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工程结构抗震与防灾第一章结构抗震基本知识1）体波：纵波（Primary）、横波（Secondary）面波：洛夫波、瑞雷波2）地震烈度：表示地震时一定地点地面振动强弱的尺度（震级是表征地震强弱的指标，是地震释放多少能量的尺度），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加以区分。3）地震动的三个基本要素：地震动的幅值（加速度、速度、位移）、频谱（设计反应谱）和持时（一方面，动力放大系数当中考虑了持时；另一方面，时程分析法当中也有地震持续时间参数）。4）抗震设防烈度：基本烈度，超越概率为63.2%众值烈度（多遇地震）：1.55，10%罕遇地震烈度：1，2%-3%需要注意的是，抗震设计时，抗震设防烈度对应的是相应多遇地震烈度的地震动参数5）抗震设防目标：“三水准”（小震不坏、中震可修、大震不倒）6）抗震设计方法：“两阶段”（第一阶段，验算多遇地震作用下结构弹性工况下的承载力与变形，同时满足第一水准和第二水准的要求，再通过概念设计与构造措施来满足第三水准的要求；第二阶段，验算罕遇地震作用下结构薄弱层的弹塑性层间位移，并采取相应的构造措施，防倒塌）7）抗震设防烈度的确定：甲类地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求，抗震措施应符合本地区抗震设防烈度提高1度的要求；乙类地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求，抗震措施应符合本地区抗震设防烈度提高1度的要求；丁类地震作用仍应符合本地区抗震设防烈度的要求，抗震措施应允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低。8）建筑场地划分依据：等效剪切波速与覆盖层厚度9）场地土液化a.影响因素：地质年代、土粒组成与密实程度、黏粒含量、埋置深度与地下水位深度、地震烈度和地震持续时间b.判别：两阶段（初步判别、标准贯入试验判别）第二章结构抗震计算1）S≤𝑅𝛾𝑅𝐸a.结构抗震计算包括地震作用S与结构抗力R的计算；b.结构重要性系数已考虑在抗震等级的选取中；c.𝛾𝑅𝐸是考虑短时荷载下材料强度的提高系数。2）反应谱：单自由度弹性体系在给定的地震作用下某个反应量的最大值与体系自振周期的关系曲线。3）F=m𝑆𝑎=|𝑥𝑔(𝑡)̈|𝑔∙𝑆𝑎|𝑥𝑔(𝑡)̈|∙𝐺=𝑘𝛽𝐺=𝛼𝐺a.k为地震系数，仅与地震烈度有关，而与结构性能无关；b.β为动力系数，《规范》取𝛽𝑚𝑎𝑥为一定值，即𝛽𝑚𝑎𝑥=2.25；c.𝛼𝑚𝑎𝑥仅与地震烈度有关。4）加速度设计反应谱中的设计参数a.γ、𝜂1、𝜂2与阻尼ζ有关，而ζ与地基土、空气等因素有关，对钢筋混凝土结构ζ=0.05，γ=0.9，𝜂2=1；b.𝛼𝑚𝑎𝑥与地震烈度、设计地动加速度有关，也与验算工况（多遇地震、罕遇地震）有关；c.𝑇𝑔与场地土类别（等效剪切波速、覆盖层厚度）、设计地震分组（震级、震中距）有关，也与验算工况有关（0.05）；d.T与结构自身刚度、质量有关（ω=√𝑘𝑚—T=2π√𝑚𝑘）；f.加速度反应谱中的几个折点：0.1、𝑇𝑔、5𝑇𝑔、6.0；加速度反应谱中的α：𝛼𝑚𝑎𝑥、（𝑇𝑔𝑇）0.9𝛼𝑚𝑎𝑥5）𝐹𝑗𝑖=𝛼𝑗𝛾𝑗𝑋𝑗𝑖𝐺𝑖a.振型的物理意义：某一振型在振动过程中所引起的惯性力不在其他振型上做功；b.𝐹𝑗𝑖表示j振型i质点处的最大地震作用力，是一个最值，但相应于各振型的最大地震作用力不会同时发生，《规范》采用SRSS法计算地震产生的地震作用效应（外围构件采用乘以放大系数考虑扭转作用）；c.𝑋𝑗𝑖表示j振型i质点的相对位移，通常取振型顶层处相对位移为+1。6）𝐹𝐸𝑘=𝛼1𝐺𝑒𝑞→𝐹𝑖=𝐺𝑖𝐻𝑖∑𝐺𝑘𝐻𝑘𝐹𝐸𝑘（1−𝛿𝑛）a.𝛼1→𝑇1→𝑇1=1.7𝜓𝑇√𝑢𝑇（𝐹𝑖̃=𝐺𝑖；局部突出，𝐹𝑛̃=𝐺𝑛+𝐺𝑛+1）；b.两个质点及以上𝐺𝑒𝑞=0.85∑𝐺，其中0.85为高振型影响系数；c.𝐻𝑖为楼高，即楼层距地面的高度；d.𝛿𝑛是考虑高振型对基本周期较长（𝑇11.4𝑇𝑔）的结构上部震害影响更大而进行的修正，修正后顶部地震作用效应𝐹𝑛′=𝐹𝑛+𝛿𝑛𝐹𝐸𝑘（𝐹𝐸𝑘是准的）；e.鞭梢效应，𝑉𝑛=3𝐹𝑛，𝑉𝑖=∑𝐹𝑛𝑛𝑘=𝑖，即局部突出部分地震剪力乘以放大系数3，但扩大的2倍不往下传递；f.𝑇11.4𝑇𝑔&局部突出，𝐹𝑛−1′=𝐹𝑛−1+𝛿𝑛𝐹𝐸𝑘，𝑉𝑛=3𝐹𝑛，𝑉𝑖=∑𝐹𝑛𝑛𝑘=𝑖，即附加地震力置于主体房屋顶部。g.底部剪力法假设结构振动反应以第一振型为主，并且第一振型接近直线。7）𝑉𝐸𝑘𝑖𝜆∑𝐺𝑗𝑛𝑗=𝑖：a.地震影响系数在长周期段下降较快，按反应谱计算的地震作用明显减小，计算出来的地震作用效应可能太小；b.长周期结构受地面运动速度和位移的影响更大而上述设计方法均是基于地面运动加速度，故而运用最小地震剪力来考虑可能因设计方法不同而带来的差异。8）𝜉𝑦=𝑉𝑦𝑉𝑒⟶∆𝑢𝑝=𝜂𝑝∆𝑢𝑒a.𝑉𝑒为罕遇地震作用下楼层弹性地震剪力，∆𝑢𝑒为罕遇地震作用下按弹性分析的层间位移；b.𝜂𝑝与𝜉𝑦的大小以及均匀程度（1.5）、薄弱层部位或总层数有关。9）考虑扭转影响时，体系震动具有以下特点：体系自由度数目大大增加，各振型的频率间隔大为缩短，相邻较高振型的频率可能非常接近，扭转分量的影响并不一定随着频率的增高而递减，有时较高振型的影响可能大于低振型的影响，因此振型组合时应考虑振型相关性。第三章建筑结构抗震设计1）结构抗震概念设计：a.地段；b.建筑场地和地基（薄的场地覆盖层和坚实的场地土⟶场地的特征周期）；c.体型（结构体系⟶建筑物的自振周期、结构规则⟶扭矩（平面）和变形集中（竖向）、高度合适⟶地震力和倾覆力矩、高宽比合理⟶侧移和基地倾覆力矩、防震缝）；d.结构构件布置（抗侧刚度很大的结构构件宜在平面上居中对称布置⟶刚度中心与质量中心重合、抗震墙宜沿房屋周边布置⟶抗扭刚度和抗倾覆能力）；e.结构材料（钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25⟶强度储备、钢筋的屈服强度实测值与屈服强度标准值的比值不应大于1.3⟶能够按预期进入屈服保证延性、混凝土强度等级不能太低⟶锚固、混凝土强度等级不能太高⟶脆性破坏）；f.破坏模式（抗震防线⟶优先选择不负担或少负担重力荷载的竖向支撑或填充墙，或选择轴压比较小的抗震墙、实墙筒体之类的构件作为第一道防线，以期通过第一道防线的破坏耗能，同时保证第一道防线的失效不会导致整个结构的失效，也就是保证竖向荷载的传递路径不中断；结构延性⟶竖向可能出现塑性变形集中的楼层（薄弱层）构件，平面转角处、突变处、不同平面各翼相接处构件，第一道防线构件，同一构件中的关键杆件（底层柱、抗震墙的底部加强区）、同一杆件中的关键部位（梁的两端、柱的两端、抗震墙肢的根部）；减震；耗能机制（弯曲耗能））；g.结构变形；h.整体性；i.房屋自重；j.非结构构件；2）框架抗震设计：a.震害（框架柱⟶柱端弯剪破坏、柱身剪切破坏、角柱破坏、短柱破坏、柱牛腿破坏，框架梁⟶梁端屈服后受剪承载力不足发生剪切破坏，梁柱节点⟶核心区混凝土剪碎、梁筋锚固破坏、脆性断裂，填充墙（下重上轻⟶框架变形模式属于剪切型，层间位移下大上小）⟶剪切破坏、沿柱周边开裂；抗震墙（底层框架部分所承担的地震倾覆力矩大于结构总倾覆力矩的50%）⟶连梁剪切破坏（深梁、13）、抗震墙的水平裂缝（受拉）和剪切斜裂缝（墙肢高宽比过小，抗侧刚度过大，剪力过大））；b.抗震设计屈服机制（总体机制⟶塑性铰在梁端、底层柱根部形成、楼层机制⟶塑性铰全在柱端、混合机制）⟶破坏模式（强柱弱梁：∑𝑀𝑐=𝜂𝑐∑𝑀𝑏，强节点弱构件：𝜂𝑗𝑏，强剪弱弯：𝜂𝑉𝑐、𝜂𝑉𝑏）⟶加强构件延性（柱：剪压比（最小截面）⟶防止斜压破坏（脆性破坏）、充分发挥箍筋作用，轴压比⟶防止小偏心受压破坏，最小配箍率⟶防止斜拉破坏，纵向钢筋最小总配筋率⟶避免柱过早屈服并获得较大的屈服变形，柱端约束（加密箍筋、最小体积配箍率）⟶承担柱子剪力、提高核心区混凝土抗压强度和变形能力、给纵向钢筋提供侧向支撑防止其压曲；梁：剪压比⟶防止斜压破坏，截面宽度⟶塑性铰区混凝土保护层厚度符合要求、提高节点受剪承载力，高宽比⟶利于混凝土约束并保证平面外刚度，高跨比⟶避免形成短梁，纵向受拉钢筋配筋率⟶避免压区混凝土过早被压碎，受压钢筋与受拉钢筋满足一定比例⟶减小受压区混凝土高度、抵抗可能出现的正弯矩，加密箍筋；梁筋锚固）c.反弯点偏离柱的中部、地震作用使柱双向偏心受压、楼板钢筋参与工作提高梁的承载能力、梁底受压区钢筋对梁的承载能力的影响都会使得“强柱弱梁”难以实现（1.6）。3）抗震墙抗震设计a.顶点位移法估算基本自振周期时𝜓𝑇=1.0；b.震害：弯曲破坏、斜拉破坏、斜压破坏、剪压破坏、沿施工缝滑移、锚固破坏；c.强墙弱梁⟶减小连梁高度、加大洞口宽度、刚度折减、弯矩调幅；d.希望塑性铰出现在抗震墙的根部，应加强抗震墙上部的受弯承载力；e.约束边缘构件与构造边缘构件⟶延性与耗能能力。4）框架-抗震墙抗震设计a.工作机制：刚性楼盖⟶弯剪型⟶下部楼层较大剪力大部分由抗震墙承受、上部楼层较小剪力由框架承受b.抗震墙的合理数量⟶抗震墙在提高结构抗力的同时也增加了结构的刚度，而结构刚度的增加必将导致地震剪力即作用效应的增加c.框架所承受的地震剪力最小值⟶抗震墙的间距较大，楼板的变形会使中间框架所承受的水平荷载有所增加；抗震墙的开裂、弹塑性变形的发展或塑性铰的出现使得其刚度降低，抗震墙和框架之间的内力重分配会使框架所承受的水平荷载增加；框架-抗震墙结构体系中，框架作为结构抗震的第二道防线应有足够的安全储备5）砌体a.𝛿𝑛=0；b.楼盖（横向：刚性楼盖、柔性楼盖、中性楼盖；纵向：刚性楼盖；防止纵墙平面外坍塌）c.抗震构造措施（构造柱、圈梁⟶增强约束，提高变形能力）