建筑结构与抗震设计作业指导书

建筑结构与抗震设计作业指导书TOC\o"1-2"\h\u21864第1章绪论 4120611.1建筑结构与抗震设计概述 486561.1.1建筑结构的概念 4153491.1.2抗震设计的概念 44451.1.3建筑结构与抗震设计的发展历程 4294261.1.4我国建筑结构与抗震设计的应用现状 466811.2抗震设计原则与方法 4115221.2.1抗震设计原则 4125761.2.2抗震设计方法 511366第2章地震与地震作用 5105252.1地震基本概念 559042.1.1地震定义 5209602.1.2地震要素 5165472.1.3地震分类 5202722.2地震作用分析 6106802.2.1地震波传播 69022.2.2地震作用机制 615632.2.3地震响应 6107002.3地震反应谱 6271622.3.1地震反应谱定义 6240622.3.2地震反应谱特性 6325402.3.3地震反应谱应用 650782.3.4地震反应谱参数 6251112.3.5地震反应谱分析 613303第3章结构动力学基础 688683.1单自由度体系 669473.1.1基本概念 6204163.1.2自由体运动方程 7216433.1.3动力特性 7101023.2多自由度体系 7284753.2.1基本概念 7268933.2.2运动方程 741313.2.3动力特性分析 713893.3结构地震反应分析 7116133.3.1地震波的输入 720033.3.2地震反应分析步骤 811733.3.3抗震功能评价 88465第4章建筑结构设计基本规定 8117154.1结构设计原则 8209764.1.1结构设计应遵循安全、适用、经济、美观的原则，同时满足建筑功能需求和抗震设防目标。 8298404.1.2结构设计应采用概率极限状态设计方法，保证结构在整个设计使用年限内，在各种可能的作用组合下，满足安全性、可靠性和耐久性要求。 8138624.1.3结构设计应考虑施工、使用和维护的方便性，以及环境保护和资源节约。 8127444.2结构设计荷载 8118344.2.1结构设计荷载应包括永久荷载、可变荷载、偶然荷载和地震作用。 8204954.2.2永久荷载包括结构自重、建筑构件及附属设备重量、预应力荷载等。 8137014.2.3可变荷载包括人员、家具、设备等活荷载，风荷载、雪荷载、温度作用等环境荷载。 8130464.2.4偶然荷载包括爆炸、撞击、火灾等偶然事件产生的荷载。 8176874.2.5地震作用应根据抗震设防烈度、场地类别、建筑结构类型和设计使用年限确定。 9295764.3结构设计方法 9279394.3.1结构设计应采用分阶段、分层次的设计方法，包括以下步骤： 959474.3.2结构设计应采用计算机辅助设计软件进行结构分析，保证计算结果的准确性和可靠性。 990054.3.3结构设计应考虑以下因素： 913270第5章钢筋混凝土结构设计 9109595.1钢筋混凝土材料功能 9142665.1.1混凝土 9136705.1.2钢筋 985195.1.3混凝土与钢筋的粘结 9308235.2钢筋混凝土构件设计 1016405.2.1受弯构件 10141335.2.2受压构件 1055225.2.3受拉构件 10257595.2.4受扭构件 10173425.3钢筋混凝土框架结构设计 10249565.3.1框架结构布置 10141135.3.2框架结构内力分析 10186875.3.3框架结构构件设计 10155375.3.4框架结构抗震设计 10174第6章钢结构设计 10180966.1钢结构材料与连接 10125876.1.1钢材选择 1194436.1.2连接方式 11138736.1.3连接构造设计 11274156.2钢结构构件设计 11182796.2.1构件类型及受力特点 11248596.2.2构件尺寸及截面设计 11268866.2.3构件连接设计 11285166.3钢结构框架设计 11272266.3.1框架结构类型 11220036.3.2框架结构设计原则 11106676.3.3框架结构抗震设计 11100296.3.4框架结构施工图设计 1120498第7章砌体结构设计 1237927.1砌体材料与构件 1233927.1.1砌体材料 12279417.1.2砌体构件 12231137.2砌体结构抗震设计 12207597.2.1抗震设计原则 12173867.2.2地震作用与抗震设防 12286527.2.3砌体结构抗震计算 12327437.2.4抗震构造措施 12285747.3砌体结构构造措施 12282777.3.1墙体构造 12166847.3.2柱、梁、板构造 12286167.3.3层间及节点构造 12292817.3.4基础与地基构造 1330525第8章抗震设防与地震作用组合 13232658.1抗震设防标准 13206708.1.1设计原则 13262318.1.2设防目标 13292628.1.3设防烈度 1338328.1.4设防类别 13171148.2地震作用组合 13272048.2.1地震作用的确定 13186348.2.2地震作用组合方法 1354048.2.3地震作用组合效应 1415118.3结构抗震功能评估 14189278.3.1抗震功能评估方法 14131958.3.2抗震功能评估指标 14109578.3.3抗震功能评估结果 1426936第9章抗震构造措施与设计要求 14164069.1抗震构造措施 15186989.1.1抗震构造原则 15311549.1.2抗震构造措施 15267889.2建筑结构消能减震设计 15119699.2.1消能减震原理 1588319.2.2消能减震装置 15143849.2.3消能减震设计方法 1568629.3建筑结构隔震设计 15257499.3.1隔震原理 15236269.3.2隔震装置 15143959.3.3隔震设计方法 1621674第10章抗震设计实例分析 161697110.1抗震设计案例一 163009810.2抗震设计案例二 162263610.3抗震设计案例三 17第1章绪论1.1建筑结构与抗震设计概述建筑结构作为现代工程建设中不可或缺的组成部分，其安全性、可靠性和经济性一直受到广泛关注。其中，抗震设计作为保证建筑结构在地震作用下安全的重要手段，对于降低地震灾害损失具有重要意义。本章将从建筑结构与抗震设计的概念、发展历程及其在我国的应用现状进行概述。1.1.1建筑结构的概念建筑结构是指建筑物的骨架，主要包括梁、柱、板、墙等承重构件，以及连接这些构件的节点。建筑结构的功能是承受各种荷载，并将这些荷载安全地传递到地基基础。建筑结构的设计合理性直接关系到建筑物的安全、适用性和经济性。1.1.2抗震设计的概念抗震设计是指在建筑物设计过程中，充分考虑地震作用对建筑物的影响，采用合理的结构形式、材料及构造措施，使建筑物在地震作用下具有足够的强度、刚度和稳定性，从而保证建筑物的安全。1.1.3建筑结构与抗震设计的发展历程建筑结构与抗震设计的发展可以追溯到古代，当时的人们就已经开始关注地震对建筑物的影响。但是真正意义上的抗震设计始于20世纪初。科学技术的进步，特别是地震工程、结构力学和计算机技术等领域的发展，抗震设计理论和方法不断得到完善。1.1.4我国建筑结构与抗震设计的应用现状我国是一个地震多发国家，城市化进程的加快，建筑物的高度和复杂性不断提高，对建筑结构与抗震设计的要求也越来越高。我国已制定了一系列建筑抗震设计规范和标准，并在实践中取得了显著成效。1.2抗震设计原则与方法为了保证建筑物在地震作用下的安全性，抗震设计应遵循以下原则和方法：1.2.1抗震设计原则（1）可靠性原则：抗震设计应保证建筑物在地震作用下具有足够的可靠性和安全性。（2）合理性原则：根据建筑物的用途、规模、场地条件等因素，选择合理的结构形式和材料。（3）经济性原则：在满足安全性的前提下，力求设计简洁、经济。（4）可修复性原则：地震后，建筑物应具有一定的可修复性，以减轻灾害损失。1.2.2抗震设计方法（1）反应谱法：根据建筑物所在地的地震动参数，计算建筑物在地震作用下的反应谱，进而确定结构的地震作用效应。（2）时程分析法：通过模拟地震波的传播过程，分析建筑物在地震作用下的动力响应。（3）Pushover分析法：评估建筑物在地震作用下的非线性功能，从而判断其安全性。（4）抗震功能化设计：根据建筑物的用途和重要性，制定不同的抗震功能目标，进行有针对性的设计。本章对建筑结构与抗震设计的基本概念、发展历程、应用现状及设计原则和方法进行了概述，为后续章节的深入学习奠定了基础。第2章地震与地震作用2.1地震基本概念2.1.1地震定义地震是地球表面因地质构造活动产生的震动现象，通常由地壳断裂、岩层移动或火山喷发等地质活动引起。2.1.2地震要素地震涉及的主要要素包括震中、震源、震级和地震波。震中指地震波发源地点在地面的投影；震源指地震波发源的具体位置；震级是衡量地震能量大小的指标；地震波则是地震能量在地球内部传播的波动。2.1.3地震分类根据震源深度和地震波传播特性，地震可分为浅源地震、中源地震和深源地震。根据地震成因，还可分为构造地震、火山地震和人工地震等。2.2地震作用分析2.2.1地震波传播地震波包括纵波（P波）和横波（S波）。纵波可通过压缩和稀疏传播，速度快；横波则通过剪切变形传播，速度相对较慢。2.2.2地震作用机制地震作用机制主要包括地震波的辐射、地面震动、土体液化、地表破裂等。这些作用会导致建筑物产生惯性力、剪力、弯矩等响应。2.2.3地震响应地震响应是指建筑物在地震作用下的动力反应，包括位移、速度、加速度等。地震响应的大小与建筑物的结构类型、材料功能、地震特性等因素密切相关。2.3地震反应谱2.3.1地震反应谱定义地震反应谱是指在不同周期下，建筑物结构响应（如位移、速度、加速度等）与地震动输入之间的关系曲线。2.3.2地震反应谱特性地震反应谱具有峰值、平台段、下降段等特征。峰值代表最大响应值，平台段表示响应趋于稳定的周期范围，下降段则反映响应随周期增加而减小的趋势。2.3.3地震反应谱应用地震反应谱是抗震设计的重要依据，可用于确定建筑物的设计地震作用、评估结构功能以及优化抗震措施等。2.3.4地震反应谱参数地震反应谱参数包括谱加速度、谱速度、谱位移等，这些参数与建筑物的周期、阻尼比、场地条件等因素密切相关。2.3.5地震反应谱分析地震反应谱分析是通过计算不同周期下的结构响应，为抗震设计提供依据。该方法有助于评估建筑物在不同地震作用下的功能表现，为优化设计提供参考。第3章结构动力学基础3.1单自由度体系3.1.1基本概念单自由度体系（SDOF）是指一个自由度的结构体系，其可以描述为质量、弹簧和阻尼器三个基本元件的组合。在地震作用下，单自由度体系能有效地模拟简单结构或结构的一部分的动力学响应。3.1.2自由体运动方程根据牛顿第二定律，单自由度体系的自由体运动方程可以表示为：\[m\ddot{x}(t)c\dot{x}(t)kx(t)=m\ddot{u}_{g}(t)\]其中，\(m\)为质量，\(c\)为阻尼系数，\(k\)为刚度系数，\(x(t)\)为结构相对于地面的位移，\(\ddot{x}(t)\)为结构相对于地面的加速度，\(\dot{x}(t)\)为结构相对于地面的速度，\(\ddot{u}_{g}(t)\)为地面运动加速度。3.1.3动力特性单自由度体系的动力特性主要包括自振频率、阻尼比和振型。自振频率反映了体系的固有振动特性，阻尼比表示阻尼对振动能量的耗散作用，振型则表示体系在相应自振频率下的振动形态。3.2多自由度体系3.2.1基本概念多自由度体系（MDOF）是指具有两个或两个以上自由度的结构体系。在实际工程中，大部分结构都可以视为多自由度体系，如框架结构、剪力墙结构等。3.2.2运动方程多自由度体系的运动方程可以表示为：\[M\ddot{X}(t)C\dot{X}(t)KX(t)=M\ddot{U}_{g}(t)\]其中，\(M\)、\(C\)和\(K\)分别为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，\(X(t)\)、\(\dot{X}(t)\)和\(\ddot{X}(t)\)分别为结构相对于地面的位移向量、速度向量和加速度向量。3.2.3动力特性分析多自由度体系的动力特性分析主要包括自振频率、阻尼比和振型的求解。常用的方法有矩阵迭代法、子空间迭代法、特征值分析法等。3.3结构地震反应分析3.3.1地震波的输入地震波输入是结构地震反应分析的基础。常用的地震波输入方法有时程分析法、反应谱法和等效静力法。时程分析法可以模拟地震波在整个地震过程中的影响，反应谱法可以得到结构在不同频率下的最大响应，等效静力法则简化了地震波的动态作用。3.3.2地震反应分析步骤结构地震反应分析主要包括以下步骤：（1）建立结构模型，包括几何参数、材料参数和边界条件等；（2）确定地震波输入方式，选择合适的地震波；（3）进行结构动力特性分析，求解自振频率、阻尼比和振型；（4）根据地震波输入，计算结构在地震作用下的响应；（5）分析结构响应结果，评价结构的抗震功能。3.3.3抗震功能评价通过结构地震反应分析，可以评价结构的抗震功能，包括位移响应、速度响应、加速度响应、层间位移角等指标。根据评价结果，可以对结构设计进行优化，提高结构的抗震能力。第4章建筑结构设计基本规定4.1结构设计原则4.1.1结构设计应遵循安全、适用、经济、美观的原则，同时满足建筑功能需求和抗震设防目标。4.1.2结构设计应采用概率极限状态设计方法，保证结构在整个设计使用年限内，在各种可能的作用组合下，满足安全性、可靠性和耐久性要求。4.1.3结构设计应考虑施工、使用和维护的方便性，以及环境保护和资源节约。4.2结构设计荷载4.2.1结构设计荷载应包括永久荷载、可变荷载、偶然荷载和地震作用。4.2.2永久荷载包括结构自重、建筑构件及附属设备重量、预应力荷载等。4.2.3可变荷载包括人员、家具、设备等活荷载，风荷载、雪荷载、温度作用等环境荷载。4.2.4偶然荷载包括爆炸、撞击、火灾等偶然事件产生的荷载。4.2.5地震作用应根据抗震设防烈度、场地类别、建筑结构类型和设计使用年限确定。4.3结构设计方法4.3.1结构设计应采用分阶段、分层次的设计方法，包括以下步骤：a)初步设计：确定结构体系、材料、构件截面和连接方式；b)详细设计：根据初步设计结果，进行结构内力分析、构件强度和稳定性计算；c)施工图设计：根据详细设计结果，绘制结构施工图。4.3.2结构设计应采用计算机辅助设计软件进行结构分析，保证计算结果的准确性和可靠性。4.3.3结构设计应考虑以下因素：a)构件的受力功能和材料功能；b)结构的几何形状、尺寸和布局；c)施工工艺和施工过程对结构功能的影响；d)结构在使用过程中的维护、检测和加固措施。注意：本章内容仅供参考，实际设计过程中请遵循相关规范和标准。第5章钢筋混凝土结构设计5.1钢筋混凝土材料功能5.1.1混凝土混凝土作为钢筋混凝土结构的主要组成材料，其力学功能和耐久功能对结构安全。本章首先介绍混凝土的基本功能，包括强度、弹性模量、泊松比等，并对混凝土的等级及选用原则进行阐述。5.1.2钢筋钢筋作为钢筋混凝土结构中的主要受力材料，其功能直接影响到结构的安全和可靠。本节主要介绍钢筋的力学功能、锚固功能、焊接功能等，并对钢筋的等级、规格及选用原则进行说明。5.1.3混凝土与钢筋的粘结混凝土与钢筋之间的粘结是保证钢筋混凝土结构整体受力功能的关键。本节阐述混凝土与钢筋之间的粘结机理、粘结强度的计算方法以及粘结功能对结构设计的影响。5.2钢筋混凝土构件设计5.2.1受弯构件受弯构件是钢筋混凝土结构中最常见的构件类型。本节介绍受弯构件的受力特点、设计原则及计算方法，包括弯矩、剪力、轴力等内力的计算。5.2.2受压构件受压构件在钢筋混凝土结构中也具有重要作用。本节阐述受压构件的受力特点、设计原则及计算方法，包括轴向力、弯矩等内力的计算。5.2.3受拉构件受拉构件在结构中主要承受拉力作用。本节介绍受拉构件的受力特点、设计原则及计算方法，重点关注钢筋的锚固、搭接等构造要求。5.2.4受扭构件受扭构件在钢筋混凝土结构中承受扭矩作用。本节阐述受扭构件的受力特点、设计原则及计算方法，包括扭矩、剪力等内力的计算。5.3钢筋混凝土框架结构设计5.3.1框架结构布置框架结构布置是保证结构合理受力、提高抗震功能的基础。本节介绍框架结构的布置原则、柱网尺寸、跨度选择等内容。5.3.2框架结构内力分析框架结构内力分析是设计过程中的关键环节。本节阐述框架结构内力分析的方法，包括静力平衡法、弹性力学法、有限元法等。5.3.3框架结构构件设计本节针对框架结构中的梁、柱、节点等主要构件，介绍其设计原则、计算方法及构造要求。5.3.4框架结构抗震设计本节介绍钢筋混凝土框架结构的抗震设计原则、计算方法及构造措施，包括地震作用效应、抗震等级、延性要求等。第6章钢结构设计6.1钢结构材料与连接6.1.1钢材选择本节主要介绍钢结构设计中钢材的选择标准，包括钢材的化学成分、力学功能、焊接功能等方面的要求。6.1.2连接方式分析钢结构中常见的连接方式，如焊接、螺栓连接等，并对各种连接方式的适用范围、优缺点进行比较。6.1.3连接构造设计详细阐述连接构造的设计原则，包括连接部位、连接板尺寸、焊缝形式等，以保证结构的安全性和可靠性。6.2钢结构构件设计6.2.1构件类型及受力特点介绍常见的钢结构构件类型，如梁、柱、桁架等，并分析各自的受力特点。6.2.2构件尺寸及截面设计阐述构件尺寸及截面设计的方法，包括强度、稳定性、刚度等要求，并给出具体的设计计算步骤。6.2.3构件连接设计分析构件连接部位的设计要求，包括连接方式、焊缝尺寸、螺栓规格等，保证连接部位的强度和可靠性。6.3钢结构框架设计6.3.1框架结构类型介绍常见的钢结构框架类型，如框架结构、框筒结构、框架剪力墙结构等，并分析各自的特点。6.3.2框架结构设计原则阐述框架结构设计的基本原则，包括荷载作用、内力分析、构件设计等方面的要求。6.3.3框架结构抗震设计分析钢结构框架在地震作用下的响应特点，介绍抗震设计的方法和措施，以保证结构在地震作用下的安全性。6.3.4框架结构施工图设计介绍钢结构框架施工图设计的内容和要求，包括构件布置、节点详图、支撑系统等，为施工提供详细依据。第7章砌体结构设计7.1砌体材料与构件7.1.1砌体材料本节主要介绍砌体结构中常用的材料，包括砖、砌块、砂浆等。分析各种材料的力学功能、耐久性及其在砌体结构中的应用。7.1.2砌体构件介绍砌体结构中的主要构件类型，包括墙体、柱、梁、板等。阐述各类构件的受力特点、破坏模式及设计方法。7.2砌体结构抗震设计7.2.1抗震设计原则本节阐述砌体结构抗震设计的基本原则，包括强度、刚度、延性、整体性等要求。7.2.2地震作用与抗震设防分析地震作用对砌体结构的影响，介绍抗震设防的目标、标准和方法。7.2.3砌体结构抗震计算介绍砌体结构在地震作用下的受力分析、计算方法及抗震验算步骤。7.2.4抗震构造措施阐述提高砌体结构抗震功能的构造措施，包括抗震墙、抗震柱、抗震梁等的设计要点。7.3砌体结构构造措施7.3.1墙体构造本节介绍墙体的构造要求，包括厚度、材料、拉结筋等，以保证墙体的整体稳定性和抗震功能。7.3.2柱、梁、板构造分析柱、梁、板等构件的构造要求，包括截面尺寸、配筋、连接方式等，以提高砌体结构的受力功能。7.3.3层间及节点构造介绍层间及节点构造的设计要点，包括楼板、楼梯、门窗洞口等部位的连接和构造要求。7.3.4基础与地基构造阐述基础与地基的构造措施，包括基础类型、地基处理、基础与主体结构的连接等，以保证结构安全稳定。通过本章的学习，使读者掌握砌体结构设计的基本知识和抗震设计方法，为实际工程提供参考和指导。第8章抗震设防与地震作用组合8.1抗震设防标准8.1.1设计原则抗震设防应遵循安全、经济、合理、可行的原则，保证建筑结构在地震作用下的安全性、可靠性和稳定性。8.1.2设防目标抗震设防目标应满足以下要求：（1）保证建筑结构在遭遇多遇地震作用时，不发生破坏；（2）保证建筑结构在遭遇相当于本地区设防烈度的地震作用时，基本不发生破坏；（3）保证建筑结构在遭遇罕遇地震作用时，不发生严重破坏或倒塌。8.1.3设防烈度抗震设防烈度应按照我国《建筑抗震设计规范》确定，并结合工程所在地的地震烈度、场地条件、建筑结构类型及重要性等因素进行合理选用。8.1.4设防类别抗震设防类别分为甲、乙、丙、丁四类，各类建筑的抗震设防标准应按照国家现行标准执行。8.2地震作用组合8.2.1地震作用的确定地震作用应根据地震烈度、场地类别、地震动参数、建筑结构自振特性等因素进行计算。8.2.2地震作用组合方法地震作用组合应采用以下方法：（1）水平地震作用：根据地震烈度和场地类别，确定水平地震作用系数，作用于建筑结构的质心；（2）竖向地震作用：根据地震烈度和场地类别，确定竖向地震作用系数，作用于建筑结构的质心；（3）组合地震作用：将水平地震作用和竖向地震作用进行组合，得到组合地震作用。8.2.3地震作用组合效应地震作用组合效应应考虑以下因素：（1）不同方向的地震作用组合；（2）不同类型的地震作用组合；（3）结构非线性反应对地震作用组合的影响。8.3结构抗震功能评估8.3.1抗震功能评估方法结构抗震功能评估应采用以下方法：（1）静力弹塑性分析方法；（2）动力弹塑性分析方法；（3）能力谱法；（4）增量动力分析方法。8.3.2抗震功能评估指标抗震功能评估指标包括以下内容：（1）层间位移角；（2）结构位移比；（3）构件承载力；（4）结构能量耗散能力。8.3.3抗震功能评估结果根据抗震功能评估方法及指标，对建筑结构进行抗震功能评估，判断其是否满足设防目标要求。如不满足，应采取相应的加强措施，以提高结构抗震能力。第9章抗震构造措施与设计要求9.1抗震构造措施9.1.1抗震构造原则本节主要阐述抗震构造设计的基本原则，包括合理布局、延性设计、强柱弱梁、多道防线等。9.1.2抗震构造措施（1）结构体系：介绍各类结构体系的抗震构造措施，如框架结构、剪力墙结构、框架剪力墙结构等。（2）构件连接：分析构件连接部位的抗震构造措施，包括焊接、螺栓连接等。（3）延性设计：阐述延性设计的重要性，以及如何通过构造措施提高结构的延性。（4）防震缝设计：介绍防震缝的设置原则、宽度及构造要求。9.2建筑结构消能减震设计9.2.1消能减震原理本节简要介绍消能减震的基本原理，包括能量消散、阻尼器等。9.2.2消