抗震设计基本概念.ppt

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1、地震的概念：（Earthquake）由于地球不断运动和变化，逐渐积累了巨大的能量，在地壳某些脆弱地带，造成岩层突然发生破裂，或者引发原有断层的错动，这就是地震。地震绝大部分都发生在地壳中。,地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,地震及其破坏作用,原因：人工爆破；矿山开采；工程活动,构造地震,原因：地壳构造运动,工程地震的主要研究对象,天然地震,诱发地震,影响：一般不太强烈，个别情况会造成严重的地震灾害,火山地震,影响：发生数量大、影响范围广（占地震总数约90%）,地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,地震及其破坏作用,地球构成：,三个圈层：地壳、地幔、地核,地幔物质对流,板块构造运动（根本

2、原因）,地震,地震形成的宏观背景：,地震的形成：,板块分布图,地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,地震及其破坏作用,a、岩层的原始状态,b、受力发生弯曲,c、岩层破裂发生震动,地震形成的局部机制:,地球板块运动,板块之间的相互作用力,地壳中岩层变形,变形积聚超过岩石所能承受的程度,岩体就会发生突然断裂或错动,地震,地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,地震及其破坏作用,全球两大地震构造系,环太平洋地震构造系集中了全世界 地震总数的75%,大陆地震构造系 集中了全球大陆 地震的90%,地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,世界地震分布,我国是一个多地震国家,据统计，我国大陆地震约占世界大

3、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。,世界地震主要分布于以下两个带：（1）环太平洋地震带（2）地中海喜马拉雅地震带,地震及其破坏作用,地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,我国的地震活动地区,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。,我国地震活动主要分布在五个地区上:,地震及其破坏作用,台湾地震时地表出现长达1公里的地表裂缝,2002年2月3日上午约9时11分，土耳其中部阿菲翁省，发生里氏6.0级地震

4、，大量房屋倒塌,1995年1月17日，清晨5点46分，在神户东南的兵库县淡路岛，发生7.2级地震。由于煤气管道破裂，使煤气泄露，引起熊熊大火，约有200多处,地表破坏,建筑物的破坏,次生灾害,地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,地震的破坏作用地表破坏现象,地裂缝、地面下沉、滑坡、喷水冒砂等形式,地裂缝,危害：当地裂缝穿过建筑物时，会造成结构开裂直至倒塌,1976年7月28日唐山大地震造成的地裂缝,地震断层错动后在地表形成的痕迹,由于地表土质不匀及受地貌影响，其规模较前者为小,构造式地裂缝：,重力式地缝：,地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,地震及其破坏作用,多发生在软土分布地区和矿业采

5、空区,危害：不均匀沉陷易引起建筑物的破坏甚至倒塌,地面下沉,2005年11月26日九江县和瑞昌市之间发生5.7级地震,滑 坡,在河岸、山崖、丘陵地区，地震时极易诱发滑坡,危害：切断交通通道，冲毁房屋和桥梁、堵塞河流,2003年5月27日日本东北部里氏7级地震在宫城县筑馆镇造成的一处山体滑坡,地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,地震及其破坏作用,喷水冒砂,地面下水位较高 地震波的作用,地下水压急剧增高,地下水经地裂缝或其它通道喷出地面,地表土层含有砂层或粉土层,砂土液化甚至出现喷水冒砂,2001年昆仑山大地震时在库塞湖畔的喷水冒砂,危害：液化可以造成建筑物倾斜与倒塌、埋地管网的大面积破坏,1

6、995年神户地震中由于液化引起地面的下沉,地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,地震的破坏作用建筑物破坏,主要破坏原因,结构物动力破坏机制的分析，是结构抗震研究的重点和结构抗震设计的基础,：建筑物的破坏因地表破坏引起,：建筑物的破坏由于地震地面运动的动力作用引起,静力破坏,动力破坏,两类动力破坏形式：,强度破坏、丧失整体性破坏,地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,地震及其破坏作用,主要是因为结构承重构件的抗剪、抗弯、抗压等强度不足而形成。如：墙体裂缝、钢筋混凝土构件开裂或酥裂,强度破坏,承重结构强度不足,结构丧失整体性,在强度破坏前后，结构物一般进入弹塑性变形阶段。此时，在强烈振动下会因

7、为延性不足、节点连接失效、主要承重构件失稳等原因而丧失整体性，从而造成局部或整体结构的倒塌,地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,地震及其破坏作用,2005年3月20日日本福冈县以西海域发生里氏7级地震，结构丧失整体性,1988年11月6日，澜沧耿马发生7.6级地震，因结构变形过大导致倒塌,地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,地震及其破坏作用,我国历史强震中多层砖房屋震害程度统计(2054幢),地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,地震及其破坏作用,我国历史强震中单层混凝土柱工业厂房震害统计(249栋),地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,地震的破坏作用次生灾害,地震及其破坏作用,

8、次生灾害：地震时，水坝、煤气管道，供电线路的破坏，以及易燃、易爆、有毒物质容器的破坏，均可造成水灾、火灾、空气污染等次生灾害,1999年9月21日（北京时间），台湾省花莲西南发生7.6级地震,受断层作用北段三跨泄洪道断塌，造成水坝破坏。,地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,地震及其破坏作用,1995 神户地震,燃烧中,火灾后,地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,地震及其破坏作用,海啸瞬间,泰国酒店浸泡在海水中,印尼亚齐居民站在大街上,斯里兰卡居民房屋变成废墟,地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,灾难前的平静,海浪冲击堤岸,瞬间的汹涌澎湃,死亡地狱,美国Digital Globe公司

9、于2004年12月29日发布的卫星照片，照片是当地时间12月26日上午10：20在斯里兰卡西南部城市卡卢特勒上空拍摄的。照片显示了卡卢特勒海岸遭到海啸袭击后不久的情形。,地震及其破坏作用,地震基本知识,第十章 抗震设计基本概念,常用地震术语,震源：地球内部断层错动并引起周围介质振动的部位,震中：震源正上方的地面位置,震中距：地面某处至震中的水平距离,震源,震源深度,震中,等震线,震中距,震源深度:从震中到震源的距离,震源深度在70公里以内的地震为浅源地震震源深度超过300公里的地震叫深源地震震源深度介于70-300公里之间的地震为中源地震,震中距在100-1000公里的称为近震震中距超过100

10、0公里的称为远震,第一节 震级、烈度、设防标准,第十章 抗震设计基本概念,地震震级：表示地震本身大小（释放能量多少）的一种度量,近震震级M计算：M=logA+R(),震级M与震源释放能量之间的关系：,又称为里氏震级,式中 A记录图上量得的以m为单位的最大水平位移；R()依震中距而变化的起算函数。,logE=1.5M+11.8,其数值是根据地震仪记录到的地震波图确定的,国际上比较通用的是里氏震级，其原始定义为1935年由里克特(Richter)给出。,震级与震源释放能量的大小有关，震级每差一级，地震释放的能量将差32倍。,一、震级,第一节 震级、烈度、设防标准,地震烈度是指某一地区的地面和各类建

11、筑物遭受到一次地震影响的强弱程度。对于一次地震，表示地震大小的震级只有一个；随距离震中的远近不同，烈度就有差异。评定地震烈度的标准就称为地震烈度表。绝大多数国家包括我国都采用分成12度的地震烈度表。基本烈度：作为一个地区抗震设防依据的地震烈度，它是指该地区今后一定时期内，在一般场地土条件下，按一定的概率（我国取10%）可能遭受的最大地震烈度，也就是由国家地震局制定的全国地震烈度区划图规定的烈度。设防烈度：建筑物抗震设防时采用的烈度。,二、烈度、基本烈度,第一节 震级、烈度、基本烈度,区别：地震烈度 与 震级,一次地震，表示地震大小的震级只有一个 由于同一次地震对不同地点的影响不一样随着距离震中

12、的远近会出现多种不同的烈度,二、烈度,第一节 震级、烈度、设防标准,基本目的：在一定的经济条件下，最大限度地限制和减轻建筑物的地震破坏，保障人民生命财产的安全。我国根据具体情况，提出了三水准目标，二阶段设计法。原则：小震不坏、中震可修、大震不倒,小震是发生机会较多的地震，小震对应地震烈度概率密度曲线图上的峰值烈度，又叫众值烈度或多遇烈度，超越概率为63.2%；中震对应的地震烈度为基本烈度，50年内的超越概率为10%；大震是发生机会较小的罕遇地震，50年内的超越概率为2-3%。,一、抗震设防的目标,第一节 震级、烈度、设防标准,三水准设防目标1.当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，建筑物一

13、般不受损坏或不需修理仍可继续使用（第一水准）；2.当遭受本地区设防烈度的地震影响时，建筑物可能损坏，但经一般修理或不需修理仍可继续使用（第二水准）；3.当遭受高于本地区设防烈度预估的罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏（第三水准）。,我国采取6度起设防的方针，地震设防区面积约占国土面积的60,一、抗震设防目标,第一节 震级、烈度、设防标准,二阶段设计法 按地区设防烈度进行构件截面抗震承载力计算（弹性分析）保证了第一水准的强度要求和变形要求按高于本地区设防烈度的预估罕遇地震作用验算构件弹塑性变形（概念设计构造措施）保证结构满足第三水准的抗震设防要求,一、抗震设防的目标,第一节

14、震级、烈度、设防标准,抗震设防的分类根据建筑的使用功能的重要性，分为甲类、乙类、丙类、丁类四个抗震设防类别。甲类建筑：重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑，（如核电站、核设施、水库、大坝、堤防、贮油、贮气、贮存易燃易爆、剧毒、强腐蚀物质的设施等）；乙类建筑：地震时功能不能中断或需尽快恢复的建筑，即生命线工程建筑，（如消防、急救、供水、供电、通讯等）；丙类建筑：甲、乙、丁类以外的一般建筑，（如一般的公共建筑、住宅、旅馆、厂房等）；丁类建筑：抗震次要建筑，（如储存物品价值低的一般仓库，人员活动少的辅助建筑等）。,二、抗震设防依据、分类及设防标准,第二节 抗震设计基本要求,抗震设防标准甲类

15、建筑：地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施，当抗震设防烈度为68度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度更高的要求；乙类建筑：地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施，当设防烈度为68度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度更高的要求；,二、抗震设防依据、分类及设防标准,第二节 抗震设计基本要求,抗震设防标准丙类建筑：地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度要求；丁类建筑：地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施应允许比本地区抗震设防烈度适当降低，但设防烈度为6度时，不应降低。,二、抗震设防依据、分类及

16、设防标准,第二节 抗震设计基本要求,建筑抗震设计包括三个层次的内容与要求：,概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则 抗震计算为建筑抗震设计提供定量手段 构造措施在保证结构整体性、加强局部薄弱环节 等意义上保证抗震计算结果的有效性,建筑抗震设计在总体上要求把握的基本原则:,注意场地选择，把握建筑体型，利用结构延性，设置多道防线，重视非结构因素,三、建筑抗震概念设计,第二节 抗震设计基本要求,1.注意场地选择,地震区宜选择有利地段，避开不利地段，不在危险地段进行工程建设,当确实需要在不利地段或危险地段建筑工程时，应遵循建筑抗震设计的有关要求进行详细的场地评价，并采取必要的抗震措施,三、建筑抗震概念

17、设计,第二节 抗震设计基本要求,2.把握建筑体型,建筑物平、立面布置的基本原则：,结构对称 有利于减轻结构的地震扭转效应 形状规则 在地震时应力集中现象较少，有利于抗震质量与刚度变化均匀 平面内使结构刚度中心与质量中心相一致，避免扭转效应;高度方向均匀变化，避免薄弱层，减小变形集中、鞭梢效应,对称、规则、质量与刚度变化均匀,三、建筑抗震概念设计,第二节 抗震设计基本要求,平面不规则的类型,三、建筑抗震概念设计,第二节 抗震设计基本要求,竖向不规则的类型,三、建筑抗震概念设计,第二节 抗震设计基本要求,建筑结构平面的扭转不规则示例,建筑结构平面的凹角或凸角不规则示例,三、建筑抗震概念设计,第二节

18、 抗震设计基本要求,建筑结构平面局部不连续示例,沿竖向的侧向刚度不规则（有柔软层）,三、建筑抗震概念设计,第二节 抗震设计基本要求,竖向抗侧力构件不连续示例,竖向抗侧力结构屈服抗剪强度非均匀化（有薄弱层）,三、建筑抗震概念设计,第二节 抗震设计基本要求,3.利用结构延性,利用结构弹塑性阶段的性能通过塑性变形来消耗地震时输入结构的能量,脆性结构尽管抗力很大，但吸收地震能量的能力并不强延性结构却因可以吸收更多地震输入能量而有利于抗御结构倒塌的发生,增强结构与构件的延性的措施：,钢筋砼结构强剪弱弯、强节点弱构件设计，促使梁以受弯曲形式产生较大变形 砌体结构墙体配筋、构造柱圈梁体系等措施，增加结构的延

19、性,三、建筑抗震概念设计,第二节 抗震设计基本要求,4.设置多道防线,是抗震概念设计的一个重要组成部分,局部机制（L机制）,强梁弱柱型框架,单肢剪力墙结构,强柱弱梁型框架,双肢剪力墙加连系梁结构,总体机制（T机制）,三、建筑抗震概念设计,第二节 抗震设计基本要求,设置多道防线的手段：,应注意的原则：,采用超静定结构有目的地设置人工塑性铰利用框架的填充墙设置耗能元件或耗能装置等,1.不同的设防阶段应使结构周期有明显差别，以利避免共振2.最后一道防线要具备一定的强度和足够的变形潜力,三、建筑抗震概念设计,第二节 抗震设计基本要求,5.注意非结构因素,最主要的是非结构构件的处理,非结构构件的影响：影

20、响主体结构的动力特性如阻尼、周期等 地震中先期破坏如玻璃幕墙、吊顶、室内设备等,抗震设计中应注意：非结构构件与主体结构之间要有可靠的连接或锚固 对可能对主体结构振动造成影响的非结构构件，应注意分析 或估计其对主体结构可能带来的影响，并采取相应的抗震措施,三、建筑抗震概念设计,第二节 抗震设计基本要求,我国建筑抗震设计规范：地下基岩或剪切波速大于500m/s的坚硬土层至地表面的距离，称为“覆盖层厚度”,四、建筑场地、地基和基础,第二节 抗震设计基本要求,1.场地的分类,土层等效剪切波速Vse计算：,d0计算深度，取覆盖层厚度和20m两者的较小值；n 计算深度范围内土层的分层数；Vsi第i层土的剪

21、切波速；di第i层土的厚度。,当计算深度以下有明显的软弱土夹层时应适当提高场地类别,四、建筑场地、地基和基础,第二节 抗震设计基本要求,对于10层和高度30米以下的丙类建筑及丁类建筑，当无实测剪切波速时，也可以根据岩土性状按下表划分土的类型，并利用当地经验在该表所示的波速范围内估计各土层的剪切波速。,四、建筑场地、地基和基础,第二节 抗震设计基本要求,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。,地基基础抗震设计的一般要求：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

22、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。,四、建筑场地、地基和基础,第二节 抗震设计基本要求,3.地基和基础,重力荷载代表值,结构的重力荷载代表值等于结构和构配件自重标准值Gk加上各可变荷载组合值。,Qik第i个可变荷载标准值；Qi第i个可变荷载的组合值系数；,第三节 地震作用,第十章 抗震设计基本概念,单自由度弹性体系的水平地震作用,对于单自由度体系，把惯性力看作反映地震对结构体系影响的等效力，用它对结构进行抗震验算。,地震影响系数，即单自由度体系在

23、地震时最大反应加速度；F地震作用；Sa加速度反应谱。,三、水平地震作用,第三节 地震作用,抗震设计反应谱,地震影响系数取决于场地类别、建筑物的自振周期和阻尼比等许多因素，反映这些因素的曲线成为反应谱曲线。,体系阻尼比越大,体系地震加速度反应越小地震反应谱值越小,阻尼比对地震反应谱的影响,三、水平地震作用,第三节 地震作用,不同场地条件下的平均反应谱,不同震中距条件下的平均反应谱,地震反应谱峰值对应的周期也越长,场地越软,震中距越大,地震动主要频率成份越小（或主要周期成份越长）,三、水平地震作用,第三节 地震作用,地震影响系数max地震影响系数最大值T结构周期,1.曲线下降段衰减指数的调整,2.

24、直线下降段斜率的调整系数,3.阻尼调整系数,三、水平地震作用,第三节 地震作用,设计特征周期Tg(s),注：括号中数值分别用于设计基本地震加速度取0.15g和0.30g的地区,地震影响系数最大值（阻尼比0.05）,三、水平地震作用,第三节 地震作用,多自由度弹性体系的水平地震作用,按不同情况分别采用相应的地震作用计算方法：高度不超过40m，以剪切变形为主，刚度与质量沿高度分布比较均匀的建筑物，可采用底部剪力法。高度超过40m的高层建筑物一般可采用振型分解反应谱方法。刚度与质量分布特别不均匀的建筑物、甲类建筑物等，宜采用时程分析法进行补充计算。,三、水平地震作用,第三节 地震作用,底部剪力法,基本思想：按结构底部总剪力相等的原则，把多质点体系简化为单质点体系，只用基本自振周期确定总底部剪力，然后按照一定规律将地震力（总底部剪力）沿高度沿高度分配给各质点。,应用条件,建筑物高度不超过40m,结构以剪切变形为主,质量和刚度沿高度分布较均匀,结构的地震反应将以第一振型反应为主结构的第一振型接近直线,假定（1）结构的地震反应可用第一振型反应表征；（2）结构的第一振型为线性倒三角形，即任意质点的第一振型位移与其高度成正比,结构简化第一振型,三、水平地震作用,第三节 地震作用,