盛-第7章-02-工程抗震设计

HohaiUniversity防灾减灾学工程抗震设计(DisasterPreventionandMitigation)盛金昌水利水电学院——防灾减灾学课件2019/8/8防灾减灾学地震灾害地震灾害与防灾减灾对策一工程抗震设计二结构减震控制三基本概念、类型及成因、活动概况及分布、灾害、对策抗震设防的概念、建筑抗震的概念设计、结构地震反应分析结构抗震概念，减震控制【被动、主动、半主动、智能】第五章工程抗震设计结构抗震极限状态计算4.结构地震反应分析3.建筑抗震的概念设计2.抗震设防的基本概念1.2019/8/8防灾减灾学45.1抗震设防的基本概念5.1.1抗震设防烈度抗震设防：是指对建筑物进行抗震设计，包括地震作用、抗震承载力计算和采取抗震措施，以达到抗震的效果和目的。抗震设防的依据：是抗震设防烈度。地震烈度按不同的频率和强度通常可划分为小震烈度、中震烈度和大震烈度。2019/8/8防灾减灾学55.1抗震设防的基本概念小震烈度即众值地震烈度（多遇烈度），是指在50年设计基准期内，一般场地条件下，可能遭遇的超越概率为63%的地震烈度值。1/50y基本烈度即中震烈度，指在50年内，一般场地条件下，可能遭遇的超越概率为10%的地震烈度值。1/474y大震烈度即罕遇地震烈度，是指在50年内，一般场地条件下，可能遭遇的超越概率约为2%~3％的地震烈度值。1/1600~2500y三种烈度的含义及其关系2019/8/8防灾减灾学65.1抗震设防的基本概念超越概率：在一定时期内，工程场地可能遭遇大于或等于给定的值或地震动参数值的概率。在一定时期（t年）内，某地区发生n次地震（不管震级大小）的概率密度f(t)为：f(t)=vexp(-vt)上式中，v为某地震年平均发生的概率，它与重现期T0为倒数关系，即：T0=1/v。于是易得重现期T0与超越概率F(t)的关系为：T0=1/v=-t/(ln(1-F(t))由上式即可算出事件某时间段内各种超越概率的重现期。如：t=50年，超越概率F(t)=10%的地震，其重现期为T0=474年。2019/8/8防灾减灾学75.1抗震设防的基本概念抗震设防烈度的确定：一般情况下，一个地区抗震设防烈度可采用中国地震烈度区划图的地震基本烈度；对做过抗震防灾规划的城市，可按批准的抗震设防区划进行抗震设防。抗震设防烈度是一个地区的设防依据，不能随意提高或降低，具体工程的设防标准可按业主要求提高。我国采取的是6度起设防的方针。2019/8/8防灾减灾学8中国地震烈度区划图地震烈度区划图是指在地图上按地震基本烈度的差异划分出不同区域的图。各地区的基本烈度由《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001)确定。2019/8/8防灾减灾学95.1抗震设防的基本概念分类按其受地震破坏时产生的后果严重程度甲类建筑(特殊设防类)指重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑,这类建筑的破坏会导致严重后果,是特别重要的建筑，需国家批准。乙类建筑(重点设防类)指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑。是重要建筑，如城市的生命线工程(供水，供电，交通，消防通讯等系统)丙类建筑(标准设防类)一般性建筑。一般的工业民用建筑丁类建筑(适度设防类)抗震次要建筑5.1.2建筑抗震设防类别I2019/8/8防灾减灾学105.1抗震设防的基本概念分类地震作用抗震措施甲类建筑(特殊设防类)按批准的地震安全性评价结果及高于设防烈度要求确定在6~8度设防区,应按设防烈度提高一度加强，当9度时，应比9度更高乙类建筑(重点设防类)按设防烈度确定按提高一度的要求考虑，但9度时，应比9度更高丙类建筑(标准设防类)按设防烈度确定按设防烈度确定丁类建筑(适度设防类)按设防烈度确定允许适当降低要求，但6度时不应降低5.1.2建筑抗震设防类别II2019/8/8防灾减灾学115.1.3抗震设防标准5.1抗震设防的基本概念小震不坏：即当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震时，一般不受损坏或不需修理仍可继续使用；第一水准中震可修：即遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震时，建筑物可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用。大震不倒：即当遭受到本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。第二水准第三水准2019/8/8防灾减灾学125.1.4抗震设计方法抗震规范采用两阶段设计方法5.1抗震设防的基本概念如何保证三水准的抗震设防要求呢?对绝大多数建筑结构来说，不需要进行第二水准的抗震设计，仅对少部特别重要的或存在薄弱部位的建筑物，才需要做第二水准的抗震设计2019/8/8防灾减灾学135.2建筑抗震的概念设计选材和施工选择有利场地结构构件抗震结构体系结构控制新技术有利地基和基础建筑平面和立面布置工程抗震设计2019/8/8防灾减灾学145.2建筑抗震的概念设计5.2.1选择有利的抗震场地选择建筑物场地，应根据工程需要，掌握地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料，作出综合分析。地段类别地质、地形、地貌有利地段稳定基岩，坚硬土，开阔、平坦、密实、均匀的中硬土等不利地段软弱土，液化土，条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非岩质的陡坡，河岸和边坡的边缘，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层（如古河道、疏松的断破裂带、暗埋的塘浜沟谷和半填半挖地基）等危险地段地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发震断裂带上可能发生地表错位的部位2019/8/8防灾减灾学155.2.2选择有利于抗震的地基和基础同一结构单元不宜设置在性质截然不同的地基土上；不宜部分采用天然地基，部分采用桩基；当地基有软弱黏土、可液化土、新近填土或严重不均匀土时，应采取地基处理措施加强基础的整体性和刚性，以防止地震引起的动态和永久的不均匀变形；在地基稳定的条件下，还应考虑结构与地基的振动性，力求避免共振影响。5.2建筑抗震的概念设计2019/8/8防灾减灾学165.2.3选择对抗震有利的建筑平面和立面布置建筑平面和立面布置宜对称、规则，力求是质量和刚度变化均匀。规则结构是指：建筑的立面和竖面剖面规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。5.2建筑抗震的概念设计2019/8/8防灾减灾学17结构不规则又分为平面不规则和竖向不规则：水平布置形式竖向布置形式5.2建筑抗震的概念设计2019/8/8防灾减灾学185.2.4选择合理的抗震结构体系在选择建筑结构体系时，应符合以下要求：1.应具有明确的结构计算简图和合理的地震作用传递途径。2.宜有多道抗震防线，应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构体系丧失抗震能力或对重力的承载作用。3.应具备必要的强度、良好的变形能力和耗能能力。4.宜具有合理的刚度和强度分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中；对可能出现的薄弱部位，采取措施提高抗震能力。5.2建筑抗震的概念设计2019/8/8防灾减灾学195.2.5选择合理的结构构件抗震构件的选择：砌体结构构件应按规定设置钢筋混凝土结构圈梁、构造柱、柱芯或采用钢筋砌体和组合砌体。混凝土结构构件应合理选择构件尺寸、配置纵向钢筋和箍筋。钢结构构件应合理控制构件尺寸，防止局部或整体失稳。结构各构件之间的连接设计：构件节点的强度，不应低于其连接构件的强度。预埋件的锚固强度，不应低于连接件的强度。装配式结构的连接，应能保证结构的整体性。5.2建筑抗震的概念设计2019/8/8防灾减灾学205.2.6处理好非结构构件和主体结构的关系附着于楼、屋面结构构件的非结构构件应与主体有可靠的连接或锚固。维护墙与隔墙应考虑对主体结构抗震有利或不利的影响。钢结构构件应合理控制构件尺寸，防止局部或整体失稳。幕墙、装饰贴面与主体结构应有可靠的连接。5.2建筑抗震的概念设计2019/8/8防灾减灾学215.2.7注意材料的选用和施工质量抗震结构的对材料和施工质量的要求应在设计文件上注明，并保证切实执行。5.2.8采用结构控制新技术隔振与耗能减震结构体系广泛运用于现代抗震结构中，隔振体系是通过延长结构的自震周期来减小结构的水平地震作用，而耗能减震体系是通过耗能器增加结构阻尼来减小结构在地震下的位移。5.2建筑抗震的概念设计2019/8/8防灾减灾学225.3结构地震反应分析5.3.1概述5.3.2单自由度弹性体系的地震反应5.3.3单自由度弹性体系的水平地震作用与抗震设计反应谱5.3.4多自由度弹性体系的地震反应分析—振型分解反应谱法5.3.5计算水平地震作用的底部剪力法5.3.6长周期结构地震内力的调整5.3.7结构自振周期的计算2019/8/8防灾减灾学235.3.1.1结构地震反应结构地震反应：由地震动引起的结构内力、变形、位移及结构运动速度与加速度等统称结构地震反应。地震时，地面上原来静止的结构物因地面运动而产生强迫振动。因此，结构地震反应是一种动力反应，其大小(振动幅值)不仅与地面运动有关，还与结构动力特性(自振周期、振型和阻尼)有关，一般需采用结构动力学方法分析才能得到。5.3.1概述2019/8/8防灾减灾学24结构工程中“作用”一词，指能引起结构内力、变形等反应的各种因素。按引起结构反应的方式不同，“作用”可分为直接作用与间接作用：各种荷载（如重力、风载、土压力等）为直接作用。各种非荷载作用（如温度、基础沉降等）为间接作用。结构地震反应是地震动通过结构惯性引起的，因此地震作用（即结构地震惯性力）是间接作用，而不称为荷载。5.3.1概述5.3.1.2地震作用2019/8/8防灾减灾学255.3.1.3结构动力计算简图及体系自由度结构动力计算简图结构的确定：这是地震反应分析的第一步。由于结构的惯性是质量引起的，因此结构动力计算简图的核心内容是结构质量的描述。描述结构质量的方法有两种，（1）连续化描述（分布质量），（2）集中化描述（集中质量）。如采用连续化方法描述结构的质量，结构的运动方程将为偏微分方程的形式，而一般情况下偏微分方程的求解和实际应用不方便。因此，工程上常采用集中化方法描述结构的质量，以此确定结构动力计算简图。5.3.1概述2019/8/8防灾减灾学26采用集中质量方法确定结构动力计算简图时，需先定出结构质量集中位置。可取结构各区域主要质量的质心为质量集中位置，将该区域主要质量集中在该点上，忽略其他次要质量或将次要质量合并到相邻主要质量的质点上去。确定结构各质点运动的独立参量数为结构运动体系的自由度。各种结构自由度的确定示例如下图。5.3.1概述2019/8/8防灾减灾学28结构抗震理论的发展1.静力理论阶段---静力法1920年，日本大森房吉提出。假设建筑物为绝对刚体。)(txgm)(txmg地震作用:GkxgGxmFggmaxmaxgxkgmax---地震系数将F作为静荷载，按静力计算方法计算结构的地震效应。5.3.1概述2019/8/8防灾减灾学292.定函数理论tatxgcos)(由前苏联扎夫里耶夫首先提出，他认为地震地面运动可用余弦函数来描述，也即地面位移为:teatxniitigi1sin)(前苏联的柯尔琴斯基提出地面运动可用若干个不同振幅、不同阻尼和不同频率的衰减正弦函数的和来表示，也即:5.3.1概述2019/8/8防灾减灾学303.反应谱理论---反应谱法（1940年美国皮奥特提出）地震作用：GkFGk---重力荷载代表值---地震系数（反映震级、震中距、地基等的影响）---动力系数(反映结构的特性,如周期、阻尼等的影响)按静力计算方法计算结构的地震效应。是目前世界上普遍采用的方法。5.3.1概述2019/8/8防灾减灾学31反应谱法的缺点：1.尽管考虑了结构动力特性，但在结构设计中仍然把地震惯性力作为静力来对待，所以它只能称为准动力理论。2.表征地震动的三要素是振幅、频谱和持时。在制作反应谱过程中虽然考虑了其中的前两个要素，但始终未能反映地