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1、建筑结构抗震设计原理 同济大学建筑工程系 朱玉华 (文远楼308:021-65982896),1. 课程特点 课程地位:专业主干课。 应用广泛:中国是多地震国家。 理论与实践结合 2. 课程主要内容 课本内容:10章 讲授内容:有取舍 3. 课程学习目标:熟悉结构抗震设计的基本概念,掌握主要结构体系设计方法,了解构造措施。 4. 要求: 上课、复习、作业。 5. 考试,引言,我国抗震设计规范的沿革,1974年工业与民用建筑抗震设计规范(施行)(海城地震),1964年地震区建筑抗震设计规范草案(邢台地震),1978年工业与民用建筑抗震设计规范TJ-78(唐山地震),1989年建筑抗震设计规范GB
2、J11-89(容许应力设计法 以可靠度理论为基础的概率设计法),5.建筑抗震设计规范(GB50011-2001)(简称2001规范),2001规范修订背景,1. 89规范实施以来至今,随着我国建设的发展,出现了新型材料、新结构体系、新技术和新工艺,89规范已不能适应。 2. 80年代以来,国内外发生一系列大地震,我国的澜沧、大同、丽江、包头、台湾集集等;美国的旧金山、落杉矶;日本神户;产生新的震害经验。 3. 我国加强法制建设。1997年中华人民共和国防震减灾法,2000年建设工程质量管理条理的发布实行。,规范修订原则和重点,重点: 安全度水准问题。由于人民生活水平提高、经济实力增强,适当提高
3、房屋安全度储备。通过提高地震作用和抗震构造措施,提高安全度水准1015,结构造价增加3-5。 技术法规与技术标准问题。适应建设工程质量管理条理对强制性标准的要求,在整个规范531条中确定强制性条文52条(10)。 规范之间的衔接问题。涉及11项重要设计规范和14项施工验收规范。,原则: “依据我国国情,适当调整提高抗震设防标准”。,2001规范的主要改进,89规范11章、39节、7附录共329条,41条强制性条文;2001规范13章、56节、11附录共531条,52条强制性条文。 对抗震设计的依据、场地划分和地基基础设计的改进。 对地震作用和抗震验算方法的改进。 增加结构延性的设计要求。 新增
4、若干类结构的抗震设计原则。,1. 1 地震成因与地震类型,地震发生频度:全世界每年发生的地震约达五百万次。 有感地震:仅占地震总数的1左右。 强烈地震(造成灾害):平均每年发生十几次。 我国地震区分布:6度以上占79%、7度以上占41%。 20世纪以来我国地震情况:破坏性地震2700次,其中6级以上560余次,平均每年56次,8级以上9次。目前我国正处于新的地震活跃期。 抗震设防的意义。,一、地震灾害,第一章地震及结构抗震的基本知识,二十世纪以来8级以上地震9次,二十世纪以来7级以上地震14次,图1.1 世界地震带分布,我国地震分区图 两条地震带:南北、东西, 10个地震区:东北,西北,华北,
5、华南,台湾,南海,青藏高原南、中、北,新疆中、北等。,图12 地震分区构造,二、地球构造,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6 378km,两极半径约6 357km。 地球内部可分为三大部分:地壳、地幔和地核。,地球断面,图1.3 地球构造,地壳,(1)地壳界限:地球外表面的一层很薄的外壳,它由各种不均匀的岩石组成。地壳的下界称为莫霍界面。 (2)地壳厚度:大陆内一般厚1640km,高山地区厚度更大。海洋下面厚度最小,一般为515km。 (3)地震多发区域:绝大部分发生在地壳内。,地核,地幔,地核古登堡界面以下直到地心的部分为地核,地核半径约为3500km又可分为
6、外核和内核。 地核的物质成分,据推测主要为高温(5000度)高压(300万大气压)的镍和铁。外核处于液态,而内核可能是固态。,地幔界定:地壳以下到深度约2895km的古登堡界面为止的部分为地幔,约占地球体积的56。 地幔组成:由密度较大的黑色橄榄岩等高温(1000度以上)高压(9000大气压)岩石组成。 地幔物质根据推算形态应为粘弹性体,(能传播横波)。,1. 地震 地球内某处因地球构造运动岩层突然破裂(构造地震),或因局部岩层塌陷(塌陷地震)、火山爆发(火山地震)等发生了振动,并以波的形式传到地表引起地面的颠簸和摇晃。 2. 全球地震发生总数约90为构造地震。 1) 震源发生地震的地方。 2
7、) 震中震源在地表的投影。 3) 震源深度震源至地面的垂直距离。浅源地震:60km以内;中源地震: 60300km以内;300km以上为深源地震。 世界上绝大部分地震是浅源地震。 3. 震源深度影响:浅震波及范围小破坏程度大;深震波及范围大而破坏程度小。,三、地震的发生过程,图1.4震源、震中示意图,四、地震的成因与类型,地壳组成: 六大板块,即欧亚大陆、太平洋、美洲大陆、非洲大陆及印澳与南极板块。 地壳的变形: 1) 板块之间发生顶撞、插入等突变,如台湾日本; 2) 板块内部也产生不均匀的应变,首先在地质构造不均匀处或薄弱处发生地层的错动或崩裂发生地震,如唐山地震。,地震成因,构造地震 由于
8、地壳结构变形引起。地应力在某一地区逐渐增加,岩石变形也不断增加,到一定时候,在岩石比较薄弱的地方突然发生断裂错动,应变能突然释放,其中一部分能量以波的形式在地层中传播,产生构造地震。 火山地震 由于火山爆发,岩浆猛烈冲击地面时引起的地面震动。火山地震的影响一般比较小,不致引起较大的灾害。 塌陷地震 由于地表或地下岩层因某种原因(如较大的地下溶洞的塌陷或古旧矿坑的塌陷等)突然造成大规模陷落和崩塌时导致小范围内的振动,塌陷地震造成的危害一般也比较小。此外,水库也能诱发地震,核爆炸可能在场地激发地震。,地震类型,图1.5 构造地震形成示意图,岩石原始状态,受力后发生变形,岩石断裂产生振动,1. 2
9、地震波及其传播,一、地震波构成 地震引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播即为地震波。 地震波分为体波和面波。 体波是通过地球本体传递的波,包括纵波和横波。 面波为次生波,一般指乐甫(Love)波和瑞雷(Rayleigh)波。,二、地震波形式特点 体波 纵波是由震源向外传递的压缩波,质点的振动方向与波的前进方向一致。,纵波的传播过程是介质质点间弹性压缩与张拉变形反复的过程,因此,纵波在固体、液体里都能传播。 横波是由震源向外传递的剪切波,质点的振动方向与波的前进方向垂直。 由于横波的传播过程是介质质点不断受剪变形的过程,因此横波只能在固体介质中传播。,纵波,剪切波,压缩波,纵波与横波的传播速
10、度:,(1.1),(1.2),式中:, 纵波速度;, 横波速度;, 介质的弹性模量;, 介质的泊松比;, 介质的密度;, 介质的剪切模量;, 拉梅常数。,面波,面波是指沿介质表面(或地球地面)及其附近传播的波,(随深度迅速衰减)包含瑞雷(Rayleigh)波和乐甫(Love)波两种。一般可以认为是体波经地层界面形成的次生波。 瑞雷波是纵波P和横波S在固体层中沿界面传播相互叠加的结果。瑞雷波传播时,质点在波的传播方向与地表面法向组成的平面内做逆进椭圆运动。,运动轨迹瑞勒波,乐甫波的形成与纵波在上软下硬两种介质界面上的反射、折射有关。乐甫波的传播,类似于蛇行运动,质点在与波传播方向相垂直的水平方向
11、作剪切型运动。,地震波传播速度,地震记录上,纵波最先到达,横波到达较迟,面波在体波之后到达,一般当横波或面波到达时地面振动最强烈。地震波记录是确定地震发生的时间、震级和震源位置的重要依据,也是研究工程结构物在地震作用下的实际反应的重要资料。,三、地震波的主要特性及其在工程中的应用,地震波主要特性,地震加速度、速度和位移波形。 由震源释放出来的地震波传到地面后引起地面运动,这种地面运动可以用在地面上记录到的加速度、速度或位移的时间函数来表示,常用到的则是地震加速度波形。 加速度波形的三大要素:峰值、频谱、持续时间。,最大幅值 描写地震地面运动强烈程度的最直观的参数,在抗震设计中对结构进行时程反应
12、分析时,往往要给出输入的最大加速度峰值,在设计用反应谱中,地震影响系数的最大值也与地面运动最大加速度峰值有直接的关系。,频谱特性 对时域的地震加速度波形变换到频率域,就可得到波形的频谱特性,频谱特性可以用功率谱、反应谱和傅里埃谱来表示。,图1.6是根据日本的资料,为同一地震、震中距近似相同而地基类型不同的地震记录求得的功率谱情况,显示出硬土、软土的功率谱成分有很大不同。,持续时间:,强震持续时间对结构物破坏的影响主要表现在结构物开裂以后的阶段; 结构物从开裂到倒塌,往往要经历几次、几十次甚至几百次的反复振动过程,即使结构最大变形反应没有达到静力破坏时的最大变形,但结构可能由于长时间的振动和反复
13、变形而发生倒塌破坏。,1. 地震震级 是表征地震强弱的指标,是地震释放能量 多少的尺度,一次地震仅一个震级。 2. 震级定义有三种: 一是近震震级ML、二是面波震级MS、三是体波震级MB。 3. 震级计算 近震震级 1) 美国的里克特(C. F. Richter)给出最早的计算震级公式为:,一、地震震级,1.3 地震震级与地震烈度,(1.4),式中 为地震记录的最大幅值, 为标准地震在同一震中距上的最大振幅。如果 ,则 。,里克特零级震级的规定:用标准地震仪(周期0.8s,阻尼系数0.8,放大倍率2800倍),在震中距100m处,记录最大振幅的地动位移为103mm(lm) 。 称作起算函数。,
14、(1.7),中国规定的面波震级,式中, 是面波最大地动位移 ,取两水平向分量的矢量和; 为相应于A的周期; 为起算函数; 为台站校正值。,古登堡体波震级,随着震源深度的加大,面波迅速减弱,故深源地震时难以用面波测定震级,用体波测定深源地震。,(1.8),式中, 是地震体波波组最大振幅 ,对水平向分量采用两水平向分量的向量和; 是周期; 为体波起算函数; 为台站校正值。,不同震级间关系,基于震级的地震分类:小于2级的地震叫作微震,人们感觉不到,只有仪器才能记录下来;24级地震叫有感地震人能感觉到;5级以上地震就要引起不同程度的破环,统称为破坏性地震;7级以上地震则称为强烈地震。,同一地震中得到的
15、 , 和 由于各种系统偏差而各不相同。根据国内外资料求得的经验公式如下:,二、地震烈度,地震烈度定义 :是地震对地面影响的强烈程度,主要依据宏观的地震影响和破坏现象来判断。 地震烈度把地震的强烈程度,从无感到建筑物毁灭及山河改观等划分为若干等级,列成表格,以统一的尺度衡量地震的强烈程度。表1.2是1999年颁布的中国地震烈度表。 震级与震中烈度的关系 对于中浅源地震,震中烈度与震级的大致对照关系如表1.1所示。,中国地震烈度表(GB/T17742-1999),表1.2,1970年云南通海地震中,通过宏观调查提出“震害指数法”,将建筑物分成若干类,对震区各类建筑逐栋进行调查,统计各类建筑不同破坏
16、程度破坏的百分率,求震害指数并与烈度对照。震害指数为0完好,为1全部破坏。,震害指数,中国是世界上多地震国家之一。地处世界上两个最活跃的地震带中间,东濒环太平洋地震带,西部和西南部是欧亚地震带所经过的地区。 中国各地震烈度分区的总面积和所占百分比。,一、 中国的地震活动与分布,1.4 中国地震的特点与地震灾害,二、中国地震活动的主要特点,中国地震活动分布范围广:面积79%以上6度抗震。 地震的震源浅、强度大:绝大部分深度2030km。 位于地震区的大、中城市多,建筑物抗震能力低 强震的重演周期长,三、中国的地震灾害,中国是世界上地震灾害最严重的国家,地震造成的人员伤亡中国居世界首位,地震造成的经济损失,也十分巨大,地震造成的房屋破坏和倒塌,中国所占的比例也最大。 地震灾害主要表现在三个方面,即地表破坏,工程建筑物破坏和因地震而引起的各种次生灾害。,1.地表破坏,地裂缝: 主要有两种:地面的岩层发生错移,土质松弱地方产生交错裂缝。 喷砂冒水: 一般发生在沿海或地下水位较高的地区,地震波的强烈振动使