1、建 筑 结 构 抗 震 设 计,有关地震工程学的基础知识建筑抗震的基本概念与原则地震作用效应的计算与分析常见建筑结构抗震计算方法与构造,教材与参考资料,历史上的地震灾害,1976年7月28日,在河北省唐山、丰南一带发生了7.8级强烈地震，这是我国历史上一次罕见的城市地震灾害,北京和天津市受到严重波及，地震破坏范围超过3万平方公里，有感范围广达14个省、市、自治区，相当于全国面积的三分之一，这次地震的震中位于唐山市区。即北纬39.6度，东经 118.2度，震中烈度为XI度，震源深度为11公里。极震区内几乎所有建筑物均荡然无存，在震区及周围地区，出现大量的裂缝带，喷水冒沙、井喷、重力崩塌，滚石、边
2、坡崩塌，地基沉陷，岩溶洞陷落以及采空区坍塌等。唐山地震造成24.2万人死亡，16.4万人受重伤，仅唐山市区终身残废者达1700多人，倒塌民房530万间。唐山地区总的直接经济损失达54亿元，公共设施遭受严重破坏，灾情之大举世罕见。,京山线蓟运河上行桥。西侧桥头铁轨弯曲变形。,开滦煤矿医院，砖混结构的五层楼房（局部七层），仅西部转角残存。,全球每年发生500万次地震，其中6级以上强震每年发生100200次；7级以上大震平均每年18次，达到8级或8级以上的巨大地震每年平均12次。我国是大陆地震最多的国家。占全球大陆地震的33。上个世纪全球发生的8.5级以上的特大地震一共有3次，即1920年中国宁夏海
3、原8.6级、1950年中国西藏察隅8.6级和1960年智利南方省8.5级地震。我国地震活动频度高、强度大、分布广、震源浅。作为发展中国家，人口稠密、建筑物抗震能力低。因此，我国的地震灾害可谓全球之最。20世纪以来，全球因地震而死亡的人数为110万人，其中我国就占55万人之多，为全球的一半。可以粗略地讲，我国的国土面积占全球的114，人口占14，地震占13，地震灾害占12。据建国以来的资料统计，就各种灾害所造成的经济损失比例来看，气象灾害为57，居灾害之首。但人口死亡的统计，地震灾害占54，为群害之首。因此，地震和地震灾害问题是我国减轻自然灾害、保障国民经济建设和社会持续发展，特别是保障人民群众
4、生命安全的一个重要问题。,地震主要分布在环太平洋带，阿尔比斯喜马拉雅带，大西洋中脊和印度洋中脊上。总的来说，地震主要发生在洋脊和裂谷、海沟、转换断层和大陆内部的古古板块边缘等构造活动带。1995-2001年全球4级以上地震震中分布图,近期全球地震活动分布图,据中国台网测定，2003年02月24日,10时03分45.8秒 在新疆伽师(北纬39.5,东经77.2) 发生6.8级地震。,据中国台网测定，2003年02月24日,10时03分45.8秒 在新疆伽师(北纬39.5,东经77.2) 发生6.8级地震。,2003年03月12日新疆伽师5.9级地震地震参数,2003年03月12日,12时47分5
5、1.9秒 在新疆巴楚伽师间(北纬39.5,东经77.4) 发生5.9级地震。,美国地震台网测定,Preliminary Earthquake Report,Magnitude,5.6,Date-Time,Wednesday, March 12, 2003 at 04:47:51 (UTC) - Coordinated Universal TimeWednesday, March 12, 2003 at 12:47:51 PM local time at epicenter,中国地震台网测定 据中国台网测定，2003年04月17日,08时48分41.1秒 在青海德令哈(北纬37.5,东经96.8
6、) 发生6.6级地震,Magnitude,6.2,Date-Time,Thursday, April 17, 2003 at 00:48:38 (UTC) - Coordinated Universal TimeThursday, April 17, 2003 at 08:48:38 AM local time at epicenter,Earthquake Location,Location,37.51N 96.50E,Depth,10.0 kilometers,美国地震台网测定,中华人民共和国防震减灾法 颁布单位: 全国人民代表大会 颁布日期: 19971229 实施日期: 1998030
7、1,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： （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。,建筑抗震设计规范 GB50011-2001,第一章 绪 论,地壳，30km,地幔，2900km,地核，3470km,地球构造示意,1910年，前南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇契提出地壳界面。,1914年，德国地震学家古登堡发现地幔界面,地震的产生和类型,地震分为天然地震和人工地震两大类,占地震总数的90%以上。,天然地震包括构造地震,火山地震,约占地震总数的7%。,
8、陷落地震、大陨石冲击地面,其他地震,人工地震是由人为活动引起的地震,地下核爆炸,深井高压注水,大水库蓄水,地震波发源的地方，叫作震源,震源在地面上的垂直投影，叫作震中,震中到震源的深度叫作震源深度,震源深度小于60公里的叫浅源地震,深度在60-300公里的叫中源地震,深度大于300公里的叫深源地震,地震波,纵波 P 周期短，振幅小，地面上下震动,横波 S 周期长，振幅大，地面左右震动,体波,面波,瑞雷波 质点在前进方向做椭圆运动， 即在地面上滚动。,乐甫波 质点在地平面内与前进方向做垂 直震动，即在地面上呈现蛇形运动，周期长，传递距离远。,地震震级-一次地震强弱程度的量度,1935年，C.F.
9、Richter 定义：用Wood-Anderson标准地震仪所记录到的距震中100km 处地面最大水平位移（即振幅 ，以m计）的常用对数。,震级与其释放的能量（尔格）之间的关系,2级地震 微震； 24级 有感地震 5 级以上 破坏性地震； 7级以及以上 强烈地震,地震烈度指地震发生时，对地表和地面建筑物损伤 程度的度量。,一次地震只有一个震级；一次地震可以有多个烈度；距离震中远,则烈度低,距离震中近,则烈度高. 震中烈度=1.5倍的（ 震级-1）,不同国家,地震烈度划分等级不同:中国、俄罗斯 采用麦卡西烈度表 1 12 度欧洲各国采用R-F烈度表 110 度日本采用JMA烈度表 07 度,3度
10、：少数人有感，仪器 能记录到,4-5度：睡觉的人会惊醒 吊灯摆动,6度：器皿倾倒，房屋轻 微损坏。,7-8度：房屋破坏， 地面 裂缝。,9-10度：桥梁水坝损坏、房屋倒塌地面破坏严重。,11-12度：毁灭性的破坏。,1.4 工程抗震的基本概念,建筑抗震设计的基本原则(三水准原则):小震不坏,中震可修,大震不倒.小震: 对应于众值烈度的地震,或称常遇 地震.其超越概率 63.2 %.中震: 或称基本烈度.其超越概率 10%.大震: 或称罕遇地震烈度.其超越概率 2-3 %.,基本烈度：是指一个地区在一定时期（50年）内在 一般场地条件下，按一定的概率（10 %）可能遭遇到的最大地震烈度。它是一个
11、地区抗震设防的依据。,地震烈度的概率分布,I地震烈度；Imax地震烈度上限值； Im 众值烈度K 拟合参数,众值烈度,基本烈度,罕遇地震烈度,1.55 度,1 度,概率密度,三种烈度概率含义,63.2 %,10 %,23 %,小震,中震,大震,所谓两阶段设计：第一阶段：弹性阶段，多遇地震的效应组合，验算承载能力和弹性变形；第二阶段：弹塑性阶段，罕遇地震的效应组合，验算结构的弹塑性变形。,建筑物的重要性分类与设防标准甲类建筑 提高一度计算地震作用和采取构造措施；乙类建筑 按照设防烈度计算，构造提高一度；丙类建筑 按照设防烈度计算和采取构造措施；丁类建筑 按照设防烈度计算，构造降低一度。,抗震设计
12、的总体要求,建筑抗震设计包括：概念设计；抗震计算：构造措施概念设计: 设计人员充分调动已有知识和经验,对未来结构的工况的合理正确的把握和分析,对结构破坏机制的正确判断和优化设计.是信息、技术和人工智能的结合。抗震计算：理论模式下的定量分析。构造措施：保证结构的整体性、加强局部薄弱部位，以保证抗震计算结果的有效性。,几个基本原则,地震地区的建筑，宜选择有利地段，避开不利地段，不在危险地段上建造房屋；有利地段： 稳定的基岩、坚硬土、均匀的中硬土不利地段：软弱土、液化土、平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层。危险地段：地震时可能发生滑坡、坍塌、地陷等严重地质灾害的地段建筑物的平立面宜对称、规则
13、、质量和刚度变化均匀。利用结构延性。设置多道防线。,第二章 场地与地基,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平方公里的平面面积由于不同土层结构传递地震波频谱能力不同。在振幅谱中，幅值最大的频率分量所对应的周期，称为地震动的卓越周期。它取决于场地土的固有周期。覆盖层厚度：地下基岩或剪切波速500m/s的坚硬土层至地表距离。,场地类别：根据土层等效剪切波速和覆盖层厚度确定。,各类建筑场地的覆盖层厚度（米）,等效剪切波速计算公式,d0 -计算深度，取覆盖层厚度和20 m两者的较小者,n-计算深度范围内土层数,Vsi-计算深度范围内第 i 土层的剪切
14、波速,di-第 i 层土的厚度,地 基 抗 震 验 算,基底地震效应组合平均压力标准值不得超过调整后的地基土抗震承载力。,地基土抗震承载力验算,地基土抗震承载力为抗震调整系数与修正后的地基土静承载力特征值的乘积。,岩石、碎石、密实的砾、粗、中砂及300KPa以上的粘性土和粉土。,中密的碎石、砾、粗、中砂及150300KPa的粘性土和粉土。,稍密的细粉砂，100150KPa的粘性土和粉土，可塑黄土。,淤泥质、松散的砂、杂填土、新近堆积黄土、流塑黄土。,地基土液化及防治,何谓地基土液化？液化的判断： 初步判断 标准贯入试验 液化地基评价液化地基的抗震措施,第三章 结构地震反应分析与抗震计算,单自由
15、度弹性体系的地震反应分析,运动方程,令,单质点弹性体系振动方程,微分方程的解,非齐次线性二阶微分方程（1）,利用常数变易法得其解的形式为（2）,约束条件（3）,将（2）代入方程（1），并利用约束条件（3），得：,解（3），（4）联立方程，得：,几个重要的振动参数（动力特征值）,圆频率,频率,周期,考虑阻尼的结构自振圆频率,临界阻尼系数,阻尼比,3.3 单自由度体系的水平地震作用,最大的加速度意味最小的速度，因此忽略速度阻力影响。,地震最大加速度反应与其自振周期T的关系曲线，定义为地震加速度反应谱，简称为地震反应谱。,影响地震反应谱的主要因素：体系的阻尼比与地震加速度。,反映地震强烈程度的量，与
16、结构无关。,反映结构动力反应程度的量，取决于场地、烈度、结构动力特征。,设 计 反 应 谱,单质点弹性体系水平地震作用,地震影响系数谱曲线（反应谱曲线）,水平地震影响系数最大值,阻尼比对地震反应谱曲线形状的影响,多自由度弹性体系地震反应分析,多质点体系自由振动方程,设：,得动力特征方程,动力特征方程是齐次线性方程组，它有非零解的充分必要条件是其系数行列式的值为零。（3-69）式实质是关于w2的n次方程，其解w21， w22， w23，从小到大排列,则称为n个自振圆频率.将w21， w22， w23，分别代入原动力特征方程,所得到的n组非零解,称为结构自振振型曲线.,水平地震作用计算方法-振型分
17、解反应谱法,J振型i质点的水平地震作用力,j振型i质点的水平位移,j振型参与系数,j振型地震影响系数,i质点的重力荷载代表值,结构体系地震反应,振型分解法的理论基础,1.振型关于质量、刚度的正交性,其力学意义：体系在I振型所产生的惯性力，不会J振型上作功。,2.多质点体系动力方程在广义坐标的分解,水平地震作用计算方法-底部剪力法,底部总地震剪力标准值,2.各楼层水平地震力标准值,地震影响系数根据结构基本周期、场地特征周期、地震烈度，利用反应谱曲线确定,结构等效总重力荷载,1.359,1.321,0.818,1.081,0.721,-0.80,0.697,-0.529,0.141,3.498,2
18、.680,1.359,-0.80,-0.079,1.002,0.309,0.388,0.141,3.652,2.709,1.583,第1振型反应,组合值,第3振型反应,第2振型反应,关于底部剪力法的说明,利用振型分解法的公式计算第一振型下，I质点处水平地震作用,假定：第一振型为斜直线,各质点重力相等,楼层层高相等,底部总地震剪力,多层建筑，系数变化范围 0.90.8,规范取0.85,即：重力荷载代表值,当建筑物有突出屋面的局部小房屋时，应将计算的顶层水平地震作用乘以3，以考虑鞭端效应。但其中2倍不向下传递。,F1+F2+F3+F4,F3,F2,F1,F2+F3+F4,F3+F4,3F4,3F4
19、,3.9 建筑结构抗震验算,各类建筑结构的地震作用，应符合下列规定:一般情况下,应允许在两个主轴方向分别计算水平地震作用并进行抗震验算，各方向的水平地震作用应由该方向抗侧力构件承担。有斜交抗侧力构件的结构，当斜交角度大于150时，应分别计算各抗侧力构件方向的水平地震作用。质量和刚度分布明显不对称的结构，应计入双向地震作用下的扭转影响；其他情况，应允许采用调整地震作用效应的方法计入扭转影响。8、9度时的大跨度和长悬臂结构及9度时的高层建筑，应计算竖向地震作用。,关于各类建筑结构的抗震计算方法的规定,高度不超过40米，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构，
20、可采用底部剪力法等简化方法。除1款外的建筑结构，宜采用振型分解反应谱法。特别不规则建筑、甲类建筑和一定高度范围的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算，可取多条时程曲线计算结果的平均值与振型分解反应谱法计算结果的较大值。,3.9.3 重力荷载代表值,组合值系数,3.9.6 结构抗震验算内容,1. 多遇地震作用下结构弹性变形验算,2. 多遇地震作用下结构强度验算,3. 罕遇地震作用下结构弹塑性变形验算,有关结构动力特征值计算的补充说明,1.求解多质点弹性体系自振周期和频率的计算机方法,2.矩阵迭代法,3.能量法求解结构基本周期,4.折算质量法,5.顶点位移法求解结构基本周期,弯曲型悬
21、臂结构等效单质点质量,剪切型悬臂结构等效单质点质量,uT以Gi 作为水平力计算的顶点位移,第4章 多层砌体结构抗震设计,多层砌体结构震害特点多层 砌体结构布置 房屋高度的限制 房屋层数的限制 房屋高宽比的限制 抗震墙的最大间距 房屋局部尺寸限制,多层砌体结构房屋的抗震计算,确定计算简图应注意的几个问题,以变形缝区段为计算单元,各楼层质点重力载荷代表值的选取,底部固定端如何确定,计算内容,楼层地震剪力,同一楼层地震剪力在各片墙肢的分配,墙体承载能力验算,4.3 多层砌体结构的抗震计算 (底部剪力法),1.底部总地震剪力标准值,其中 : Geq-为结构等效总重力荷载.单质点取总重力 荷载代表值,多
22、质点取总重力荷载代表值的85%.,2.各楼层水平地震力标准值,3.各楼层地震剪力标准值,注: 对于突出屋面的屋顶间等,其地震作用应乘以放大系数3 ,以考虑鞭梢效应.但是增大的2倍不向下传递.,4. 楼层地震力在各抗震墙体的分配,刚性屋盖,中等刚性屋盖,柔性屋盖,其中: Ki 第i道抗震墙的抗侧刚度; Ai -第i道抗震墙的从属面积;,5.墙体抗侧刚度计算,定义:墙体高宽比,6.墙体抗震承载力验算,一般的承重墙两端有构造住约束墙体自承重墙,4.5 底框-砌体结构抗震设计,底框结构布置应符合下列要求规定:上部砌体抗震墙应与底部框架梁或抗震墙基本对齐底层在纵横方向应对称布置一定数量剪力墙.第二层与底
23、层侧向刚度比应满足: 6,7 度 1 r =2.5 8度 1 r =2.04. 应采用混凝土条形基础、片筏基础或桩基础。 原 则严格控制相邻楼层侧移刚度；合理布置上下楼层墙体；加强托墙梁和过渡层墙体；提高底层框架抗震等级。,4.5.2 底框结构的抗震计算,采用底部剪力法,取地震影响系数的最大值,不考虑顶部附加地震影响系数,底层(若两层底框,则包括第二层)地震剪力应乘以放大系数:,底层地震剪力全部由抗震墙承担:,底层框架承担的地震剪力:,底框顶面承受的地震倾覆力矩,底框中一片抗震墙承担的倾覆力矩,底框中一片框架承担的倾覆力矩,框架转动刚度,抗震墙转动刚度,4.4 多层砌体房屋抗震构造,构造连接混
24、凝土构造柱设置混凝土芯柱圈梁的作用及合理布置楼梯间以及附属建筑底框砌体结构的若干要求,第5章多高层混凝土结构抗震设计,现浇混凝土结构适用的最大高度,抗震墙之间楼盖的最大长宽比,房屋的高宽比以及局部尺寸限制,变形缝的设置原则,最低材料等级,混凝土结构抗震等级,5.3 框架结构抗震设计,框架结构在多遇地震作用下的内力计算(略).本节重点介绍框架结构弹性阶段的和弹塑性阶段位移计算.,多遇地震下结构弹性层间位移验算,多遇地震作用标准值产生的结构弹性层间位移,弹性层间位移角限值 1/500 1/300,层高,罕遇地震下结构弹塑性层间位移验算,层间弹塑性位移,层间弹塑性位移角限值 1/30 1/50,所谓
25、“屈服强度系数”，是指根据框架梁柱的实际截面、实际配筋和材料强度标准值计算的楼层抗剪承载力与罕遇地震下楼层的弹性地震剪力的比值,如何计算薄弱层的弹塑性位移？,如何计算楼层抗剪承载力？根据可能出现的破坏机制利用结构力学的方法计算。,罕遇地震按照弹性分析的层间位移,弹塑性位移增大系数,抗震规范关于结构变形验算的若干规定,由于砌体结构侧移刚度大，厂房对非结构构件要求低，因此以上两类结构不必进行多遇地震作用下的弹性变形验算。需要进行罕遇地震薄弱层变形验算的结构： 8度III、IV类场地和9度时，单层厂房横向排架， 79度，楼层屈服强度系数小于0.5的混凝土框架结构； 高度大于150m的钢结构； 甲类建
26、筑和9度时的乙类建筑的混凝土或钢结构； 采用隔震和耗能减震设计的结构；3. 其他“宜”进行此项验算的结构（略）,考虑抗震的混凝土框架、剪力墙结构截面设计与构造,根据强柱弱梁的原则，在地震作用组合下，同一节点处，柱端设计弯矩略大于梁端弯矩；根据强剪弱弯的原则，在地震作用组合下，同一杆件，受剪承载力设计值略大于根据实际受弯承载力反算的剪力值；构件截面尺寸的限制更加严格；考虑到混凝土在往复荷载作用下，材料性能有所降低，故混凝土抗剪承载力折减系数0.6；引入柱轴压比的概念，即：考虑地震组合的轴压力设计值与混凝土抗压强度设计值和柱全截面面积乘积之比。,3.6 竖向地震作用,抗震规范(GB50011-20
27、01)规定:设防烈度为8度、9度区的大跨度屋盖结构，长悬臂结构，高耸构筑物和设防烈度9度区的高层建筑，应考虑竖向地震作用。,1.高层建筑及高耸构筑物,竖向地震影响系数取水平地震影响系数的65%; 结构等效总重力荷载取其重力荷载代表值的75%,2.平板网架和跨度大于24米屋架竖向地震作用标准值取其重力荷载代表值与竖向地震作用系数的乘积.,3.长悬臂结构的竖向地震作用标准值取其重力荷载代表值的10%(8度),15%(8度,0.3g),20%(9度).,动力时程分析方法简介,地震加速度时程曲线一般选用3条地震波（不少于2条实际地震波）如：EI Caentro Agmax =341.7 G。,确定结构
28、动力计算的恢复力特性曲线,结构动力反应方程数值计算方法,选取地震加速度时程曲线,关键工作,荷载,位移,滞回曲线示意,骨架曲线,动力方程的数值解法(线性加速度法）,假定加速度线性变化,利用泰勒级数，则得t+1时刻的位移、速度：,由动力方程得加速度公式：,3.9.5 地基结构相互作用,高宽比小于3的结构,各楼层水平地震剪力的折减系数,按(3-214)式计算.高宽比大(等) 于3的结构,底部水平地震剪力按1款规定折减,顶部不折减,中间各层按线性插入值折减.折减后的各楼层的水平地震剪力,尚应满足最低地震剪力要求.,3.9.4 不规则结构的内力调整及最低水平地震剪力要求,对于竖向不规则结构,其薄弱层的地震剪力应乘以1.15的增大系数,同时,结构任一楼层的水平地震剪力应符合下式最低要求:,楼层最小地震剪力系数,
