5建筑结构抗震知识

建筑结构主讲：蒲瑜第一节地震的基本知识第五章建筑结构抗震知识一、地震概念1.地震概念在建筑抗震设计中，所指的地震是由于地壳构造运动（岩层构造状态的变动）使岩层发生断裂、错动而引起的地面振动。2.常用的地震术语地震天然地震诱发地震构造地震火山地震陷落地震构造地震：由于地壳运动使地壳某些部位的地应力不断加强，当弹性地应力的积聚超过岩石的强度极限时，岩层就会发生突然断裂和猛烈错动，引起振动。振动以波的形式传到地面，造成地震。破坏性地震主要属于构造地震，占世界地震总数的90%以上。二、地震类型与成因火山地震由于火山作用，如岩浆活动、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。1914年日本樱岛火山爆发，产生的震动相当于一个6.7级地震。陷落地震由于地下溶洞或矿井顶部塌陷而引起的地震称为塌陷地震。这类地震的规模比较小，次数也很少。诱发地震因人为因素直接造成的地震是人工地震。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。1962年3月19日在广东河源新丰江水库坝区发生了迄今我国最大的水库诱发地震，震级为6.1级。震源深度在60km以内的地震叫浅源地震震源深度为60～300km以内的叫中源地震震源深度为300km以上的叫深源地震世界上绝大部分地震是浅源地震，我国发生的地震绝大多数属于浅源地震（10-20Km）地球构成：三个圈层：地壳、地幔、地核地幔物质对流板块构造运动（根本原因）地震地震形成的宏观背景地球构成92%的地震发生在地壳中，其余的发生在地幔上部地震的形成：板块分布图a、岩层的原始状态b、受力发生弯曲c、岩层破裂发生震动•地震形成的局部机制:地球板块运动板块之间的相互作用力地壳中岩层变形变形积聚超过岩石所能承受的程度岩体就会发生突然断裂或错动地震地震波是地震发生时由震源地方的岩石破裂产生的弹性波。地震引起的振动是以波的形式从震源向各个方向传播并释放能量。地震波体波：面波：在地球内部传播在地球表面传播纵波（P波）横波（S波）横波特点:周期长、振幅大、波速慢,100-800m/s，其振动方向与波传播方向垂直，引起地面水平方向振动。纵波特点:周期短、振幅小、波速快,200-1400m/s，其振动方向与波传播方向一致，引起地面垂直方向振动。三、地震波面波：面波是体波经地层界面多次反射形成的次生波。包括瑞利波（R波）和洛夫波（L波）。比体波衰减慢、振幅大、周期长、传播远。建筑物破坏主要由面波造成。杂波P波开始S波开始面波开始含义——一次地震释放能量大小的度量微震（小于2级）有感地震（2——4级）破坏地震（5级以上）强震（大震）（7级以上）特大地震（8级以上）三、震级与烈度1.震级能量越大，震级就越大；震级相差一级，地面振幅增加约10倍，而能量相差约32倍。一个6级地震相当于一个两万吨级的原子弹。2.地震烈度(1)定义及影响因素一次地震对某一地区的影响和破坏程度称地震烈度，简称为烈度。用I表示，是衡量地震引起后果的一种标度。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、地质构造、地基条件、建筑物的动力特性、施工质量等因素有关。(2)地震烈度表地震烈度表是评定烈度的标准和尺度。我国在2008年制定了《中国地震烈度表》。《中国地震烈度表》将地震烈度分为1-12度。中国地震烈度表(GB/T17742-2008)地震烈度人的感觉房屋震害其他震害现象水平向地面运动类型震害程度平均震害指数峰值加速度m/s2峰值速度m/sⅠ无感------Ⅱ室内个别静止中人有感觉------Ⅲ室内少数静止中人有感觉-门、窗轻微作响-悬挂物微动--Ⅳ室内多数人、室外少数人有感觉，少数人梦中惊醒-门、窗作响-悬挂物明显摆动，器皿作响--Ⅴ室内绝大多数、室外多数人有感觉，多数人梦中惊醒-门窗、屋顶、屋架颤动作响，灰土掉落，个别房屋抹灰出现细微细烈缝，个别有檐瓦掉落，个别屋顶烟囱掉砖-悬挂物大幅度晃动，不稳定器物摇动或翻倒0.31(0.22～0.44)0.03(0.02～0.04)Ⅵ多数人站立不稳，少数人惊逃户外A少数中等破坏，多数轻微破坏和0.00～0.11家具和物品移动；河岸和松软土出现裂缝，饱和砂层出现喷砂冒水；个别独立砖烟囱轻度裂缝0.63(0.45～0.89)0.06(0.05～0.09)B个别中等破坏，少数轻微破坏，多数基本完好C个别轻微破坏，大多数基本完好0.00～0.08Ⅶ大多数人惊逃户外，骑自行车的人有感觉，行驶中的汽车驾乘人员有感觉A少数毁坏和0.09～0.31物体从架子上掉落1.25(0.90～1.77)0.13(0.10～0.18)B少数毁坏，多数严重和C个别毁坏，少数严重破坏，多数中等和0.07～0.22Ⅷ多数人摇晃颠簸，行走困难A少数毁坏，多数严重和0.29～0.51干硬土上出现裂缝，饱和砂层绝大多数喷砂冒水2.50(1.78～3.53)0.25(0.19～0.35)B个别毁坏，少数严重破坏，多数中等和C少数严重和0.20～0.40Ⅸ行动的人摔倒A多数严重破坏或0.49～0.71干硬土上多处出现裂缝，可见基岩裂缝、错动，滑坡、塌方常见5.00(3.54～7.07)0.50(0.36～0.71)B少数毁坏，多数严重和C少数毁坏和0.38～0.60Ⅹ骑自行车的人会摔倒，处不稳状态的人会摔离原地，有抛起感A绝大多数毁坏0.69～0.91山崩和地震断裂出现；基岩上拱桥破坏；大多数独立砖烟囱从根部破坏或倒毁10.00(7.08～14.14)1.00(0.72～1.41)B大多数毁坏C多数毁坏和0.58～0.80ⅪA绝大多数毁坏0.89～1.00地震断裂延续很大，大量山崩滑坡--BC0.78～1.00Ⅻ-A-1.00地面剧烈变化，山河改观--BC注：表中的数量词：“个别”为10%以下；“少数”为10%－45%；“多数”为40%－70%；“大多数”为60%－90%；“绝大多数”为80%以上。房屋倒塌五、地震的震害及分析桥梁断落水坝开裂铁轨变形地面裂缝山崩、滑坡海啸、火灾第二节建筑抗震设防与设计一、建筑抗震设防的一般知识（一）建筑抗震设防依据1.基本烈度一个地区未来50年内在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Ib。基本烈度也称为偶遇烈度或中震烈度。各地区的基本烈度由《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001)确定。3.2.设防烈度按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度称为设防烈度，用Id表示。设防烈度的取值依据：规范规定：一般情况下，可采用《中国地震动参数区划图》中的地震基本烈度。对已编制抗震设防区划的城市，可按批准的抗震设防烈度进行抗震设防。（二）设防目标1．大震和小震小震：小震是发生机会较多的地震，为烈度概率密度曲线上的峰值所对应的烈度,即众值烈度或称多遇烈度。当基准设计期为50年时，则50年内众值烈度的超越概率为63.2%，这就是第一水准的烈度。基本烈度：即第二水准烈度，也就全国地震烈度区划图所规定的烈度，它在50年内超越概率大体为l0%。大震或罕遇烈度：大震是罕遇的地震，50年内超越概率为2%-3%的烈度，也是第三水准所对应的烈度。2.抗震设防目标建筑抗震设防目标总的趋势：在建筑物使用寿命期间，对不同频度和强度的地震，要求建筑物具有不同的抵抗能力。基于这一趋势，《抗震规范》提示了“三水准”的抗震设防目标。第一水准：“小震不坏”，即当遭受到多遇的低于本地区设防烈度的地震（简称“小震）影响时，建筑物一般应不受损坏或不需修理仍能继续使用。第二水准：“中震可修”，当遭受到相当于本地区设防烈度的地震影响时，建筑可能损坏，经一般修理或不需修理仍能继续使用。第三水准：“大震不倒”，当遭遇受到高于本地区设防烈度的罕遇地震（简称“大震”）影响时，建筑不致倒塌或发生危及生命的严重损坏。（三）建筑抗震设防分类（1）建筑物重要性分类在进行建筑设计时，应根据建筑物的重要性不同，采取不同的抗震设防标准。《抗震规范》将建筑物按其重要程度不同分为四类：甲类建筑—有特殊要求的建筑，如遇地震破坏会导致严重后果（如放射性物质的污染，剧毒气体的扩散或引起爆炸等）和经济上重大损失的建筑；政治上重大损失的建筑；政治上有特殊要求的或其它特别重要的建筑等。鸟巢水立方国家大剧院乙类建筑—国家重点抗震城市的生命线工程的建筑（如消防、急救、供水、供电等）或人流密集的多层的大型公共建筑等。2008年的《建筑抗震设防分类标准》：“教育建筑中，幼儿园、小学、中学的教学用房以及学生宿舍和食堂，抗震设防类别应不低于重点设防类。”主要是体现对未成年人的保护。此外，此类建筑的人员密度较高，地震时容易导致大量人员伤亡。丙类建筑—除甲、乙、丁类以外的建筑，如一般工业与民用建筑（公共建筑、住宅、旅馆、厂房等）。丁类建筑—次要建筑，如遇到地震破坏不易造成人员伤亡和较大经济损失的建筑（如一般的仓库、人员较少的辅助性建筑）。第三节钢筋混凝土房屋的抗震规定及构造措施•框架结构的抗震构造措施•1.梁端箍筋加密•在梁端塑性铰区段范围内加密箍筋，可以起到约束混凝土、提高混凝土变形能力的作用，从而可提高梁截面转动能力，增加其延性。《建筑抗震设计规范》（GB50011—2010）对梁端加密区的范围和构造要求所作的详细规定见下表。抗震等级加密区长度（mm）（采用较大值）箍筋最大间距（mm）（采用最大值）箍筋最小直径（mm）一2hb，500hb/4，6d，10010二1.5hb，500hb/4，8d，1008三1.5hb，500hb/4，8d，1508四1.5hb，500hb/4，8d，1506注：①d为钢筋直径；hb为梁截面高度。②箍筋直径大于12mm，数量不少于4肢且肢距不大于150mm时，一、二级的最大间距应允许适当放宽，但不得大于150mm。梁端箍筋加密区的长度、箍筋的最大间距和最小直径•梁端加密区箍筋肢距，一级抗震不宜大于200mm和20倍箍筋直径的较大值，二、三级抗震不宜大于250mm和20倍箍筋直径的较大值，四级抗震不应大于300mm。•在梁端箍筋加密区内一般不宜设置纵筋接头。•2.柱端箍筋加密•震害调查表明，框架柱的破坏主要集中在柱端1.0～1.5倍柱截面高度范围内。通过加密柱端箍筋可以提高柱端的抗剪能力，起到约束混凝土、提高混凝土的抗压强度及变形能力，防止纵筋压屈的作用。试验表明，当箍筋间距小于6～8倍柱纵筋直径时，在受压混凝土压碎前，一般不会出现钢筋压屈的现象。•柱端箍筋加密区范围应按下列规定采用：•①柱端，取柱截面长边尺寸(圆柱直径)、柱净高的1／6和500mm三者的最大值；•②底层柱的下端不小于柱净高的1／3；•③刚性地面上下各500mm；•④剪跨比不大于2的柱和因设置填充墙等形成的柱净高与柱截面高度之比不大于4的柱、框支柱、一级抗震及二级抗震框架的角柱，取全高。•一般情况下，柱端箍筋加密区的箍筋间距和直径应符合下表的要求。抗震等级箍筋最大间距（采用较小值，mm）箍筋最小直径（mm）一6d，10010二8d，1008三8d，150（柱根100）8四8d，150（柱根100）6（柱根8）表柱箍筋加密区的箍筋最大间距和最小直径注：d为柱纵筋最小直径；柱根指框架底层柱的嵌固部位。•柱箍筋加密区的箍筋肢距，一级不宜大于200mm；二、三级不宜大于250mm；四级不宜大于300mm，至少每隔一根纵筋宜在两个方向有箍筋或拉筋约束；采用拉筋复合箍筋时，拉筋宜紧靠纵向钢筋并钩住箍筋。•3.钢筋接头和锚固•钢筋锚固与接头除应符合《混凝土结构设计规范》的要求外，尚应符合下列要求：•（1）纵向钢筋的最小锚固长度laE应按下列公式计算：一、二级抗震laE=1.15la三级抗震laE=1.05la四级抗震laE=1.0la•式中la——纵向钢筋的锚固长度，按《混凝土结构设计规范》确定。•（2）纵向钢筋接头位置宜避开梁端、柱端钢筋加密区。•（3）当采用搭接接头时，其搭接接头长度不应小于ζllaE；ζl为纵向受拉钢筋搭