建筑结构抗震设计理论与实例

建筑结构抗震设计理论与实例第一章地震及结构抗震基本知识第二章场地、地基、基础第三章单自由度体系结构的地震反应第四章多自由度体系结构的地震反应第五章地震作用和结构抗震设计要点第六章多高层钢筋混凝土结构房屋抗震设计第七章多层砌体房屋和底部框架、内框架砌体房屋抗震设计第八章钢结构房屋抗震设计第九章单层厂房及单层空旷房屋抗震设计第十章非结构构件抗震设计第一章地震及结构抗震的基本知识1.1地震成因及地震类型地壳：地球外表面的一层薄壳。最薄处约5km，地震多发于此。1.1.1地球的构造1.1.2地震的发生过程地球内部由于某种原因发生振动，并以波的形式传递到地表引起地面震动。内部发生振动的地方称之为震源。震源在地表的投影叫震中。震源至地面的垂直距离叫震源深度。根据震源深度以60m，300m为限将地震划分为：浅源地震、中源地震、深源地震。浅源地震危害大。1.1.3地震的成因与类型根据地震成因来分：构造地震：火山地震；塌陷地震；水库引发地震：1.2地震波以及传播地震以波的形式由震源传递到地表。地震波分为：体波和面波。1.2.1体波体波是指通过地球本体内传播的波，包含纵波、横波。纵波：质点振动方向与波的传递方向一致的波。横波：质点振动方向与波的传递方向垂直的波。纵波为压缩波，无论是在固体内还是液体内均能传播。横波为剪切波，只能在固体内传播。波速可以按下式计算：GEVp2)21)(1()1(GEVs)1(221)1(2spVV式中Vp—纵波波速Vs—横波波速E—介质的弹性模量γ—介质的泊松比；ρ—介质的密度；G—介质的剪切模量；λ—拉梅常数通过两种波速的比较可见：纵波的传播速度快于横波，即纵波先到达地面1.2.2面波瑞雷波振动轨迹剖面(a)和射线(b)面波是指介质表面或地球表面及其附近传播的波，一般认为是体波经地层界面多次反射形成的次生波，包含瑞雷波和乐普波。乐普波的传播是质点在与波的传播方向相垂直的水平方向的剪切型运动。质点在水平方向振动与波行进方向耦合后会产生水平扭转分量。1.2.3地震波的主要特新及其在工程中的应用1、地震加速度波形的频谱特性及持续时间的影响软土地基上地震加速度波形中长周期的分量比较显著，而硬土地基上加速度波形则包含多种频谱成分，一般短周期的分量比较显著。长时间持续的地震冲击作用下，结构物的破坏与静载作用下的破坏值相差较大。1.3地震震级与地震烈度1.3.1地震震级地震震级是表征地震强弱的指标，是地震释放多少能量的尺度。小于2级的地震人们感觉不到；5级以上的地震就要引起不同程度的破坏，统称为破坏性地震；7级以上地震称为强烈地震。地震烈度：是地震对地面影响的强烈程度，主要依据宏观的地震影响和破坏现象等方面来判断。地震烈度是表示某一区域范围内地面和各种建筑物受到一次地震影响的平均强弱程度的一个指标。根据1999年颁布的中国地震烈度表划分地震烈度。1.4地震灾害与抗震设防地震灾害：1、地表破坏2、建筑物破坏3、次生灾害结构抗震设防：三水准的设防目标：小震不坏、设防烈度可修、大震不到。抗震设防目标的实现：第一水准：按弹性计算结构在多遇地震下的内力进行强度计算可保证小震不坏的设防目标；第二水准：主要通过概念设计以及构造措施来保证；第三水准：对脆性结构主要从抗震措施上加强；对延性结构则进行弹塑性变形验算加以保证。第二章场地、地基、和基础2.1建筑场地一.建筑地段的选择(地质构造和地形)1.地段类别的划分：(1)有利地段：基岩、坚硬土或密实均匀的中硬土。(2)不利地段：软土、液化土、不均匀土(河道、暗浜等)。(3)危险地段：地震时可能发生滑坡、崩陷、地裂、泥石流等及发展断裂带。2.发展断裂带的震害和避让：(1)震害：断裂带是地质构造上的薄弱环节，在地震时可能产生新的错动，使地面建筑物遭受较大的破坏。所以对于这种危险地段选择建筑场地时应予以避开。(2)影响断裂带错动的因素：地震裂度、覆盖土层厚度：8度60m，9度90m时，可不考虑其影响。(3)避让：不满足上述条件时，应避开发震地带，避开距离应大于200-300。2.1建筑场地二.场地土的分类：地震时，地震波经过土层多次的反射、折射、传入建筑物振动后，又将一部分能量回输到地基、滤波？放大？很复杂。但场地土的影响是明显的。如1976年委内瑞拉地震---P19。1.建筑场地对建筑物震害的影响软弱地基上，柔性结构易破坏，刚性结构相应表现较好。坚硬地基上，柔性结构表现较好，刚性结构表现不一，如74年宁海、76年唐山地震。深厚覆盖土层上建筑物的震害较重，而浅层土上建筑物的震害则相对要轻些。2.场地土类的划分2.1建筑场地2.场地土类的划分1)影响因素覆盖土层类型：*坚硬土成岩石：Vs500m/s。*中硬土：250m/sVs=500m/s。*中软土：140m/s=250m/s。*软弱土：Vs=140m/s。覆盖土层厚度：覆盖土层至坚硬层(Vs500m/s)顶面的距离。2.1建筑场地覆盖土层厚度：覆盖土层至坚硬层(Vs500m/s)顶面的距离。2).特殊情况：当无实测剪切波速时，也可由载荷试验参考按P20表2.1来划分土的类型。当由若干层土层组成的场地土，可用土层的等效剪切波速来划分土的类型。等效剪切波速计算公式：P20式(2.1)(2.2)。3).抗震规范场地类别划分：抗震规范按照表层土的剪切波速和场地覆盖层厚度两个因素，将建筑物场地分为I-IV四种类别，见表2.2所示；P21。例题2.1：已知某建筑场地的地质钻探资料如表2.3，试确定该建筑场地的类别。P21场地的地质钻探资料：表2.3层底深度(m)土层厚度(m)土层名称土层剪切波速(m/s)9.59.5砂37.828.3淤泥质粘土48.610.860.111.568.07.986.518.5例题2.1解答解：(1)确定地面下20m范围内土的类型剪切波从地表到20m深度范围的传播时间：ntstiVdt1)/(s134.0135/5.10170/5.9smtdVose/3.149134.0/20/所以表层土属中软土。(2).确定覆盖层厚度：68m以下土层为砾石夹砂、土层剪切波速500m/s.覆盖层厚度应是为68m。(3).确保类别：据表层土属于中软层和覆盖层厚度在9m-80m之间两个条件，查表2.2得类场地土。2.2地基的抗震验祘一.天然地基破坏极少.二.可不进行抗震验祘的天然地基：1.为了简化和减少抗震设计---P22。三.天然地基的抗震验算：考虑到地震作用下土的动强度比静强度高和可靠度应该以静力荷载下有所降低，地基抗震承载力设计值采用静力承载力设计值乘以调整系数。aaaEff地基和基础的抗震验算：一般采用是所谓的拟静力法计算。另外，还需限制地震作用下过大的基础偏心荷载。2.2地基的抗震验祘四.桩基的抗震验算：1.可不进行桩基抗震验算的范围：P24。2.当需要进行桩基础抗震验算时：1).单桩的竖向和水平向抗震承载力特征值：---见下节的讨论P24。2).当考虑桩基承受水平向地震荷载效应的验算时，应根据具体情况确定桩和承台(包括地下室)荷载分担此问题。P24。五.液化地基的判别与处理：1.地基土的液化现象(1).地基土的液化：地基土液化，在地震作用下，饱和砂土或粉土颗粒间急剧上升的孔隙水压力来不及消散，使有效压力降低，当有效压力完全消失时，土体抗剪强度为0，形成有如液体的现象，即称为液化。2.2地基的抗震验祘(2).液化危害1).地面：喷水、冒砂、地陷等。2).建筑物：下沉、倾斜，如唐山地震时，天津办公楼半层沉地下；上部结构破坏；室内地坪破坏等。2.决定地基液化的主要因素有：(1)土层的地质年代。(2).土的组成和密实饱度。(3).液化土层的埋深。(4).地下水位深度。(4).地震烈度和持续时间。3.液化的初步判别：初步判别为不液化或可不考虑液化影响的条件：P27。2.2地基的抗震验祘crNN5.634.试验判别：*标准贯入试验的判别公式为：锤重：(63.5kg)、落地：(76cm)、打入土层深度：(30cm)。*计算液化指数：P30。5.地基抗液化措施：P31。思考题1.为什么抗震设计时要考虑场地影响?怎样考虑?分4类、分类依据。P20。P19。设防烈度。2.影响土层液化的主要因素是什么?怎样判别?土层液化会造成那些后果?3.根据表中数值计算场地等效剪切波速，并判断场地类别。土层厚度2.25.88.24.54.3Vs(m/s)180200260420530第三章单自由度体系结构的地震反应3.1概述一.建筑结构的地震反应：*地震反应：地面运动作用于房屋,在房屋结构中产生的内力、变形、位移速度和加速度。*影响地震反应的因素：房屋结构的动力特性、地面运动特性(幅值、频谱特性、持续时间)等。*需求解一亇动力学问题，很复杂。分析中需要进行简化。二.建筑结构的动力计算简图：P36图3.1,3.2。房屋结构的简化：一般将一单层房屋集中为一个质的，将竖向构件质量集中至上下两端，忽略质量的扭转效应，按单自由度考虑。三.地震反应分析的目的：计算地震作用下结构的内力，进行结构抗震设计。3.2单自由度体系的自由振动一.力学模型及运动方程：1.荷载作用下的运动方程：P37.图3.3*质奌所受的力：xmFIxcFd0)(tsdIPFFF)(tPkxxcxm弹性恢复力：Fs=-kx,惯性力：阻尼力：外力:P(t)*达郎贝尔原理：*运动方程：3.2单自由度体系的自由振动mtPmkmcxxx)()(22txxxmk-------无阻尼自振圆频率mkcmc22mc2阻尼比c阻尼系数mtpt)()(3.2单自由度体系的自由振动)(tx)(txg))()((txtxg2.地面运动作用下运动方程：地面运动加速度：质奌绝对加速度：质奌相对地面加速度：))()((txtxmg)(txc)(tkx惯性力：质奌的阻尼力：恢复力：3.2单自由度体系的自由振动0)]()([kxxctxtxmg)()()()(txmtkxtxctxmg)()()(2)(2txtxtxtxg*达朗贝尔原理：*运动方程(公式)0kxxm02xxtCtBtxsincos)(二.运动方程的解：1.单自由度体系的无阻尼自由振动：一般解:3.2单自由度体系的自由振动,0x,0v/0,0vCxBtvtxtxsin)/(cos)(00)sin()(tAtx2020)/(vxA00vxtgmk/2TkmT/221Tf)sin()(2tAtx)sin()()(2tmAtxmtI给定初始条件t=0时,初位移则振幅-A,圆频率-周期频率即加速度惯性力初速度3.2单自由度体系的自由振动0)()(2)(2txtxtx)'sin'cos()(tCtBetxt2.单自由度体系的有阻尼自由振动：结构中存在一种耗能的因素----阻尼。一般采用粘滞阻尼理论，粘滞阻尼理论假定：阻尼力与速度成正比、但方向与速度相反。3.2单自由度体系的自由振动0x0v0xB'00xvC)'sin'cos()('000ttxetxxvt)'sin()(tAetxt2'20)(00xvxA000'xvxtg21',初速度为-----------有阻尼的自振频率P41,图3.5初始条件t=0时,初位移为3.2单自由度体系的自由振动43.390.2046.80482mk28.627.605.0128.61'22Hzf12/sfT1/1例3.1:一单自由度体系:m=204t,k=8048