第九章_建筑物震害的工程控制

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1、2018/9/24,1,第十章 建筑物震害的工程控制,第一节 建筑抗震设计概述 第二节中、日、美三国建筑结构抗震设计规范简介（见P231P246） 第三节 抗震概念设计 第四节 隔震与减震,2018/9/24,2,第一节 建筑抗震设计概述,一、抗震设计的目的与目标 二、抗震设计准则 三、抗震设计标准 四、抗震设计方法,2018/9/24,3,一、抗震设计的目的与目标,抗震设计的目的：减轻结构的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失，同时使地震时不可缺少的紧急活动得以维持和进行。 抗震设计的目标：满足经济与安全之间的合理平衡：E收益投资可能的损失最大 收益：工程建成后的直接与间接收获； 投资：兴建

2、工程的资金及维护资金； 损失：人身伤亡，物质财产的直接损失，及间接损失，以及政治、社会、经济影响等。 假若不考虑非结构损失，则上式可近似改写为：C工程造价修复费最小 式中，C为结构抗震总费用。,2018/9/24,4,一、抗震设计的目的与目标（续一）,由于震害与修复费是随机变量，因此总费用也是一个随机变量，故式(9-2)需采用概率方法计算。一般取数学期望，即EC=工程造价E修复费,2018/9/24,5,二、抗震设计准则,抗震设计基本准则：“小震不坏，中震可修，大震不倒”。 设计结构，必须满足三个主要准则：（1）结构在设计基准期内，在发生超越概率63.2%的地震动时(常遇地震) ，应无任何损失

3、。 （2）结构在设计基准期内，在发生超越概率10%的地震动时(少遇地震) ，允许非结构构件受到破坏，但必须保证主要构件不受明显损坏，使得结构稍加修复后仍能继续工作。（3）结构在设计基准期内，在发生超越概率23%的地震动时(罕遇地震)，应不倒塌。,2018/9/24,6,二、抗震设计准则(续二),为满足结构抗震的三个准则，抗震设计应分别进行三个水准的抗震验算:第一水准:进行小震下结构允许弹性变形验算；第二水准:进行中震下结构承载能力验算；第三水准:进行大震下结构弹塑性极限变形验算。,2018/9/24,7,二、抗震设计准则(续三),与某一烈度超越概率相对应的重现期RT可按下式计算：式中PT为时间

4、T内该地震烈度的超越概率。 一般结构的设计基准期为50年，小震是平均50年一遇的地震；中震是平均475年一遇的地震；大震是平均16242475年一遇的地震。,2018/9/24,8,三、抗震设计标准,根据结构的重要性，可将结构分为三大类： 重要结构：结构如遭受破坏，会造成重大经济损失或严重的社会后果； 次要结构：如结构破坏，不易造成人员伤亡和较大的经济损失； 一般结构：除了上述的大量普通结构。 一般结构的设计基准期通常为50年；重要结构的设计基准期通常大于50年；次要结构的设计基准期通常小于50年,2018/9/24,9,四、抗震设计方法,结构抗震设计计算方法可以分为以下几种：1、静力法：把地

5、震作用当作等效的静力荷载进行抗震计算；2、反应谱法：利用振型分解原理和反应普理论进行结构最大地震反应分析；3、动力分析法：选定输入地震波，对结构的运动平衡微分方程进行数值积分，求得结构在整个地震时程作用下的地震反应,2018/9/24,10,第二节中、日、美三国建筑结构抗震设计规范简介（见P231P246）,2018/9/24,11,第三节 抗震概念设计,什麽是概念设计？在着手进行结构抗震设计时，着眼于结构的总体地震反应，灵活运用抗震设计准则，既注意总体布置上的大原则，又考虑关键部分的细节，从而全面、合理地解决结构抗震设计中的基本问题。,2018/9/24,12,第三节 抗震概念设计（续一）,

6、一、结构形式的选择 1、 结构体型指结构的外型。实际震害表明，结构体型对结构抗震有显著的影响。体型简单，对抗震有利；体型复杂，对抗震不利。 2、结构规则性指结构刚度，质量的均衡性与对称性。结构体型复杂，必定不规则。但结构体型简单，并不等同于结构规则。结构规则有利于抗震，不规则不利于抗震。,2018/9/24,13,第三节 抗震概念设计（续二）,二、抗震结构概念 1、总体屈服机制 2、刚度与延性均衡 3、强度均匀 4、多道抗震防线 5、强节点设计 6、避开场地卓越周期区,2018/9/24,14,二、抗震结构概念,1、总体屈服机制 从经济合理的观点出发，在强烈的地震作用下应允许结构进入弹塑性状态

7、工作。通过结构某些构件屈服所产生的塑性变形来消耗地震能量，从而达到抗震的目的。 结构的屈服机制有两种（见图8.12 ）局部机制（简称L机制） 总体机制（简称T机制） 比较两种机制可发现： T机制的抗震性能优于L机制 。（1）L机制耗能构件少，T机制耗能构件多； （2）L机制对构件的延性要求高，T机制对构件的延性要求低。,2018/9/24,15,二、抗震结构概念（续一）,2、刚度与延性均衡 试验和实践都证明，框架结构具有良好的延性性能。但是，纯框架刚度差，在地震作用下结构变形较大，可能造成非结构构件（如隔墙、门、窗等）的破坏，从而需要大量的修复费。 为提高框架结构的刚度，常设剪力墙、支撑等加劲

8、构件。这些加劲构件刚度大，但延性较差，一旦破坏，几乎丧失承载力。因此，注意加劲结构刚度与延性的均衡十分重要。 砌体结构刚度大，但延性差。为提高其延性，常加设钢筋混凝土构造柱。构造柱连同圈梁，实际形成一个弱的框架。,2018/9/24,16,二、抗震结构概念（续二）,3、强度均匀 强度均匀指结构在平面和立面上的承载力均匀一致。图8.15是一个平面上强度不均匀的钢支撑框架结构，在1978年日本宫城县地震中遭到破坏。该结构在同一方向上有两榀框架设有支撑，而有一榀框架未设支撑。因支撑框架刚度大，一开始大部分荷载由它来承担。而一旦支撑破坏，内力重新分配，非支撑框架的受力迅速增大，超过其设计承载能力，导致

9、结构破坏。 结构在立面上强度均匀，可以避免结构弹塑性反应集中。 如果结构某一楼层的强度相对较小，则在地震作用下，这一层首先屈服，同时通过该层塑性变形的发展，使其它楼层不继续屈服。这样结构塑性变形集中在一层，很容易使该层发生破坏，从而导致整个结构的破坏。,2018/9/24,17,二、抗震结构概念（续三）,4、多道抗震防线 结构多道抗震防线的概念，一是要求结构具有较高的静不定次数；二是要求结构在延性变形阶段具有良好的吸能能力；三是要求结构中尽量具备多重抗侧力体系。 一般说来，结构静不定次数越高，对结构抗震越有利，但这不是充分条件。 一些薄弱部位的塑性变形集中可能造成结构局部屈服机制的形成，从而导

10、致整体结构的严重破坏甚至倒塌。因此，需要在结构的适当部位设置一系列有利的屈服区，使这些不危及整体结构安全的部位在地震时率先形成塑性铰；同时，通过保证各铰的屈服转动能力，使结构所吸收地地震能量耗散在整个结构平面和高度上。 通过设置人工塑性铰和阻尼耗能装置，会更有利于结构发挥良好的抗震性能。,2018/9/24,18,二、抗震结构概念（续四）,5、强节点设计 在1978年日本的一次地震中，钢结构建筑的破坏，绝大多数是由连接破坏造成的。钢筋混凝土结构节点过早破坏，也会使结构不能充分发挥作用，使结构达不到原定抗震能力。 提高节点的抗震设计强度，加强节点的抗震构造措施，对各类建筑结构、桥梁结构等都有十分

11、重要的意义。,2018/9/24,19,二、抗震结构概念（续五）,6、避开场地卓越周期区 结构对于不规则地震波的反应是类共振反应而不会发生共振反应。即使如此，当地震动的卓越周期与结构物的周期相接近时，也会使结构发生严重破坏。 由于地震动受发震机制、震级、距离、场地等多种因素的复杂影响，具有较强的不确定性。因此，试图在设计阶段就使结构自振周期完全避开地震动的卓越周期是不太现实的。但是，如果注意到场地的卓越周期对地震动卓越周期有强烈影响，还是可以在一定程度上防止结构在地震时发生强烈的共振反应。,2018/9/24,20,第四节 隔震与减震,一、概述 二、基底隔震 三、悬挂隔震 四、耗能减震 五、冲

12、击减震 六、吸振减震 七、主动控制减震,2018/9/24,21,一、概述,地震引起结构振动的全过程是：由震源产生地震动，通过传播途径传递到结构上，从而引起结构的振动反应。 通过在不同部分采取振动控制措施，就成为不同的积极的抗震方法。,2018/9/24,22,一、概述（续一）,2018/9/24,23,一、概述（续二）,1、消震通过减弱震源振动强度达到减小结构振动的方法。 2、隔震 通过某种装置，将地震动与结构隔开，减弱或改变地震动对结构作用的强度或方式，达到减小结构振动的目的。隔震方法：基底隔震 悬挂隔震 3、被动减震 通过采用一定的措施或附加子结构，吸收或消耗地震传递给主结构的能量，达到

13、减小结构振动的目的。被动减震方法： 耗能减震 冲击减震 吸震减震 4、主动减震 根据结构的地震反应，通过自动控制系统的执行机，主动给结构施加控制力，达到减小结构振动的目的。,2018/9/24,24,一、概述（续三）,两大类减震方法：（1）被动控制方法。这种方法无外部能源供给，也称无源控制技术。包括隔震技术和被动减震技术。 （2）主动控制方法。这种方法有外部能源供给，也称有源控制技术。 与传统的消极抗震方法相比，减震方法优点： （1）减小地震作用，降低结构造价，提高结构抗震可靠度。隔震方法能够控制传到结构上的地震力，克服确定荷载的困难。（2）减小结构在地震作用下的变形，保证非结构构件不破坏，减

14、小震后维修费用，对现代建筑，非结构构件的造价占总造价的80以上。 （3）隔震、减震装置的更换或维修比更换、维修结构构件方便、经济。（4）精密加工设备、核工业设备等结构物，只能用隔震、减震的方法满足严格的抗震要求,2018/9/24,25,二、基底隔震,1、原理 基底隔震是在结构物地面以上部分的底部设置隔震层，限制地震动向结构物的传递。 基底隔震，主要用于隔离水平地震作用。隔震层的水平刚度显著低于上部结构的侧向刚度。此时可近似为上部结构是一个刚体，如图8.18所示。设结构的总质量为m，绝对水平位移为y，地震动的水平位移为xg，隔震层的水平刚度为k，阻尼系数为c，则底部隔震系统的运动平衡方程为：

15、上部结构绝对位移（加速度）振幅与地震动位移（加速度）振幅的比值R为 R称为绝对隔震传递率。R值越小，表明隔震效果越好。 地震动与隔震结构的频率比大于时，隔震系统才有隔震能力。而且频率比越大，隔震能力越强。,2018/9/24,26,二、基底隔震（续一）,基底隔震结构设计的一般原则 ：在满足必要的竖向承载力的的同时，隔震装置的水平刚度应尽量小，以降低隔震结构的自振频率，使之低于地震动的优势频率范围，保证结构地震反应的衰减较大。 在风荷载作用下，隔震结构不能有太大的位移不能太大。因此，结构底部隔震系统常需安放风稳定装置，使得在小于设计风载的风力作用下，隔震层几乎不产生变形；而在超过设计风载的地震力

16、作用下，风稳定装置退出工作，隔震装置开始工作。,2018/9/24,27,二、基底隔震（续二）,1、方法 （具体原理和应用见P255P260） （1）滚子隔震 主要有滚轴隔震和滚珠（球）隔震两种。 （2）橡胶垫块隔震 （3）悬挂基础隔震 （4）摇摆支座隔震 （5）滑动支座隔震,2018/9/24,28,三、悬挂隔震,1、方法 悬挂隔震是将结构的全部或大部分质量悬挂起来，使地面运动传递不到主体质量，产生不了惯性力，从而起到隔震作用。具体原理见图8.35和P261。 2、应用 悬挂结构在桥梁、房屋建筑、火电厂锅炉架等方面有大量应用。著名的43层香港汇丰银行新大楼，采用的就是悬挂结构。 悬挂结构悬杆

17、受力大，需采用高强钢。而高强钢韧性差，在竖向地震作用下易拉断。为减小竖向地震作用，可在吊点设减震弹簧，并配合使用阻尼器。,2018/9/24,29,四、耗能减震,1、方法 耗能减震是通过采用附加子结构或一定措施，消耗地震传递给结构的能量。 地震时，结构在任意时刻的能量方程为：EtEsEf式中，Et为输入结构的能量，Es为主体结构的耗能；Ef为附加子结构的耗能。 主结构耗能组成： EsEvEcEeEy式中，Ev为结构振动动能；Ee为结构振动势能；Ec为结构粘滞阻尼耗能；Ey为结构塑性变形耗能。 耗能减震原理：从能量的观点，地震输入结构的能量是一定的，通过耗能装置消耗掉一部分能量，则结构本身需消耗掉的能量减小，意味着结构反应减小。从动力学的观点出发，耗能装置的作用，相当于增大结构阻尼，从而使结构反应减小。,