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1、结构抗震设计Seismic Design of structures,主讲 祝英杰,地震是地球内部运动所固有的一种自然现象。强烈地震如果影响到人类，则会造成地震灾害，给人类带来严重的人身伤亡和经济损失。目前人类对地震的发生还很难进行准确的预测预报，我国又是多地震国家，房屋建筑及桥梁等必须保证其结构骨架的整体抗震安全性。即达到“小震不坏、中震可修、大震不倒”，因此，我们要熟悉地震的特性，在现有的技术、经济条件下，通过合理设计、施工，对工程结构进行有效的抗震设防，从而尽量减小生命及财产损失。,第1章 结构抗震设计引论,教学目标与要求1.熟悉地震特性及震害现象。2.掌握地震震级、地震烈度、基本烈度、
2、设防烈度 的概念 及区别。3.深刻领会三水准设防目标及两阶段设计方法。4.掌握建筑物抗震设防分类及其设防标准。5.理解和掌握建筑抗震概念设计的内涵。,导入案例 2008年5月12日，我国汶川发生了特大地震（8.0级）（5.12特大地震），此次地震造成了震中及附近地区的许多房屋建筑、道路、桥梁的严重损坏，造成救援困难，并引发山体滑坡、形成堰色塞湖等灾害。地震为什么会造成房屋的开裂、倾斜或倒塌、道路、桥梁破坏？为什么会造成山体崩裂、滑坡等灾害？地震具有怎样的特性？又该怎样设防？我们可以通过本章的学习得到了解。,11 地震特性,地震（earthquake）是来自地球内部构造运动的一种自然现象。地震（
3、earthquake）是来自地球内部构造运动的一种自然现象。它的产生原因与其内部构造及人类活动有关。每次地震的强弱程度（震级）与其释放的地震能大小有关，且释放的地震能以不同的地震波传播，并引起地面上结构的振动。地震对地面上结构的破坏程度（烈度）与地震的震级大小、发生的部位深浅以及距离震中距离的远近有关。,111地震分类1地震按其成因分类诱发地震：由于人工爆破、矿山开采及兴建水库等工程活动所引 发的地震。影响范围较小，地震强度一般不大；火山地震：由于活动的火山喷发，岩浆猛烈冲出地面引起的地 震。主要发生在有火山的地域，我国很少见。,卫星拍照的地球外观,地球的内部构造,地球内部由地壳、地幔及地核三
4、圈层构成，其中地壳是地球外表面的一层很薄的外壳，它由各种不均匀岩石及土组成；地幔是地壳下深度约为2895km的部分，由密度较大的超基岩组成；地核是地幔下界面（称为古登堡界面）至地心的部分，地核半径约为3500km，地球内部各部分的密度、温度及压力随深度的增加而增大。,古登堡界面,构造地震：根据板块构造学说，地球表层主要由6个巨大板块组成：美洲板块、非洲板块、亚欧板块、印度洋板块、太平洋板块、南极洲板块。板块表面岩石层厚度约为70100km，板块之间的运动使板块边界地区的岩层发生变形而产生应力，当应力积累一旦超过岩体抵抗它的承载极限时，岩体即会发生突然断裂或错动，释放应变能，从而引发的地震称为构
5、造地震。构造地震发生次数多，影响范围广，是地震工程的主要研究对象。,6个巨大板块,构造板块之间岩层的破坏过程 (a) 无地震时状态 (b) 地震前受力弯曲变形； (c) 地震时产生断裂及滑移(发生地震),2按震源的深度分类浅源地震：震源深度在70km以内的地震。中源地震：震源深度在70km300km范围以内的地 震。深源地震：震源深度超过300km的地震。,3按震级大小分类 无感地震：震级小于3级，人们感觉不到的地震。 有感地震：震级3级到小于4.5级，人们可以感觉到的地震。 中强地震：震级大于4.5级到小于6级的地震。 强烈地震：震级6级到小于7级的地震。 大地震： 震级7级到小于8级的地震
6、。 特大地震：震级8级到大于8级的地震。,112 地震波地震发生时，地球内岩体断裂、错动产生的振动，其能量以波的形式通过介质从震源向四周传播，这就是地震波。它包括体波和面波。1.体波 在地球内部传播的波称为体波(纵波和横波)纵波是压缩波（P波），其介质质点运动方向与波的前进方向相同。纵波周期短、振幅较小，传播速度最快，引起地面上下颠簸。横波是剪切波（S波），其介质质点运动方向与波的前进方向垂直。横波周期长、振幅较大，传播速度次于纵波，引起地面左右摇晃。,体波质点振动形式 （a）纵波或压缩波；（b）横波或剪切波,2.面波 沿地球表面传播的波叫做面波。面波有瑞雷波（R波）和乐夫波（L波）两种形式。
7、瑞雷波传播时，质点在波的前进方向与地表法向组成的平面内作逆向的椭圆运动会引起地面晃动；乐夫波传播时，质点在与波的前进方向垂直的水平方向作蛇形运动。面波速度最慢，周期长，振幅大，比体波衰减慢. 是造成建筑物破坏的主要因素.,瑞雷波传播,乐夫波传播,113 地震动地震发生时，由于地震波的传播而引起的地面运动，称为地震动。地震动的指标参数(位移、速度和加速度)可以用仪器记录下来。6个方向的分量（3个平动分量和3个转动分量）地震动的峰值（最大振幅）、频谱和持续时间，通常称为地震动的三要素。,地震波形,114 地震震级 地震震级(magnitude)是表示一次地震(主震或余震)时所释放能量的多少，也是表
8、示地震强度大小的指标。一次地震只有一个震级。目前，我国采用的是国际通用的里氏震级M，并考虑了震中距小于100km的影响，即按下式计算：,115 地震烈度地震烈度(earthquake intensity)是指某一地区的地面和各类建筑物遭受一次地震影响的平均强弱程度。距离震中的距离不同，地震的影响程度不同，即烈度不同。一般而言，震中附近地区，烈度高；距离震中越远的地区，烈度越低。烈度与震级的关系按下式估算:,为评定地震烈度，需要建立一个标准，这个标准称为地震烈度表。世界各国的地震烈度表不尽相同。如日本采用8度地震烈度表，欧洲一些国家采用10度地震烈度表，我国采用的是12度的地震烈度表，也是绝大多
9、数国家采用的标准。地震烈度表见附录A。,11基本烈度基本烈度是指一个地区在一定时期（我国取50年）内在一般场地条件下，按一定的超越概率（我国取10%）可能遭遇到的最大地震烈度。可以取为抗震设防的烈度。,1.2 地震震害综述,121地震活动带 地震的发生与板块地质构造有密切相关，板块之间的岩层中已有断裂存在的区域，致使岩石的强度较低，容易发生错动或产生新的断裂，这些容易发生地震的板块间区域称为地震活动带。,（1）环太平洋地震活动带：包括南北美洲太平洋沿岸和阿留申群岛、俄罗斯堪察加半岛，经千岛群岛、日本列岛南下经我国台湾，再到菲律宾、新几内亚和新西兰的区域。全球地震的75%发生在这一地带。（2）喜
10、马拉雅地中海地震活动带：从印度尼西亚西部经缅甸至我国横断山脉，喜马拉雅山脉，越过帕米尔高原，经中亚细亚到达地中海及其沿岸地区。全球大陆地震的90%发生在这一地域。,环太平洋地震活动带,喜马拉雅地中海地震活动带,我国位于世界两大地震带的交汇区域，地震情况比较复杂，地震区域分布广泛。我国主要有两条地震带：（1）南北地震带。北起贺兰山，向南经六盘山、穿越秦岭沿川西至云南省东北，纵贯南北。宽度不一，构造复杂。（2）东西地震带。主要包含两条构造带，一条是沿陕西、山西、河北北部向东延伸，直至辽宁北部的千山一带；另一条是起自帕米尔经昆仑山、秦岭，直到大别山区。,122地震引起的破坏形式在地震带区域发生的破坏
11、性地震，造成的破坏形式:地表破坏建筑及桥梁结构的破坏次生灾害。,1地表破坏地表破坏包括地裂缝、地面下沉、喷水冒砂和滑坡等形式。,日本地震裂缝,汶川地震的道路裂缝破坏,2建筑及桥梁结构的破坏（1）结构承载力不足或变形过大而造成的破坏。（2）结构丧失整体性而引起的破坏。（3）地基失效引起的破坏。,承载力不足或丧失整体性导致建筑物倒塌,地基失效导致建筑物倾斜,日本 神户地震部分震害,汶川地震的北川建筑物倒塌破坏,3次生灾害由于地震而引发的山体崩裂、水坝、煤气和输油气管道、供电线路的破坏，以及易燃、易爆、有毒物质容器的破坏等,纹川大地震时山体崩塌,台湾9.21大地震后的次生灾害,1.3 建筑结构的抗震
12、设防,131 抗震设防的目标抗震设防是指对建筑物或构筑物进行抗震设计，以达到结构抗震的作用和目标。抗震设防的目标就是在一定的经济条件下，最大限度地减轻建筑物的地震破坏，保障人民生命财产的安全。目前，许多国家的抗震设计规范都趋向于以“小震不坏，中震可修，大震不倒”作为建筑抗震设计的基本准则。,根据大量数据分析，我国地震烈度的概率分布基本符合极值型分布。我国对小震、中震、大震的三个概率水准做了具体规定。当设计基准期取为50年时，概率密度曲线的峰值烈度对应的超越概率（超过该烈度的概率）为63.2%，将这一峰值烈度定义为小震烈度，又称众值烈度或多遇地震烈度，为第一水准烈度,对应的地震称为多遇地震；当超
13、越概率为10%所对应的地震烈度，称为中震烈度，我国地震区划规定的各地基本烈度可取为中震烈度，即为抗震设防烈度(seismic fortification intensity)，为第二水准烈度；当超越概率为2%3%所对应的地震烈度，称为大震烈度，又称罕遇地震烈度，为第三水准烈度，对应的地震称为罕遇地震。根据我国对地震危险性的统计分析得到：基本烈度比众值烈度高约1.55度，而罕遇地震比基本烈度高约1度。,超越概率,抗震设防三水准第一水准：当建筑物遭受低于本地区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（小震不坏）；第二水准：当建筑物遭受相当于本地区设防烈度的地震影响时，可能损坏，但
14、经一般修理或不需修理仍可继续使用（中震可修）；第三水准：当建筑物遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏（大震不倒）。,1抗震设防分类由于建筑物功能特性不同，地震破坏所造成的社会和经济后果是不同的。对于不同用途的建筑物，应当采用不同的抗震设防标准。我国建筑抗震设计规范根据建筑物重要性及受地震破坏后果的严重性，将建筑物的抗震设防分为四类：（1）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。该类建筑的破坏后果严重。（2）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。如城市生命线工程，一般包括供水、供电、交通、通讯、医疗救护、供气、供热等系统。（
15、3）丙类建筑：指除甲、乙、丁类建筑之外的一般工业与民用建筑。（4）丁类建筑：指次要建筑，包括一般仓库、辅助建筑等。,132建筑物抗震设防分类及设防标准,2建筑物设防标准建筑物抗震设防标准（seismic fortification criterion）按下列要求采用：甲类建筑，在设防烈度为68度地区时，地震作用和抗震措施应按本区设防烈度提高一度的标准确定；当为9度时，应满足比9度抗震设防更高的要求；乙类建筑在设防烈度为68度地区时，地震作用应按该地区设防烈度进行抗震计算，抗震措施应符合本区设防烈度提高一度的要求；丙类建筑的地震作用和抗震措施应满足本地区抗震设防烈度的要求；丁类建筑按本区抗震设防烈度进行抗震计算，抗震措施可适当降低要求，但不低于设防烈度为6度时的要求。,133抗震设计方法为实现上述三水准的抗震设防目标，我国建筑抗震设计规范采用两阶段设计方法。第一阶段设计：当遭遇第一水准烈度时，结构处于弹性变形阶段。按与设防烈度对应的多遇地震烈度的地震作用效应和其他荷载效应组合，进行验算结构构件的承载能力和结构的弹性变形，从而满足第一水准和第二水准的要求，并通过概念设计和抗震构造措施来满足第三水准的要求。第二阶段设计：当遭遇第三水准烈度时，结构处于非弹性变形阶段。还应按与设防烈度对应的罕遇烈度的地震作用效应进行弹塑性层间位移验算，并采取相应的抗震构造措施满足第三水准的要求。,
