地震工程第二章

第二章建筑结构抗震设计基本概念2.1建筑抗震设计思想非抗震建筑结构结构在预期荷载作用下保持或基本保持在弹性工作状态。设计使结构具有足够的强度，保证安全性；又要使结构具有足够的刚度等正常使用性能。地震作用的特点相对于结构自重、风、雪等荷载，地震动出现次数少，作用时间短，各次地震的强度差异大。若要求在各种强度的地震影响下结构仍保持弹性状态是不经济的，甚至是不可能的。抗震设计基本思想——抗震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，一般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地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用，当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时，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.

1.三水准设防目标的概括及两阶段设计三水准设防目标可概括为“小震不坏，中震可修，大震不倒。”三水准设防目标通过“两阶段设计”来实现。第一阶段设计：进行第一水准烈度下的结构构件截面设计和验算结构的弹性层间位移角，以满足“小震不坏”；在此基础上，通过构造措施，保证结构的延性，以满足“中震可修”。第二阶段设计：验算第三水准烈度下的结构薄弱部位的弹塑性层间位移角，以满足“大震不倒”。对多数结构,可只进行第一阶段设计,而通过概念设计和抗震构造措施来满足第三水准的设计要求。2.三个水准烈度第一水准：多遇烈度（众值烈度）50年超越概率63.2%50年一遇第二水准：基本烈度50年超越概率10%474年一遇第三水准：罕遇烈度50年超越概率2~3%1600~2500年一遇2.2.1房屋建筑地震破坏的直接原因1.地震引起强烈的地面变形2.地震引起地基失效3建筑结构的地震反应超出其承受能力总结震害经验以改进建筑抗震设计技术2.2建筑地震灾害及其启示2.2.2历次地震房屋建筑震害概说1.1906年美国旧金山地震地震发生于1906年4月18日，8.3级，震中烈度10度。当时尚无钢筋混凝土建筑。型钢骨架砖填充墙的高层建筑普遍出现非结构破坏，墙体开口部分之间有”x”裂缝或水平裂缝，位置大致在建筑高度的2/3处。

这次地震突出的经验教训：因房屋倒塌，引起火灾，且自来水管道破裂，消防系统失灵，大火持续了三天三夜。此后，人们开始重视地震区房屋建筑的耐震、耐火等问题，提出在地震区应推广钢筋混凝土结构。2.1957年墨西哥地震

1957年10月28日在墨西哥城南部发生7.6级地震，墨西哥城最大加速度0.05~0.1g。地震区分山区、过渡区和湖泊区，山区破坏轻，湖泊区破坏严重。该市55座8层以上建筑，有11座钢筋混凝土框架遭到破坏。特点是5层以上震害严重，未与骨架联接的填充墙、隔墙出现明显裂缝，而框架结构的裂缝与相邻建筑物的碰撞有关。3.1960年5月21日智利南部地震为有记录以来最大地震，有十次超过7级，三次超过8级，主震级8.9级（一说9.5级）。智利1940年制定抗震规范，起到了提高房屋抗震能力的作用。经验教训：钢筋混凝土剪力墙的抗震性能经受了考验。L形、T形平面建筑发生扭转破坏。局部应力集中会导致破坏。不同类型的场地土对上部结构影响不同，对高层建筑需充分考虑场地卓越周期问题。4.1963年南斯拉夫科普里市地震震级6级，震中烈度8~9度，震源深度5~10km。当框架结构底层砌有砖围护墙时震害较轻；底层完全敞开的框架结构震害较重，柱子混凝土被压碎并永久性倾斜。框架——剪力墙结构破坏轻，只是配筋不足、施工质量欠佳的剪力墙出现裂缝。经验：慎重对待柔性底层房屋；防震缝宽度要够用。5.1964年美国阿拉斯加地震震级8.4级，震中烈度约10度，震源深度25~40km，剧烈震动持续了1.5~4min，地震引起山崩、雪崩、滑坡和海啸。距震中112km的安克雷奇市按当时的美国统一建筑规范考虑抗震设防，房屋倒塌的很少，但预制结构受损严重。经验教训：剪力墙结构抗震性能良好。剪力墙在平面布置上偏心将导致建筑扭转破坏。许多框架结构主体未破坏，但填充墙裂缝严重，甚至倒塌。刚度大而强度相对较低的部位或构件破坏严重，如楼梯间。装配式钢架混凝土结构的破坏多发生在连接节点上，主要原因是节点的强度不足或冲击韧性差。位于滑坡和稳定土体边界上的结构遭到严重破坏，应当避开这样的区段。施工质量低劣为造成震害的重要因素之一。如因为混凝土施工缝而导致破坏，对施工质量缺乏认真检查。6.1964年日本新瀉地震

7.4级，震中烈度8度，震源深度60km，地震后的28min内发生三次海啸，淹没了市中心的大部分。经验：刚性较大的建筑有效地抵抗地基不均匀沉降而使主体结构破坏轻微。饱和砂土地区的多层建筑应采用桩基、管桩和沉箱，以防止场地液化引起上部结构倾覆。7.1967年委内瑞拉加拉加斯地震

6.3级，震中烈度8度，加拉加斯地面加速度0.06~0.08g。当冲积层厚度大于160m时，14层以上的建筑物破坏显著加重，而基岩或薄冲积层上的高层建筑几乎未遭破坏。经验教训：非结构构件和非抗侧力构件对结构预期的抗震性能影响较大。倾覆力矩的影响超过了以往的估计。如某旅馆由于剪力墙弯曲压力而导致下部内柱破坏严重。证明在混凝土构件的所有侧面配置纵向钢筋是有效的。框架中的刚度突变部位是一个危险区域。对混凝土柱的要求：地震区应比非地震区严格。连接处的强度应与被连接构件相同，甚至更强。与剪力墙相连的楼板受力很大。应注意扭转作用、屋顶水箱的设计、楼梯在地震后仍能使用等问题。要考虑地震时基础和地基对上部结构的影响。8.1968年日本十胜冲地震

8级，主震持续80s，水平加速度峰值0.18~0.28g。从计算上，绝大多数钢筋混凝土结构在0.18g时应在弹性阶段，但震害严重，突出的是短柱剪切破坏，说明钢筋混凝土柱的抗剪设计存在问题。震害特点：剪力墙较多的建筑几乎无震害。框—剪结构是否破坏，不仅取决于剪力墙的数量，还取决于剪力墙的长度。纯框架结构：因柱子压坏而倒塌，有的虽未倒塌但柱子破坏严重；扭转效应明显。9.1970年秘鲁地震

7.8级，震源深度56km，持续45s，20万栋建筑损坏。土坯及砖石房屋：砖砌房屋80%倒塌或严重破坏，但砖墙中设有钢筋混凝土梁柱的混合结构破坏轻得多。钢筋混凝土框架结构：一般损坏轻微。但当底层为开敞无墙的商店时，柱端剪弯折断。钢框架本身无损，但在连接及次要结构上有损坏。经验：场地覆盖层厚时，房屋损坏严重；施工质量直接影响房屋抗震效果。10.1971年美国圣费尔南多地震

6.6级，震中烈度8度强。震源很浅，造成大量地震永久变形，加重了建筑震害。主要经验：对于框架角柱的设计应予特别的注意。要考虑倾覆力矩的影响。注意框架节点的设计及施工质量。必须考虑楼板、楼梯、填充墙等非结构构件的加劲作用。平面布置中应考虑相邻建筑物之间的不同的动力特性。防震缝若不能充分地防止变形时的碰撞，则必须考虑撞击作用。电梯的各部分应适当地固定在主体结构上。研究此次地震的意义：取得了200多个强度加速度记录；20层以上建筑物顶部最大加速度为底部的1.5~2.0倍。对于医院、消防单位以及学校、人员很多的房屋，应保证在地震时不中断使用。促进了抗震设计理念的跨越式发展。工程界认为，当时的美国规范已经很完善。此次地震则表明，按其设计的许多房屋发生了严重破坏。加州工程师协会在78年提出的报告中引入了结构线性动力分析方法，并尝试对抗震设计的风险水准进行量化。

11.1972年尼加拉瓜马那瓜地震震级6.5级，但马那瓜70%以上的房屋倒塌。主要经验：避免结构布置偏心。当建筑的两个方向强度不一致时，应在薄弱的方向上采取消耗地震能量的措施。设计时应考虑三角拱支撑等对柱子受力形式的改变。壳体结构应加强边缘结构的抗侧力强度和刚度。结构的耗能能力和动力性能直接决定其抗震安全性。12.1976年中国唐山地震时间：1976年7月28日凌晨3点；震级7.8级；震源深度：12~16km；震中烈度11度。地震发生在人口稠密的城市且正值人们沉睡的时间，在当时唐山又属于不设防的6度区，地震造成的损失和人员伤亡极其严重。位于震中的路南区成了一片废墟，路北区绝大多数建筑塌毁，仅少数幸存（凤凰山以北），受波及的天津、北京也有大量建筑受损。经验教训：重视地基基础的抗震措施。房屋平、立面布置应简单合理。多层砖房应设置圈梁，加强内外墙拉结。房屋转角部位受力复杂。结构变形缝宽度要够用。屋顶局部突出部位破坏严重。建筑抗震设防目标要考虑在罕遇地震作用下房屋不至于倒塌伤人。13.1985年墨西哥地震主震8.1级，强余震7.5级，震源深度33km，震中距墨西哥城400km。墨西哥城很多房屋建在表层为30~50km冲积层的软土地基上，建筑物倾斜、下沉（有的下沉一层）普遍，有的建筑翻倒和地桩拔出（十分罕见）。而同属墨西哥城的西部火山岩地带上的建筑的破坏要轻得多。此外，共振效应引起的灾害不容忽视。以9~12层建筑破坏比例最大，其自振周期与场地卓越周期接近。14.1994年美国北岭地震

6.7级，震中距洛杉矶35km.

商业建筑特别是大型停车场破坏严重；焊接抗弯钢框架的节点出现大量裂缝。此次地震死亡人数仅57人，但财产损失高达200多亿美元，引起了工程界对单一设防目标的反思。15.1995年日本阪神地震震级7.2级，震源深度17km，属城市直下型地震。按日本1981年规范设计的高层和超高层建筑震后完好，隔振房屋表现良好，经过处理的人工回填基础上的高层建筑经受了振动和液化的考验。老旧房屋、交通运输系统及供水系统破坏严重。震害向现有抗震设计理论和方法提出了新的挑战（软土地基的抗震、竖向地震影响、抗震计算等）。16.1999年台湾集集地震

7.3级，震源深度8km，强烈的地震导致巨大的地面变形和地质破坏，震中区的建筑物破坏严重。经验教训：设计对应的加速度峰值0.23g，而实际地震的加速度为0.5~0.6g。建筑场地：断层两侧6km地区内受损建筑占受损总数的60%；地基液化使某些地区破坏严重；盆地效应：台北（距震中150km）的场地特征周期与某些结构自振周期相近，导致300多栋建筑物损坏。

因概念设计存在明显缺陷造成破坏。施工质量差及缺乏日常管理（使用中擅自拆墙、破坏梁柱、进行不当的增层和扩建等）。17.2003年阿尔及利亚地震

6.8级，震源深度约为10km,震中烈度10度，严重破坏区140km×50km。经验教训：应将城镇中私人建房纳入审批管理程序。虽然私人建房绝大部分为框架结构，但结构不合理，施工质量存在诸多问题。注意加强工程地质勘察工作。该国没有工程地质勘察技术标准。注意结构的构造措施。存在填充墙不与主体拉结、框架柱顶留施工缝、节点区无箍筋及梁柱端箍筋不加密等问题。18.2008年中国汶川地震矩震级7.9级，面波震级8.0，震中位于汶川县映秀镇（东经103.4°，北纬31.0°),震中烈度11度，地下破裂面从汶川县开始，以3.1km/s的平均速度传播，破裂长度约300km，破坏过程持续近120s，最大错动量9m，在震中区造成灾难性的破坏，同时引起大量山体滑坡和泥石流，冲毁许多城镇和村庄，大量的人员和房屋一起被埋没。经验教训：20世纪80年代以来我国的抗震规范经受了大震的考验。凡是严格按照1989或2001抗震规范设计和施工的各类房屋，在遭遇到比当地设防烈度高一度的地震影响时均经受住考验，没有出现倒塌破坏。要重视抗震概念设计和构造措施。地震灾区破坏的房屋多数是由于此方面的缺陷造成的。需将城镇中私人建房纳入审批管理程序。地震中私人房屋损失很大的主要原因：选址不当，结构设计不合理，施工质量不良。要特别加强对未成年人在地震突发事件中的保护。此次地震学校建筑倒塌的比例略低于其他房屋，但伤亡人数的比例明显大于其他房屋。同时，对中小学建筑要提高抗震设防类别。重视场地的工程抗震措施。加强工程场地的选址工作：选择有利地段；对不利地段，尽量避免，但无法避开时采取有效措施；不在危险地段建造甲、乙、丙类建筑→避开危险地段。2.2.3房屋建筑震害经验与启示1.场地地基滑坡、崩塌、泥石流、地陷、地裂与地表错位等对建筑物的影响是灾难性的，要避免危险地段。砂土液化导致上部结构破坏或倾斜。在深厚软弱冲击土层的场地上，高层建筑的破坏率显著增高。尽量使建筑的基本自振周期避开场地卓越周期。2.房屋平面布置平面复杂的房屋破坏率显著提高。在大底盘的高层建筑中，裙房顶面与主楼相接处的破坏加重。房屋高宽比较大且上面各层刚度很大的高层建筑中，底层框架柱因地震倾覆力矩引起的巨大压力而发生剪压破坏。相邻结构单元因变形缝宽度不够而发生碰撞破坏。平面形状看似规则而结构布置不当也使震害明显加重。3.结构体系相对于框架体系，采用框架—抗震墙体系的房屋，破坏程度较轻，有利于保护填充墙和建筑装修。采用框架结构＋填充墙体系的房屋，由于在钢筋混凝土框架内嵌砌体砖填充墙，柱上端容易发生剪切破坏，外墙框架柱在窗洞处因受窗下墙的约束而发生短柱型剪切破坏。采用板—柱体系时，或因楼板冲切破坏，或因楼层侧移过大，柱顶、柱脚破坏，各层楼板坠落。采用底部纯框架＋上部砌体结构体系的房屋，由于底层柔弱，破坏十分严重；采用框架结构＋填充墙体系的房屋，当底层为开敞式的纯框架时，底层同样遭受严重破坏。采用单跨框架结构体系的房屋，因结构整体冗余度少，在强震作用下易发生整体倒塌。5.构件形式联肢剪力墙的连梁常发生斜裂缝或交叉裂缝。在绝大多数框架结构中，柱的破坏重于梁和板。在钢筋混凝土框架中，如同一楼层中长、短柱并用，则短柱破坏严重。配置螺旋箍筋的钢筋混凝土柱延性好，在产生较大侧移情况下仍具有较高的竖向承载力；而配置方形箍筋的柱子则钢箍崩开，核芯区混凝土破碎脱落。6.非结构构件填充墙的布置：平面布置不合理，导致结构扭转破坏；竖向布置不合理，产生薄弱层；局部布置不合理，产生短柱。附着于屋面的机电设备、女儿墙等，地震时易倒塌或脱落伤人，应与主体结构可靠连接，锚固。2.3工程场址的合理选择选择有利地段避免危险地段断裂及其工程影响

全新世活动断裂：在全新世地质时期（1万年）内有过地震活动或近期正在活动、今后100年可能继续活动的断裂。当不符合抗震规范4.1.7条第一款时，应按第2款规定进行避让。但既便是非全新世活动断裂，也不宜将建筑物跨越其上，以避免地震时因可能错动或不均匀沉降造成危害。山体崩塌

发现有山体崩塌、巨石滚落等潜在危险的地段，不能建房。边坡滑移对于存在液化或润滑夹层的坡地，也应视为危险地段。地陷地下煤矿的采空区（特别是废弃的浅层矿区），地震时因坑道坍塌可能导致大面积地陷，也应视为危险地段。3.慎重对待不利地段不利地段往往对应于烈度异常区。局部地形相关的不利地段高耸孤立的山丘条状突出的山嘴山梁的顶部孤山效应—地面加速度增大土质边坡台地边坡失稳、地面加速度增大设计对策保证稳定性（新增3.3.5）将αmax乘以增大系数改为强条（增大系数详见4.1.8条条文说明）与场地土质相关的不利地段平面分布不均匀土层—动力特性不同不均匀沉降导致上部结构破坏液化土和软弱土建筑物下沉或整体倾斜

地下管道破坏设计对策—第3.3.4条2.4建筑和结构布置原则房屋的抗震性能基本上取决于其建筑布局和结构布置。当建筑布局奇特复杂、结构布置存在薄弱环节时，即使进行精细的分析计算，采取相应的构造加强措施，也难于达到减轻震害的预期目的。故应优先选择简单、均匀、对称、规则的建筑结构方案。规则但不对称横向对称但不规则2.4.1建筑不规则布置与震害1.平面形状有利于建筑抗震的平面形状：圆形、方形、矩形、正六边形、正八边形以及椭圆形、扇形。不利于建筑抗震的平面形状：L形、T形、十字形、U形、Y形等。拐角形（有内折角形）建筑在地震下的破坏率高。2.竖向体型抗震建筑的竖向体型变化宜均匀，宜优先采用矩形、三角形、梯形等立面形状。要尽量避免过大的外挑和内收。因为立面形状的突然变化，必然导致结构质量和刚度的突然变化，地震时突变部位就会应力或塑性变形集中，从而使该部位震害加重。3.房屋高度与高宽比限制房屋高度是既保证结构安全又考虑经济性的一项重要抗震措施。而控制房屋高宽比是一个比房屋高度更需慎重考虑的问题。建筑的高宽比愈大，地震作用下的侧移愈大，地震引起的倾覆作用愈严重，巨大的倾覆力矩在柱中和对基础所产生的压力和拉力比较难于处理。4.毗邻建筑按要求设置防震缝8、9度框架结构房屋防震缝两侧结构高度、刚度或层高相差较大时，可在缝两侧的尽端沿全高设置垂直于防震缝的抗撞墙。2.4.2结构不合理布置与震害15层的尼加拉瓜中央银行，楼梯间电梯井均集中布置在一端。1972年马那瓜地震时产生强烈的扭转，造成严重破坏，修复费用高达原造价的80%18层美洲银行（与中央银行离得很近），采用由4个L形筒连接构成芯筒，在同一地震中仅3～17层连梁有细微裂缝。天津754厂11号车间，外表对称，每个独立区段偏心很大。1976年唐山地震产生的强烈扭转导致2层（共5层）有11根中柱严重破坏。芯筒要居中对称布置；刚度大的抗震墙尽量对称布置，且宜沿房屋周边布置；结构沿竖向的布置宜等强。2.4.3关于建筑结构布置的设计对策

GB50011-2001（2008年版）第3.4.1条（强条）：建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不规则的建筑方案应按规定采取加强措施；特别不规则的建筑方案应进行专门研究和论证，采取特别的加强措施；不应采用严重不规则的建筑方案。一般不规则：建筑结构（包括某个楼层）布置上出现不规则建筑方案基本类型的一项。特别不规则：同时具有不规则建筑方案基本类型的三项或三项以上；具有特别不规则中的一项；具有两项基本不规则且其中一项接近特别不规则的指标。严重不规则：多项指标超过GB50011-2001（2008年版）第3.4.3条规定的上限或某一项大大超过规定。具体执行：对一般不规则方案按规范、规程的规定采取加强措施。对特别不规则的建筑方案，进行专门研究和论证，采取高于规范、规程规定的加强措施；对于特别不规则的高层建筑，应按建筑部第111号文件进行抗震设防专项审查。对于严重不规则的建筑方案，应要求建筑师予以修改、调整。2.防震缝的设计对策应通过调整建筑平面形状和尺寸，在构造上和施工上采取措施，尽可能不设变形缝。当地震区必经设置变形缝时，缝的宽度不宜小于两侧建筑物在较低者屋顶高度处垂直缝方向的侧移之和，以保证建筑在中震下不出现严重破坏，规范近似地取小震作用下弹性侧移的3倍，并附加上的地震前和地震中地基不均匀沉降等产生的侧移。具体宽度详见相关条文。2.5抗震结构体系的优化配置2.5.1多道抗震防线洪华生教授的结构物双破坏准则：

Eј=Nј△Eј

△Eј——一次循环所损耗的能量

Nј——循环振动次数当u=u0时，认为结构破坏（变形准则）当u<u0，而积累的损耗能量达到Ej时，结构也破坏（能量准则，也称积累破坏准则）。

在一次大地震中，建筑物将经历多次往复式冲击，造成积累式破坏。如果仅有一道防线，一旦该防线破坏，后续地面运动将导致建筑物倒塌。如建筑物具有多重抗侧力体系（多道防线），当第一道防线的抗侧力构件破坏后，第二道乃至第三道防线的抗侧力构件随之接替，抵挡后续的地震冲击，从而保证建筑物的最低安全限度，避免倒塌。特别是当建筑物的基本自振周期与场地卓越周期相近时，多道防线更能显示出其良好的抗震性能。2.5.2足够的侧向刚度关于抗震结构设计的刚柔之争，多次地震灾害调查情况表明，刚比柔好。采用较大刚度的高层建筑，不仅主体结构破坏轻，而且由于地震时结构变形小，隔墙、围护墙等非结构构件的破坏也轻。刚度满足要求，即要满足多遇地震下的层间弹性位移角限值的要求;同时，结构的变形能力也应满足罕遇烈度下层间弹塑性位移角限值的要求。可参见书中表2-6和表2-7.2.5.3足