建筑结构抗震设计.ppt

1、建筑结构抗震设计Seismic design of buildings,主讲： 周峰 博士 高级工程师 土木与建筑工程学院,课程简介,地震是一种危及人民生命财产安全、破坏性极大的突发性自然灾害，地震造成生命、财产损失的直接原因是建筑物的剧烈震动、破坏倒塌。目前预测工作没有发展到准确预报的程度。随着我国城市化的发展，人口和财富向城市高度集中，基础设施高度发达，地震造成的后果将日益严重。我国是一个地震多发、震害严重的国家，抗震防灾是一项特殊的社会公益事业，它关系着经济发展和社会稳定。建筑结构抗震设防是减轻地震灾害的重要途径。,课程简介续,科学界多年的研究成果形成了一门学科地震工程学。它包含工程地震

2、和结构抗震两方面内容。 工程地震主要研究：地震危险性分析、地震区划、潜在震源区地震活动规律、地震动工程参数的选择及估计等。 结构抗震主要研究：建筑场地动力性能与抗震设计关系、构件与结构动力特性、结构动力破坏机制、结构地震反应分析理论与抗震设计方法等。,课程简介续,建筑结构抗震设计是综合了地震成因，强烈地面运动，结构物的动力特性和地震反应等方面的研究成果而发展起来的一门多科性的学科，它涉及地球物理学、地质学、地震学、工程力学（结构动力学、材料力学、结构静力学）、工程结构学（钢筋混凝土结构、钢结构、地基与基础）、施工技术等多方面的知识。,建筑结构抗震设计内容,第一章 绪论 第二章 场地、地基与基础

3、 第三章 结构地震反应分析与抗震验算 第四章 建筑抗震概念设计 第五章 多层和高层钢筋混凝土房屋抗震设计 第六章 多层砌体结构房屋的抗震设计 第七章 高层及多层钢结构房屋的抗震设计 第八章 单层钢筋混凝土柱厂房的抗震计 第九章 隔震与耗能减震房屋设计,第1章 绪 论,1.1 地震灾害概述（了解内容） 1.2 地震基本知识（重点掌握） 1.3 地震的震害（了解内容） 1.4 结构的抗震设防（重点掌握）,1.1 地震灾害概述1.1.1 地震是群灾之首,一、灾害分为自然灾害和人为灾害。 人为灾害：火灾、污染（大气、水、海洋）、核泄漏、战争等。 自然灾害：地震灾害是群灾之首，它具有突发性和不可预测性，

4、以及频度较高，并产生严重次生灾害，对社会也会产生很大影响等特点。 地震是一种普遍的自然现象 地震是地球内部构造运动的产物，是一种普遍的自然现象。全世界每年发生约500万次地震。其中：破坏性的大地震平均每年约1820次。,1.1.1 地震是群灾之首续,地震又是一种突发的自然灾害。 现代科技的发展，虽能对地震的发生进行预测，但准确地预报何时、何地将发生何种强度的地震一般是很困难的。这主要是由于地壳运动的复杂性，以及现代科学技术水平的局限性。 因此，破坏性地震常常是突然发生的。 目前，科学技术上还无法控制地震的发生。每次地震都会给人类社会带来灾难。,1.1.1 地震是群灾之首续,二、近代历史上大地震

5、,1.1.1 地震是群灾之首续,三、全世界地震带 主要分布于以下两个带： （1）环太平洋地震带（2）欧亚地震带 这两个地震带 释放的能量， 约占全球所有 地震释放能量 的98%。,环太平洋地震带,欧亚地震带,1.1.2 我国的地震情况,1.我国是一个多地震国家 据统计，我国大陆地震约占世界大陆地震的三分之一。原因是：我国正好介于地球的两大地震带之间。 2.我国是一个地震灾害最严重的国家 我国地震活动频度高、强度大、震源浅，分布广， 是一个震灾严重的国家。1900年以来，中国死于地震 的人数达55万之多，占全球地震死亡人数的53%。20 世纪全球两次死亡20万人以上的大地震均发生于我国。 192

6、0年宁夏海原地震（8.5级）死亡23.4万人。 1976年河北唐山地震（7.8级）死亡24.2万人，伤20余万。,1.1.2 我国的地震情况续,3.我国的地震活动地区 我国的地震活动主要分布在五个地区的23 条地震带上。 这五个地区是： 台湾省及其附近海域； 西南地区，主要是西藏、四川西部和云南中西部； 西北地区，主要在甘肃河西走廊、青海、宁夏、天山南北麓； 华北地区，主要在太行山两侧、汾渭河谷、阴山-燕山一带、 山东中部和渤海湾； 东南沿海的广东、福建等地。,1.1.2 我国的地震情况续,4.目前的地震形势 地震的发生有间歇性。一段时间内发生较频繁，一段时 间内较平静。世界以及我国目前均处于

7、地震活跃期，抗震 任务不容忽视。,1.2 地震基本知识1.2.1 地球内部构造,地球平均半径约6400km，内部由三个圈层组成。 1、地壳 地球最表面的一层，很薄，厚度各处不一，约5-40km, 一般厚度为5-40 km，平均厚度约为30km。主要由各种不 均匀的岩石组成：沉积岩花岗岩玄武岩等。 绝大部分地震都发生在地壳内。 2、地幔 中间一层，很厚，平均厚度约为2900km。主要由具有 粘弹性性质的质地比较坚硬的橄榄岩组成。其上部存在一 个约几百公里厚的软流层。 地幔内部的物质在热状态和不 均衡压力作用下缓慢运动，可能是造成地壳运动的根源。,1.2.1 地球内部构造续,3、地核 地球最里面的

8、一层，半径约为3500km，是地球的核 心部分。可分为外核（厚2100km）和内核（厚1400Km）， 其主要构成物质是镍和铁。 根据推测，外核可能处于液 态，内核可能处于固态。 地震观测发现：地震横波 不能通过外核（即不能通过 液体）。,1.2.2 地震的基本概念,1、什么是地震？ 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 。 地震是一种自然现象，地球上每天都在发生地震，一 年约有500万次。其中约5万次人们可以感觉到；能造成破 坏的约有1000次； 7级以上的大地震平均一年有十几次。目前记录到的世界上最大地震是8.9级，发生于1960 年5月22日的智利地震。,1.

9、2.2 地震的基本概念续,2、什么叫震源、震中、震中距？ 震源：地壳岩层发生断裂破坏、错动，产生剧烈振动的地 方，称为震源。 震中：震源正上方的地面位置称为震中。 极震区：在震中附近，振动最剧烈、破坏最严重的地区， 叫极震区。 震中距：地面某点至震中的距 离称为震中距。 震源深度：震中到震源的距离 或震源到地面的垂直距离,称为 震源深度。,1.2.3 地震成因和分类,一、地震成因 地震是地球动力作用的产物 内动力构造地震、火山地震 外动力塌陷地震（地下溶洞、矿坑、矿井的崩塌） 人类工程活动诱发地震（水库，城市、油田的抽水、注水，人工爆破、爆炸等）,1.2.3 地震成因和分类续,构造地震的成因

10、板块构造运动假说 地壳由六大板块组成。这些板块在地幔对流等因素产 生的巨大能量作用下产生运动，使板块之间相互挤压和错 动，致使其边缘附近的岩石层脆性破裂而引发地震。 断层假说 在地幔对流等因素产生的巨大能量作用下，使地壳和 地幔上部的岩石层发生皱褶变形，当积聚的地应力超过岩 石的极限强度时，岩石层便发生脆性断裂，猛烈回弹错动， 从而引起振动，以波的形式向地面传播，形成地震。,1.2.3 地震成因和分类续,二、地震的分类 1、按成因分类： 1）构造地震：由于地壳构造运动使深部岩石薄弱部位的应变超过容许值，岩层发生断裂、错动而引起的地面振动。 破坏性地震主要属于构造地震。据统计，构造地震约占世界地

11、震总数的90%以上。 2）火山地震 ：由于火山作用，如岩浆猛烈冲出地面、气体爆炸等引起的地震称为火山地震，这类地震只占全世界地震的7%左右，在我国很少见。 3）诱发地震： 因人为因素如由于水库蓄水或深井注水等引起的地震。如工业爆破、地下核爆炸造成的振动；在深井中进行高压注水以及大水库蓄水后增加了地壳的压力，有时也会诱发地震。,1.2.3 地震成因和分类续,1962年3月19日在广东河源新丰江水库坝区发生了迄今 我国最大的水库诱发地震，震级为6.1级。 4）陷落地震 ：由于地表或地下岩层突然大规模陷落或崩塌而造成的地震，如地下溶洞或旧坑崩塌引起。这类地震的震级很小，造成的破坏很少，次数也很少，约

12、占3% 。 构造地震破坏力大，影响范围广，建筑抗震设计中仅 限于讨论构造地震作用下建筑的设防问题。 后两种地震影响范围和破坏程度相对较小。,1.2.3 地震成因和分类续,2、按震源深度分类： 1）浅源地震：震源深度小于70千米的地震。 全世界85%以上的地震都是浅源地震。浅源地震波及范围小，但破坏力大。 2）中源地震：震源深度在70至300千米的地震，占12%，破坏性大。 3）深源地震：震源深度300km，占3%。震源深，波及范围大，破坏性小。 92%的地震发生在地壳中，其余的发生在地幔上部。 目前观测到的最深地震发生在地下720km左右。,1.2.3 地震成因和分类续,3、按地震序列分类：

13、地震时弹性应变能，以波的形式释放扩散，经多次反 射、折射形成持续过程，加之断裂错位不是瞬间完成的， 故在一定时间内（几十天或数月）相继发生在相邻地区的 一系列大小地震称为地震序列。 在一个地震序列中，最大的一次地震称为主震。 主震之前发生的地震称为前震。 主震之后发生的地震称为余震。 主震型地震：在一个地震序列中，若主震震级很突出， 其释放的能量占全序列中的绝大部分，叫主震型地震。 这是一种常见的破坏性地震类型。,1.2.3 地震成因和分类续,震群型或多发型地震：在一个地震序列中，若主震震级 不突出，主要地震能量是由多个震级相近地震释放出来 的。 孤立型或单发型地震：在一个地震序列中，若前震和

14、余 震都很少，甚至没有，绝大部分地震能量都是通过主震 一次释放出来的。 三种类型地震中：主震型地震约占60%，多发型地震约 占30%，单发型地震约占10%。 地震序列的认识和判别对预报地震和预防地震都很重要。,1.2.4 地震波动理论,地震波：地震产生的地壳运动（振动）以波的形式从震源 向各个方向传播并释放能量，这种波称为地震波。 地震波包含：体波和面波。 1、体波：在地球内部传播的波。 纵波：在传播过程中，介质质点的振动方向与波的前进方向一致，又称为压缩波或疏密波。特点：周期短，振幅小，波速快, 引起地面竖向颠簸。纵波也叫初波 横波：在传播过程中，介质质点的振动方向与波的前进方向垂直，故又称

15、为剪切波。特点：周期较长，振幅较大，波速慢, 引起地面水平摇晃。横波也叫次波。,体波,横波（S波） 纵波（P波）,1.2.4 地震波动理论续,2、面波：只限于在地面附近传播的波，也就是体波经过地层界面多次反射形成的次生波。特点：周期长，振幅大，比体波衰减慢，能传播到很远的地方。建筑物破坏主要是由面波造成。 瑞利波：传播时，质点在波的传播方向和地面法线组成的平面内（XZ）做椭圆形运动，而在与XZ平面垂直的水平方向（Y）没有振动，质点在地面上呈滚动形式。 乐夫波：传播时，质点只在与传播方向相垂直的水平方向（Y）运动，在地面上呈蛇形运动形式。,面波,瑞利波（R波） 乐夫波 (L波),1.2.4 地震

16、波动理论续,从实际地震时记录到的地震波可以看出，首先达到的是 纵波（初波、P波），接着是横波（次波、S波），面波达 到的最晚。 一般情况下，当横波或面波达到时，振幅增大，地面振 动最猛烈，造成的危害也最大。,1.2.5 震级与烈度,1、地震震级 定义：震级是表示一次地震本身强弱程度或大小的尺度，也是表示一次地震释放能量的多少，是一个衡量地震强度的指标，用M表示。 一次地震只有一个震级。 目前，国际上比较通用的是里氏震级，在1935年由查 尔斯里克特（19001985年）给出定义，即地震震级为 M=lgA 式中 A是标准地震仪（周期0.8s，阻尼系数0.8，放大 倍数2800倍的地震仪）在距震中

17、100km处记录的以微米（1 微米=10-6m）为单位的最大水平地动位移（单振幅）。,1.2.5 震级与烈度续,地震按震级大小分类 （1）微震：小于2级，人感觉不到，只有仪器才能记录下来。 （2）有感地震：2-4级，人能感觉到。 （3）破坏性地震：5级以上地震，能够引起不同程度破坏。 （4）强烈地震或大震：7级以上地震。 （5）特大地震：8级以上地震。 由于震源深浅、震中距大小等不同，地震造成的破坏也不同。震级大，破坏力不一定大；震级小，破坏力不一定就小。,1.2.5 震级与烈度续,2、 地震烈度 指某一地区的地面和各类建筑物遭受一次地震影响的 强弱程度，简称为烈度。 一般而言，震级越大，烈度

18、就越大。同一次地震，震 中距小烈度就高，反之烈度就低。影响烈度的因素，除了 震级、震中距外，还与震源深度、地震的传播介质、表土 性质、建筑物的动力特性和施工质量等许多因素有关。 注意与震级区分。,1.2.5 震级与烈度续,地震烈度表 地震烈度表是评定地震烈度的标准和尺度。它以描述 震害宏观现象为主，即根据建筑物的破坏程度、地貌变化 特征、地震时人的感觉、家具的动作反应等进行区分。 现在主要由地面震动的速度和加速度确定。 如水平向的加速度 10度为1000cm/s2 9度为500 cm/s2 8度为250 cm/s2 7度为125 cm/s2 6度为63 cm/s2 我国在1980年制定的中国地

19、震烈度表将地震烈 度分为1-12度（不同的国家的分度方法不同），1999年11 月1日起实施修订后的新烈度表中国地震烈度表 （GB/T17742-1999）。,1.2.5 震级与烈度续,3、基本烈度和地震区划 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。 基本烈度也称为偶遇烈度或中震烈度。,1.2.5 震级与烈度续,地震区划：是指根据历史地震、地震地质构造和地震观测 资料，在地图上按地震情况的差异划出的不同区域。 2001年版的中国地震动参考区划图，是确定我国城 镇抗震设防烈度、设计基本地震加速度和设计地震分组的 依据，具有法律效应

20、。 如武汉地区抗震设防烈度为6度，地震动加速度为0.05g 抗震设防烈度和设计基本地震加速度的对应关系,1.2.6 设计地震分组,设计地震分组是新规范新提出的概念，用以代替旧规 范设计近震、设计远震的概念。 在宏观烈度大体相同条件下， 处于大震级远离震中的高耸建筑 物的震害比中小级震级近震中距 的情况严重的多。 设计地震分三组，对于类 场地，第一、二、三组的设计特 征周期分别为：0.35s、0.40s、 0.45s. 湖北省各地震设防地区均属 第一组。,1.2.7 地震地面运动的一般特征,地面运动的一般特征可用地面运动加速度记录曲线来说明，它是由一系列非周期性的加速度脉冲所组成。 地震地面运动

21、的一般特征概括为： 1.地面运动最大加速度：决定强震时作用于结构的地震力 2.地面运动的周期：对结构地震反应起重要作用 3.强震的持续时间：对建筑物的破坏程度有较大的影响,1.3 地震的震害1.3.1 概述,一次大地震可在数10秒钟之内使一座繁荣的城市变成 废墟，人们几代人的积累和财富化为乌有。 一、直接灾害 由地震的原生现象如地震断层错动，以及地震波引起 的强烈地面振动所造成的灾害。 主要有： 1、地面破坏如地面裂缝、错动、塌陷、喷水冒砂等。 2、建筑物与构筑物的破坏：如房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等。 3、山体等自然物的破坏：如山崩、滑坡等。 4、海啸：海底地震引起的巨大海浪冲上

22、海岸，可造成沿海地区的破坏。,1.3.1 概述续,二、次生灾害： 直接灾害发生后，破坏了自然或社会原有的平衡、稳定状态，从而引发出的灾害。有时，次生灾害所造成的伤亡和损失比直接灾害还大。 主要的次生灾害有： 1、火灾：由震后火源失控引起。 2、水灾：由水坝决口或山崩拥塞河道等引起。 3、毒气泄漏：由建筑物或装置破坏等引起。 4、瘟疫：由震后生存环境的严重破坏而引起。,1.3.1 概述续,三、工程结构破坏现象 1、结构丧失整体性。 2、承重结构强度不足。 3、结构变形过大导致倒塌。 4、结构构件连接支撑失效。 5、地基失效。 6、非结构构件破坏。,1.3.2 工程地质条件对震害的影响,1、局部地

23、形条件的影响：孤立突出的山梁、山包、条状山嘴、高差较大的台地、陡坡及故河道岸边等，均对建筑物的抗震不利。 2、局部地质构造的影响：主要指断层，断层为地质构造的薄弱环节，分发震断层和非发震断层。具有潜在地震活动的断层为发震断层，多数浅源地震与发震断层有关。因此，在选择建筑物的场地时，应尽量使房屋远离断层及其破碎带。 3、地下水位的影响：地下水位越浅震害越重，地下水位深度在5m以内时，对震害影响最为明显。,1.4 结构的抗震设防1.4.1 抗震设防目标及方法,抗震设防是指对建筑物进行抗震设计并采取一定的 抗震构造措施，以达到结构抗震的效果和目的。 1、总目标 通过抗震设防，减轻建筑的破坏，避免人员

24、死亡， 减轻经济损失。具体通过“三水准”的抗震设防要求 和“两阶段”的抗震设计方法实现。 2、“三水准”抗震设防目标 近年来，国内外抗震设防目标的发展总趋势是要求 建筑物在使用期间，对不同频率和强度的地震，应具 有不同的抵抗能力，即“小震不坏，中震可修，大震 不倒”。,1.4.1 抗震设防目标及方法续,我国抗震规范中抗震设防的目标如下： (1)在遭受低于本地区设防烈度(基本烈度)的多遇地震影响时，建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用，即小震不坏； (2)在遭受本地区规定的设防烈度的地震影响时，建筑物(包括结构和非结构部分)可能有一定损坏，但不致危及人民生命和生产设备的安全，经一般修理或不需

25、修理仍可继续使用，即中震可修； (3)在遭受高于本地区设防烈度的预估罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏，即大震不倒。,1.4.1 抗震设防目标及方法续,3、三种地震烈度水准 基于上述抗震设防目标，建筑物在使用期间对不同强度 的地震应具有不同的抵抗能力，用三个地震烈度水准来考 虑，即 1）第一水准(众值烈度)：发生概率最多的地震，在50年期限内，一般场地条件下， 可能遭遇的超越概率为63.2% 的地震烈度值，相当于50年 一遇的烈度值。 相当于基本烈度-1.55度。,1.4.1 抗震设防目标及方法续,2）第二水准(基本烈度)：在50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇的超越概率

26、为10%的地震烈度值，相当于474年一遇的烈度值。 3）第三水准(罕遇烈度)：在50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇的超越概率为2%3%的地震烈度值，相当于16002500年一遇的烈度值。 相当于基本烈度+1度。,1.4.1 抗震设防目标及方法续,4、 “两阶段”抗震设计方法 为保证抗震设防的目标，规范规定了“两阶段”抗震设 计方法 第一阶段： 对绝大多数结构进行小震作用下的结构和构件承载力验算；在此基础上对各类结构按规定要求采取抗震措施，保证小震不坏和中震可修。 第二阶段： 对一些规范规定的结构(有特殊要求的建筑、地震时易倒塌的建筑、有明显薄弱层的建筑，不规则的建筑等)进行大震作用下的弹塑性变形验算，并采取相应的构造措施保证大震不倒。 。,1.4.2 抗震设防范围和依据,一、抗震设防范围 规范规定： 抗震设防烈度为6度及以上地区的所有新建建筑工程均必需进行抗震设计。 6度一般只需按构造考虑。 规范适用于6-9度地区抗震设计及隔震、消能减震设计。 超过9度的地区和行业有特殊要求的工业建筑按有关专门规定执行。,1.4.2 抗震设防范围和依据续,二、抗震设防依据 设防烈度：按国家规定的