结构振动分析基础6-7章

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1、工程结构抗震基础 目 录,第6章 抗震设计的基本知识 第7章 场地、地基和基础 第8章 地震作用和结构抗震验算,第6章 抗震设计的基本知识,地震是危及人民生命财产的突发自然灾害。,我国是世界上多地震国家（约80%国土面积需设防）。 受灾情况非常严重。 1976年唐山大地震24万人死亡 创世界之最！ 防灾减灾从现在做起！,地震预报（长期预报、中短期和临震预报）； 地震工程（地震危险性分析与地震区划、抗震规范、抗震设计、抗震鉴定与加固和抗震救灾）。 本章主要内容： 介绍有关抗震设计的基本知识； 穿插介绍现行规范的有关内容； 抗震规范的改革思路。,6.1 地震概论,地震成因 地震是某种原因引起的地面

2、强烈振动，是一种自然现象，按其成因，分为： 火山地震：由于火山爆发，岩浆猛烈冲击地面； 塌陷地震：地下溶洞或古矿井等发生大规模塌落； 构造地震：地壳运动，岩层受挤压变形、断裂。 其中构造地震占所有破坏性地震的95%以上。 地壳的运动源于地球的内部构造。,地球构造,地球是一个 椭球体 ，平均约为6370km ； 由地壳、地幔和地核组成,全球分为六大板块：欧亚、太平洋、美洲、非洲、印澳、南极,板块学说,各板块之间产生挤压，从而引起岩层变形、断裂,构造地震示意图,错动后的地表裂缝,地震有关名词解释 震源：不是一个点，而是一个区域。 浅源（震源深度小于60km，占绝大部分）、中源（60-300km）、

3、深源（300km以上）。 震中：震源在地面的投影。 地震波：地震释放的能量以弹性波的形式传播。 分为体波（P波、S波）和面波（R波、L波）。 震级：表明地震本身大小，由地震仪记录的波确定。,烈度： 表示地震造成的破坏程度。 现正逐步过渡到地震动参数：地震动峰值加速度 中国地震动参数区划图（GB18306-2001）： 1、II类场地50年超越概率为10% (重现期：475年）的峰值加速度区划图； 分区值为0.05g，0.05g，0.10g，0.15g，0.20g，0.30g，0.40g。形式上相当于在原烈度区划图（1990）中增加了VII度半和VIII度半两档。 2、反应谱特征周期区划图； 在

4、一般场地(中硬)、阻尼比为0.05时，不同档次加速度反应谱特征周期的空间分布区域，特征周期分为0.35s、0.40s和0.45s三档。 3、特征周期的调整表,地震烈度表：衡量地震烈度的尺度。 是人们在地震灾害调查的基础上发明的 各国是不一样的。 如我国12度、日本8度 等震线和地震区划 等震线：对应于一次地震，地震烈度相同区域的外包线，称为等震线（或等烈度线）。是对地震灾害宏观调查的结果，为地震烈度区划图提供素材。,地震烈度区划图： 根据历史情况和抵制特点，对某地区带有一定预报性质的区划。 现在已经改为地震动参数区划图 地震动参数区划图： 根据震源的不同，考虑震中距（近震、远震）、场地条件等的

5、影响。 地震动参数不同，将影响到抗震反应谱曲线的形状（详见第8章）。,地表破坏,地震的破坏现象,建筑物破坏1,建筑物破坏2,次生灾害,中国地震的特点 中国的地震灾害：世界上地震灾害最严重的国家之一。 中国的地震分布：根据“中国地震烈度区划图（1990），基本烈度6度以上地区面积占国土面积约80%。 全国2329个县级以上城镇中，位于地震区的占78%，约有41%的城市位于基本烈度7度及其以上地区，位于基本烈度8度或以上城市占10% 。 根据“中国地震动参数区划图（2001），地震动峰值加速度0.05g的城镇约80%。 随着社会经济的发展，人口不断向城市转移，地震引起的破坏加剧，应被列为群灾之首。

6、 我国地震带大致分为23个。 中国的地震活动性：活跃期和平静期交替出现，可以由地震成因来解释。,6.2 抗震设计的基本原则,抗震设防标准 抗震设防包括抗震设计（地震作用验算）和抗震构造措施两个方面。 设防目标：“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三水准目标。 对于不同频度和强度的地震采用不同的设防目标。,63.2%,小震,中震,大震,10%,2-3%,目标的确定： 依照国际惯例，同时结合我国实际情况。,设防范围： 地震烈度6度（0.05g）以上（铁路公路为7度以上） 抗震设防类别：按建筑物重要程度划分四类。 甲类建筑属于重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑。 乙类建筑属于地震时使用功能

7、不能中断或需尽快恢复的建筑。 丙类建筑属于除甲、乙、丁类以外的一般建筑。 丁类建筑属于抗震次要建筑。 目前铁路、公路抗震规范也有类似分水准设防。,设防标准： 对不同类别的建筑采用不同的烈度（参数）水平。 抗震设计方法 根据抗震设防目标的要求，对于不同设防水准应满足不同的要求。 设计方法： 规范规定采用“两阶段”方法： 小震时验算结构的强度和弹性变形，对应于正常使用极限状态； 大震时验算结构薄弱部位的弹塑性变形，对应于承载能力极限状态。 目前铁路、公路抗震规范也采用两阶段设计方法。,铁路工程抗震设计规范GB50111-2006 设防范围：69度，大于9度或新型结构要专门研究 设防烈度和地震参数：

8、按区划图 设防标准： 三水准：多遇地震、设计地震、罕遇地震 设计方法：反应谱法；延性设计（简化） 提出减震的概念，但没有具体规定。 公路桥梁抗震设计细则（JTG/T B02-01-2008）也有类似规定,抗震设计的基本原则 考虑地震动的不确定性和复杂性、结构分析模型与实际结构的区别、地基与结构共同工作等因素。 强调抗震“概念设计”： 相对于计算设计而言，从大的方面入手，着重于结构的宏观地震响应。 场地选择：有利、不利、危险地段。 地基和基础设计：地震作用的计算是从地面算起。 建筑和结构的布局：建筑师应与结构工程师相互配合，力求建筑布局简单合理、结构布置符合抗震原则。体型简单、刚度质量分布均匀、

9、必要时设置防震缝并要求有足够宽度。,建筑结构体系的选择： 应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；宜有多道防线、应具备必要的承载力、良好的变形和耗能能力（延性）、宜具有合理的刚度和强度分布。 构件和连接合理。 非结构构件： 包括：附属构件、装饰物、非结构墙体、附属机械设备等。 常见的：女儿墙、围护墙、隔墙、填充墙、雨蓬、挑檐等虽不承重，也要引起高度重视。 尤其注意装修时装饰贴面等与主结构的连接。 材料的选择与施工质量： 实现设计意图的关键。 其他相关规范也有类似的规定。,抗震设计规范的改革思路 设防标准： 国际上先进的抗震规范都采用分级设防，大震在结构使用寿命期内发生的概率较小，是一种突

10、发的特殊荷载，要结构弹性的抵御，既不经济也不现实，可允许结构进入弹塑性，发挥延性。 设计方法： 以抗震动力学理论和概率可靠度为基础，分级设防、分阶段设计。对不同水准采用不同强度指标，用构造措施或减震设计来满足第三水准。 延性设计： 在强震时，结构进入弹塑性变形阶段，这时结构的变形会吸收地震输入能量，结构的动力特性也会发生改变。延性设计以位移为设计目标，选择塑性铰的位置，增大延性，避免倒塌。,减震设计： 通过减震、隔震装置消耗能量，阻止振动传播，或施加外部能量抵抗地震。 我国新规范已经加入“隔震和消能减振”一章。,钢板 橡胶 层,铅芯,橡胶保护层,铅芯橡胶支座,日本静冈县宫川桥,小结,重点 地震

11、有关名词，特别是地震震级、地震烈度、基本烈度、设防烈度等概念的区别与联系。 地震的破坏现象和我国地震的特点。 抗震设计的基本原则： 设防标准（三水准）； 设计方法（两阶段）； 概念设计（区别于计算设计）。 有关抗震设计规范的改革思路。 讨论 课后思考题,第7章 场地、地基和基础,地震,结构破坏,场地土,地基,基础,震害调查特点： 1923年日本关东大地震，坚硬地基上刚性结构破坏大，软地基上柔性结构破坏大； 1957年、1962和1985年三次墨西哥地震，离震中很远（200-300公里）的墨西哥城高层楼房震害严重； 1976年唐山地震，天津市长周期高层房屋与烟囱震害远大于平房。,工程结构的破坏是

12、地震地面运动输入到结构体系中，使结构体系产生动力响应的结果 。 地震地面运动的特性直接影响到结构的动力响应。 从地震的传播途径来看： 建筑场地是地震释放能量传递到地面的介质。 建筑场地对地震地面运动特性有很大影响。 由于地震作用的确定是从地面算起，没有考虑地基和基础的影响，但结构的震害很多与地基和基础有关，因此必须首先保证地基和基础的安全。 本章将介绍我国现行有关抗震设计规范关于建筑场地的划分原则、地基基础的抗震验算方法、软弱地基处理等问题。,7.1 地震地面运动特性,地震地面运动：也称地震动，是由震源释放出的地震波引起的地表附近土层的振动。 由强震仪测得加速度时程曲线地震记录。,促进地震波动

13、理论的发展； 促进对震源与地球构造的； 为工程抗震的研究提供了宝贵资料 抗震规范设计反应谱就综合考虑了各条地震记录的反应谱。,世界上最早的地震仪： 我国古代科学家张衡发明 候风地动仪公元132 公元138年记录到一次远震。,近代地震仪： 18世纪后期开始使用 原理结构动力学的阻尼震荡器。,地震加速度记录对于制定抗震设计规范，提供模拟地震输入等方面发挥了重要作用。,地震地面运动特性：振幅、频谱、持时,地震动,结构 （体系）,结构地震响应,振幅：地震记录的最大值，反映地震的强弱。,频谱：从数学上分析各种频率组成成份所占比例的大小，比例最大的为卓越频率。 应避免结构的自振频率接近地震动的卓越频率。,

14、持时：地震动的持续时间。 涉及到结构的疲劳、损伤累积等效应。,场地对地震地面运动的影响,地震波从震源到地面的传播过程中经过各类场地土，不同类别场地土的行波效应不同。,地震波从震源传出时包含很多谐波分量 经过不同的场地土时，有些分量会被放大，而有些分量则会被抑制。,卓越周期:当地震波的某一谐波分量的周期恰为该波穿过土层所需时间的4倍时，其振幅放大系数最大，地面震动也最显著。因此：,对应于反应谱曲线峰值的周期 当结构的自振周期与场地的卓越周期相等或接近时，产生类共振现象。,覆盖土层较硬较薄，则场地卓越周期较短 地震波中的短周期分量得到较好的响应 刚度较大的短周期结构物产生较为强烈的影响； 土层较软

15、较厚时，场地卓越周期较长 与柔性结构的固有周期相近，对该类结构不利。 卓越周期随震中距增大而变长；随震级变小变短 不惟一,场地的选择 场地的破坏直接影响到其上的结构物。 场地条件：场地土的软硬程度、场地覆盖层厚度、地形、不均匀地基或不均匀地质构造。 按场地上建筑物震害将建筑场地进行划分： 对建筑抗震有利地段：稳定基岩，坚硬土，开阔平坦、密实均匀的中硬土； 对建筑抗震不利地段：软弱土，液化土，特殊地形、地质； 对建筑抗震危险地段：地震时可能发生灾害性地质破坏现象以及断裂带上可能发生地表错位的地段。,规范规定： 应尽量选择有利的地段，避开不利地段，无法避开时应采取适当的抗震措施；规范强调不应在危险

16、地段建造甲、乙、丙类建筑。,7.2 场地的划分,不同场地的地震地面运动特性不同，震害也有明显区别，因此规范对不同场地划分类别。 场地土类型划分（场地土的软硬） 一般应用场地土的剪切波速确定（表7-1）； 当无实测资料时可按土的类型划分（表7-2）。 覆盖层的厚度 从地表向下算，直到基岩。划分为7个档次，结构地表以下视为刚性地基，否则会带来许多复杂问题。 建筑场地的类别和划分标准 划分方法： 根据地面以下20米且不深于场地覆盖层厚度的土层的场地土类型（两种方法）及覆盖层厚度。,其他规范划分方法有所不同。,由于场地类型的复杂性,采用等效剪切波速定义土类型. 原规范由于按厚度加权方法缺乏物理意义，因此2001规范采用了国际上通用的按走时加权的计算公式：,新规范的分类方法，对IV类场地的范围不作任何调整，I 类场地的范围略有缩小，II、III类场地的范围有增有减，总的来讲变化不是很大