dA工程结构抗震设计原.ppt

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1、1,工程结构抗震设计原理,陸偉東 副教授 http:/南京工業大學 土木工程學院,2,目录,第一章 地震工程学概论 第二章 场地与地基基础抗震 第三章 工程结构的地震反应分析 第四章 钢筋混凝土框架结构的抗震设计 第五章 砌体结构的抗震设计 第六章 工程结构隔震与消能减震简介,3,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。,4,1.1 地震灾害概述,一、地震是群灾之首,人为灾害：,火灾、污染（大气、水、海洋）、核泄漏、战争等

2、,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，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。,5,死亡2400人，经济损失94亿美元。,6,7,8,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。,9,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

3、柱子数量少，间距太大。,10,11,柱子内埋设管线（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。,12,13,14,15,16,17,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

4、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100亿元，震后重建费用100亿元。,18,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。,19,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。,20,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。,21,唐山市河北省煤矿设计院，砖混结构的楼房局部倒塌。,22,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。）,23,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

5、框架幸存。（此处为唐山地震重点保护遗迹之一。）,24,唐山市机车车辆厂震后概貌。,25,震后工厂厂区,26,印 度 大 地 震,当地时间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。,27,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。,28,震后现场情况,

6、29,30,座落在活断层上的一座二层小学教学楼被完全摧毁。,31,7.8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、液化等地表破坏，同时造成建筑物的大量毁坏。,32,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。,33,地震时河床变形，导致跨河公路桥梁跨塌。,34,人员伤亡惨重,35,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，

7、伤4万人，经济损失1000亿美元。,36,更多的地震资源，见：,PEERPacific Earthquake Engineering Research Center,37,二、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（喜马拉雅地中海）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

8、中亚细亚到地中海及其附近。,38,喜马拉雅地中海地震带,39,2.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

9、我国。,40,3.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。,这五个地区是：,41,42,4.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,43,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1

10、2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,44,1.2 地震的一些基本概念,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

11、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？,45,什么叫震源、震中、震中距？,地球内部发生地震的地方叫震源；,震源在地面上的投影点称为震中；,震中及其附近的地方称为震中区，也称极震区；,从震中到地面上任何一点的距离称为震中距。,46,地震分类,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

12、%以上。,92%的地震发生在地壳中，其余的发生在地幔上部,47,2.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。,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。,48,3.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。,4

13、9,二.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。,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。,50,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

14、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,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,51,地震波,52,1.3 震级与烈度,一、地震震级,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。,53,3.按震级的地震分

15、类,微震-2级以下。人感觉不到,有感地震-2-4级 人有感觉,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。,54,二、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。,中国地震烈度表GB/T17

16、742-1999将地震烈度分为1-12度。,55,个别：10%以下少数：10%50%多数：50%70%大多数：70%90%普遍：90%以上,56,3.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。用Ib表示。,相当于475年一遇的最大地震的烈度。,各地区的基本烈度由中国地震动参数区划图（GB18306-2001)确定。,基本烈度也称为偶遇烈度或中震烈度。,57,中国地震烈度区划图,58,中国地震动峰值加速度区划图,59,按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度称为设防烈度，用Id表示。）,规范规定：一般情况下，可采用中国

17、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。,4.设防烈度,设防烈度的取值依据：,规范规定：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,60,抗震规范附录中列出了我国主要城镇的抗震设防烈度。,江苏省,1 抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度值为0.30g:第一组:宿迁、宿豫*2 抗震设防烈度为8 度，设计基本地震加速度值为0.20g:第一组:新沂、邳州、睢宁3 抗震设防烈度为7 度，设计基本地震加速度值为0.15g:第一组:扬州(3 个市辖区)、镇江(2 个市辖区)、东海、沭阳、泗洪、江都、大丰4 抗震设防烈度为7 度，设计基本

18、地震加速度值为0.10g:第一组:南京(11 个市辖区)、淮安(除楚州外的3 个市辖区)、徐州(5 个市辖区)、铜山、沛县、常州(4 个市辖区)、泰州(2 个市辖区)、赣榆、泗阳、盱眙、射阳、江浦、武进、盐城、盐都、东台、海安、姜堰、如皋、如东、扬中、仪征、兴化、高邮、六合、句容、丹阳、金坛、丹徒、溧阳、溧水、昆山、太仓第三组:连云港(4 个市辖区)灌云,61,建筑所在地区在设计基准期（50年）内出现的频度最高的烈度。也称为常遇烈度、小震烈度，用Is表示。其超越概率为63.2%，重现期为50年。,5.多遇烈度,6.罕遇烈度,建筑所在地区在设计基准期（50年）内具有超越概率2%-3%的地震烈度。

19、也称为大震烈度，重现期约为2000年。,62,三、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%。而引起人员死亡的地震更少，只占11.5%。

20、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,63,1.4 设计地震分组,请思考：图中的两座建筑在经历不同周期特点的地震作 用下，那座建筑更易破坏？,64,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.,江苏省各地震设防地区属第一、

21、第二、第三组均有。,1.4 设计地震分组,65,1.5 地震地面运动的一般特征,1.地面运动最大加速度,2.地面运动的周期,3.强震的持续时间,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。,66,1.6 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：,67,2、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；,68,2、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；,69,2、建筑物与构筑物的破坏 如房屋倒塌、桥梁断落

22、、水坝开裂、铁轨变形等；,70,2、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；,71,3、山体等自然物的破坏。如山崩、滑坡等；,72,4、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；,73,二、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。,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：,74,2、水灾。由水坝决口或山崩拥塞河道等引起；,3、毒

23、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.,75,三、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,76,4、结构构件连接支撑失效,77,5、地基失效,6、非结构构件破坏,78,1.7 抗震设防的基本要求,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。,一、抗震设防目标及方法,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。,当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可

24、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。,简称为：“小震不坏，中震可修，大震不倒”。,79,3.“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,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(7.3级),经济损失为94亿美元。

25、,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。,80,4.“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,81,二、抗震设防范围,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。,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。,三、抗震设防依据,一般情

26、况下采用抗震设防烈度。,在一定条件下可采用抗震设防区划提供的地震动参数。,82,四、抗震设防分类及抗震设防措施,1.抗震设防分类,国家技术监督局和建设部在1995年4月19日公布了建筑抗震设防分类标准GB50223。,该标准主要以地震中和地震后房屋的损坏对社会和经济产生的影响的程度大小，将建筑分成4个抗震设防类别。,国家质量监督检验检疫总局和建设部在2001年7月20日公布了建筑抗震设计规范GB50011-2001。该规范对上面标准作了修改。,83,84,85,较小乙类建筑：工矿企业的变电所、空压站以及城市供水水源的泵房等。,抗震性能较好的结构类型指钢筋混凝土结构或钢结构。,2.抗震设防措施,

27、抗震措施:除结构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。,抗震构造措施：一般不须计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。,86,3.地震作用,在设防烈度为6度时，除规范有具体规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。,87,1.8 建筑抗震概念设计,一、定义与基本内容,根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程称为概念设计。,基本内容有三部分：,1.建筑设计应重视建筑结构的规则性；2.合理的建筑结构体系选择；3.抗侧力结构和构件的延性设计。,88,二、建筑结构的规则性,建筑结构的规则性对抗震能力的重要影响

28、的认识始自若干现代建筑在地震中的表现。,最为典型的例子是1972年2月23日南美洲的马那瓜地震。,马那瓜有相距不远的两幢高层建筑，一幢为十五层高的中央银行大厦，另一幢为18层高的美洲银行大厦。当地地震烈度估计为8度。一幢破坏严重，震后拆除；另一幢轻微损坏，稍加修理便恢复使用。,89,马那瓜中央银行大厦,试问：那一幢破坏严重呢？,马那瓜美洲银行大厦,90,91,平面不规则的类型,92,平面不规则的类型,93,竖向不规则的类型,94,竖向不规则的类型,95,二、结构体系的合理选择,抗震结构体系是抗震设计应考虑的关键问题，结构方案的选取是否合理，对安全性和经济性起决定性作用。,规范规定：,1.结构体

29、系应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。,受力明确、传力合理、传力路线不间断、抗震分析与实际表现相符合。,96,2.应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。,由于柱子的数量较少或承载能力较弱，部分柱子退出工作后，整个结构系统丧失了对竖向荷载的承载能力。,抗震设计的一个重要原则是结构应有必要的赘余度和内力重分配的功能。,97,3.结构体系应具备必要的承载能力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。,足够的承载力和变形能力是需要同时满足的。,有较大的变形能力而缺少较高的抗侧向力的能力如钢或钢筋混凝土纯框架，由于在不大的地震作用下会产生较大的变形，导致非结构

30、构件的破坏或结构本身的失稳。,98,有较高的承载能力而缺少较大变形能力如不加约束的砌体结构，很容易引起脆性破坏而倒塌。,必要的承载能力和良好的变形能力的结合便是结构在地震作用下具有的耗能能力。,足够的承载力和变形能力是需要同时满足的。,99,结构不规则的典型 CCTV新楼,100,结构不规则的典型 CCTV新楼,101,三、结构构件的延性,结构的变形能力取决于组成结构的构件及其连接的延性水平。,规范对各类结构采取的抗震措施，基本上是提高各类结构构件的延性水平。,这些抗震措施是：,采用水平向（圈梁）和竖向（构造柱、芯柱）混凝土构件，加强对砌体结构的约束，或采用配筋砌体；使砌体在发生裂缝后不致坍塌

31、和散落，地震时不致丧失对重力荷载的承载能力；,2.避免混凝土结构的脆性破坏（包括混凝土压碎、构件 剪切破坏、钢筋同混凝土粘结破坏）先于钢筋的屈服；,3.避免钢结构构件的整体和局部失稳，保证节点焊接部 位（焊缝和母材)在地震时不致开裂。,102,四、非结构构件,非结构构件，包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备，自身及其与结构主体的连接，应进行抗震设计。,附着于楼、屋面结构上的非结构构件，应与主体结构有可靠的连接或锚固，避免地震时倒塌伤人或砸坏重要设备。,围护墙和隔墙应考虑对结构抗震的不利影响，避免不合理设置而导致主体结构的破坏。,3.幕墙、装饰贴面与主体结构应有可靠连接，避免地震时脱落伤人。,安装在建筑上的附属机械、电气设备系统的支座和连接，应符合地震时使用功能的要求，且不应导致相关部件的损坏。,