地震对建筑的影响

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1、地震对建筑的影响大地震后的，它通常是可以通过在一段较长的时间遭受地震冲击的地区的历史记录来跟 踪的。前震和余震是可以识别的，在延伸到相当一段长时间段内，其中的一些本身可以是很 显着的事件。地震通常持续时间比较短，往往只持续了几秒钟，很少超过一分钟左右。在地 震期间，通常有一个或多个主要峰值的运动幅度。这些峰值代表地震的强度或幅度。这是一 个运动的能量体，同时强度更多的是与加速度有关，而不是简单的地面运动。现代录音设备和实践技术为我们提供了在不同的地形位置上对地面运动的呈现，从而使 我们能够模拟主要地震的效果。图9.33就是一个在地震期间记录的象征性的图形形式。在这 个例子中，图形是为地面的加速

2、度绘制的，表示为重力加速度的百分比形式，因为它随着时 间的推移而变化。使用这种记录，可以用做事件回放，同时可以将这种运动应用到实验室模 型结构上。实验室回放会使用在研究中，有时也会用于设计侧向电阻结构。但是，大多数建筑设计 工作，是根据通过了实践与经验相结合，理论研究，以及一些从研究和试验派生的经验关系 而逐步形成的数据，标准和程序来进行的。当前收集的知识的结果被作为推荐的设计形式的 首要纳入了标准建筑规范的程准则。尽管它可能看起来像是以一个可怕的方式来完成，每一次一个大地震导致一些主要建筑 结构损坏，我们再提升我们的设计水平。工程界和其他组织会常规性地派遣调查队到该区域 报告大地震对建筑物的

3、影响。特别令人感兴趣的是对最近建成的建筑物的影响情况，因为这 些能够有效的全面的测试我们新近设计技术的有效期。基于观察以往许多地震，老建筑的反 馈通常是可预见的，这就是我们现在的设计主要关注的。建筑模型代码的每一个新版本通常 都反映了从最新的灾难中累积到的不断拣选的知识的一些影响。地震影响由地震引起的地面运动可以有几个类型的破坏性影响。其中主要影响如下：直接运动结构这是通过连接到地面的结构引起的运动。这种运动的两大影响一般是不 稳定的影响，由快速翻转以及上下运动的结构，惯性的结构和冲力产生的一系列分离块所造 成的。地面故障 表面缺陷包括裂缝，垂直偏移，一般区域沉降，山体滑坡等等。这些可能是 或

4、大或小，轻微的造成损伤小，主要的造成结构崩溃。潮汐，水下的地层震动能够造成水体表面上的大波动，可能会导致海岸线地区的重大损 害。水灾，火灾，瓦斯爆炸事故等等，接地故障或地面运动可能会导致水坝，水库，河岸， 埋地管道等等的损坏，这些都可以导致独立的灾害。虽然所有这些可能产生的影响是我们关注的问题，但是在这本书中只处理首因效应一一 直接运动的结构。对这种影响的关注促使我们提供一定程度的动态稳定（一般耐晃动）和一 些量化的抵抗能量加载的结构。运动引起的影响力一般是直接与结构的自重或更精确地说，结构承担的总自重成正比的 这个重量也一定程度上决定了结构的动态响应的特性。其他主要影响结构的回应的是它的基

5、本振动周期和它的能量吸收效率。振动周期基本上是根据质量，刚度和结构体的大小决定的。 能源效率是由结构的伸缩性和各种因素，如刚度支持，独立地移动部件的数量和刚性连接决 定的。主要关注的一种关联是结构的使用周期和地震发生之间哪一个会出现问题。图9.34所示 的一组曲线，称为频谱曲线，这表示这种关联是来自于不同时期的结构中大量的地震播放”。 最上方的曲线表示主要影响结构没有阻尼。阻尼结构的运动导致幅度的影响降低，但一般附 着的基本形式的响应依然存在。频谱的影响的一般性解释是地震对建筑物都有其主要的直接力的影响，其基本周期较 短。这些往往影响建筑物僵硬的横向支撑系统，如剪力墙和-支撑框架，以及体积小和

6、/或 大的轮廓的建筑。阻尼可能会因材料或施工结构的细节而出现。一个显着的这种类型阻尼的来源是，由于 发生屈折和变形连接。然而，主要的阻尼一般源由于非结构部分的建筑构造和他们的干涉结 构的平稳振动。对于非常大的，灵活的结构，如高塔和高层建筑，他们的基本周期这么长以至于结构的 上部不响应地面运动，直到地震已经经过了几回，几个周期。这可能会产生一个挥鞭效应， 在同一时间，不同层次上的结构会做方向相反的运动，如图）.35所示。分析这种行为需要使 用动态方法，这超出这本书的讨论范围。三个一般情况下的结构响应如图9.36中所示。参照光谱曲线在图9.34,建筑物周期的期 间低于楼宇表示的曲线上的截止（约0.

7、3秒），这响应表示一个刚性结构几乎没有弯曲。对于 这种情况，地震力的作用只由阻尼减少，同时结构的反应基本上是一个切变。建筑物运动了一段略高于0.3秒但低于1.0秒时间时，将有一个稳定的对于地震力震级的 减少。结构响应在这里将会是剪切和弯曲的组合形式。这种效果是由于建筑的可测量运动， 消耗掉了一些地震力的能量。由于建设周期增加超过1.0秒，运动紧跟而来，对于图9.35中修长塔而言，建筑物的实际 运动和弯曲很大地影响其对地震力的反应力。除了建筑物作为一个整体的运动以外，建筑的不同部分有独立的动作。这些部分将各自 具有它们自己的振动周期，同时在结构中发生的总的运动也会因此相当复杂。对建筑物的一般影响

8、为地震力设计的结构的主要关注点是横向电阻结构体系建筑的行为。在此系统中的任何 部分发生故障，或各部分之间的连接，可能会导致严重损坏建筑，包括全面崩溃的可能性。图9.34所示为频谱响应曲线，即使对支撑系统不会造成明显的损害，但是其变形可能会 对建筑的其它部分造成相当大的损害。安全是关键的问题，但为了建筑在地震发生后仍然可 用，非结构性损害也应予以考虑。然而，需要记住的是，地震憾动了整个建筑。结构的幸免是至关重要的，但如果天花板 掉下，窗户粉碎，管道爆裂，电梯出轨，那么它就只是一种有限的成就。一个重要的设计考虑因素是，将建筑结合在一起以便于使之各个部分不会动摇，当谈到 结构，这意味着各个单独的部件

9、都必须是彼此固定的。建筑连接的细节是抗震性结构设计的 一个主要部分。在某些情况下，考虑建筑的部分的一定程度的单独运动是合理的。在安全依附于这是尤 其关键的情况下，一个安全的依恋之间的结构和各种非结构元素，比如窗户玻璃，可能导致对非结构部分的非预想中的强制性的转变。在这些情况下必须 考虑使用确保零件到位的连接性材料和细节；在这里，同时仍允许相对独立的运动。为了地震而设计的横向负载在很多方面与为了处理风的水平力的设计有相似之处。支撑 结构的阻力行为大多也是这样的特性。仅仅是提了风，然而还有许多关于地震作用的进一步 的思考。在下一节中这个讨论将会解决为了地震而分析，设计的规定的使用问题。针对地震影响

10、的建筑规范要求模范建筑规范，如国际建筑代码（IBC，参考文献2），几乎代表了最新式的为地震而设 计样式的全面指南。模型代码通常每隔几年就会更新成最新的版本，抗震设计标准和程序每 一个新的版本都会改变。使用IBC这个版本是因为这本书包含一个大量的描述地震设计的要求的内容。这种内容 的完整说明远远超出了这本书的讨论范围。接下来的讨论笼统的描述了这个问题，并总结了 各种涉及到的关键问题。抗震设计的一个关键性决定设计是基底剪力，它是被建筑物假定设置为总侧向剪切力作 为建筑低级的侧向支撑，通常被当做建筑的地基。除了提供在地基上，这个力以某种方式贯 穿在整个横向阻力结构体系中。作为一个等效静力效果，基底剪

11、力表现在一些建筑物重量百分比。在早期的设计代码里 它的简单形式V = 0.1W或者干脆用建筑重量的10%来表示。这个简单的公式在经过一些年之 后被改善成了反映这类问题的变量，它作为针对所处位置、建筑的动态响应、潜在工地的相 互作用以及针对大灾难的建筑的相对重量性的潜在风险的量级。因此，现在基地剪力的通式 用一个一般的形式，可是描述成V = QW，在式子里修正因子。代表大量变量的集合。这些 变量处理的主要问题如下：风险的程度这涉及到存在网站的区域，会有一定程度的风险。代码会使用地图来确定 这些区域以及它们的风险程度。靠近地震断层广泛的地质研究已经确定了许多主要的地震断层，一般是地图上所指的 画线

12、。该距离从这些故障建立一个网站另一层关注的风险。重要性，建筑物按照重要性分类，这值得考虑的有，如建筑的震后援助方面，许多人通 常被压在建筑下，以及在建筑里可能存在的危险因素这些重要方面。建筑的地震反应的性质这包括了很多问题的考虑，如建筑物的形状，结构的凹凸程度， 横向支撑系统的样式，建筑物的大小（特别是其高度），以及建筑响应横向运动的基本周期。冗余的支撑结构许多结构在地震中垮了，因为单个组件支撑体系的失败所致。现在的 代码会摒弃掉这种情形，并推动包含多个元素或是欠缺的多种模式的冗余的支撑结构。支护结构的规律性代码现在定义规则结构作为定期的资格条件，通过推理，一个是不 规则的。这种情况可能涉及到

13、建筑计划或是支撑结构的垂直部件的形式。不规则的条件不一 定禁止的，它只是意味着将需要更高的横向力和结构的行为的动态分析位置一一结构关系地位置条件可能会产生各种不同的问题，其中有一些不只是与地震 活动有关，然而有一些是只与其有关。其中一个代码解决的是所谓的结构一一位置相互作用，结构现场互动这是指动态条件下，涉及到的位置响应以及建筑响应或是两者的同时发 生。违规结构产品违规的的条件在代码表中是说明了的。虽然代码参考适用于结构，它也通常认定当 涉及哦结构的形式时，一般的建筑形式对行为也有重大的影响，图9.37说明了一些违规样式。 图9.37中的描述中，包括提到的几种在早期的章节中讨论过的类型，如三面

14、建筑，柔软理论， 开口隔膜，中断的立式结构和捆绑式建筑。在图9.37所示的主要条件被提出不是作为建筑的多样性的一个参数，而仅仅是为了让设 计师意思到地震反应的影响。简单性，对称性和规律性对结构的目的而言都是所有的理想条 件，但是，一般而言，对于建筑设计来说，也有许多其他可能的关注点。复杂的建筑形式的一个可能的解决方案是将建筑物上的结构形式分离到不同的层次。图 9.38显示了部分实现的两种情形。在平面图中，外墙可见，尽管以对称的方式蜿蜒。如果这 作为结构的周长的定义而言，其结果是复杂的，捆绑式的，不规则的结构。由于定义了列， 但是，该结构是相当有序并且如果开发为支撑系统，巧妙地消除计划中的所有不

15、规则结构。 蜿蜒的墙壁所产生的地震横向负载仅仅是被水平结构抓住，同时分布到盖度规则的垂直支撑 结构上。图9.38b还通过有一系列断裂的多层建筑显示了一个垂直剖面一一对于规则结构而言不 好的形式，尤其是当不对称以及突然发生在这里。然而，支撑是靠建筑物内的一个大型桁架 部件来实现的。这个支撑系统是一个相当规则的，非常简单的解决方案，设想成它可以在室 内空间规划中集成。对于违规方案，一种解决方案涉及到使用地震分离关节。这种技术的例子如图M7中所 示，其中的捆绑式（multimassed ）建筑就是一般被描述的情况。地震基底剪力分布总的水平地震力，计算为基础剪切（V），必须在垂直和水平方向分布到横向阻

16、尼系统 的部件上面。这个过程开始于对建筑质量（重量）的处理的考虑，其质量基本上加大了实际 的地震力。然而，对于模拟动态响应的目的，力量分布针对结构的行为的调查可能会被修改。代码要求在多层建筑的不同层次中，横向力得再分配。这些力量被设定将作用在横向膜 片的水平方向上，虽然再分配是用于修改垂直支撑体系的负载的形式。这一修改的一个主要 作用是将一些横向载荷加载到高层建筑上，更真实地模拟垂直悬臂对动态负载的自然响应的 性质。适用于任何级别的建筑的总剪切一般设定要被分发到其刚度成比例的系统（电阻侧向偏 转）的垂直构件。如果横向支撑元件对称地放置同时他们的聚集中心（中心刚度）对应于该 建筑物质量的重力中心，这个简单的假设就足够了。这种纯对称性不是通常的条件，但是， 有两种可能的条件，是必须考虑直接配送的简单假设的修改。第一个条件得考虑阻力中心的 重合和重心。如果这两个不对准，将会在水平隔膜上有