结构抗震基本知识.ppt

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1、工程结构抗震设计Aseismic design of structural engineering,刘清山 E-MAIL:,建筑结构抗震设计,学习本门课要达到如下目的,掌握抗震的基本知识、基本理论、基本技能，了解抗震 设计的一般规律；,培养运用规范、标准，查阅技术资料的能力和抗震计算 能力；,了解结构抗震设计的新理论、新方法及抗震理论、方法 的发展趋势。,地震破坏综述,1 台湾集集地震,2 鹿儿岛地震,4 节点破坏,3 福冈地震,地震破坏综述,1.台湾集集地震.地震破坏921報告書(台湾 集 集 大 地 震).ppt,地震破坏综述,2 鹿儿岛地震.地震破坏4鹿児島地震1997.ppt,地震破坏

2、综述,3福冈地震.地震破坏日本福冈县西部近海地震.ppt,地震破坏综述,4 节点破坏.地震破坏5接合部破壊例.ppt,死亡24人，经济损失94亿美元。,云林县六市中山国宝二期大楼座落在大智路上，为12层钢筋混凝土住宅和商务混合大楼，其中二栋自楼梯间相接处分裂，东侧楼6层以下全部塌陷，并向东侧倒在邻房4层楼公寓上。西侧楼5层以下全部倒塌，并向西倾倒在另一栋大楼上，柱子间距介于8米到10米，且柱子数量偏少。,彰化县员林镇邦富贵名门大楼座落在中山路惠明街口，为16层钢筋混凝土集合住宅大楼。地震时其中一栋倾倒靠在呈L型平面大楼上，柱子间距7至10米。造成倾倒的原因是底层柱子数量少，间距太大。,柱子内埋

3、设管线（水、排水、电、煤气、电话）等，虽然节省了空间，但大大降低了柱子的有效承重截面积，造成破坏。,唐山大地震,1976年7月28日3时42分54秒，在河北省唐山、丰南一带（东经118.0度，北纬39.4度），发生了7.8级强烈地震，震中区烈度11度。地震波及天津市和北京市。这次地震发生在工矿企业集中、人口稠密的城市，极震区内工矿设施大部分毁坏，主要表现为厂房屋顶塌落，围护墙多数倒塌，高层建筑和一般民房几乎全部坍塌。震区内普遍发生铁路路基下沉，铁轨弯曲变形；公路路面开裂；桥墩错动、倾倒，梁体移动及坠落等。但是地下矿井的破坏比地面建筑轻得多。,150万人口中死亡24万，伤16万；直接经济损失10

4、0亿元，震后重建费用100亿元。,唐山市文化路青年宫，为砖混结构的二层楼房，7.8级地震时倒塌一层，7.1级地震时除四根门柱外，全部坍塌。,开滦煤矿医院，为砖混结构的五层楼房（局部七层），仅西部转角残存。,唐山市开滦煤矿救护楼，为砖混结构人字木屋架的三层楼房，墙倒顶塌。,唐山市河北省煤矿设计院，砖混结构的楼房局部倒塌。,唐山地区交通局，砖混结构的三层办公楼遭到破坏。（此处为唐山地震重点保护遗迹之一。）,唐山市河北省矿业学院图书馆，三层高的阅览室，系装配式纯框架结构，西头倒毁，东头框架幸存。（此处为唐山地震重点保护遗迹之一。）,唐山市机车车辆厂震后概貌。,震后工厂厂区,印 度 大 地 震,当地时

5、间2001年1月26日上午8时46分（北京时间2001年1月26日11时16分36.4秒，国际时间2001年1月26日03时16分40秒），在印度西北部古吉拉特邦发生一次强烈地震。据印度地震部门测定，这次地震为里氏7.9级，震中位于北纬23.6度和东经69.8度。至31日止，地震发生后已发生了196次余震。,死亡人数达16403人，受伤人数达55863人，经济损失45亿美元。,为了省钱，近年兴建的建筑物没有抗震结构，使地震的伤亡加重。,震后现场情况,座落在活断层上的一座二层小学教学楼被完全摧毁。,7.8级地震造成达180公里的破碎带，水平和垂直错距都很大，引起地表沉陷、隆起、裂缝、液化等地表破

6、坏，同时造成建筑物的大量毁坏。,伊兹米特市一楼房底层空旷，结构不合理，房屋整体倾斜，二楼成了一楼。,地震时河床变形，导致跨河公路桥梁跨塌。,人员伤亡惨重,美国加州北岭地震（7.0级）1994年1月17日，2400栋建筑被毁，多处高架公路桥受损，死亡61人，伤7300人，直接经济损失300亿美元，保险损失104亿美元。,日本阪神地震（7.2级）1995年11月17日，22万栋房屋倒塌或严重损坏，死亡6348人，伤4万人，经济损失1000亿美元。,二、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。,全世界地震主

7、要分布于以下两个带：（1）环太平洋地震带：包括南北美洲的太平洋沿岸和从阿 留申群岛、堪察加半岛、经千岛群岛日本列岛南下至 我国台湾省，再经菲律宾群岛转向东南，直到新西兰。（2）欧亚地震带：从印度、尼泊尔经缅甸 至我国横断山脉、喜马拉雅山区，越帕米尔高原，经 中亚细亚到地中海及其附近。,欧亚地震带,以上两个地震带释放的能量，约占全球所有地震释放能量的98%。,2.我国是一个地震灾害最严重的国家,1920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。,中国地震活动频度高、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

8、数达55万之多，占全球地震死亡人数的53%；1949年以来，100多次破坏性地震袭击了22个省（自治区、直辖市），其中涉及东部地区14个省份，造成27万余人丧生，占全国各类灾害死亡人数的54%，地震成灾面积达30多万平方公里，房屋倒塌达700万间。,20世纪全球两次死亡20万人以上的大地震均发生于我国。,3.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。,我国的地震活动主要分布在五个地区的23条地震带上。,

9、这五个地区是：,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。,我国目前处于地震活跃期。,三、抗震减灾的的任务,结构工程师的任务：,3.对已存在的工程结构作抗震鉴定、抗震加固。,抗震减灾工作应依法进行。,中华人民共和国防震减灾法(1997年12月29日第八届全国人民代表大会常务委员会第二十九次会议通过),第十七条 新建、扩建、改建建设工程，必须达到抗震设防要求。,第十九条 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，并按照抗震设计进行施工。,第四十五条 违反本法规定，有下列行为之一的，由县级以上人民政府建设行政主管部门或者其他有关专业主管部门按照职

10、责权限责令改正，处一万元以上十万元以下的罚款：,1.对地震区域作抗震减灾规划；,2.对新建筑工程作抗震设计；,（一）不按照抗震设计规范进行抗震设计的；,（二）不按照抗震设计进行施工的,1.1 地震基本知识,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。,什么是地震？,1.1.1 地球的构造,温度的不均匀压力的不均匀地幔存在软流层地幔内部物质

11、缓慢流动地壳的运动,地震类型与成因,一.按地震成因分类,-天然地震包括构造地震、火山地震、陷落地震,1.构造地震,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震总数的90%以上。,92%的地震发生在地壳中，其余的发生在地幔上部,成 因,构造地震的成因是，地球内部不断运动的过程中，始终存在着巨大的能量，造成地壳岩层不停地连续变动，不断地发生变形，产生地应力，当地应力产生的应变超过某处岩层的极限应变时，岩层就会发生突然断裂和错动，从而引起震动，震动以波的形式传到地面，便形成地震.,2.火山地震,由于火山作用，如岩浆活动、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。

12、,1914年日本樱岛火山爆发，产生的震动相当于一个6.7级地震。,3.陷落地震,由于地下溶洞或矿井顶部塌陷而引起的地震称为塌陷地震。这类地震的规模比较小，次数也很少。,人工地震,因人为因素直接造成的地震是人工地震。,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。,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。,二.按震源深浅分类,浅源地震震源深度小于60千米的称为浅源地震。全世界85%以上的地震都是浅源地震。,中源地震震源深度在60至300千米的称为中源地震。,深源地震震源深度在300千

13、米以上的称为深源地震。,浅源地震波及范围小，但破坏力大；深源地震波及范围大，但破坏力小。,2002年6月29日晨1：20发生于吉林的7.2级地震，震源深度为540km，无破坏。,目前有记录的最深震源达720公里。,地震分类,一.按地震成因分类,1960年2月29日发生于摩洛哥艾加迪尔城的5.8级地震，深度为3km。震中破坏极为严重，但破坏仅局限在震中8km内。,1.1.3 世界的地震活动,一是环太平洋地震带，它沿南、北美洲西海岸、阿留申群岛，转向西南到日本列岛，再经我国台湾省，达菲律宾、新几内亚和新西兰；全球约80 浅源地震和 90 的中、深源地震，以及几乎所有的深源地震都集中在这一地带。二是

14、欧亚地震带，它西起大西洋的亚速岛，经意大利、土耳其、伊朗、印度北部、我国西部和西南地区，过缅甸至印度尼西亚与上述环太平洋带相衔接；除分布在环太平洋地震活动带的中、深源地震以外，几乎所有其他中、深源地震和一些大的浅源地震都发生在这一活动带。,1.1.4 我国的地震活动,一是南北地震带，它北起贺兰山，向南经六盘山，穿越秦岭沿川西至云南省东北，纵贯南北。二是东西地震带，主要的东西构造带有两条，北面的一条沿陕西、山西、河北北部向东延伸，直至辽宁北部的千山一带；南面的一条，自帕米尔高原起经昆仑山、秦岭，直到大别山区。据此，我国大致可划分成六个地震活动区：1台湾及其附近海域；2喜马拉雅山脉活动区；南北地震

15、带；天山地震活动区；华北地震活动区；东南沿海地震活动区。,1.2 地震的基本术语1.2.1 震源和震中,震源:地层构造运动中，在地下岩层产生剧烈相对运动的部位大量释放能量，产生剧烈振动，此处就叫做震源，震中:震源正上方的地面位置叫震中。震中区:震中附近的地面振动最剧烈，也是破坏最严重的地区，叫震中区或极震区。震中距:地面某处至震中的水平距离叫做震中距。等震线:把地面上破坏程度相同或相近的点连成的曲线叫做等震线。震源深度:震源至地面的垂直距离叫做震源深度，,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。,横波特点:周期长、振幅大、波速慢,100-800m/s

16、,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,图示地震P波(纵波)和S波(横波)运行时弹性岩石运动的形态,人们一般通过记录地面运动的加速度来了解地震动的特征。对加速度记录进行积分，刚以得到地而运动的速度与 位移（图1-5）。从前面对于地震波的介绍可知地面上任一点的振动过程实际上包括各种类型地震波的综合作用。因此，地震动记录的最明显表征是其不规则性。但是，详细分析后可知，可以采用有限的几个要素来反映不规则的地震波。最大振幅，可以定量反映地震动的强度特性；地震记录的频谱分析，可以

17、揭示地震动的周期分布特征；强震持续时间的定义和测量，可以考察地震动循环作用程度的强弱。地震动的峰值（最大振幅）、频谱和持续时间，称为地震动的三要素。,地震动,由地震波传播所引发的地而振动，通常称为地震动,1.2.3 震级,1.定义,能量越大，震级就越大；震级相差一级，能量相差约32倍；相差二级，能量相差1000倍。,反映一次地震本身大小的等级，用M表示,式中A表示标准地震仪距震中100km纪录的最大水平地动位移，单位为微米。,2.震级与能量的关系,一个6级地震相当于一个两万吨级的原子弹。,能量E的单位：尔格（1尔格=）,3.按震级的地震分类,微震-2级以下。人感觉不到,有感地震-2-4级 人有

18、感觉,破坏性地震-5级以上 有破坏,强烈地震-7级以上 有破坏,特大地震-8级以上 有破坏,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。,1.2.4 地震烈度,一般而言，震级越大，烈度就越大。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、地质构造和地基条件等因素有关。,1.定义及影响因素,一次地震对某一地区的影响和破坏程度称地震烈度，简称为烈度。用I表示。,2.地震烈度表,地震烈度表是评定烈度的标准和尺度。,我国在1980年制定了中国地震烈度表。,中国地震烈度表将地震烈度分为1-12度。

19、,个别：10%以下少数：10%50%多数：50%70%大多数：70%90%普遍：90%以上,1.3 地震动特性,1.地震动三个基本要素：地震动的幅值、频谱和持时（即持续时间）。,1.地震动幅值 可以是地面运动的加速度、速度或位移的某种最大值或某种意义下的有效值。目前采用最多的地震动幅值是地面运动最大加速度幅值，它可描述地面震动的强弱程度，且与震害有着密切关系，可作为地震烈度的参考物理指标。,2 地震动频谱特性 地震动频谱特性：是指地震动对具有不同自振周期的结构的反应特性，通常可以用反应谱、功率谱和傅里叶谱来表示。反应谱是工程中最常用的形式，现已成为工程结构抗震设计的基础。震级、震中距和场地条件

20、对地震动的频谱特性有重要影响，震级越大、震中距越远，地震动记录的长周期分量越显著。硬土地基上的地震动记录包含较丰富的频率成分，而软土且土层厚地基上的地震动记录卓越周期长周期成分显著。,3 地震动持时特性地震动持时对结构的破坏程度有着较大的影响。在相同的地面运动最大加速度作用下，当强震的持续时间长，则该地点的地震烈度高，结构物的地震破坏重；反之，当强震的持续时间短，则该地点的地震烈度低，结构物的破坏轻。实际上，地震动强震持时对地震反应的影响主要表现在非线性反应阶段。从结构地震破坏的机理上分析，结构从局部破坏（非线性开始）到完全倒塌一般需要一个过程，往往要经历一段时间的往复振动过程。塑性变形的不可

21、恢复性需要耗散能量，因此在这一振动过程中即使结构最大变形反应没有达到静力试验条件下的最大变形，结构也可能因贮存能量能力的耗损达到某一限值而发生倒塌破坏。,1.4 工程结构抗震设防（重点）,基本术语 地震影响和抗震设防烈度 建筑分类 多遇地震烈度和罕遇地震烈度 抗震设防目标 两阶段抗震设计方法 基于性能的抗震设计,1.4.1 基本术语,1.抗震设防烈度：按国家规定的权限作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。2.抗震设防标准：衡量抗震设防要求的尺度，由抗震设防烈度和建筑使用功能的重要性确定。3.地震作用：由地震动引起的结构动态作用（指地面运动发生时在上部结构质点处产生的惯性力），包括水平地震作用和竖

22、向地震作用。4.设计地震动参数：抗震设计用的加速度（速度、位移）时程曲线、加速度反应谱和峰值加速度。,5.设计基本地震加速度：50 年设计基准期超越概率 10 的地震加速度的设计取值。6.设计特征周期：抗震设计用的地震影响系数曲线中，反映地震震级、震中距和场地类别等因素的下降段起始点对应的周期值。7.场地：工程群体所在地，具有相似的反应谱特征。其范围相当于厂区、居民小区和自然村或不小于1.0km2 的平面面积。8.抗震措施：除地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容，包括抗震构造措施。9.抗震构造措施：根据抗震概念设计原则，一般不需计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。,1.4.2

23、 地震影响和抗震设防烈度,抗震设防烈度设防烈度的取值依据：规范规定：一般情况下，可采用中国地震动参数区划图中的地震基本烈度。对已编制抗震设防区划的城市，可按批准的抗震设防烈度进行抗震设防。抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑必须进行抗震设计,地震影响 建筑所在地区遭受的地震影响，应采取相 应于抗震设防烈度的设计基本地震加速度和设计特征周期或规定的设计地震动参数来表征。建筑的设计特征周期应根据其所在地的设计地震分组和场地类别确定。设计地震分为三组，第一组表示近震中距，而第二、三组表示较远震中距的影响。,1.4.3 建筑分类,根据建筑物使用功能的重要性将建筑分为四个抗震设防类别：,1.4.4 多遇、

24、基本、罕遇地震烈度,抗震设防目标和要求,我国地震烈度的概率分布符合极值型第一水准(众值烈度)：设计基准期为50年，众值烈度的超越概率为63.2%，基本烈度1.55度。第二水准(基本烈度)：50年超越概率为10%。第三水准(罕遇烈度)：50年超越概率为2%，基本烈度+1度。,超越概率：在一定时期内，地震震动强度超过规定值的概率。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为10%的地震烈度值，相当于474年一遇的烈度值。多遇地震烈度：在50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇的超越概率为63.2%的地震烈度值，相当于50年一遇的烈度值。罕遇地震烈度：在50年期限内，一般场地条件下，

25、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。,1.4.5 抗震设防目标,通过抗震设防，减轻建筑的破坏，避免人员死亡，减轻经济损失。,1.总目标,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,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。小震不坏,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。中震可修,当遭受高于本地区抗震设防烈度的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。大震不倒,简称为：“小震不坏，中震可修，大震不倒”。

26、,3.“三水准”抗震设防是对单一水准设防的改进，是向“性能设计”发展的重要步骤,单一水准设防思想是我国74规范、78规范和目前许多国家采用的设防思想。,设防目标是：当遭遇相当于设计烈度的地震时，建筑物的损坏不致使人民生命财产和重要生产设备遭受危害，建筑物不需修理或经一般修理仍可继续使用。,1989年美国Loma Preita地震(7.1级），死亡65人，直接经济损失（建筑物破坏重建）80亿美元，间接经济损失150亿美元。,1994年美国Northridge地震(6.7级),伤亡不多，经济损失为200亿美元。,1995年日本阪神地震(7.2级),经济损失为1000亿美元。,1999年台湾集集地震

27、(7.3级),经济损失为94亿美元。,单一设防目标不适合当前现代化发展要求，应研究开发下一代性能设计规范和抗震设计方法。,1.4.6.“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。,第二阶段：,对一些规范规定的结构进行大震作用下的弹塑性变形验算。,有特殊要求的建筑、地震易倒塌的建筑、有明显薄弱层的建筑，不规则的建筑等,1.4.7 基于性能的抗震设计,设计思想与抗震思想区别 设防：单体系统目标：生命安全不同性能要求：固定最优,“性能设计”要点,（1）.对抗震设计规定相应的地震作用标准,（2）.建立建筑应满足的性

28、能水准,（3）.确立设防性能目标,基本目标,一般使用要求的建筑应具备a、b、c、d项的组合。,重要性较高或地震破坏后危险性较大的性能目标为e、f、g的组合。,对安全有十分危险影响的性能目标为h、i、j项的组合。,（4）.规定地震作用下结构变形的允许指标,应建立结构构件在规定的地震作用水平下的允许破坏水平，结构和非结构构件宏观破坏状态的描述和允许变形指标。,补充：地震烈度、震级与地震影响的关系,（1）级地震，震中烈度多为六度，其面积小于500平方公里。（2）级地震，震中烈度多为七度，其面积不超过200平方公里；六度区面积也只有数百平方公里。（3）级地震，震中烈度多数为八度，其面积几十平方公里；七

29、度区不超过200平方公里，六度区数百平方公里，如震中烈度为七度，则与级地震结果相同。（4）地震，震中烈度一半为八度，结果与级地震一样；另一半为九度，其面积小于100平方公里，八度区不超过500平方公里，七度区则在1500平方公里以内。,（1）级地震造成人员伤亡者占24%。而仅引起人员死亡的地震更少，只占11.5%。一次5级多地震中死亡人数最多为117人，而死亡29人以上的地震都发生在夜间。（2）级地震有43%造成人员伤亡，而只有人员死亡仅占35%，一次地震死亡人数最多为600人。,震级与伤亡的关系,地震的破坏作用（震害现象）,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

30、灾害。主要有：,1、地面破坏。如地面裂缝、错动、塌陷、喷水冒砂等；,一、直接灾害：,2、建筑物与构筑物的破坏（房屋倒塌）如房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；地震破坏属于动力破坏，是结构抗震研究的重点和结构抗震设计的基础。,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；,2、建筑物与构筑物的破坏（水坝开裂）如房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；,2、建筑物与构筑物的破坏（铁轨变形）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海岸，可造成沿海地区的破坏；,二、次生灾害：,直接灾害发

31、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。,1、火灾 由震后火源失控引起；,1923年日本关东地震，东京市内227处起火，33处未能扑灭造成火灾蔓，旧市区烧毁约50%；横滨市烧毁80%，死亡10万。,主要的次生灾害有：,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.,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,作业：1、何谓震级、地震烈度、基本烈度？2、请同学们上网搜集与地震相关的资料,