工程结构抗震设计授课教案

1《工程结构抗震设计》电子教案第一章地震基础知识与工程结构抗震设防一、学习目的与要求1、了解地震的主要类型及其成因；2、了解世界及我国地震活动性以及地震成灾机制；3、掌握地震波的运动规律和震级、地震烈度等地震强度度量指标；4、掌握建筑抗震设防分类、抗震设防目标和抗震设计方法；5、了解基于性能的工程结构抗震概念设计基本要求二、课程内容与知识点1、地震按其成因可分为三种主要类型，即火山地震、塌陷地震和构造地震。其中构造地震为数最多，危害最大。构造地震成因的局部机制可以用地壳构造运动来说明；构造地震成因的宏观背景可以借助板块构造学说来解释。2、地球上地震活动划分为两个主要地震带：环太平洋地震带和地中海南亚地震带。我国地处环太平洋地震带和地中海南亚地震带之间，是一个多地震国家，抗震设防的国土面积约占全国面积82.7%。3、地震灾害主要有地表的破坏、工程结构的破坏造成的直接灾害，地震引发的火灾、水灾、海啸等次生灾害，以及由前面两种灾害导致的工厂停产、城市瘫痪、瘟疫蔓延等诱发灾害。4、地震波是一种弹性波，它包括体波和面波，体波分为纵波和横波，面波分为瑞雷波和乐甫波。地震波传播速度以纵波最快，横波次之，面波最慢。纵波使工程结构产生上下颠簸，横波使工程结构产生水平摇晃，当体波和面波同时到达时振动最为剧烈。5、地震震级是表示地震本身大小的等级，它以地震释放的能量为尺度，根据记录到的地震波来确定的。地震烈度是指某地区地面和各类建筑物遭受一次地震影响的强弱程度，它是按地震造成的后果分类的。一次地震只有一个震级，烈度随距离震中的远近而异。6、工程结构抗震设防的依据是中国地震烈度区划图中给出的基本烈度或其他地震动参数。为反映不同震级和震中距的地震对工程结构影响，《建筑抗震规范》将建筑工程的设计地震划分为三组，不同设计地震分组，采用不同的设计特征周期和设计基本地震加速度值。7、三水准的抗震设防要求：(1)当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，建筑物一般不损坏或不需修理仍可继续使用(小震不坏)；(2)当遭受本地区设防烈度的地震影响时，建筑物可能损坏，经过一般修理或不需修理仍可继续使用(中震可修)；(3)当遭受高于本地区设防烈度的预估罕遇地震影响时，建筑物不倒塌，或不发生危及生命的严重破坏(大震不倒)。二阶段设计方法：第一阶段设计是多遇地震下承载力验算和弹性变形计算。取第一水准地震动参数，用弹性方法计算结构弹性地震作用和弹性变形，保证必要强度、控制侧向变形，满足第一水准“不坏”和第二水准“可修”的要求；再通过合理的结构布置和抗震构造措施，2增加结构耗能和变形能力，满足第三水准“不倒”的要求。第二阶段设计是罕遇地震下弹塑性变形验算。对于特别重要的结构或抗侧能力较弱的结构，取第三水准的地震动参数进行薄弱部位弹塑性变形验算。8、抗震设计中，根据建筑遭受地震破坏后可能产生的经济损失、社会影响及其在抗震救灾中的作用，将建筑物按重要性分为甲、乙、丙、丁四类，对于不同重要性的建筑，采取不同的抗震设防标准。9、抗震概念设计就是依据历次震害总结出的经验，进行合理结构布置，采取可靠构造措施，提高结构抗震性能。概念设计包括结构平面和竖向布置，复杂体型处理、结构体系选择以及结构构件强度、刚度和延性的合理匹配、非结构构件的连接等方面的内容。三、习题与思考题1、地震按其成因分为几种类型？按其震源深浅又分为哪几种类型？2、试述构造地震成因的局部机制和宏观背景？3、试分析地震动的空间分布规律及其震害现象4、地震波包含了哪几种波？它们的传播特点是什么？对地面运动影响如何？5、什么是地震震级？什么是地震烈度？两者有何关联？6、地震基本烈度的含义是什么？7、为什么要进行设计地震分组？8、试列出三座城市的抗震设防烈度、设计基本地震加速度和所属的设计地震分组9、什么是建筑抗震三水准设防目标和两阶段设计方法？10、我国规范根据重要性将抗震类别分为哪几类，不同类别的建筑对应的抗震设防标准是什么？11、什么是建筑抗震概念设计？包括哪些方面的内容？12、根据经验公式，某次地震释放的能量大约是5×1024尔格，它对应的里氏震级是多少？四、考核目标与要求识记：构造地震、震源、震中、震源深度、震源距、震中距、震级、地震烈度、地震基本烈度领会：地震的类型（分别按成因、震源深浅、震级大小）；地震波的种类，传播特点及对地面运动的影响；建筑抗震的三水准设防目标和两阶段设计方法；建筑类别和设防标准；建筑抗震的概念设计第二章场地、地基和基础抗震一、学习目的与要求1、了解工程地质条件对震害的影响32、掌握建筑场地类别划分的依据及划分方法3、了解天然地基基础抗震验算方法4、掌握场地土液化的概念及其影响因素，了解场地土液化的判别方法与抗液化措施二、课程内容与知识点1、工程地质条件对震害的影响包括对局部地形的影响、局部地质构造的影响以及地下水位的影响；2、建筑场地类别是根据土层等效剪切波速和场地覆盖层厚度划分的；3、地基土抗震承载力是在地基土的静承载力基础上乘以一个大于1的调整系数，但对软弱土的抗震承载力不予提高；4、地震引起饱和砂土和粉土的颗粒趋于密实，同时孔隙水来不及排出，孔隙水压力增大，颗粒间的有效应力减少，达到一定程度，土体完全丧失抗剪能力，呈液体状态，称为砂土液化，影响因素包括：土层的地质年代、土的组成、土层的相对密度、土层的埋深、地下水位的深度以及地震烈度和地震持续时间；5、场地土的液化判别分两步进行，即初步判别和标准贯入试验判别。初步判别主要根据土层地质年代、粉土的粘粒含量百分率、基础埋深和上覆非液化土层厚度以及地下水位深度来判别。标准贯入试验判别是利用专门的试验设备并按规定的方法在现场进行试验；6、地基抗液化措施应根据建筑物的抗震设防类别和地基的液化等级，结合具体情况综合确定，主要包括全部消除液化沉陷、部分消除液化沉陷以及基础和上部结构处理；三、习题与思考题1、什么是场地，怎样划分场地土类型和场地类别？2、简述选择建筑场地的相关规定3、如何确定地基抗震承载力？简述天然地基抗震承载力的验算方法4、已知某建筑场地的钻孔资料见下表，试计算该场地土层的自振周期，并按《抗震规范》的规定来确定该建筑场地的类别土层资料土的名称层底深度（m）土层厚度(m)土层剪切波速νsi（m/s）杂填土66100可塑粉质粘土115150饱和砂土209340基岩－－＞5005、什么是砂土液化？液化会造成哪些危害？影响液化的主要因素有哪些？6、怎样判别地基土的液化，如何确定地基土液化的危害程度？7、简述可液化地基的抗液化措施4四、考核目标与要求识记：发震断裂、场地、场地覆盖层厚度、砂土液化领会：场地土的类型和场地类别的划分；地基抗震承载力的确定；影响砂土液化的主要因素，如何影响；地基土液化的辨别方法第三章工程结构地震反应分析与抗震验算一、学习目的与要求1、了解地震作用的机理和计算基本原则2、了解单质点和多质点弹性体系运动方程的建立和求解3、掌握底部剪力法、振型分解反应谱法和时程分析法的适用范围4、掌握设计反应谱和地震影响系数的确定方法5、掌握底部剪力法、振型分解反应谱法用于地震作用和地震作用效应的计算6、了解平移－扭转藕联体系的振动、考虑扭转影响的水平地震作用和作用效应的计算7、了解竖向地震作用的特点和计算方法8、掌握地震作用效应和其他荷载效应的组合、截面抗震验算。抗震变形验算的方法和计算公式二、课程内容与知识点1、结构由地震引起的振动称为结构的地震反应，振动过程中作用在结构上的惯性力就是“地震作用”，它使结构产生内力，发生变形。地震时结构所承受的地震作用实际上是地震动输入结构后产生的动态反应。地震作用的数值大小不仅取决于地面运动的强弱程度，而且与结构的动力特性有关，即与结构的自振周期、质量、阻尼等直接相关。目前我国和世界上绝大多数国家均把反应谱理论作为确定地震作用的主要手段。2、单质点弹性体系在地震作用下的运动微分方程的通解可由常微分方程理论求得，方程的特解可由杜哈曼积分给出，求解方程过程中采用了迭加原理，杜哈曼积分只能用于弹性体系。3、单质点体系作用于质点上的水平地震作用F可表示成地震系数k、动力系数与质点重量G的乘积，即GkF，k反映地面运动强弱程度，反映结构动力特性。《抗震规范》将地震系数与动力系数的乘积用一个地震影响系数表示，并以为参数给出了设计用反应谱。该设计反应谱由四部分组成，谱的形状与场地条件、震中距远近和结构阻尼比有关，设计时地震影响系数可根据结构自振周期及其它条件确定。4、对于多质点弹性体系可建立n个联立的运动方程，每个方程均包含n个未知的质点位移，利用振型的正交性，采用以振型为基底的广义坐标，可将联立的运动方程解耦，转化为n个独立方程，再比照单质点体系的求解方法，即可得到多质点体系在地震作用下任一质点的5位移反应，该位移反应等于n个相应的单自由度体系相对位移反应与相应振型的线性组合。5、利用振型分解反应谱法可确定多质点体系在地震作用下相应于j振型i质点的水平地震最大作用：ijijjjiGXF相应于各振型的最大地震作用不会在同一时刻出现，可按“平方之和再开方”的组合公式确定水平地震作用效应，即：2EKjSS6、对于高度不超过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，可采用底部剪力法计算水平地震作用。结构底部总剪力按下式计算：eq1EKGF各质点水平地震作用：)1(nEK1FHGHGFnjjjiii7、采用底部剪力法计算多质点体系的地震作用时，需要确定结构的基本自振周期，结构基本周期计算的近似方法有能量法、折算质量法和顶点位移法。采用振型分解反应谱法计算多质点体系的地震作用时，需求出多个频率和相应振型，可采用矩阵迭代法，通过振幅方程反复迭代逐步逼近求得频率或周期。8、体型复杂的结构，质量和刚度分布明显不均匀、不对称的结构，在地震作用下会发生扭转振动。引起扭转振动的主要原因是结构质量中心与刚度中心不重合，水平地震力的合力通过质心，结构抗力的合力通过刚心，质心和刚心的偏离使得结构除产生平移振动外，还围绕刚心作扭转振动，形成平扭耦联振动。考虑平扭耦联振动的多质点体系，体系自由度增至3n个，各振型的频率间隔大为缩短，进行各振型作用效应组合时，应考虑振型间的相关性。9、在高烈度区，竖向地震运动的影响明显，应在抗震设计中加以重视。对于高耸结构、高层建筑和对竖向运动敏感的结构物可采用建立在竖向反应谱基础上的底部剪力法确定竖向地震作用；对于大跨度结构及长悬臂结构可将其重力荷载代表值放大某一比例即认为已考虑了竖向地震作用。10、建筑结构抗震承载力验算涉及地震作用的考虑、重力荷载代表值确定和结构构件截面抗震验算。一般情况下，水平地震作用对结构起控制作用，可沿结构两个主轴方向分别验算；对于质量和刚度明显不均匀、不对称的结构应考虑水平地震作用引起的扭转影响；高烈度区的高耸及高层结构、大跨及长悬臂结构应考虑竖向地震作用。抗震设计的重力荷载代表值中，永久荷载取标准值，可变荷载取组合值，适用于计算地震作用以及与地震作用相遇的其他重力荷载。构件截面抗震承载力验算时，结构构件内力组合设计值采用多遇地震的作用效应和6其他荷载效应组合的多系数表达式，结构构件承载力设计值应考虑承载力抗震调整系数予以调整，适当降低地震作用下结构的可靠度。11、建筑结构的抗震变形验算包括在多遇地震作用下的弹性变形验算和罕遇地震作用下的弹塑性变形验算。三、习题与思考题1、什么是地震作用？如何确定结构的地震作用？2、地震系数和动力系数的物理意义是什么？通过什么途径确定这两个系数？3、影响地震反应谱形状的因素有哪些？设计用反应谱如何反映这些因素影响的？4、简述确定结构地震作用的底部剪力法和振型分解反应谱法的基本原理和步骤？5、何谓求水平地震作用效应的平方和开方法（SRSS），写出其表达式，说明其基本假定和适用范围6、简述计算地震作用的方法和适用范围7、什么叫鞭端效应？设计时如何考虑这种效应？8、什么叫结构的刚心和质心？结构的扭转地震效应是如何产生的？9、哪些结构需要考虑竖向地震作用？如何计算竖向地震作用？10、什么是结构