建筑结构抗震设计

建筑结构抗震基本知识12.1地震基本知识地震俗称地动，是一种具有突发性的自然现象。地震按其发生的原因，主要有火山地震、陷落地震、人工诱发地震以及构造地震。构造地震破坏作用大，影响范围广是房屋建筑抗震研究的主要对象。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，这种地面振动称为构造地震，简称地震。地壳深处发生岩层断裂、错动的地方称为震源。震源正上方的地面称为震中。震中附近地面运动最激烈，也是破坏最严重的地区，叫震中区或极震区。地面上某处到震源的距离叫震源距。震源至地面的距离称为震源深度。一般把震源深度小于60Km的地震称为浅源地震；60～300Km称为中源地震；大于300Km成为深源地震。中国发生的绝大部分地震均属于浅源地震。地震波地震引起的振动以波的形式从震源向四周传播，这种波就称为地震波。地震波按其在地壳传播的位置不同，分为体波和面波。体波是在地球内部由震源向四周传播的波，分为纵波（P波）和横波（S波）。纵波（P波）是由震源向四周传播的压缩波，介质质点的振动方向与波的传播方向一致，引起地面垂直振动，周期短、振幅小、波速快。横波（S波）传播的是由震源向四周传播的剪切波，介质质点的振动方向与波的传播方向垂直，引起地面水平振动，周期长、振幅大、波速慢。面波是体波经地层界面多次放射、折射形成的次生波。面波的质点振动方向比较复杂，既引起地面水平振动又引起地面垂直振动。当地震发生时，纵波首先到达，使房屋产生上下颠簸，接着横波到达，使范围产生水平摇晃，一般是当面波和横波都到达时，房屋振动最为激烈。震级地震的震级是衡量一次地震大小的等级，用符号M表示。地震的震级M，一般称为里氏震级。1935年由里希特首先提出了震级的定义。当震级相差一级，地面振动振幅增加约10倍，而能量增加近32倍。一般说来，M＜2的地震，人们感觉不到，称为微震；M=2～4的地震称为有感地震；M＞5的地震，对建筑物就要引起不同程度的破坏，统称为破坏性地震；M＞7的地震称为强烈地震或大地震；M＞8的地震称为特大地震。地震烈度和烈度表地震烈度是指某一地区的地面及建筑遭受到一次地震影响的强弱程度。用I表示。相对震源而言，地震烈度也可以把它理解为地震场的强度。地震烈度表我国曾经编制过三张烈度表，现行的为《中国地震烈度表（1990）》，是在《中国地震烈度表（1980）》的基础上，增补和修改了部分宏观标志，对表列以外房屋结构的震害与烈度评定在使用说明中作了规定。地震的震级与地震烈度是两个不同的概念，对于一次地震，只能有一个震级，而有多个烈度。一般来说离震中愈远地震烈度愈小，震中区的地震烈度最大，并称为“震中烈度”，震级于震中烈度的大致关系。同一地震中，具有相同地震烈度地点连线称为等震线。可通过地震烈度表进行评定。建筑物的震害及分析1．地表的破坏现象（1）地裂缝（2）喷砂冒水（3）地面下沉（4）滑坡、坍方2．建筑物破坏（1）结构丧失整体性（2）承重结构承载力不足而引起的破坏（3）地基失效3．次生灾害抗震设计的一般规定抗震设防烈度、设计地震分组（1）抗震设防烈度抗震设防烈度是指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。一般情况下，抗震设防烈度可采用地震基本烈度值，即《1990中国地震烈度区划图》规定的地震基本烈度或新修订的《2001中国地震动参数区划图》附录D规定的“地震动峰值加速度分区”所对应的“地震基本烈度值”（或采用与规范设计基本地震加速度对应的烈度值）。对于已编制抗震设防区划的城市，可按批准的抗震设防烈度或设计地震动参数进行抗震设防。一个地区的基本烈度是指该地区今后一定时间内（一般指50年），在一般场地条件下可能遭遇的超越概率为10%的地震烈度值。2001年国家质量技术监督局发布《中国地震动参数区划图》GB18306-2001后，抗震规范GB50011-2001由地震基本烈度向地震动参数过度。其中《中国地震动峰值加速度区划图A1》分为0.05g，0.1g，0.15g，0.2g，0.3g，0.4g和不设防（〈0.05g）等七种情况。将近震与远震改称设计地震分组，考虑地震震级、震源机制、震中距和场地类别的影响，在《中国地震动反应谱特征周期区划图B1》基础上进行了调整后给出了全国近2900个县级城市的设计地震分组。对于Ⅱ类场地，第一、二、三组的设计特征周期分别为0.35S、0.40S、0.45S。抗震规范GB50011-2001附录A给出了全国县级及以上城镇（按民政部2001行政区划手册，包括地市的市辖区）的中心地区（如城关地区）的抗震设防烈度、设计基本地震加速度和所属的设计地震分组。如浙江省全省县级及县级以上设防城镇的设计地震分组均为第一组。岱山、嵊泗、舟山（2个市辖区）抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g。杭州（6个市辖区）、宁波（5个市辖区），湖州、嘉兴（2个市辖区）、温州（3个市辖区）、绍兴、绍兴县、长兴、安吉、临安、奉化、鄞县、象山、德清、嘉善、平湖、海盐、桐乡、余杭、海宁、萧山、上虞、慈溪、余姚、瑞安、富阳、平阳、苍南、乐清、永嘉、泰顺、景宁、云和、庆元、洞头抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05g。建筑重要性分类、抗震设防标准、抗震设防目标1．建筑物重要性分类从抗震防灾的角度，根据建筑物使用功能的重要性，按其受地震破坏时产生的后果严重程度，国家标准《建筑抗震设计规范》(GB500112001)（以下简称为《抗震规范》），将建筑物分为甲、乙、丙、丁四类。具体划分按国家标准《建筑抗震设防分类标准》GB50223的规定采用。2．抗震设防标准所谓建筑抗震设防是对建筑物进行抗震设计，包括地震作用、抗震承载力计算和采取抗震措施，以达到抗震的效果。建筑物的抗震设防标准是衡量抗震设防要求的尺度，它是指各类工程按照规定的可靠性要求和技术经济水平所统一确定的抗震技术要求。它的依据是抗震设防烈度。抗震设防标准应符合表1.1的规定。建筑抗震设防分类当梁、柱配筋率较高时，顶层端节点处的梁上部纵向钢筋和柱外侧纵向钢筋的搭接连接也可沿柱外边设置，搭接长度不应小于1.7laE，其中，柱外侧纵向钢筋应伸至柱顶，并向内弯折，弯折段的水平投影长度不宜小于12d。梁上部纵向钢筋及柱外侧纵向钢筋在顶层端节点上角处的弯弧内半径，当钢筋直径d≤25mm时，不宜小于6d；当钢筋直径d＞25mm时，不宜小于8d。当梁上部纵向钢筋配筋率大于1.2％时，弯入柱外侧的梁上部纵向钢筋除应满足以上搭接长度外，且宜分两批截断，其截断点之间的距离不宜小于20d，d为梁上部纵向钢筋直径。梁下部纵向钢筋在顶层端节点中的锚固措施与中间层端节点处梁上部纵向钢筋的锚固措施相同。柱内侧纵向钢筋在顶层端节点中的锚固措施与顶层中间节点处柱纵向钢筋的锚固措施相同。当柱为对称配筋时，柱内侧纵向钢筋在顶层端节点中的锚固要求可适当放宽，但柱内侧纵向钢筋应伸至柱顶。（5）柱纵向钢筋不应在中间各层节点内截断。高层框架梁、柱纵向钢筋在节点核心区的锚固和搭接见图。框架-抗震墙结构的抗震构造措施1.框架框架-抗震墙结构中框架柱的轴压比限值见表6.8，其他构造措施与框架结构相同。2.抗震墙（1）抗震墙的厚度抗震墙的厚度不应小于160mm，且不应小于层高的1/20，底部加强部位的抗震墙厚度不应小于200mm，且不应小于层高的1/6。抗震墙的周边应设置梁（或暗梁）和端柱组成的边框；端柱截面宜与同层框架柱相同，配筋应满足对框架柱的抗震构造要求；抗震墙底部加强部位的端柱和紧靠抗震墙洞口端柱宜按柱箍筋加密区的要求沿全高加密布置。（2）抗震墙的轴压比限值各种结构类型的抗震墙墙肢轴压比限值为：9度一级墙0.4；8度一级墙0.5；二级墙0.6。当抗震墙的墙肢长度小于墙厚的3倍时，在重力荷载代表值作用下的轴压比限值，一、二级仍按上述要求，三级为0.6，箍筋应沿全高加密。（3）抗震墙的分布钢筋抗震墙的分布钢筋包括竖向和横向分布钢筋，起着抗剪、抗弯、减少收缩裂缝等作用。分布筋过少，抗震墙会因纵向钢筋拉断而破坏，故应配置足够的分布钢筋。规范规定，竖向和横向分布钢筋配筋率均不应小于0.25％，且不宜小于Φ8@300，并应双排布置，拉筋间距不应大于600mm，直径不应小于6mm。带边框抗震墙的水平钢筋应全部锚入边框内，且锚入长度不小于laE。（4）抗震墙的边缘构件抗震墙墙肢两端和洞口两侧应设置边缘构件。抗震墙的边缘构件分为约束边缘构件和构造边缘构件两类。约束边缘构件是指用箍筋约束的暗柱、端柱和翼墙，其混凝土用箍筋约束，有比较大的变形能力；构造边缘构件的混凝土约束较差。1）抗震墙边缘构件的设置部位一级、二级抗震墙的底部加强部位及相邻的上一层应设置约束边缘构件，但墙肢底截面在重力荷载代表值作用下的轴压比较小时可设置成构造边缘构件。一、二级抗震墙的其他部位和三、四级抗震墙，均应设置构造边缘构件。2）约束边缘构件的构造要求约束边缘构件的形式可以是暗柱（矩形端）、端柱和翼墙。但抗震墙的翼墙长度小于3倍墙厚或端柱截面边长小于2倍墙厚时，视为无翼墙、无端柱。约束边缘构件沿墙肢的长度。暗柱时，9度一级0.25hw，8度一级0.2hw，二级0.2hw；有翼墙或端柱时，9度一级0.2hw，8度一级0.15hw，二级0.15hw；且不小于1.5bw和450mm，不小于翼墙厚度或端柱截面高度加300mm。约束边缘构件的配筋。配箍特征值为0.2，箍筋间距一级不大于100mm、二级不大于150mm，箍筋边长比不大于3。相互搭接长度不小于箍筋长边的1/3；一、二级抗震墙的纵筋截面面积，分别不小于图6.31阴影面积的1.2％和1.0％。3）抗震墙的构造边缘构件的构造要求抗震墙的构造边缘构件范围如图6.36，矩形端取墙厚与400mm的较大者，有翼墙时为翼墙厚加300mm，有端柱时为端柱。抗震墙的构造边缘构件的配筋要求见表。抗震墙的构造边缘构件的配筋要求抗震等级底部加强部位其他部位纵向钢筋最小量（取较大值）箍筋或拉筋纵向钢筋最小量箍筋或拉筋最小直径（mm）沿竖向最大间距（mm）最小直径（mm）沿竖向最大间距（mm）一0.010Ac,6Φ1681006Φ14注：1、抗震措施指除结构地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容，包括抗震构造措施；抗震构造措施指一般不需计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。2、较小的乙类建筑指工矿企业的变电所、变压站、水泵房以及城市供水水源的泵房等当为丙类建筑时，一般可采用砖混结构，当为乙类建筑时，若改用钢筋混凝土结构或钢结构，则可按本地区设防烈度的规定采取抗震措施。抗震设防烈度为6度时，除规范有具体规定外，对乙、丙、丁类建筑可不作地震作用计算。3．抗震设防目标《抗震规范》规定以“三个水准”来表达抗震设防目标，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。第一水准：当遭受到多遇的低于本地区设防烈度的地震（小震）影响时，建筑一般应不受损坏或不需修理仍能继续使用。第二水准：当遭受本地区设防烈度的地震（中震）影响时，建筑可能有一定的损坏，经一般修理和不需修理仍能继续使用。第三水准：当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震（大震）影响时，不致倒塌或发生不危及生命的严重破坏。规范采用两阶段设计来实现上述目标的。第一阶段设计：按第一水准（小震）的地震动参数计算结构地震作用效应并与其他荷载效应的基本组合，进行结构构件的截面承载力验算和弹性变形验算，同时采取相应的构造措施，这样既满足第一水准“不坏”的设防要求和第二水准“损坏可修”的设防要求。第二阶段设计：对于地震时易倒塌的结构、有明显薄弱层的不规则结构以及特殊要求的建筑结构，还应进行结构的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。小震和大震小震应是发生机会较多的地震，因此，可将小震定义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时的地震，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。各地的基本烈度，即第二水准的烈度。50年内的超越概率大体为10%。大震是罕遇的地震，它所对应的烈度在50年内的超越概