1、2020/9/13,第一章 緒論,1.1 地震與地震動 1.2 地震震級與地震烈度 1.3 地震災害概說 1.4 工程抗震設防 1.5 抗震設計的總體要求,1.1 地震與地震動 概述 1.1.1 地震類型與成因 1.1.2 地震波 1.1.3 地震動,概述 地震是一種自然現象。據統計，地球每年平均發(fā)生500萬次左右的地震，其中，5級以上的強烈地震約1000次左右。如果強烈地震發(fā)生在人類聚居區(qū)，就會造成地震災害。為了抗御與減輕地震災害，有必要進行建筑工程結構的抗震分析與抗震設計。,地殼由各種不均勻的巖石組成。,地球的構造,世界上絕大部分的地震都發(fā)生在這一薄薄的地殼內。（地殼巖石長期積累的變性在瞬

2、間內轉換為動能而產生地震）,地面為沉積巖，地殼上部為花崗巖巖層，地殼下部為玄武巖巖層（海洋下只有玄武巖巖層）。,地幔主要有質地堅硬的橄欖巖組成。 地幔是地殼運動的根源，其原因：,由于地球內部放射性物質不斷釋放能量，地球內部的溫度也隨深度的增加而升高，地下200Km到700Km其溫度由600升至2000 ，在這一范圍內的地幔中存在著一個厚約幾百公里的軟流層。因溫度分布不均勻，就發(fā)生了地幔內部物質的對流；另外地球內部的壓力也是不均衡的，在地幔上部約900MPa,地幔中部為3700MPa。,地核是地球的核心，分為：,（觀測發(fā)現：地震橫波不能通 過外核（即不能通過液體）。,外核（厚2100Km）處于液

3、態(tài) 內核（厚1400Km）處于固態(tài) 地核主要構成物質是鎳、鐵。,1.1.1 地震類型與成因,按其成因分,構造地震:由于地球內部巖層構造變化引起的地震。 分布最廣，危害最大。 火山地震：由于火山爆發(fā)，巖漿猛烈沖出地面起。 (我國沒有，日本有)。 陷落地震：由于地表或地下巖層突然發(fā)生大規(guī)模的陷落 和崩塌所引起小范圍的地面震動。 誘發(fā)地震：由于水庫蓄水或深井注水等引起的地面震動。,在工程抗震設計中僅考慮構造地震的設防問題,構造地震的成因和分布成因：,斷層說 在自然界，大規(guī)模的破裂面被稱為地質斷層。一條斷層的兩側可以逐漸地并難以察覺地互相滑過；也可以突然破裂，以地震形式釋放能量。,猶他州喀那布附近的切

4、過巖層的小而清晰的正斷層,斷層學說的佐證,-來自以色列 的精彩實例 原來水平的剛性巖石 層在長時期作用的構 造力擠壓下褶皺,斷層學說的佐證,板塊說： 大陸漂移假說：它是德國氣象學家魏格納（Wegener）(18801930年)在講課中提出來的。 這一假說在約10年時間內沒有受到地質界的重視。在1922年2月16日有一篇評述魏格納的書的一無人署名的短文，發(fā)表于著名的科學雜志自然上，說“該書直接應用了物理學原理，但遭到許多地質學家的強烈反對”。 魏格納假定一個超級大陸于3億年前破裂，其碎塊漂移出去形成現今的大陸。作為證據，他指出不同大陸的大型地質構造，如非洲西海岸和南美的東海岸似乎可以吻合。這一原

5、理能夠解釋許多地質學問題，在以后幾十年代中成為辯論的主要焦點。,由洋中脊，海溝和轉換斷層構成邊界的主要構造板塊 美洲板塊，歐亞板塊，印澳板塊，太平洋板塊，南極洲板塊等,板塊學說的佐證,板塊學說的佐證,震源：地下地震的發(fā)源處地球內部斷層錯動 并輻射出地震波的部位。 （震源不是一個點，而是有一定的深度和范圍）,淺源地震300km,1.1.2 地震波,按震源深淺，地震又可分為：,震中、震中距、等震線,垂直于震源的地表為震中,體波： 縱波：P波，為壓縮波 ，速度快，產生顛簸。vp=1.67vs 橫波：S波， vs為剪切波，速度稍慢，產生搖晃。,地震P波(縱波)和S波(橫波)運行時彈性巖石運動的形態(tài),勒

6、夫波和瑞利波傳播過程中近地表巖石的運動,面波：有勒夫波和瑞利波，vR=vL=0.9vs ，能量大， 破壞大，產生顛簸搖晃。,地震波記錄圖,1.1.3 地震動,為什么地震時人的感覺是先顛后晃？,由地震波傳播所引發(fā)的地面振動，通常稱為地震動。,地震時，震中及其附近的人們先感覺到上下顛簸，然后感到前后或左右搖晃。這是因為地震發(fā)生時，地震波主要有兩種，一種是縱波，它傳播的速度快，可達56Km/秒；另一種是橫波，它的速度較慢，達34 Km/秒。因為縱波先到，使人們產生上下顛簸的感覺；而橫波后到，讓人們感到水平搖晃，對建筑物的破壞主要是橫波。人們在感覺到“顛”的時候，要馬上就地避震，因為大的破壞力馬上就要

7、到了。,海嘯是一種災難性的海浪，通常由震源在海底下50千米以內、里氏震級6.5以上的海底地震引起。水下或沿岸山崩或火山爆發(fā)也可能引起海嘯。在一次震動之后，震蕩波在海面上以不斷擴大的圓圈，傳播到很遠的距離，正象卵石掉進淺池里產生的波一樣。海嘯波長比海洋的最大深度還要大，軌道運動在海底附近也沒受多大阻滯，不管海洋深度如何，波都可以傳播過去。 2004年12月26日，印度洋發(fā)生強烈地震并引發(fā)海嘯，造成周邊國家重大人員傷亡和財產損失。印度洋海嘯造成近30萬人遇難。,海嘯的起因：,1.2 地震震級與地震烈度 1.2.1 地震震級 1.2.2 地震烈度 1.2.3 基本烈度與地震區(qū)劃,用標準的地震儀在距震

8、中100km處記錄最大水平位移A（以m=10-6 m計）。 震級M=logA,查爾斯里克特（19001985年）,震級是一次地震強弱的等級。 現國際上的通用震級表示為 里氏震級。（Richter）,1.2.1 地震震級,震級與能量的關系 logE=11.8+1.5M 震級差一級，能量差32倍之多。,按著這個定義，對一個100千米外的地震，如果標準地震儀記錄到1厘米的峰值波振幅（即1毫米的104倍），則震級為4級。,1級 微震，人們無感覺。 24級 有感地震 5級以上 破壞性地震 7級以上 強烈地震 8級以上 特大地震 現記錄到的最強地震為8.9級。,唐山地震7.8級,地震烈度：某一地點地面震動

9、的強烈程度，由地面建筑的破壞程度，人的感覺，物體的振動及運動強烈程度而定。現在主要由地面震動的速度和加速度確定。,1.2.2 地震烈度,注意與震級區(qū)分。,烈度： 一次地震對某一地區(qū)的影響和破壞程度稱地震烈度，簡稱為烈度。用I表示。,烈度與震級的關系,一般而言，震級越大，烈度就越大。同一次地震，震中距小烈度就高，反之烈度就低。影響烈度的因素，除了震級、震中距外，還與震源深 度、地質構造和地基條件等因素有關。,分項：人的感覺，大多數房屋震害程度，其他現象， 加速度(水平向)厘米/秒 ，速度(水平向)厘米/秒,烈度表,I度：為無感覺，損壞一個別磚瓦掉落墻體微細裂縫； 河岸和松軟土上出現裂縫。,分為1

10、-12度（不同的國家的分度方法不同）,中國地震烈度表,VII（7）度：大多數人倉惶逃出；輕度破壞，局部破壞、 開裂，但不妨礙使用；河岸出現塌方。飽 和砂層常見噴砂冒水。松軟土上地裂縫較多。 大多數磚煙囪中等破壞 ；加速度125厘米/秒 。, （8）度：搖晃顛簸行走困難；中等破壞,結構受損， 需要修理 ；干硬土上亦有裂縫。大多數 磚煙囪嚴重破壞 ；加速度250厘米/秒 。,VI （6）度：驚慌失措，倉惶逃出；飽和砂層出現噴砂冒 水。地面上有的磚煙囪輕度裂縫、掉頭；加 速度63厘米/秒 。,（10）度：騎自行車的人會摔倒，處不穩(wěn)狀態(tài)的人會 摔出幾尺遠，有拋起感；大部倒塌，不堪 修復；山崩和地震斷裂

11、出現，基巖上的拱 橋破壞，大多數磚煙囪從根部破壞或倒毀； 加速度1000厘米/秒 。,（12）度：地面劇烈變化，山河改觀 。,（9）度：坐立不穩(wěn)行動的人可能摔跤 ；嚴重破壞, 墻體龜裂，局部倒塌，復修困難 ；嚴重破 壞，墻體龜裂，局部倒塌，復修困難；加 速度500厘米/秒 。,1.2.3 基本烈度與地震區(qū)劃,一個地區(qū)未來50年內一般場地條件下可能遭受的具有10%超越概率的地震烈度值稱為該地區(qū)的基本烈度。用Ib表示。,按國家規(guī)定的權限批準作為一個地區(qū)抗震設防依據的地震烈度稱為設防烈度，用Id表示。,建筑所在地區(qū)在設計基準期（50年）內具有超越概率2%-3%的地震烈度。也稱為大震烈度，重現期約為2

12、000年。,建筑所在地區(qū)在設計基準期（50年）內出現的頻度最高的烈度。也稱為常遇烈度、小震烈度，用Is表示。其超越概率為63.2%，重現期為50年。,設計地震分組是新規(guī)范新提 出的概念，用以代替舊規(guī)范設計 近震、設計遠震的概念。,在宏觀烈度大體相同 條件下，處于大震級遠離 震中的高聳建筑物的震害 比中小級震級近震中距的 情況嚴重的多。,設計地震分組,規(guī)范規(guī)定： 抗震設防烈度為6度及以上地區(qū)的建筑必須進行抗震設計,設計地震分三組,對于類場地，第一、二、三組的 設計特征周期分別為：0.35s、0.40s、0.45s.,遼寧省各地震設防地區(qū)多屬第一組。,1.3 地震災害概說 1.3.1 中國地震背景

13、 1.3.2 地震的破壞作用,本世紀以來，全世界破壞性強的地震平均每年18次，造成經濟損失達數千億美元。126萬人死亡，近千萬人嚴重傷殘。 我國本世紀以來，發(fā)生6級以上地震500余次，8級以上地震9次。 一次大地震可在數10秒鐘之內使一座繁榮的城市變成廢墟，人們幾代人的積累和財富化為烏有。,1.3.1 中國地震背景,世界范圍內有兩大地震帶,環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶,我國主要有兩條地震帶,南北地震帶和東西地震帶,在海濱地區(qū)跨圣安德烈斯斷裂的籬笆在1906年舊金山地震時 錯動了2.6米，遠處的土地向右移動。,1.3.2 地震的破壞作用,1988年亞美尼亞地震造成的新鮮斷崖,1976年7月28日,

14、在河北省唐山、豐南一帶發(fā)生了7.8級強烈地震，唐山地震造成24.2萬人死亡，16.4萬人受重傷，僅唐山市區(qū)終身殘廢者達1700多人，倒塌民房530萬間。唐山地區(qū)總的直接經濟損失達54億元，公共設施遭受嚴重破壞，災情之大舉世罕見。,1.4 工程抗震設防 1.4.1 抗震設防的目的和要求 1.4.2 抗震設計方法 1.4.3 建筑物重要性分類與設防標準,1.4.1 抗震設防的目的和要求,許多國家的抗震設計規(guī)范都趨向于以“小震不壞、中震可修、大震不到”作為建筑抗震設計的基本準則。,通過抗震設防，減輕建筑的破壞，避免人員死亡，減輕經濟損失。,工程抗震設防的基本目的,簡稱為：“小震不壞，中震可修，大震不

15、倒”。,“三水準”抗震設防目標,第一水準：當遭受低于本地區(qū)抗震設防烈度的多遇地震影響時，一般不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用。,第二水準：當遭受相當于本地區(qū)抗震設防烈度的地震影響時，可能損壞，經一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用。,第三水準：當遭受高于本地區(qū)抗震設防烈度的預估的罕遇地震影響時，不致倒塌或發(fā)生危及生命的嚴重破壞。,1.4.2 抗震設計方法,在進行建筑抗震設計時，原則上應滿足上述 “三水準”的抗震設防要求。在具體做法上，我國建筑抗震設計規(guī)范采用了簡化的“兩階段”的抗震設計方法。,第一階段設計：按多遇地震烈度對應的地震作用效應和其他荷載效應的組合驗算結構構件的承載能力和結構的彈性變形。,第二

16、階段設計：按罕遇地震烈度對應的地震作用效應驗算結構的彈塑性變形。,有特殊要求的建筑、地震易倒塌的建筑、有明顯薄弱層的建筑，不規(guī)則的建筑等,第一階段的設計，保證了第一水準的承載力要求和變形要求。第二階段的設計，則旨在保證結構滿足第三水準的抗震設防要求。如何保證第二水準的抗震設防要求，尚在研究之中。目前一般認為，良好的抗震構造措施有助于第二水準要求的實現。, 建筑抗震設計規(guī)范GB50011-2001。該標準主要以地震中和地震后房屋的損壞對社會和經濟產生的影響的程度大小，將建筑分成4個抗震設防類別。,1.4.2 抗震設計方法,地震作用,在設防烈度為6度時，除規(guī)范有具體規(guī)定外，對乙、丙、丁類建筑可不進

17、行地震作用計算。,抗震設防措施,抗震措施:除結構地震作用計算和抗力計算以外的抗震設計內容，包括抗震構造措施。,抗震構造措施：根據抗震概念設計，一般不須計算而對結構和非結構各部分必須采取的各種細部要求。,較小乙類建筑：工礦企業(yè)的變電所、空壓站以及城市供水水源的泵房等。,抗震性能較好的結構類型指鋼筋混凝土結構或鋼結構。,1.5 抗震設計的總體要求 1.5.1 注意場地的選擇 1.5.2 把握建筑體型 1.5.3 利用結構延性 1.5.4 設置多道防線 1.5.5 注意非結構因素,1.5.1 注意場地的選擇,工程地質條件對地震破壞的影響很大。常有地震烈度異常現象，即,“重災區(qū)里有輕災，輕災區(qū)里有重災

18、”,產生的原因是局部地區(qū)的工程地質條件不同。,地段劃分,水邊地的地下水位較高，土質也較松軟，容易在地震時產生土壤滑動或地層液化。,山坡地在地震時會產生土壤滑動,用另外的土石來填補地基，常有土壤密實度不足情形，導致建筑物在地震時產生傾斜、沉陷。,沖積地的土質松軟，地震時容易塌陷，如果此處有地下水層，還容易發(fā)生液化。,臨近懸崖， 容易滑落,谷地或低地，這里的建筑物容易在地震發(fā)生時，受土石崩塌破壞。,薩爾瓦多地震引發(fā)了一巨大的泥石流，數百戶人家被埋在泥石里，估計有1200多人遇難,地裂,地段選擇,1.選擇有利地段； 2.避開不利地段，當無法避開時，應采取適當的抗震措施； 3.不在危險地段建設。,局部

19、突出地形的影響,1994年云南昭通地震，蘆家灣某村坐落于山梁上，山梁長150m，頂部最寬15m，最窄5m，高60m.距震中18km。,突出端部的最大加速度為0.632g,鞍部為0.257g，大山根部為0.431g。,烈度為9度,烈度為8度,烈度為7度,局部突出地形的影響,1.高突地形距離基準面的高度愈大，高處的反應愈大； 2.離陡坎和邊坡頂部邊緣的距離大，反應相對減??； 3.在同樣地形條件下，土質結構的反應比巖質結構大； 4.高突地形頂面愈開闊，遠離邊緣的中心部位的反應明 顯減小; 5.邊坡愈陡，其頂部的放大效應相應加大。,發(fā)震斷裂的影響,與地下斷裂構造直接相關的地裂,與發(fā)震斷裂間接相關的受應

20、力場控制所產生的地裂,斷裂帶是地質上的薄弱環(huán)節(jié)，淺源地震多與斷裂活動有關。,發(fā)震斷裂帶附近地表，在地震時可能產生新的錯動，使建筑物遭受較大的破壞，屬于地震危險地段。,建設時應避開。,發(fā)震斷裂帶上可能發(fā)生地表錯位的地段主要在高烈度區(qū)，全新世以來經?；顒拥臄嗔焉厦?。,抗震有利的建筑場地和地基,1 選擇薄的場地覆蓋層。 2 選擇堅實的場地土。 3 將建筑物的自振周期與場地的固有周期錯開，避免共振。 4 采取基礎隔震或消能減震措施。 5 避免場地土液化。,建筑結構的規(guī)則性,結構體系的合理選擇,房屋的高寬比要求,防震縫的設置,房屋的適用最大高度,1.5.2 把握建筑體型,建筑結構的規(guī)則性,建筑結構的規(guī)則

21、性對抗震能力的重要影響的認識始自若干現代建筑在地震中的表現。,最為典型的例子是1972年2月23日南美洲的馬那瓜地震。,馬那瓜有相距不遠的兩幢高層建筑，一幢為十五層高的中央銀行大廈，另一幢為18層高的美洲銀行大廈。當地地震烈度估計為8度。一幢破壞嚴重，震后拆除；另一幢輕微損壞，稍加修理便恢復使用。,馬那瓜中央銀行大廈,試問： 那一幢破壞嚴重呢？,馬那瓜美洲銀行大廈,平面不規(guī)則的類型,豎向不規(guī)則的類型,結構體系的合理選擇,規(guī)范規(guī)定：,1.結構體系應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。,受力明確、傳力合理、傳力路線不間斷、抗震分析與實際表現相符合。,房屋的適用最大高度,抗震規(guī)范規(guī)定：乙、丙

22、和丁類建筑的框架結構和框架-抗震墻結構適用的最大高度應不超過下表的規(guī)定。,甲類建筑適用的最大高度應專門研究。,注：1.房屋高度指室外地面到主要屋面板板頂的高度 （不包括局部突出屋頂部分）； 2.超過表內高度的房屋，應進行專門研究和論證， 采取有效的加強措施； 3.平面和豎向均不規(guī)則的結構或建造在場地的 構，使用的最大高度應適當降低（一般降低20% 左右）。,選擇合理的結構材料,從抗震角度考慮，作為一種好的結構材料，其結構材料應具備： 延性系數高（如鋼結構） 強度/重力比值大（如輕質高強材料） 勻質性好 正交各向同性（變形相同） 構件的連接具有整體性、連續(xù)性和較好的延性，并能發(fā)揮材料的全部強度。

23、,按照上述標準，常見結構類型，按其抗震性能的優(yōu)劣排序為：,鋼結構 型鋼混凝土結構 混凝土鋼組合結構 現澆鋼筋混凝土結構 預應力混凝土結構 裝配式鋼筋混凝土結構 配筋砌體結構 砌體結構,鋼筋,1、不希望使用高強鋼筋。 2、鋼筋的實際屈服強度不能太高。 3、鋼筋的抗拉強度實測值與屈服強度實測值之比不應小于1.25。 4、不能使用冷拉鋼筋。 5、應檢測鋼筋的應變老化脆裂、可焊性低溫抗脆裂。,普通鋼筋的強度等級：縱向受力鋼筋宜選用HRB400級和HRB335級熱軋鋼筋，箍筋宜選用HRB335級和HB235級熱軋鋼筋。,混凝土,要求混凝土有最低強度等級限制。,混凝土結構的混凝土最高強度等級，9度時不宜超

24、過C60；8度時不宜超過C70。,對于框支梁、框支柱及抗震等級為一 級的框架梁、柱、節(jié)點核心區(qū)，不應 低于C30；構造柱，芯柱、圈梁及其 各類構件不應低于C20。,延性：結構承載能力無明顯降低的前提下，結構產生非彈性變形的能力。,總體延性：用結構的“頂點側移比”或結構的“平均側移比”表達。 樓層延性：以一個樓層的層間側移比表達。 構件延性：指整個結構中某一構件（如一榀框架或一片墻體）的延性。 桿件延性：指一個構件中某一桿件（框架的梁、柱，墻中的連梁或墻肢）的延性。,1.5.3 利用結構延性,在結構豎向：重點提高可能出現塑性變形集中的相對柔弱樓層的構件延性。 在結構平面：著重提高房屋周邊轉角處、

25、平面突變處及復雜平面各翼相接處的構件延性。 對多道抗震防線的抗側力體系，著重提高第一道防線中構件的延性。 在同一構件中，著重提高關鍵桿件的延性。 同一構件中，著重提高延性的部位應是預期構件首先屈服的部位。,提高結構延性的原則,控制結構變形 結構變形可以用層間位移和頂點位移表達。層間位移主要影響到非結構構件的破壞，梁柱節(jié)點的滑移，抗震墻的開裂，塑性鉸的發(fā)展以及屈服機制的形成。頂點位移主要影響防震縫寬度、結構的總體穩(wěn)定以及小震時人的感覺。,1.5.4 設置多道防線,多道抗震防線對抗震結構是必要的，當第一道防線的抗側力構件在強烈地震襲擊下遭到破壞后，后備的第二道至第三道防線的抗側力構件立即接替，抵擋

26、住后續(xù)的地震動的沖擊，可保證建筑物最低限度的安全，免于倒塌。,應避免因部分結構或構件破壞而導致整個結構喪失抗震能力或對重力荷載的承載能力。,由于柱子的數量較少或承載能力較弱，部分柱子退出工作后，整個結構系統喪失了對豎向荷載的承載能力。,抗震設計的一個重要原則是結構應有必要的贅余度和內力重分配的功能。,一般優(yōu)先選擇不負擔或少負擔重力荷載的豎向支撐或填充墻，或選擇軸壓比值較小的抗震墻，實墻筒體之類的構件。,第一道防線的構件選擇,一般情況，不宜采用軸壓比很大的框架柱兼作第一道防線的抗側力構件。 如因條件有限，只能采用單一的框架體系，框架就成為整個體系中唯一的抗側力構件，此時應采用“強柱弱梁”型延性框

27、架。（即梁為第一道，柱為第二道）,抗震結構體系，應有若干個延性較好的分體系組成，并由延性較好的結構構件連接起來協同工作。 如：框架抗震墻體系是由延性框架和抗震墻兩個系統組成；雙肢或多肢抗震墻體系由若干個單肢墻分系統組成。 抗震結構體系應有最大可能數量的內部、外部贅余度，有意識地建立一系列分布的屈服區(qū)，以使結構能夠吸收和耗散大量的地震能量，一旦破壞也易于修復。,結構體系的多道設防,強柱弱梁：使框架結構塑性鉸出現在梁端的設計要求。用以提高結構的變形能力，防止在強烈地震作用下倒塌。 強剪弱彎：使鋼筋混凝土構件中與正截面受彎承載力對應的剪力低于該構件斜截面受剪承載力的設計要求。用以改善構件自身的抗震性能。 柔性底層：用變形能力大的延性框架代替房屋底層的抗震墻，以減少地震震動向上部各層傳遞的一種抗震設計思想。 框支剪力墻：底層或底部兩三層為框架體系，上部各層為抗震墻或框架抗震墻體