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3.2地震作用一．基本概念1、地震分类（成因）火山地震：火山爆发陷落地震：地表或地下岩层突然大规模陷落和崩塌而产生构造地震：地壳运动，地震能量——波的形式——振动地震的三要素：强度：反映地震波的幅度，烈度大，强度大（振幅大小表示）频谱：反映地震波的波形。持时：反映地震波的持续时间，短则对建筑物影响不大.0.01s2、地震作用：由地震动引起的结构动态作用，包括水平地震作用、扭转地震作用和竖向地震作用。建筑物所受的地震作用大小——（取决于）a.自重（成正比）b．刚度（刚度大，地震作用大）c．烈度（烈度高，地震作用大）d．周期（T短，地震作用大）e．场地类别（有放大，过滤作用）深软地基——柔性结构浅硬土性地基——刚性结构易坏3、抗震设防烈度：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。设防范围：6度—9度按甲、乙、丙、丁建筑我国：1—12共12级日本：0—7共8级烈度值的划分:人的感觉，器皿的反映以及地面、建筑物的破坏程度等宏观现象，综合评定。烈度：表示某一地区的地面和各类建筑物遭受某一次地震影响的强弱程度。2020/1/184按建筑的使用功能调整设防烈度甲类建筑：地震破坏会导致严重后果，造成经济上严重损失或特别重要的建筑物；地震作用计算：应高于本地区抗震设防烈度抗震措施：60～80，＋10；9090乙类建筑：地震时必须维持正常使用和救灾需要的建筑物，人员大量集中的公共建筑物或其他重要的建筑物；地震作用计算：按设防烈度计算抗震措施：60～80，＋10；9090丙类建筑物：除甲、乙、丁以外的一般建筑；地震作用和抗震措施：应设防烈度计算丁类建筑物：属于抗震次要建筑；地震作用：按设防烈度计算抗震措施：适当降低（60不变）。4、建筑场地的类别：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ影响场地类别的因素：场地土的软硬：按剪切波速划分覆盖层的厚度：越厚，震害越大覆盖层的厚度的确定：一般为地面至坚硬土或岩石（剪切波速大于500m/s）土层顶面的距离。场地：工程群体所在地，具有相似的反应谱特征，其范围相当于厂区、居民小区和自然村或不小于1.0km2的平面面积。坚硬中硬中软软弱2020/1/186按建筑物所在地的场地类别调整设防烈度Ⅰ类甲，乙类建筑按设防烈度丙类建筑，设防烈度降低10（60不变）Ⅲ，Ⅳ类，0.15g和0.3g，提高“半度”确定：场地类别设计地震分组（三组）：体现震级和震中距的影响5、设计特征周期（Tg）定义：抗震设计用的地震影响系数曲线中，反映地震等级，震中距和场地类别等因素的下降段起始点对应的周期值。地震影响系数曲线经验公式6、结构自振周期T结构的动力特性：阻尼振型自振周期T的确定方法：精确计算——动力学方法近似法——顶点位移法，能量法[]{}[]{}{}[][]200MXKXKMw+=-=钢筋砼框架钢筋砼框剪钢筋砼剪力墙及筒体钢结构10.08~0.1)TN=（1(0.06~0.08)TN=10.05TN=1(0.1~0.15)TN=自振周期的修正：计算中未考虑砌体填充墙的刚度影响，计算周期较实际周期长，地震作用偏于不安全，故应乘以周期折减系数ΨT框架结构：ΨT＝0.6～0.7框架－剪力墙：ΨT＝0.7～0.8剪力墙结构：ΨT＝0.9～1.07、水平地震影响系数：aasmsFgmgG质点最大绝对加速度水平地震作用重力加速度结构自重a==??a根据烈度、场地类别、设计地震分组、结构自振周期T和阻尼比确定：二、高层建筑结构应按下列原则考虑地震作用：①一般情况下，计算两个主轴方向的地震作用；有斜交抗侧力构件（角度大于15度）时应分别计算各抗侧力构件方向的地震作用②质量与刚度分布明显不对称、不均匀的结构，应计算双向水平地震作用下的扭转影响，其他情况应计算单向地震作用下的扭转影响③8度和9度抗震设计时，高层建筑中的大跨度和长悬臂结构应考虑竖向地震作用④9度抗震设计时应计算竖向地震作用三、高层建筑结构应根据不同情况采用不同计算方法：①对质量和刚度不对称、不均匀的结构和高度超过100m的高层建筑应采用考虑扭转耦连振动影响的振型分解反应谱法②高度不超过40m、以剪切变形为主的且质量和刚度沿高度分布较均匀的高层建筑结构，可采用底部剪力法③7～9度设防的高层建筑，下列情况宜采用弹性时程分析法进行多遇地震作用下的补充计算：(1)甲类高层建筑结构(2)刚度与质量沿竖向分布特别不均匀的高层建筑结构(3)表中所示的乙、丙类高层建筑结构设防烈度、场地类别建筑高度范围7度、8度I、II类场地100m8度III、IV类场地80m9度60m四．地震作用的计算模型－－集中质量模型3）按力学方法分析其内力五．地震作用的计算方法1．反应谱法反应谱：单质点弹性体系在地震作用下，最大反应与自振周期的关系曲线。有位移、速度和加速度反应谱反应谱法：求结构最大地震反应的方法反应谱法计算步骤：1）求最大地震反应2）视其为静力作用施予结构反应谱优点：1）理论成熟2）计算简单3）可以满足抗震要求4）应用广泛，绝大多数国家都用缺点：1）主要根据加速度反应谱，没有反映位移、速度、持时2）建立在弹性理论基础上，没有考虑塑性3）结构大部分是多质点，反应谱来源于单质点4）只适合规则结构1.1反应谱底部剪力法1）适用范围高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点体系的结构。2）特点适用于手算只考虑基本振型利用反应谱3）计算步骤计算总水平地震作用（作用于结构底部的剪力）——分配到各质点剪力——计算结构内力10.85100%50100%50EkeqeqEEFGGGGa==-结构总重力荷载代表值顶层：恒荷载＋％雪荷载其他层：恒荷载＋％楼面活荷载(80%藏书库、档案库和库房活荷载）1(1)iiiEknnjjjnnEkGHFFGHFFdd==-D=å1.2振型分解反应谱法1）适用范围：都可以2）计算原理：利用振型分解，将多自由度体系分解成几个独立的等效单自由度体系；分别利用单自由度体系的反应谱，求出各振型的水平地震作用，并用结构力学的方法求出相应的作用效应；最后，按一定的组合原则，将各振型的作用效应进行组合，便得到多自由度体系的水平地震作用效应。3）步骤：振型分解——求振型的地震作用——地震效应——振型组合SRSS（平方和开平方）：1）未考虑扭转，只考虑平动2）适用于小震（弹性）把高层结构简化为n个质点组成n个自由度体系，求得振型。121jijjijijnijiijnijiiFxGjxGxGaggg===-=åå振型的振型参与系数振型组合规则：一般取前3个振型；较高或柔，基本自振周期1.5s,或H/B5时，或结构竖向刚度很不均匀，取5~6个振型时程分析法步骤：1）选择适当的地震波（3—4条）2）建立动力方程3）采用步步积分法求解动力方程，得到结构地震反应的全过程4）检验中震，大震下结构层间侧移角是否符合要求2．时程分析法：将地震记录直接输入结构体系模型，求解结构任一时刻反应的方法存在的问题：1）计算复杂2）工作量大3）对许多问题不能解决4）不能预测结构在未来地震中的反应5）只作为反应谱法的补充和修正注意：1）适用于弹性、塑性、弹塑性，目前只用于弹性2）不需要计算各个振型与频率3）可以了解结构在地震中从静止，到振动到破坏、倒塌的全过程适用范围：1）特别不规则的结构2）甲类建筑3）7度和8度区，Ⅰ、Ⅱ类场地上总高Ｈ100ｍ的建筑4）8度区，Ⅲ、Ⅳ类场地上的总高Ｈ80ｍ的建筑5）9度区，总高Ｈ60ｍ的建筑鞭稍效应底部剪力法—将分配到小塔楼上的等效地震作用增大，放大3倍振型分解法—小塔楼多取几个质点，且多取几个振型，则鞭梢效应通过高振型参与反应出来时程分析法—无需处理ΔF不再向下传递，仅作用于主体顶部特点：1）竖向周期是水平周期的1/10—1/15，因此竖向是高频振动2）竖向地震作用上大下小3）竖向地震作用考虑上下两种方向4）30层时，竖向地震作用只考虑基本振型3．竖向地震作用计算竖向地震作用情况1）9度区2）8、9度的大跨度及悬臂梁结构,max,maxmax1,0.65,0.75eqeqEvkvvEiiviEvknjjjnvivjjiFGGGGHFFGHNFaaa=======åå3）当遭受高于本地区抗震设防烈度预制的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。六．抗震设防目标及其实现89规范三水准目标“小震不坏，中震可修，大震不倒”的具体化抗震设防目标：1）当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，一般不受损坏或不需修理可继续使用2）当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，可能损坏，经一般修理或不需修理还可继续使用第二阶段设计：弹塑性变形验算——满足第三水准目标适用：特殊要求的建筑，地震时易倒塌的结构以及有明显结构薄弱层的不规则结构。（除进行第一阶段设计外，还要进行结构薄弱部位的弹塑性层间变形验算并采取相应的抗震构造措施，实现第三水准的设防要求）设防目标实现：两阶段设计第一阶段：承载力验算——满足第一、第二水准目标取第一水准的地震动参数计算结构的弹性地震作用标准值和相应的地震作用效应。对大多数结构，可只进行第一阶段设计，而通过概念设计和抗震构造措施来满足第三水准的设计要求