1、抗震结构设计同步练习答案第 1 章 结构抗震设计的基本知识一、填空题1. 地壳 地幔 地核 2. 构造 构造 3. 浅源 中源 深源 4 面波 纵波 横波 5 1 6 5 7. 10% 8 抗震设防烈度 9 不坏 可修 不倒 10 63.2% 小震 11 四 丙 二、解释名词1. 震中距是建筑物到震中之间的距离2.震级表示一次地震释放能量的多少，也是表示地震强度大小的指标，目前，国际上比较通用的是里氏震级。3.地震烈度是指某一地区的地面和各类建筑物遭受到一次地震影响的强弱程度，是衡量地震引起的后果的一种度量。4.抗震设防烈度是指按国家批准权限审定作为一个地区抗震设防依据的地震烈度，一般情况下可
2、采用地震基本烈度，或与抗震规范设计基本地震加速度值对应的烈度值。5.设计基本地震加速度值是 50 年设计基准期超越概率为 10%的地震加速度的设计取值。6当建筑物所在地区遭受的地震影响来自设防烈度区或比该地区设防烈度大一度的地区的地震时，为设计近震。7当建筑物所在地区遭受的地震影响可能来自设防烈度或比该地区设防烈度大二度或二度以上地区的地震时，为设计远震。8罕遇地震就是大震，它所产生的烈度在 50 年内超越概率约为 2%，这个烈度又可称为罕遇烈度，作为第三水准的烈度。三、简答题1. 答：建筑抗震设防的三个水准如下：第一水准，当遭受多遇的，低于本地区设防烈度的地震影响时，建筑物一般不受损坏或不需
3、修理仍可继续使用。第二水准，当遭受本地区设防烈度的地震影响时，建筑物可能有一定损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。第三水准，当遭受高于本地区设防烈度的预估罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。2答：第一阶段设计是要做到“小震不坏”，即多遇地震的水平地震作用标准值，用线弹性理论的方法求出结构构件地震作用效应，再和其他荷载效应组合，计算出结构内力组合设计值进行验算，以达到“小震不坏”的要求。第二阶段设计是要做到“大震不倒”，即按与基本烈度相对应的罕遇烈度(相当于大震)验算结构的弹塑性层间变形是否满足规范要求(不发生倒塌)，如果有变形过大的薄弱层(或部位)，则应修改设计或采取相应的构
4、造措施。3. 答：规范规定，对各类建筑地震作用的计算，应按下列要求考虑：甲类建筑，按专门研究的地震动参数考虑；其它各类建筑按本地区的设防烈度考虑，但设防烈度为 6 度时，除规范有具体规定外，可不进行地震作用的计算。对各类建筑的抗震措施应按下列要求考虑：甲类建筑应采取特殊的抗震措施；乙类建筑可按本地区的设防烈度提高一度考虑；丙类建筑按本地区设防烈度考虑；丁类建筑可按本地区的设防烈度降低一度考虑(设防烈度为6 度时不降低)。第 2 章 场地、地基和基础一、填空题1. 不利地段2. 长 大 长 3. 加重 4. 中硬 中软 软弱5 土层等效剪切波速 场地覆盖层厚度 4 6 高 7. 4 8. 初步判
5、别 标准贯入试验 9 液化指数 严重 二、解释名词1. 按我国抗震规范规定，覆盖层厚度是从地面至坚硬场地土顶面的距离。通常坚硬场地土是指剪切波速为 Vse500 m /s。2地震时，饱和砂土和粉土的颗粒在强烈震动下发生相对位移，颗粒结构有压密趋势，如其本身渗透系数较小，短时间内孔隙水来不及排泄而受到挤压，孔隙水压力将急剧增加，使原先的土颗粒通过其接触点传递的压力(亦称有效压力)减少。当有效压力完全消失时，则砂土和粉土处于悬浮状态。此时，土体的抗剪强度等于零，形成有如液体的现象，即称为“液化”。3.标准贯入数：标准贯入试验设备由标准贯入器，触探杆和重 63.5kg 的穿心锤 3 部分组成。操作时
6、，先用钻具钻至试验土层标高以上 20m 处，然后将贯入器打至标高位置，最后在锤的落距为 76cm 的条件下，打入土层 30cm 记录锤击数为 N63.5。三、简答题1.答：基础底面的平均压力小于地基土的抗震承载力 faE；基础底面边缘最大压力小于地基土的抗震承载力 faE的 1.2 倍。2答：根据我国多次强地震中建筑遭受破坏的资料的分析，下列在天然地基上的各类建筑极少产生由于地基破坏而引起的结构破坏，故可不进行地基及基础的抗震承载力验算。(1) 砌体房屋；(2) 地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的一般单层厂房、单层空旷房屋和 8层、高度 25m 以下的一般民用框架房屋与其基础荷载相当的多
7、层框架厂房；其中软弱粘性土层主要是指地震烈度为 7 度、8 度和 9 度时，地基土静承载力特征值分别小于80kPa，100kPa 和 120kPa 的土层；(3) 可不进行上部结构抗震验算的建筑。3.答：影响地基土液化的因素有：1. 土层的地质年代2. 土的组成3. 相对密度4. 土层的埋深5. 地下水位6. 地震烈度和地震持续时间4.答：抗液化措施:1. 全部消除地基液化沉陷：当要求全部消除地基液化沉陷时，可采用桩基、深基础、土层加密法或挖除全部液化土层等措施。2. 部分消除地基液化沉陷：3. 基础和上部结构处理：为减轻液化对基础和上部结构的影响，可综合考虑采用以下措施：(1) 选择合理的基
8、础埋置深度，调整基础底面积以减小基础的偏心；(2) 加强基础的整体性和刚性，如采用箱基、筏基或钢筋混凝土十字(交叉)条形基础，加设基圈梁等；(3) 减轻荷载，增加上部结构的整体刚度和均匀对称性，合理设置沉降缝，避免采用对不均匀沉降敏感的结构形式等；(4) 管道穿过建筑处应预留足够尺寸或采用柔性接头等。第 3 章 结构地震反应分析与抗震验算一、填空题1. 惯性力 弹性恢复力 阻尼力 2. 固有 3. 越长 越短 4. 衰减 减少 衰减越快 6. 持续时间 频谱特性 7 一倍 8. 最大反应加速度 地面最大加速度 9 自振周期 10. 较长 较短 11. 场地类别 结构自振周期 12. 刚体 相等
9、 0.45 max 13. 自由度 主振型 固有特性14. 正交 15. 平方和开方 16. 2-3 17. 扭转 18. 65 19. 主轴 20. 1.3 二、解释名词1.无阻尼单自由度体系自由振动方程为周期函数，每隔一个 T 时间，振动质点回到原点，T 为自振周期。2.结构的阻尼比是结构的阻尼系数与临界阻尼系数之比。3.地震系数是地面运动的最大加速度与重力加速度之比。4.根据大量的强震记录算出每一条强震记录的反应谱曲线，然后统计求出最有代表性平均曲线作为设计依据，这种曲线称为标准反应谱曲线。5.对于高度不超过 40 m，以剪切变性为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，可先计算出作用于
10、结构的总水平地震作用，即作用于结构底部的剪力，然后将此总水平地震作用按一定的规律再分配给各个质点，该方法称为底部剪力法。6.楼层屈服强度系数为按构件实际配筋和材料强度标准值计算的楼层受剪承载力和按罕遇地震作用标准值计算的楼层弹性地震剪力的比值；对排架柱，指按实际配筋面积、材料强度标准值和轴向力计算的正截面受弯承载力与罕遇地震作用标准值计算的弹性地震弯矩的比值。7.重力荷载代表值：计算地震作用时，建筑物的重力荷载代表值应为结构和构件自重标准值和可变荷载组合值之和。8承载力抗震调整系数通常用 RE 表示，它是用来反映不同材料和受力状态的结构构件具有不同的抗震可靠指标。9.当建筑物有突出屋面的小建筑
11、如屋顶间、女儿墙和烟囱等时，由于该部分的重量和刚度突然变小，地震反应特别强烈，称为鞭端效应.其程度取决于突出物与主体建筑物的质量比与刚度比以及场地条件等三、简答题1.答：通过大量的计算分析，发现当结构层数较多时，用公式计算得到的作用在结构上质点的水平地震作用往往小于振型分解反应谱法的计算结果，特别是基本周期较长的多、高层建筑相差较大，因为高振型对结构反应的影响在结构上部。震害经验表明：某些基本周期较长的建筑物上部震害较为严重。抗震规范规定：对结构的基本自振周期大于 1.4Tg 的建筑，取顶部附加水平地震作用 Fn 作为集中的水平力加在结构的顶部来加以修正。2答：抗震规范采用（S a/g）与体系
12、自振周期 T 之间的关系作为设计用反应谱，并将（S a/g）用 表示，称 为地震影响系数。特点： 反应谱曲线由四部分组成：（1） 在 T0.1 s 范围内，曲线为一线性上升段；（2） 在 范围内，曲线为一水平线，即取 的最大值 max；0.gT（3） 在 范围内，曲线为下降段，衰减指数取 0.9；5g（4） 在 范围内，曲线采用直线下降段，下降段斜率调整系数为6.s0.02，阻尼调整系数为 1.0。影响因素：阻尼比、设防烈度、场地类别、特征周期分区和结构自振周期3.答：在结构振动过程中的任意时刻，各质点的位移比值始终保持不变。这种振动形式通常称为主振型，简称振型。当体系按 1 振动时称为第一振
13、型或基本振型，按 2 振动时称为第二振型。一般地，体系有多少个自由度就有多少个频率，相应的就有多少个主振型，它们就是体系的固有特性。只有当各质点初始位置的比值和初速度的比值与该主振型的这些比值相同时，也就是在这个初始条件下，才能出现这种振动的振动形式。 4.答：从理论上讲，多自由度体系的频率可通过解频率方程得到。但质点数多于三个时，就很难。因此在方程计算中，常采用近似法。有下列方法可以计算多自由度体系的频率：（1）能量法（瑞利 Rayleigh 法）。（2）折算质量法（等效质量法）。（3）顶点位移法。（4）矩阵迭代法。5.答：底部剪力法的适用范围为：高度不超过 40m，以剪切变形为主且质量和刚
14、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，可以用底部剪力法来确定结构的地震作用。底部剪力法的方法步骤为：(1) 确定结构的底部剪力 Fek 1EkeqFG其中 ，而 1 为相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数。10.85neqiG(2) 确定各质点的水平地震作用或 6.答：(1) 先根据第三节的方法求出多自由度体系的各个自振周期和相应的振型；(2) 再根据基本公式 求出各个振型中各个质点上的水平地震作用；jijjiFXG(3) 再求出各个振型的地震作用效应，如剪力、弯矩等；(4) 再用“平方和开方“的方法来确定总的地震作用效应,即 21njiS一般地，频率最低的几个振型往往控
15、制着结构的最大地震反应。因此在实际的计算中，一般采用 23 个振型即可。7.答：抗震规范规定，对于烈度为 8 度和 9 度的大跨和长悬臂结构，烟囱和类似的高耸结构以及 9 度时的高层建筑等，应考虑竖向地震作用的影响。8. 答：在对建筑结构进行地震反应分析时，通常假定地基是刚性的。实际上，一般地基并非刚性，故当上部结构的地震作用通过基础而反馈给地基时，地基将产生一定的局部变形，从而引起结构的移动或摆动。这种现象称为地基与结构的相互作用。地基与结构相互作用的结果，使得地基运动和结构动力特性都发生了改变，这主要表现在以下几个方面：(1) 改变了地基运动的频谱组成，使得接近结构自振频率的分量获得加强，
16、同时也改变了地基振动的加速度幅值，使其小于邻近自由场地的加速度幅值。(2) 由于地基的柔性，使得结构的基本周期延长。(3) 由于地基的柔性，有相当一部分地震能量将通过地基土的滞回作用和波的辐射作用逸散至地基，从而使结构的振动衰减。一般地，地基愈柔，结构的振动衰减则愈大。9答：实用中，结构的抗震计算在一般情况下可不考虑地基与结构的相互作用。但是对于建造在 8 度和 9 度、III 或类场地上，采用箱基、刚性较好的筏基或桩箱联合基础的钢筋混凝土高层建筑，当结构的基本周期处于特征周期的 1.25 倍范围内时，可考虑地基与结构动力相互作用的影响，对采用刚性地基假定计算的水平地震剪力按下列规定予以折减，
17、并且其层间变形也应按折减后的楼层剪力计算。(1) 高宽比小于 3 的结构，各楼层地震剪力的折减系数(2) 高宽比大于 3 的结构，底部的地震剪力按上述(1)的规定折减，但顶部不折减，中间各层按线性插入值折减。10.答：结构截面抗震承载力验算是属于第一阶段的结构抗震设计，即要按多遇地震烈度水准来计算结构的内力，其承载能力应满足下列公式的要求：式中的 S 是按多遇地震烈度水准计算的地震作用所产生的内力与其它内力/RES组合的设计值，即式中 R 是结构构件的承载力设计值， 是承载力抗震调整系数。RE11.答：结构的抗震变形验算包括在多遇地震作用下的变形验算和在罕遇地震作用下的变形验算。前者属于第一阶
18、段的抗震设计内容，后者属于第二阶段的抗震设计内容。结构在多遇地震作用下的变形验算应满足的条件为： ，式中的 是euheu在多遇地震作用标准值产生的楼层最大弹性层间位移，而 是弹性层间位移角限值，h为层高。结构在罕遇地震作用下的变形验算则是对薄弱层的弹塑性位移验算，应满足的条件为：式中的 ， 是罕遇地震作用下，按弹性分析的层间位移， 是弹塑性位peueu p移增大系数，其值查表可得； 是弹塑性层间位移角限值；h 为薄弱层楼层高度或单层p厂房上柱高度。四. 计算题4.1 如图(3-1)所示两层钢筋混凝土框架，横梁刚度相对柱很大，可不考虑其弯曲，并认为只发生水平位移。由柱横截面尺寸算得的 1、2 层
19、柱的抗弯刚度分别为 EI 和 EI/2 ，1、2层的质量分别为 m1=1.5m，m2=m，试用频率方程计算该框架的自振频率和振型。图 3-1 计算简图解：若柱的弹性模量为 E，则 1、2 层弹性杆刚度分别为 2EI 和 EI。(1)计算刚度系数：则(2)求自振频率：由频率方程 可得则有解之得：(4)求主振型：第一主振型：第二主振型：4.2 某二层钢筋混凝土框架，层高为 4m，集中于楼盖和屋盖处的重力荷载代表值相等，且 G1G 21200kN，结构第一振型的自振周期和振型向量分别为 s，1.028T，第二振型的自振周期和振型向量分别为 s，1.0618TT .39。抗震设防烈度为 7 度（注：与
20、该设防烈度对应的小22.震水平地震影响系数最大值 ） ，所在场地的特征周期 s。0max.4g求：（1）用振型分解法计算各层间剪力；（2）用底部剪力法计算各层间剪力； 解：（1）振型分解法第一阶振型：; 0.9(.428).31 2168074.37=.kNF1202439.层间剪力 kN 18656V.kN 29.第二阶振型：因为 0.s3s=0.4sgT故取 ; 2max.822161.7(-.).207059kNF.kN 880.().层间剪力 kN 216V.-16.05kN 组合：kN 2175069751V.kN2243490()（2）底部剪力法T1=1.028s， 1.085(1
21、)=67.3kNEkF.因为 s405sg.T.128092n. .9Ek.1 14()=673109237kN0+nniGHF.(.). 21 28() 4514Eknni .(.).层间剪力：kN24075693V.11207631kNF.（3） kN45KHkN2.第 4 章 建筑抗震概念设计一、填空题1. 不宜 2. 规则 3. 大 严重 4. 均匀 薄弱层 降低 5. 重合 接近 二、简答题1.答：“概念设计”的涵义：由于地震的随机性，工程抗震不能完全依赖于“计算设计”，而立足于工程抗震基本理论及长期工程经验总结的工程抗震基本概念，这往往是构造良好结构性能的决定性因素，即所谓的“概念设计”。“概念设计”的意义：概念设计强调在工程设计一开始就应把握好能量输入、房屋体形、结构体系、刚度分布、构件特性等几个方面，从根本上消除建筑薄弱环节，再辅以必要的计算和构造措施，这样就可使设计出的房屋具有良好的抗震性能和足够的抗震可靠度。
