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1、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）,2,1. 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,3,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
2、设计规范GBJ11-89（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）,4,2001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。,5,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
3、济实力增强，适当提高房屋安全度储备。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”。,6,2001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
4、构延性的设计要求。 新增若干类结构的抗震设计原则。,7,1. 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,8,二十世纪以来8级以上地震9次,9,二十世纪以来7级以上地震14次,10,图1.1 世界地震带分布,11,我国地震分区图 两条地震带
5、：南北、东西， 10个地震区：东北，西北，华北，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,12,二、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,13,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。,14,地核,地幔,地核古
6、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）。,15,1. 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。
7、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) 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,16,图1.4震源、震中示意图,17,四、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
8、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,18,构造地震 由于地壳结构变形引起。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
9、,19,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,20,1. 2 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。,21,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
10、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,22,纵波与横波的传播速度：,(1.1),(1.2),23,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。,24,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
11、,25,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作剪切型运动。,26,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。,27,三、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
12、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。,28,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。,29,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
13、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变形而发生倒塌破坏。,30,1. 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 。,31,里克
14、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。,(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。,32,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。,33,不同震级间关系,基于震级的地震分类：小于2级的地
15、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 ， 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：,34,二、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。
16、,35,中国地震烈度表（GB/T17742-1999）,表1.2,36,37,38,1970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,39,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,40,二、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
