建筑结构抗震设计[001].ppt

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,11 十一月 2026,建筑结构抗震设计001,1.0,背景知识,1.0.1,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。,1.0.1,课程简介,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,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。,1.0.1,课程简介,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。,1.0.2,课程性质和目的,建筑结构抗震设计是土木工程专业一门重要的专业主干课。学习本课程的主要目的是通过介绍地震作用计算的基本原理及结构抗震的设计方法，培养学习者掌握建筑结构抗震设计方面的基本理论知识和设计应用能力而设置的一门课程，从而能贯彻执行我国的相关法律、规范，对地震区作抗震减灾规划，掌握防止或减少建（构）筑物由于地震而造成的破坏的技能，使建筑经抗震设防后，能尽可能地减轻震害，避免人员伤亡，减少经济损失。,1.0.3,课程要求,掌握结构抗震的基本知识、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。,1.1 地震与地震动,1.1.1 地震类型与成因,1.1.1,地震类型与成因,3、地核：,地球最里面的一层，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）。,1.1.1,地震类型与成因,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。,1.1.1,地震类型与成因,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。,1.1.1,地震类型与成因,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）,1.1.1,地震类型与成因,构造地震的成因,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。,1.1.1,地震类型与成因,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。,1.1.1,地震类型与成因,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。,1.1.1,地震类型与成因,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。,1.1.1,地震类型与成因,3、按地震序列分类：,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。,1.1.1,地震类型与成因,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。,1.1.2,地震波,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）,1.1.2,地震波,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。,瑞雷波：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。,洛夫波：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),1.1.2,地震波,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。,杂波,P波开始,S波开始,面波开始,1.1.3,地震动,地震动,：由地震波传播引起的地面运动。一般特征可用地面运动加速度记录曲线来说明。,地震地面运动的一般特征概括为：,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,1.2,地震震级与地震烈度,1.2.1,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100km处记录的以微米（1微米=10,-6,m）为单位的最大水平地动位移（单振幅）。,1.2.1,地震震级,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。,1.2.2,地震烈度,定义：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。,震级与烈度的区别：一次地震只有一个震级，但不同的地点会有不同的烈度。,1.2.2,地震烈度,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/s,2,9度为500 cm/s,2,8度为250 cm/s,2,7度为125 cm/s,2,6度为63 cm/s,2,我国在1980年制定的中国地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）。,1.2.3,基本烈度与地震区划,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。,1.2.3,基本烈度与地震区划,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。,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。,郑州地区抗震设防烈度为7度，地震动加速度为0.1g,抗震设防烈度和设计基本地震加速度的对应关系,抗震设防烈度,6度,7度,8度,9度,设计设计基本地震加速度值,0.05g,0.1g（0.15g）,0.2g（0.3g）,0.4g,1.2.3,基本烈度与地震区划,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。,6度近震,6度远震,7度近震,7度远震,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.,1.3,地震灾害概说,1.3.1,中国地震背景,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，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。,1.3.1,中国地震背景,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。,1.3.1,中国地震背景,二、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,1.3.1,中国地震背景,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。,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。,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，伤20余万。,1.3.1,中国地震背景,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。,1.3.1,中国地震背景,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地震活跃期，抗震任务不容忽视。,1.3.2,地震的破坏作用,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海岸，可造成沿海地区的破坏。,1.3.2,地震的破坏作用,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。,1.3.2,地震的破坏作用,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,地震的破坏作用,四、工程地质条件对震害的影响,1、局部地形条件的影响：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,工程抗震设防,1.4.1,抗震设防的目的和要求,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,抗震设防的目的和要求,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,抗震设防的目的和要求,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,抗震设防的目的和要求,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。,1.4.2,抗震设防的目的和要求,“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。,1.4.3,建筑物重要性分类及设防标准,一、建筑物分类,抗震规范将建筑物类别按重要程度分为甲、乙、丙、丁四类。,特殊设防类（,甲类）：,特别重要的建筑物。,重大建筑工程和遭遇地震破坏时可能发生严重次生灾害的建筑。一旦破坏将产生严重后果的建筑物，或者对政治、经济、社会造成重大影响的建筑物。,重点设防类（,乙类）：,地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑。如城市的,生命线工程，,指医疗、通讯、交通、供水、供电、供气、消防等设施。,标准设防类（,丙类）：,一般建筑物。一般的工业与民用建筑物。,适度设防类（,丁类）：,次要建筑物。地震破坏不易造成人员伤亡和重大经济损失的建筑物。,1.4.3,建筑物重要性分类及设防标准,二、建筑物的设防标准,甲类：,地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求。其值应由地震安全性评价结果确定；抗震措施，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，当设防烈度为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。,乙类：,地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施，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，当设防烈度为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。地基基础的抗震措施应符合有关规定。,1.4.3,建筑物重要性分类及设防标准,丙类：,地震作用和抗震措施应符合本地区抗震设防烈度的要求。,丁类：,一般情况下，地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施允许比本地区设防烈度的要求适当降低，6度地区不降低。,设防烈度为6度时，除甲类外，可不进行抗震计算，只用构造措施来保证。,1.5,抗震设计的总体要求,建筑抗震设计的三个层次：,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：保证结构整体性，加强局部薄弱环节,概念设计,注意场地选择,把握建筑体型,利用结构延性,设置多道防线,1.5.1,注意场地选择,选择对建筑抗震有利的地段,（1）选择选择薄的场地覆盖层,（2）选择坚实的场地土,（3）将建筑物的自振周期与地震动的卓越周期错开，避免共振。,（4）采取基础隔震或消能减震措施。,1.5.2,把握建筑体型,基本原则：,对称、规则、质量与刚度变化均匀,具体措施,：,1、选择对抗震有利的建筑平面和立面,体形简单，平面布置规则的建筑受力性能明确，便于分析；平、立面刚度、质量力求对称，质量中心和刚度中心尽量重合，避免扭转振动；建筑物的质量、刚度分布要均匀，避免质量、刚度产生突变。,2、合适的房屋高度,3、不大的房屋高宽比,4、防震缝的合理设置,1.5.3,利用结构延性,结构延性的4层含义：,（1）结构总体延性,（2）结构楼层延性,（3）构件延性,（4）杆件延性,一般而言，在结构抗震设计中，对结构中重要构件的延性要求，高于对结构总体的廷性要求；对构件中关键杆件或部位的延性要求，又高于对整个构件的延性要求。,1.5.4,设置多道防线,单一结构体系只有一道防线，一旦破坏就会造成建筑物倒塌。如果建筑物采用的是多重抗侧力体系，可保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌。,（1）第一道防线的构件选择,第一道防线一般应优先选择不负担或少负担重力荷载的竖向支撑或填充墙，或选择轴压比值较小的抗震墙、实墙筒体之类的构件作为第一道防线的抗侧力构件。,（2）结构体系的多道设防,框架抗震墙结构体系中，剪力墙是第一道防线，框架部分起到第二道防线的作用；单层厂房纵向体系中，柱间支撑是第一道防线，柱是第二道防线。,