2地震作用.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,单击此处编辑母版标题样式,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,#,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,震源,震源深度,震,中,震中距,地震波,震中区,等震线,质点振动方向,波前进方向,质点振动方向,波前进方向,压缩波,剪切波,地震术语,震源特性,衰减规律,土的动力特场地的反应分析,结构的地震响应与抗震设计,地震工程问题,3.2,地震作用,3.2.1,地震作用的特点,地震作用：,地震时产生的一种随机脉冲动力作用。,结构的地震反应：,指地震引起的结构振动，包括在结构中引起的速度、加速度、位移等。,结构、构件的地震作用效应：,地震作用在结构中产生的内力和变形，主要有弯矩、剪力、轴向力和变形等。,3.2,地震作用,3.2.1,地震作用的特点,地震波可以分解为六个震动分量：两个水平分量、一个竖向分量和三个转动分量。,水平震动,：使结构产生移动和摇摆,扭转震动：使结构扭转（概念设计）,竖向震动：使结构竖向震动（震中附近的高烈度地区）,其中，对建筑结构造成破坏的主要是,水平震动和扭转震动,。,3.2,地震作用,3.2.1,地震作用的特点,地面震动三要素：,强度,(,振幅值,),、频谱和持续时间,。,当地震烈度大且作用时间长，或卓越周期（频谱分析中能量占主导地位的频率成分）与结构的自振周期接近，或持续时间长，将对建筑物造成的影响严重。,地面运动的特性与震源所在位置、深度、地震发生原因、传播距离和场地土性质等因素密切相关。,3.2,地震作用,3.2.1,地震作用的特点,建筑本身的动力特性,：自振周期、振型及阻尼。它们与建筑物的质量和结构的刚度有关。,一般，质量大、刚度大、周期短的建筑物在地震作用下的惯性力较大；刚度小、周期长的建筑物位移较大，但惯性力较小。,3.2.2,抗震设防准则及基本方法,一、抗震设防及其思想,抗震设防,对建筑物进行抗震设计并采取抗震措施,指导思想,预防为主,减轻结构震害,避免人员伤亡,减少经济损失,使地震时不可缺少的紧急活动得以维持和进行,趋势,使用寿命期内对不同频度和强度的地震具有不同的抵抗能力,1.,总目标：,通过抗震设防，减轻建筑的破坏，避免人员伤亡，减轻经济损失。,2.,“,三水准,”,抗震设防目标,二、抗震设防目标及方法,“,一水准,”,：,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。,“,二水准,”,：,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。,“,三水准,”,：,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,”,。,“,三水准”地震作用的标定,地震影响,50,年超越概率,地震重现期,多遇地震对应的烈度,众值烈度,小震,63.2%,50,年,设防烈度,中震,10%,475,年,罕遇地震对应的烈度,大震,2-3%,1642-2475,年,I,f(I),I,m,I,0,I,s,小震烈度约比基本烈度低,1.55,度，大震烈度约比基本烈度高,1,度。,性能水准,要求,正常使用,结构和非结构构件不损坏或很小损坏,可以暂时使用,结构和非结构构件需很少量的修复工程,生命安全,结构保持稳定，具有足够的竖向承载能力储备，非结构构件的破坏控制在保障生命安全范围,防止倒塌,建筑保持不倒，其余破坏都在可接受范围,性能水准,二、抗震设防目标及方法,3.,“,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,三、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。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。,四、设防依据,抗震设防烈度,定义：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。,确定：必须按国家规定的权限审批、颁发的文件（图件）确定。,一般情况下，可采用中国地震烈度区划图的,地震基本烈度,（或与本规范设计地震基本加速度值对应的烈度值）,对做过抗震防灾规划的城市，可按批准的抗震设防区划（抗震设防烈度或设计地震动参数）进行抗震设防,五、抗震设防分类及抗震设防措施,抗震次要建筑,丁类,除甲乙丁类以外的一般工业与民用建筑,丙类,地震时使用功能不能中断需尽快恢复的建筑（医院、消防、供电等）,乙类,重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑（如人民大会堂）,甲类,设,防,分,类,1.,抗震设防分类,建筑抗震设计规范,GB50011-2010,，根据,使用功能,的重要性将建筑物设防等级分为四类：,应允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低，但抗震设防烈度为,6,度时不应降低,丁类,应符合本地区抗震设防烈度度的要求,丙类,一般情况下，当抗震设防烈度为,6-8,度时，应符合本地区抗震设防烈度提高,1,度的要求；当,9,度时，应符合比,9,度抗震设防更高的要求，对较小的乙类建筑，当其结构改用抗震性能较好的结构类型时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震措施,乙类,当抗震设防烈度为,6-8,度时，应符合本地区抗震设防烈度,提高,1,度,的要求；当为,9,度时，应符合比,9,度抗震设防更高的要求,甲类,抗,震,措,施,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。,2.,抗震设防措施,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。,由于地震作用的复杂性和地震作用发生的强度的不确定性，以及结构和体形的差异等，地震作用的计算方法是不同的。目前，主要有两类：,拟静力法（反应谱法）,将,地震对建筑物的作用以等效荷载的方法来表示,，再用静力分析方法对结构进行内力和位移计算，并验算结构的抗震承载能力和变形。,直接动力分析法（时程分析法）,对,结构动力方程直接积分,，以求出结构的地震反应与时间变化的关系。,3.2.3,抗震计算理论及设计反应谱,与各类型结构相应的地震作用分析方法,不超过,40m,的规则结构：底部剪力法,一般的规则结构：两个主轴的振型分解反应谱法,质量和刚度分布明显不对称结构：考虑扭转和双向地震作用的振型分解反应谱法,7,（,0.15g,）、,8,、,9,度时的大跨、长悬臂结构和,9,度的高层建筑：考虑竖向地震作用,特别不规则、甲类和超过规定范围的高层建筑：一维或二维时程分析法的补充计算,一、地震作用下单自由度体系的运动方程,质点位移,质点加速度,惯性力,弹性恢复力,阻尼力,运动方程,一、反应谱法理论,反应谱是通过单自由度弹性体系的地震反应计算得到的谱曲线。,运动方程可通过杜哈默积分或通过数值求解，计算结果是随时间变化的质点加速度、速度、位移反应。,反应谱：,结构自振周期与结构质点体系位移、速度、加速度之间的关系曲线即为反应谱。其中，以,加速度反应谱最为常用,，它是指结构的绝对加速度,Sa,与结构自振周期的曲线。,绝对加速度反应谱,一、反应谱法理论,相对位移反应谱,绝对加速度反应谱,相对速度反应谱,地震反应谱的特点：,1.,阻尼比对反应谱影响很大,2.,对于,加速度反应谱,，当结构周期小于某个值时幅值随周期急剧增大，大于某个值时，快速下降。,3.,对于,速度反应谱,，当结构周期小于某 个值时幅值随周期增大，随后趋于常数。,4.,对于,位移反应谱,，幅值随周期增大。,一、反应谱法理论,不同场地条件对反应谱的影响,将多个地震反应谱平均后得平均加速度反应谱：,周期（,s),岩石,坚硬场地,厚的无粘性土层,软土层,场地条件对反应谱的影响：硬土反应谱的峰值对应的周期较短，即,硬土的卓越周期短；软土反应谱的峰值对应的周期较长，即软土的卓越周期长。,二、单自由度体系的水平地震作用及设计反应谱,目前我国抗震设计都,采用加速度反应谱,计算地震作用。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。,结构在地震持续过程中经受的最大地震作用为：,-,集中于质点处的重力荷载代表值；,-,重力加速度,-,动力系数,-,地震系数,-,水平地震影响系数,-,地震影响系数；,-,地震影响系数最,大值；,-,结构周期；,地震影响系数最大值（阻尼比为,0.05,）,1.40,0.90(1.20),0.50(0.72),0.28,罕遇地震,0.32,0.16(0.24),0.08(0.12),0.04,多遇地震,9,8,7,6,地震影响,烈度,括号数字分别对应于设计基本加速度,0.15g,和,0.30g,地区的地震影响系数,设计反应谱,-,特征周期；,-,曲线下降段的衰减指数；,-,直线下降段的斜率调整系数；,小于,0,时，应取,0,。,-,阻尼调整系数，小于,0.55,时，应取,0.55,。,一般钢筋混凝土结构阻尼比取,0.05,，钢结构取,0.02,。,地震特征周期分组的特征周期值（,s,）,0.90,0.65,0.45,0.30,第三组,0.75,0.55,0.40,0.25,第二组,0.65,0.45,0.35,0.20,第一组,0,场地类别,0.35,0.30,0.25,1,三、特征周期,Tg,与场地土,影响,a,值大小的因素除与自振周期和阻尼比外，还有,场地特征周期,Tg,。,场地特征周期与场地、场地土的性质和设计地震分组有关。,地震特征周期分组的特征周期值（,s,）,0.90,0.65,0.45,0.35,第三组,0.75,0.55,0.40,0.30,第二组,0.65,0.45,0.35,0.25,第一组,1,场地类别,0.30,0.25,0.20,0,三、特征周期,Tg,与场地土,场地土层的固有周期的简化计算公式为,单一土层时,多层土时,-,覆盖层厚度,-,土的剪切波速,-,土层总数,-,i,层厚度,-,i,层剪切波速,1.,场地土层的固有周期与场地的地震效应,（,1,）场地土层的固有周期,（,2,）场地的地震效应,场地土对于从基岩传来的地震波具有放大作用,坚硬土层,上的刚性建筑、软弱土上的柔性建筑破坏严重。,2.,建筑场地的类别,建筑场地按地震对建筑的影响划分为,4,类。建筑场地分类的指标是以,场地土的类型和覆盖层的厚度,。,（,1,）场地土的类型,（,2,）场地类别,覆盖层的厚度：,地面至坚硬土顶面的距离，坚硬土通常是指剪切波速大于,500 m/s,的土层和岩石。,场地土愈柔软、软土覆盖厚度愈大，场地类别愈高，特征周期愈大，对长周期结构愈不利。,一、振型分解反应谱法,m,1,m,2,m,i,m,N,x,i,x,g,(t),作用于,i,质点上的力有,惯性力,弹性恢复力,阻尼力,运动方程,3.2.4,水平地震作用,1.,多自由度质点体系的运动方程,x,g,(t),x,i,(t),a,1i,a,ji,a,ni,2.,计算水平地震作用的振型分解反应谱法,将质量集中在楼层位置，,n,个楼层为,n,个质点，具有,n,个振型。,首先分别计算每个振型的水平地震作用及其效应（剪力、弯矩、轴力、位移），然后再进行内力和位移的振型组合。,-,相应于,j,振型自振周期的地震影响系数；,-j,振型,i,质点的水平相对位移；,-j,振型的振型参与系数；,-i,质点的重力荷载代表值。,m,1,m,2,m,i,1,振型地震,作用标准值,2,振型,j,振型,n,振型,-,体系,j,振型,i,质点水平地震作用标准值计算公式,2.,计算水平地震作用的振型分解反应谱法,与单自由度体系的计算方法相同,地震作用效应（弯矩、位移等）,-j,振型地震作用产生的地震效应；,m,-,选取振型数,2.,计算水平地震作用的振型分解反应谱法,如,剪力,、弯矩、轴力、位移,一般只取,2-3,个振型，当基本自振周期大于,1.5s,或房屋高宽比大于,5,时，振型个数可适当增加，一般取,5-6,个振型。,3.,振型分解反应谱法计算地震作用效应步骤,（,1,）求体系的自振周期和振型,（,2,）计算各振型的地震影响系数,（,3,）计算各振型的振型参与系数,（,4,）计算各振型各楼层地震作用,（,5,）计算各振型的地震作用效应,（,6,）计算地震作用效应（层间剪力）,例：试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。,抗震设防烈度为,8,度，,类场地，设计地震分组为第二组。,解：,（,1,）求体系的自振周期和振型,（,2,）计算各振型的地震影响系数,1.40,0.90(1.20),0.50(0.72),0.28,罕遇地震,0.32,0.16(0.24),0.08(0.12),0.04,多遇地震,9,8,7,6,地震影响,烈度,地震影响系数最大值（阻尼比为,0.05,）,查表得,地震特征周期分组的特征周期值（,s,）,0.90,0.65,0.45,0.35,第三组,0.75,0.55,0.40,0.30,第二组,0.65,0.45,0.35,0.25,第一组,场地类别,例：试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。,抗震设防烈度为,8,度，,类场地，设计地震分组为第二组。,解：,（,1,）求体系的自振周期和振型,（,2,）计算各振型的地震影响系数,查表得,第一振型,第二振型,第三振型,例：试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。,抗震设防烈度为,8,度，,类场地，设计地震分组为第二组。,解：,（,1,）求体系的自振周期和振型,（,2,）计算各振型的地震影响系数,（,3,）计算各振型的振型参与系数,第一振型,第二振型,第三振型,例：试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。,抗震设防烈度为,8,度，,类场地，设计地震分组为第二组。,解：,（,1,）求体系的自振周期和振型,（,2,）计算各振型的地震影响系数,（,3,）计算各振型的振型参与系数,（,4,）计算各振型各楼层的水平地震作用,第一振型,第一振型,例：试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。,抗震设防烈度为,8,度，,类场地，设计地震分组为第二组。,解：,（,1,）求体系的自振周期和振型,（,2,）计算各振型的地震影响系数,（,3,）计算各振型的振型参与系数,（,4,）计算各振型各楼层的水平地震作用,第一振型,第二振型,第二振型,例：试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。,抗震设防烈度为,8,度，,类场地，设计地震分组为第二组。,解：,（,1,）求体系的自振周期和振型,（,2,）计算各振型的地震影响系数,（,3,）计算各振型的振型参与系数,（,4,）计算各振型各楼层的水平地震作用,第一振型,第二振型,第三振型,第三振型,例：试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。,抗震设防烈度为,8,度，,类场地，设计地震分组为第二组。,解：,（,1,）求体系的自振周期和振型,（,2,）计算各振型的地震影响系数,（,3,）计算各振型的振型参与系数,（,4,）计算各振型各楼层的水平地震作用,第一振型,第二振型,第三振型,（,5,）计算各振型的地震作用效应（层间剪力）,第一振型,1,振型,例：试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。,抗震设防烈度为,8,度，,类场地，设计地震分组为第二组。,解：,（,1,）求体系的自振周期和振型,（,2,）计算各振型的地震影响系数,（,3,）计算各振型的振型参与系数,（,4,）计算各振型各楼层的水平地震作用,第一振型,第二振型,第三振型,（,5,）计算各振型的地震作用效应（层间剪力）,1,振型,第二振型,2,振型,例：试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。,抗震设防烈度为,8,度，,类场地，设计地震分组为第二组。,解：,（,1,）求体系的自振周期和振型,（,2,）计算各振型的地震影响系数,（,3,）计算各振型的振型参与系数,（,4,）计算各振型各楼层的水平地震作用,第一振型,第二振型,第三振型,（,5,）计算各振型的地震作用效应（层间剪力）,1,振型,2,振型,第三振型,3,振型,例：试用振型分解反应谱法计算图示框架多遇地震时的层间剪力。,抗震设防烈度为,8,度，,类场地，设计地震分组为第二组。,解：,（,1,）求体系的自振周期和振型,（,2,）计算各振型的地震影响系数,（,3,）计算各振型的振型参与系数,（,4,）计算各振型各楼层地震作用,第一振型,第二振型,第三振型,（,5,）计算各振型的地震作用效应,1,振型,2,振型,3,振型,（,6,）计算地震作用效应（层间剪力）,组合后各层地震剪力,二、底部剪力法,2.,各质点的水平地震作用标准值的计算,G,eq,结构等效重力荷载，,0.85G,E,G,E,结构重力荷载代表值,1.,底部剪力的计算,结构底部总剪力标准值：,H,1,G,1,G,k,H,k,3.,顶部附加地震作用的计算,为了修正，在顶部附加一个集中力 。,H,1,G,1,G,k,H,k,-,结构总水平地震作用标准值；,-,相应于,结构基本周期的,水平地震影响系数；多层砌体房屋、底部框架和多层内框架砖房，宜取水平地震影响系数最大值；,-,结构等效总重力荷载,；,-i,质点水平地震作用,；,-i,质点重力荷载代表值,；,-i,质点的,计算高度,；,-,顶部附加地震作用系数，多层内框架,砖房,0.2,多层刚混、钢结构房屋按下,表,其它可不考虑。,顶部附加地震作用系数,4.,底部剪力法适用范围,底部剪力法适用于一般的多层砖房等砌体结构、内框架和底部框架抗震墙砖房、单层空旷房屋、单层工业厂房及多层框架结构等低于,40m,以,剪切变形为主,的,规则房屋,。,以,“,剪切变形,”,为主：,在结构侧移曲线中，楼盖层平面转动产生的侧移所占的比例较小。,三、重力荷载代表值,重力荷载代表值,永久荷载（建筑结构构配件自重）标准值,+,可变荷载（雪、灰、楼面活荷载）组合值,永久荷载标准值,组合值系数,可变荷载标准值,四、水平地震层间剪力最小值,对于长周期结构，地震地面运动速度和位移可能对结构的破坏具有更大的影响。为了安全，按振型分解反应谱法和底部剪力法算得的结构层间剪力应符合下式要求,V,EKi,-,第,i,层对应于水平地震作用标准值的楼层剪力；,G,j,-,第,j,层的重力荷载代表值。,-,剪力系数，不应小于下表数值，对竖向不规则结构的薄弱层，尚应乘以,1.15,的增大系数；,类别,6,度,7,度,8,度,9,度,扭转效应明显或基本周期小于,3.5s,的结构,0.008,0.016(0.024),0.032(0.048),0.064,基本周期大于,5.0s,的结构,0.006,0.012(0.018),0.024(0.036),0.040,基本周期介于,3.5s,和,5s,之间的结构，可插入取值。,应用抗震设计反应谱计算地震作用下的结构反应，除砌体结构、底部框架抗震墙砖房和内框架房屋采用底部剪力法不需要计算自振周期外，其余均需计算自振周期。,计算方法：,理论法（解特征方程）、半理论半经验公式、经验公式,。,3.2.5,结构自振周期计算,一、矩阵迭代法（,Stodola,法）,有限自由度体系求频率、振型，属于矩阵特征值问题。,柔度法建立的振型方程,令,-,动力矩阵,-,标准特征值问题,刚度法建立的振型方程,-,广义特征值问题,迭代式为,理论方法没有考虑填充墙等非结构构件对刚度的增大作用，,得到的周期比结构的实际周期长,，故需进行修正。修正系数：框架,0.6-0.7,，框架,-,剪力墙,0.7-0.8,，剪力墙,0.9-1.0,。,（一）能量法,设体系按,i,振型作自由振动。,速度为,t,时刻的位移为,动能为,势能为,最大动能为,最大势能为,由能量守恒，有,二、半理论半经验公式,通常将,重力,作为荷载所引起的位移代入上式求基本频率的近似值。,（二）等效质量法（折算质量法）,将多质点体系用单质点体系代替。,多质点体系的最大动能为,单质点体系的最大动能为,-,体系按第一振型振动时，相应于折算质点处的最大位移；,-,单位水平力作用下顶点位移。,（三）顶点位移法,适用于质量、刚度沿高度分布比较均匀的框架、剪力墙和框架,-,剪力墙结构。,结构的顶点假想位移,结构基本周期修正系数,在实测统计基础上，再忽略房屋宽度和层高的影响等，有下列更粗略的公式,（,1,）钢筋混凝土框架结构,N-,结构总层数。,（,2,）钢筋混凝土框架,-,抗震墙或钢筋混凝土框架,-,筒体结构,（,3,）钢筋混凝土抗震墙,（,4,）钢,-,钢筋混凝土混合结构,（,5,）高层钢结构,三、自振周期的经验公式,3.2.6,结构竖向地震作用,1.,长悬臂结构,（跨度大于,2m,的悬挑结构,7,度,(0.15g),、,8,度,）,；,2.,大跨度结构,（指跨度大于,24m,的楼盖结构及跨度大于,8m,的转换结构,7,度,(0.15g),、,8,度,）,；,3.,高耸结构和较高的高层建筑,(9,度,),；,目前，我国抗震设计规范规定下列三类结构要考虑向上或向下竖向地震作用的不利影响：,竖向地震反应谱与水平地震反应谱的,形状相差不大，,可利用水平地震反应谱进行分析,。,高耸结构和高层建筑竖向地震作用可按与,底部剪力法类似的方法计算,。,一、竖向地震反应谱,二、高耸结构和高层建筑竖向地震作用的计算公式,-,结构总竖向地震作用标准值；,-,竖向、水平地震影响系数最大值。,H,1,G,1,Hi,规范要求：,9,度时,，高层建筑楼层的竖向地震作用效应应乘以,1.5,的增大系数,。,-,质点,i,的竖向地震作用标准值。,（,1,）对于大跨度结构（跨度大于,24m,及跨度大于,12m,的转换结构和连体结构）及长悬挑结构（悬挑长度大于,5m,）需采用时程分析法或反应谱法进行竖向地震的分析。竖向地震反应谱采用水平反应谱的,65%,，但竖向反应谱的特征周期尤其在远震中明显小于水平反应谱，故本条规定，特征周期均按第一组采用。对处于发震断裂,10Km,以内的场地，最大值可能接近水平谱，特征周期小于水平谱。,说明：,（,2,）对跨度较大、所处位置较高的情况，应按本规程,4.3.13,条、,4.3.14,条的规定进行计算，但其计算结果不宜小于,式中：,结构总竖向地震作用标准值；,结构竖向地震影响系数最大值,结构等效总重力荷载代表值。,说明：,（,3,）对跨度或悬挑长度不大于本规程,4.3.14,条规定的大跨结构和悬挑结构，可按本规程的竖向地震作用系数乘以相应的重力荷载代表值作为竖向地震作用标准值。,说明：,