过1g的加速度图谱垂直加速度一般假定为水平分量峰值的2/3。对有一定震中距的加速度谱是合适的，但对近震记录不适用，近震的垂直和水平分量峰值通常很接近。频谱频谱是地震动中振幅与频率的关系曲线。常用的如反应谱频谱对结构反应影响重大——地震动频谱与结构自振频率的类共振影响反映场地土刚度和覆盖层厚度的影响以及震中距远近的影响强震持续时间损伤累积效应、能量持续输入不同场地条件对反应谱的影响加速度反应谱曲线是地面加速度激励下，不同周期的单自由度弹性体系质点的最大加速度反应与周期的关系曲线。即以结构质点的最大地震加速度反应为纵坐标，以结构自振周期为横坐标，所得到的关系曲线。将多个地震反应谱平均后得平均加速度反应谱周期（s)岩石坚硬场地厚的无粘性土层软土层加速度反应谱加速度反应谱频谱的影响墨西哥城地震视频显示1985.9.19时长1分钟震级M8.0类型：俯冲破坏关键因素：地震波增强共振频谱的影响规范采用的反应谱法是加速度谱，表征了结构自振周期与最大加速度反应之间的关系——单自由度、弹性对场地土刚度和覆盖层厚度采用场地类别进行区分对震中距远近的影响采用设计地震分组进行区分针对不同的地震分组和场地类别采用不同的特征周期Tg强震持时的影响强震持时的影响加速度反应谱（抗震设计反应谱）忽略了与强震持时相关的因素，也未考虑结构的速度反应与位移反应结构的抗震能力不仅依赖于峰值反应水平，也依赖于强震持时和达到峰值反应的次数强震持时取决于震源断裂面断裂所需时间。强震持时反映了地震震源输出能量的持续时间设计考虑强震持时主要从能量输入的角度出发，要求增大结构的延性和耗能性，增加结构的阻尼、采取减震、隔震等措施抗震与非抗震结构的要求不同常规荷载作用下的结构处于或基本处于弹性工作阶段强度，刚度，耐久性而地震作用则不同，随机性强、影响次数少、作用时间短、各次地震作用差异大要求结构在各种强度地震动下，保持弹性状态不经济要求结构有必要的强度、适宜的刚度、良好的延性对地震作用的认识——静力理论阶段现行各国抗震设计规范一般采用基于力的设计方法，认为地震作用是惯性力，可分为静力法和反应谱法静力法是最早的结构抗震设计方法，把地震作用看成作用在结构上的一个总水平力，该水平力取建筑总重量乘以一个地震系数。1924年的日本都市建筑规范取地震系数为0.1；1927年美国UBC规范第一版也采取同样取值。静力法认为结构随地面做整体水平刚体运动，由此产生的惯性力为重力与地震系数的乘积，并且沿高度均匀分布刚柔之争绝缘理论能量耗散理论抗震能量理论对地震作用的认识——反应谱理论阶段反应谱法考虑了结构的动力效应结构地震反应加速度不同于地面运动加速度，与结构自振周期和阻尼比等动力特性有关，考虑了结构动力特性所产生的共振效应——频谱的影响。由加速度反应谱曲线来计算地震引起的结构水平惯性力更为合理，多自由度体系可以采用振型分解反应谱法来确定结构的总地震力。抗震设计反应谱对地震作用的认识——动力理论阶段非线性分析、全过程分析静力法考虑了高频振动振幅；反应谱理论考虑频谱动力理论采用时间历程分析，考虑了地震动持时的影响，也考虑反应谱所不能概括的其他特性——多维输入、耦联等。动力分析四个方面：地震动输入、动力模型、动力反应分析方法、设计原则在很多情况下，按规范规定的侧向力进行抗震设计，不足以确保结构有足够的强度去抵抗强烈的地震动设计时，结构构件的强度通常只取对应弹性反应的一部分，如25%或1/3，靠非弹性的大变形和由材料折腾而产生的能量耗散，使结构在地震中幸存。仅在非常小的地震作用下，结构利用强度抵抗。强度不足不一定总是导致严重损坏，只要结构强度能够维持，不出现因非线性变形的加剧而导致的强度过度衰减，结构就能在强震中幸存，震后常能花少量的钱即可修复——延性，是当结构在地震作用下承受非线性变形的同时，维持强度的基本属性。抗震设计的极限状态使用极限状态小震不应妨碍建筑物或工厂生产的正常使用功能——弹性状态——强度控制破坏控制极限状态设防烈度地震可能出现一些破坏，钢筋屈服导致宽裂缝发生。能经济地修复与不能修复之间的破坏界限状态免坍极限状态即使在最大地面震动发生时，也应防止生命的丧失。结构能提供较大的变形而不使其抗侧能力过度降低，且结构作为一个整体能继续维持对重力荷载的支承抗震结构性能刚度强度延性延性水准弹性反应结构在地震中只发生弹性变形或不明显的非线性变形，不需要对潜在的塑性铰区域采取特殊的构造措施延性反应完全延性结构

SEf与Δmf有限延性结构SEr与Δmr防震减灾简介1

防震减灾的主要内容地震监测、地震预报、工程抗震、社会防灾、震后救灾、恢复重建等。2

防震减灾的指导方针以防为主，防御与救助相结合。3

抵御地震的三道防线(1)地震监测预报。(2)震害防御体系的建设，包括工程性和非工程性两个方面。工程性措施叫做工程抗震设防。(3)紧急救援体系的建设。工程抗震设防1

工程抗震设防的主要规定2

工程抗震设防目标(工业与民用建筑、铁路工程、公路工程、水利工程、电力设施、市政工程等)3

工程抗震设防依据4

工程抗震设防标准工程抗震设防的主要规定《中华人民共和国防震减灾法》中规定：(1)新建、扩建、改建建设工程必须达到抗震设防要求。(2)一般工业与民用建筑建设工程，必须按照国家颁布的地震烈度区划图或者地震动参数区划图规定的抗震设防要求进行抗震设防。(3)重大建设工程和可能发生严重次生灾害的建设工程、核电站和核设施建设工程必须进行地震安全性评价，并根据经过国家或省级地震行政部门审定的地震安全性评价结果，确定抗震设防要求，进行抗震设防。(4)建设工程必须按照抗震设防要求和抗震设计规范进行抗震设计，并按抗震设计进行施工。(5)已建成的重大建设工程，可能发生严重次生灾害、有重大文物价值和纪念意见以及地震重点监视防御区的建筑物、构筑物，未采取抗震设防措施的，应当按照国家有关规定进行抗震性能鉴定，并采取必要的抗震加固措施。工程(建筑)抗震设防目标《建筑抗震设计规范》GB50011设防目标：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理可继续使用；当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，可能发生损坏，但经一般性修理仍可继续使用；当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。使用功能或其他方面有专门要求的建筑，当采用抗震性能化设计时，具有更具体或更高的抗震设防目标。我国的《建筑抗震设计规范》实行以预防为主的方针，使建筑经抗震设防后，减轻建筑的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失三水准设防和两阶段设计简介三水准设防(一般目标)：1

小震不坏2

中震可修3

大震不倒两阶段设计：1

小震下的截面抗震验算和结构变形验算目标——小震不坏(隐含中震可修)2

大震下的结构变形验算目标——大震不倒基于能力的设计方法基于性能的设计方法三水准下钢筋混凝土框架结构的破坏程度与层间位移角的大致对应关系工程(建筑)抗震设防依据设计地震动参数：设防烈度或设计地震动峰值加速度设计地震分组

(和场地类别共同确定Tg)1

中国地震动参数区划图GB18306-20152015年5月颁布，2016年6月实施。一是取消了不设防地区；二是在附录中将地震动参数明确到乡镇。工程(建筑)抗震设防标准2建筑抗震设防分类标准GB50223-2008抗震次要建筑（丁类）适度设防

除甲乙丁类以外的一般建筑（丙类）标准设防

地震时使用功能不能中断需尽快恢复的建筑、生命线工程（乙类）重点设防

重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑（甲类）特殊设防

设防分类应允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低，但抗震设防烈度为6度时不应降低丁类应符合本地区抗震设防烈度度的要求丙类一般情况下，当抗震设防烈度为6-8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高1度的要求；当9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求，对较小的乙类建筑，当其结构改用抗震性能较好的结构类型时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震措施乙类当抗震设防烈度为6-8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高1度的要求；当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求甲类抗震措施抗震措施——加强结构细部构造（延性）地震作用——提高结构的抗力（承载力）一般情况下仍应符合本地区抗震设防烈度的要求丁类

应符合本地区抗震设防烈度要求丙类

应符合本地区抗震设防烈度要求乙类

按地震安全性评价结果确定甲类

地震作用在设防烈度为6度时，除规范有具体规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。

提高抗震能力的造价并不高，框架结构抵抗全部侧向力的响应从0.05g提高到0.10g，所需费用增加约6~10%，考虑结构费用仅占全部造价的20~25%，前述提高抗震能力的花销在全部造价中仅占1~2%，加强细部构造提高结构延性所需的费用更少结构的荷载位移曲线——能力曲线地震动在结构中的反应加速度——惯性力速度——与阻尼相关位移——与地震惯性力无关，引起P-Δ效应

目前抗震设计主要关注加速度反应引起的惯性力，即通常所说的地震作用，速度反应仅在考虑增大结构阻尼的减震与隔震时有影响。位移反应对高柔结构来说不容忽视，抗震规范限制最小剪重比——最小地震水平剪力来间接控制高柔结构的位移反应。相对位移反应谱绝对加速度反应谱相对速度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。地震倾覆力矩倾覆力矩Ha=抗倾覆力矩Vd地震倾覆力矩地基与上部结构相互作用的影响规范5.2.7规定：

结构抗震计算，一般情况下可不计入地基与结构相互作用的影响；8度和9度时建造于Ⅲ、Ⅳ类场地，采用箱基、刚性较好的筏基和桩箱联合基础的钢筋混凝土高层建筑，当

1.2Tg<T1<5Tg时，若计入地基与结构动力相互作用的影响，对按刚性地基假定计算的水平地震剪力可按下列规定折减，其层间变形可按折减后的楼层剪力计算。

考虑相互作用的影响后,结构地震作用减小,但结构在地震作用下的位移增大.1.高宽比小于3的结构，各楼层水平地震剪力的折减系数，可按下式计算：---计入地基与结构动力相互作用后的地震剪力折减系数；---按刚性地基假定确定的结构基本自振周期；---计入地基与结构动力相互作用的附加周期按右表采用（单位：s）；0.250.10

90.200.08

8

Ⅳ

Ⅲ烈度场地类别2.高宽比不小于3的结构,底部的地震剪力按1款规定折减,顶部不折减,中间各层按线性插入值折减.3.折减后各楼层的水平地震剪力应符合第5.2.5条的规定。

(见3-6节）——楼层最小地震剪力（剪重比）柱下独立基础a.理想状态b.可接受cd不可接受柱下独立基础a.b理想状态，地梁承担柱底弯矩c目前可能的状态由于地梁截面及配筋均不大，很难达到ab状态，地梁可能与刚性地面共同作用，阻止刚性地面侧移，实际仍可能达到ab的状态柱下独立基础墙下基础a.理想状态b.桩受拉出现塑性铰、开裂甚至断裂c桩受拉侧被拔出，受压侧新增沉降，承台转动墙下基础柱、墙联合基础，刚度足够时，基底反力分布（侧向荷载+竖向荷载）墙下基础长短桩共同作用，长桩承担的基底剪力可能只有短桩的5%，松土地基应重视桩基潜在塑性铰高烈度区、软硬土桩基影响较大，一般通长配筋；承台周边及底部为软弱土或回填土时，要校核桩的水平承载力按抗震规范进行正规设计、且施工质量有保障的房屋，在高烈度地区大部分做到了开裂而不倒塌，在低烈度地区震害程度大部分较轻，说明抗震规范经受住了这次大地震的考验。外观完好二层纵墙开裂（a）80年代中期按78规范设计的教学楼纵墙破坏严重，做到开裂而不倒塌。抗震规范的作用与发展（b）照片正面的三层教学楼按89规范设计，轻微受损；右边的4层教学楼按2001规范设计，完好无损（c）按89规范设计的三层教学楼，底层横墙部分开裂陕西略阳县（7度）嘉陵小学三栋教学楼的不同地震表现照片显示按规范设计做抗震设防的砌体（基本完好）与未设防的砌体（倒塌）重视抗震概念设计和构造措施建筑抗震概念设计指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。建筑应按抗震规范概念设计的要求，采用体系合理、具有多道抗震防线、楼屋盖整体性强的结构先概念后计算天然地基抗震验算

地基在地震作用下的稳定性对基础及上部结构的内力分布影响很大。确保地震时地基基础能够承受上部结构传下来的竖向和水平地震作用以及倾覆力矩而不发生过大变形和不均匀沉降是地基基础抗震设计的基本要求。二、地基基础抗震设计1）同一结构单元不宜设置在性质截然不同的地基土层上；2)同一结构单元不宜部分采用天然地基而另外部分采用桩基；3)地基有软弱土、可液化土、新近填土或严重不均匀土层时，宜加强基础的整体性和刚性；4)根据具体情况，选择对抗震有利的基础类型，在抗震验算时应尽量考虑结构、基础和地基的相互作用影响，使之能反映地基基础在不同阶段上的工作状态。

地基基础抗震设计是通过选择合理的基础体系和抗震验算来保证其抗震能力的。1.地基基础抗震设计的一般要求2.可不进行地基基础抗震验算的范围

导致上部结构破坏的地基大多是液化地基、易产生震陷的软土地基和严重不均匀地基。

大量的一般性地基具有良好的抗震性能，极少发现因地基承载力不够而产生震害。1)砌体房屋；2)地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的下列建筑：

1）一般的单层厂房和单层空旷房屋；

2）不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋；

3）基础荷载与2）项相当的多层框架厂房。3)规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。3.天然地基地震作用下的承载力验算采用“拟静力法”

规范规定：基础底面平均压力和边缘最大压力应符合下式要求式中p----基础底面平均压力（kPa)pmax—基础底面边缘最大压力(kPa)faE---地基土抗震允许承载力

高宽比大于4的高层建筑，在地震作用下基础底面不宜出现拉应力；其它建筑，基础底面与地基土之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。地基抗震承载力在静力设计承载力基础上调整

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，强度较静载下绍高。3）地基土在上部结构荷载作用下长期的固结密实作用提高了地基承载力。地基土抗震承载力式中faE---调整后的地基抗震承载力设计值

---地基抗震承载力调整系数fa-----深宽修正后的地基承载力特征值，按《建筑地基基础设计规范》GB50007采用1.0淤泥，淤泥质土，松散的砂，填土1.1稍密的细、粉砂，的粘性土和粉土，新近沉积的粘性土和粉土1.3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，

的粘性土和粉土1.5岩石，稍密的碎石土，密实的砾、粗、中砂，的粘性土和粉土

岩土名称和性状地基土抗震承载力调整系数场地土的液化与抗液化措施一.场地土的液化现象与震害

处于地下水位以下的饱和砂土和粉土的土颗粒结构受到地震作用，孔隙水压力升高抵消掉颗粒间的有效压应力，土体完全失去抗剪强度，显示出近于液体的特性。这种现象称为液化。液化的宏观标志是在地表出现喷砂冒水。

二.液化判别与危害程度估计1、液化判别和处理的一般原则：1）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。2）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。2、液化判别和危害性估计方法

对一般工程项目砂土或粉土液化判别及危害程度估计可按以下步骤进行：1）初判

以地质年代、粘粒含量、地下水位及上覆非液化土层厚度等作为判断条件。（1）地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及以前时，7、8

度可判为不液化；（2）当粉土的粘粒（粒径小于0.005mm的颗粒)含量百分率在7、8和9度时分别大于10、13和16可判为不液化；（3）采用天然地基的建筑，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时，可不考虑液化影响。---上覆非液化土层厚度（m)，计算时宜将淤泥和淤泥质土层扣除；---基础埋置深度(m),不超过2m时采用2m；---地下水位深度（m)，宜按建筑使用期内年平均最高水位采用，也可按近期内年最高水位采用；---液化土特征深度（m)，按右表采用。9m8m7m砂土8m7m6m粉土987烈度饱和土类别2）细判---进一步判别采用标准贯入试验判别

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。规范规定当饱和可液化土的标贯击数N63.5的值小于Ncr值时，判为液化，否则判为不液化。3.液化场地危害程度的确定液化指数由液化指数，按下表确定液化等级判别深度20m时的液化指标

严重

中等

轻微

液化等级液化等级与相应的震害液化等级

地面喷水冒砂情况

对建筑物的危害情况轻微地面无喷水冒砂，或仅在洼地、诃边有零星的喷水冒砂点危害性小，一般不致引起明显的震害中等喷水冒砂可能性大，从轻微到严重均有，多数属中等危害性较大，可造成不均匀沉陷和开裂，有时不均匀沉陷可达200mm严重一般喷水冒砂都很严重，地面变形很明显危害性大，不均匀沉陷可能大于200mm，高重心结构可能产生不允许的倾斜三、抗液化措施及选择当液化土层较平坦、均匀时，可按下表选用抗液化措施，尚可计入上部结构重力荷载对液化危害的影响，根据液化震陷量的估计适当调整抗液化措施。不宜将未经处理的的液化土层作为天然地基持力层。基础和上部结构处理，或其它经济的措施可不采取措施可不采取措施丁类全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且对基础和上部结构处理基础和上部结构处理，或更高要求的措施基础和上部结构处理，亦可不采取措施丙类全部消除液化沉陷全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且对基础和上部结构处理部分消除液化沉陷，或对基础和上部结构处理乙类严重中等轻微地基的液化等级建筑类别特征周期对抗震设计的影响框架结构，四层，柱截面500x500，框架梁300x600，柱网7.2mx（6.9+2.7+6.9）m，荷载按办公楼取值。对比了7度0.10g和8度0.20g，地震设计分组为第一组，场地类别I1、II、III类场地下结构的地震反应及配筋情况特征周期对抗震设计的影响框架结构，7度，四层，地震分组为第一组，场地类别分别为I1，II，III，IV类框架X向Y向最大层间位移基底地震剪力剪重比对比最大层间位移基底地震剪力剪重比对比7度I1类Tg=0.251/158210673.64%0.751/160110763.67%0.757度2类Tg=0.351/116914324.88%1.001/119014444.92%1.007度3类Tg=0.45

1/93317896.10%1.251/95118046.15%1.257度4类Tg=0.651/79121067.18%1.471/81321067.18%1.47

中柱及中框架梁配筋用钢量情况7度I1类Tg=0.25

7度2类Tg=0.35梁钢筋11.9kg/m2；柱钢筋6.2kg/m27度3类Tg=0.45梁钢筋12.7kg/m2；柱钢筋6.9kg/m27度4类Tg=0.55

对比可见，7度区框架结构受场地类别的影响较大，但配筋差别不算明显，场地类别由2类转变为3类时，梁柱配筋理论差别增加约8%特征周期对抗震设计的影响框架结构，8度，四层，地震分组为第一组，场地类别分别为I1，II，III，IV类框架X向Y向调整情况最大层间位移基底地震剪力剪重比对比最大层间位移基底地震剪力剪重比8度I1类Tg=0.251/79121347.27%0.751/80121527.34%满足8度2类Tg=0.351/58528649.76%1.0