13章建筑结构抗震设计基础知识

第页青岛黄海职业学院教师教案（编号1）年月日课题第十三章建筑结构抗震设计基本知识13.1概述13.2抗震设计的基本要求课时教学目的熟悉地震波、震级、烈度的概念；明确建筑抗震设防依据、目标及分类标准；理解抗震概念设计的基本内容和要求教学重点抗震设防要求教学难点抗震设防要求教学关键点地震波、震级、烈度的概念教具《建筑结构》教材及教案板书设计第十三章建筑结构抗震设计基本知识13.1概述一、构造地震二、地震波三、震级四、烈度五、抗震设防13.2抗震设计的基本要求第页青岛黄海职业学院教师教案教案内容及教学过程提示与补充课题导入：地球是一个近似于球体的椭球体，平均半径约6370km，赤道半径约6378km，两极半径约6357km．地球内部可分为三大部分：地壳、地幔和地核．课程新授：第十三章建筑结构抗震设计基本知识13.1概述一、构造地震地震按其成因划分为四种类型：1．火山地震：由于火山爆发而引起的地震；2．陷落地震：由于地表或者地下岩层突然发生大规模陷落和崩塌而造成的地震；3．诱发地震：由于人工爆破,矿山开采及工程活动引发的地震；4．构造地震：由于地球内部岩层的构造变动引起的地震(约占地震发生的90%)——是结构抗震的主要研究对象震源、震中和震中距地球内部断层错动并引起周围介质振动的部位为震源；震源正上方的地面位置为震中；地面某处至震中的水平距离为震中距．二、地震波地地震震时时振振动动以以波波的的形形式式从从震震源源向向各各个个方方向向传传播播并并释释放放能能量量，，这这就就是是地地震震波波。。它它包包括括在在地地球球内内部部传传播播的的体体波波和和只只限限于于在在地地球球表表面面传传播播的的面面波波。。11..体体波波体体波波中中包包括括有有纵纵波波和和横横波波两两种种形形式式。。纵波是由震源向外传递的压缩波，这种波质点振动的方向与波的前进方向一致，其特点是周期短、振幅小、传播速度快，能引起地面上下颠簸（竖向振动）。横波是由震源向外传递的剪切波，其质点振动的方向与波的前进方向垂直，其特点是周期长、振幅大、传播速度较慢，能引起地面水平摇晃。2.面波面波是体波经地层界面多次反射传播到地面后，又沿地面传播的次生波。面波的特点是周期长、振幅大，能引起地面建筑的水平振动。面波的传播是平面的，衰减较体波慢，故能传播到很远的地方。地震波的传播以纵波最快，横波次之，面波最慢。因此，地震时一般先出现由纵波引起的上下颠簸，而后出现横波和面波造成的房屋左右摇晃和扭动。第页青岛黄海职业学院教师教案教案内容及教学过程提示与补充三、震级地震震级是衡量一次地震释放能量大小的尺度，即表示地震本身大小的一种尺度，震级M常按下式确定：)(logRAM震级M与震源释放能量E的关系：8.115.1logMEM2微震；M=2~4有感地震；M5破坏性地震；M=7~8强烈地震；M8特大地震。四、烈度1.概念：指某一区域的地表和各类建筑物遭受某一次地震影响的平均强弱程度；由地面建筑的破坏程度，人的感觉，物体的振动及运动强烈程度而定。现在主要由地面震动的速度和加速度确定。一次地震，表示地震大小的震级只有一个，但可以有多种不同的烈度。一般而言，震级越大，烈度就越大。同一次地震，震中距越小烈度就越高，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、地质构造和地基条件的因素有关。中国地震烈度表见表13.1震中区的烈度称为震中烈度；震级和震中烈度的关系：0321IM2.多遇烈度、基本烈度、罕遇烈度一个地区在一定时期（我国取50年）内，可能遭受的不同地震烈度的频率是不同的。根据地震发生的概率频度（50年发生的超越概率）将地震分为“多遇烈度”、“基本烈度”和“罕遇烈度”三种。其中，基本烈度（中震）的超越概率为10%，是一个地区进行抗震设防的依据；多遇烈度（小震）出现概率最多，超越概率为63.2%，比基本烈度约低1.55度；罕遇烈度（大震）的超越概率为2%~3%，比基本烈度约高出1.0度。图13.2三种烈度关系示意图第页青岛黄海职业学院教师教案教案内容及教学过程提示与补充3.抗震设防烈度、设计地震分组抗震设防烈度是按国家批准权限审批或颁布的作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。一般情况下，抗震设防烈度可采用地震基本烈度。五、抗震设防1.抗震设防目标房屋结构的抗震设防目标，是对建筑结构应具有的抗震安全性能的总要求。我国《抗震规范》明确提出了三个水准的抗震设防要求：第一水准：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，建筑物一般不受损坏或不需修理可继续使用。第二水准：当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时，建筑物可能损坏坏，，但但经经一一般般修修理理或或不不修修理理仍仍可可继继续续使使用用。第三水准：当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响时，建筑物不致倒倒塌塌或或发发生生危危及及生生命命安安全全的的严严重重破破坏坏。。即要求建筑物在遭到多发的小震（即多遇烈度）时做到结构上不损坏，而在遭到发生机率很小的大震（即罕遇地震）时允许结构破坏，但在任何情况下都不应使建筑物倒塌，不致造成人员伤亡。概括来说，抗震设防目标为“小震不坏，中震可修，大震不倒”。建筑抗震设计时，我国《抗震规范》采用简化的两阶段设计方法。第一阶段设计：按多遇地震烈度对应的地震作用效应和其他荷载效应的组合验算结构构件的承载能力和结构的弹性层间位移。第二阶段设计：按罕遇地震烈度对应的地震作用效应验算结构的弹塑性层间位移。第一阶段设计保证了第一水准的承载力要求和变形要求，第二阶段设计则旨在保证结构满足第三水准的抗震设防要求。而良好的抗震构造措施则有助于第二水准要求的实现。2.建筑抗震设防分类对于不同使用性质的建筑物，地震破坏所造成后果的严重性是不一样的。因此，对于不同用途建筑物的抗震设防不宜采用同一标准，而应根据其破坏后果加以区别对待。为此，我国《抗震规范》将建筑物按其用途的重要性分为四类：甲类建筑：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的后果，其确定须经国家规定的批准权限批准。乙类建筑：指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑。例如城市中生命线工程的核心建筑，一般包括供水、供电、交通、消防、通讯、救护、供气、供热等系统。丙类建筑：指一般建筑，包括除甲、乙、丁类建筑以外的一般工业与民用建筑。丁类建筑：指次要建筑，包括一般的仓库、人员较少的辅助建筑物等。第页青岛黄海职业学院教师教案教案内容及教学过程提示与补充3.设防标准对各类建筑抗震设防标准的具体规定为：甲类建筑在6～8度设防区应本地区按设防烈度提高一度计算地震作用和采取抗震构造措施，当为9度区时，应作专门研究。乙类建筑按本地区设防烈度进行抗震计算，抗震构造措施提高一度考虑。丙类建筑的抗震计算与构造措施均按本地区设防烈度考虑。丁类建筑按本地区设防烈度进行抗震计算，抗震构造措施可适当降低要求（设防烈度为6度时不再降低）。抗震设防烈度为6度时，除另有规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。课堂巩固：思考题1、2课堂小结：熟悉地震波、震级、烈度的概念；明确建筑抗震设防依据、目标及分类标准；理解抗震概念设计的基本内容和要求作业布置：思考题1、2第页青岛黄海职业学院教师教案（编号3）年月日课题13.3场地、地基和基础课时教学目的了解场地地基对房屋建筑的影响；掌握场地类别的划分方法和地基基础抗震验算方法；了解地基土液化的概念及抗液化措施；了解软土地基抗震措施教学重点场地类别的划分方法和地基基础抗震验算方法；地基土液化的概念及抗液化措施教学难点场地类别的划分方法和地基基础抗震验算方法；了解地基土液化的概念及抗液化措施教学关键点场地地基对房屋建筑的影响教具《建筑结构》教材及教案板书设计12.2抗震设计的基本要求12.3场地、地基和基础12.2抗震设计的基本要求一、场地二、地基基础的抗震设计第页三、地基抗震措施青岛黄海职业学院教师教案教案内容及教学过程提示与补充第页课题导入：复习提问：1.“三水准”设防要求是什么？2.何谓抗震的基本烈度、多遇烈度、罕遇烈度？三者之间的关系如何？课程新授：12.3抗震设计的基本要求一、场地场地：是指建筑物所在地，其范围大体相当于厂区、居民点和自然村的范围。建筑物震害与覆盖土厚度建筑物下卧层构成结构类型地震类型有关震害表明:土层厚度越大,房屋倒塌率越大软弱场地上的建筑物震害重于坚硬场地地震动的卓越周期：振幅谱中幅值最大的频率分量所对应的周期。地表地震动的卓越周期在很大程度上取决于场地的固有周期，当建筑物的固有周期与地震动的卓越周期接近时，建筑物的振动就会加大，相应震害也会加重。多层土的地震效应主要取决于以下三个基本因素：1．覆盖土层厚度2．土层剪切波速3．岩土阻抗比其中1、2两个因素影响地震动的频谱特性；3影响共振放大效应。1.土层剪切波速青岛黄海职业学院教师教案教案内容及教学过程提示与补充第页场地的类别：我国抗震规范根据土层等效剪切波速场地的覆盖层厚度把场地划分为四类。土层等效剪切波速实际上反映了土层的坚硬与软弱。土层等效剪切波速越大，土的越坚硬。2.覆盖层厚度一般意义上的覆盖层厚度：从地表面至基岩面的距离。这种确定在技术上现在较为困难，因为该厚度可能大几百米深。抗震规范定义的覆盖层厚度：地下基岩或剪切波速sV500m/s的坚硬土层至地表面的距离。由于地震效应与场地有关，为了进行抗震设计，有必要对场地进行分类，以便区别对待。建筑场地的类别与场地土的类型和场地土的覆盖层厚度有关。分为I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类。表13.5各类场地的覆盖层厚度表（m）等效剪切波速（m/s)场地类别ⅠⅡⅢⅣseV5000———500≥seV2505≥5——250≥seV14033~5050—seV≤14033~1515~8080二、地基及基础的抗震设计1.地基抗震设计原则地基是指建筑物基础下面受力层范围内的土层。一般情况下，地基发生震害的情况很少。造成上部建筑物破坏的主要是松软土地基和不均匀地基。还有较严重的是地基的液化。抗震措施：不同的土质应采用不同的抗震措施.根据土质情况,地基分为:松软土地基,一般土地基.对地裂的危害,应采取对应措施.详见书P18-19地基土抗震验算不验算的范围：若为一般地基土抗震规范建议了不需进行抗震验算的范围。（1）砌体房屋；（2）地基主要持力层内不存在软弱粘性土层的一般单层厂房和单层空旷房屋、不超过8层且高度在25m以下的民用框架及基础荷载相当的多层框架厂房；（3）可不进行上部结构抗震验算的建筑抗震验算的范围:（1）软弱地基上采用天然地基的（2）单厂、单层空旷房屋、（3）7层及以上的民用框架（4）荷载相当的多层厂房，（5）超过规范规定的不验算范围的建筑均需进行地基和基础的抗震验算。青岛黄海职业学院教师教案教案内容及教学过程提示与补充第页2.地基土抗震承载力除十分软弱土之外，一般在地震作用下土的强度皆比静载作用下的强度高。地基抗震承载力:aseffs：抗震承载力调整系数≥1.0根据岩土的性质不同，s在1~1.5之间见P20表2-4af：深宽修正后的地基承载力特征值。3.地基抗震验算地基平均压力设计值efp地基最大压力设计值efp2.1max零应力区不大于底面积的15%三、地基抗震措施（一）地基土液化及危害地基土液化:处于地下水位以下的饱和松散的砂土和粉土，在地震时容易发生液化现象。使地基承载能力丧失或减弱,甚至喷水冒砂的现象.1.机理：砂土和粉土的土颗粒结构受到地震作用时将趋于密实。这种趋于密实的作用使空隙水压力急剧上升，在地震作用的短暂时间内，孔隙水压力来不及消散，使土颗粒处于悬浮状态。2.危害砂土和粉土液化时，其强度完全丧失从而导致地基失效。场地液化将使建筑整体倾斜，下沉，墙体开裂，地面喷水、冒砂、裂缝等。3.液化导致地基失效的条件①砂土或粉土的密实度低②地振动剧烈③土的微观结构的稳定性差④地下水位高⑤高压水不易渗透⑥上覆非液化土层较薄，或者有薄弱部位（前5条是导致液化的条件，后一条是导致地基失效的条件）4.影响液化的因素①土层