博士学位论文
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- 遐费 滕
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1 建筑结构抗震设计 建筑工程学院
2 本课程的内容 绪论 场地与地基 结构地震反应分析与抗震计算 多层砌体结构抗震设计 多高层混凝土结构的抗震设计 隔震 减震与结构控制初步
3 本课程的考核方式 平时成绩占 20% ( 包括作业与考勤 ) 期末成绩占 80%
4 第一章绪论 教学目的和要求 1. 了解地震的类型及其成因 地震的活动性及其震害 2. 掌握地震震级 地震烈度 基本烈度等有关术语 3. 明确建筑抗震设防目标和要求及建筑重要性分类与设防标准 4. 理解抗震设计的基本内容和要求
5 球构造1.1 地震基本知识 地球的构造 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 6378km, 两极半径约 6357km 地球内部可分为三大部分 : 地壳 地幔和地核地
6 1.1.2 地震类型与成因 地震按其成因划分为四类 : 1. 火山地震 : 由于火山爆发而引起的地震 2. 陷落地震 : 由于地表或者地下岩层突然发生大规模陷落和崩塌而造成的地震 3. 诱发地震 : 由于人工爆破, 矿山开采及工程活动引发的地震 4. 构造地震 : 由于地球内部岩层的构造变动引起的地震 ( 约占地震发生的 90%) 是结构抗震的主要研究对象
7 震源 震中 震中距地球内部断层错动并引起周围介质振动的部位为震源 ; 震源正上方的地面位置为震中 ; 地面某处至震中的水平距离为震中距.
8 1.1.3 地震波 震级及地震烈度一 地震波概念 : 地震时地下岩体断裂 错动产生振动, 并以波的形式向外传播 地震波 体波 面波 纵波 ( 引起地面垂直振动 ) 横波 ( 引起地面水平振动 ) 既产生上下颠簸又产生左右摇晃
9 二 地震波的分类与特点 1. 体波 : 可分为纵波 (P 波 ) 横波 (S 波 ) 两种形式 (a) 纵 (b) 横 波 : 是由震源向外传递的压缩波, 一般周期较短 振幅较小, 常引起上下颠簸运动 ; 波 : 是由震源向外传递的剪切波, 一般周期较长 振幅较大, 常引起水平方向运动.
10 2. 面波 : 可分为瑞雷波 (R 波 ) 乐夫波 (L 波 ) 两种形式 (a) 瑞雷波 : 在其传播时, 质点在波的前进方向与地表法向组成的平面内做逆向的椭圆运动 ; (b) 乐夫波 : 在其传播时, 质点在波的前进方向垂直的水平方向运动, 在地面上做蛇形运动.
11 3. 地面运动地面上的某一点, 当地震体波到达该点或面波经过该点时, 就会引起该点往复运动, 此即地震地面运动 地震体波由较坚硬土层向较软弱土层传播时, 会产生折射 由于波的折射, 体波传播到地面时, 其行进方向将近似与地面垂直 4. 地震地面运动加速度记录 一般两个方向水平地面运动的强度相等, 而竖向地面运动的强度一般小于水平地面运动的强度 震中附近, 体波成分较多, 面波成分较少, 随着震中距增加, 体波成分减少, 面波成分增加
12 三 地震动三要素 1 最大振幅 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 2 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 反应谱和傅里叶谱来表示, 能够揭示地震动的周期分布特征 3 持续时间 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
13 四 地震震级 地震震级 是衡量一次地震释放能量大小的尺度, 即表示地震本身大小的一种尺度 常用里氏表示 M = log A + R( Δ) 式中 A 地震记录图上量得的以 μm 为单位的最大水平位移 ; R(Δ) 依震中距 Δ 而变化的起算函数 地震震级与地震释放的能量之间的关系 : log E = M M<2 微震 M=2~4 有感地震 M>5 破坏性地震 M=7~8 强烈地震 M>8 特大地震
14 五 地震烈度 什么是地震烈度? 某一区域的地表和各类建筑物遭受某一次地震影响的平均强弱程度 ; 由地面建筑的破坏程度, 人的感觉, 物体的振动及运动强烈程度而定. 现在主要由地面震动的速度和加速度确定. 一次地震, 表示地震大小的震级只有一个, 但可以有多种不同的烈度. 一般而言, 震级越大, 烈度就越大. 同一次地震, 震中距越小烈度就越高, 反之烈度就低. 影响烈度的因素, 除了震级 震中距外, 还与震源深度 地质构造和地基条件的因素有关. 中国地震烈度表见 P275 的附录 震中烈度 震中区的烈度 2 地震震级与震中烈度的关系 : M = 1+ I0 3 式中, I 0 为震中烈度.
15 六 基本烈度与地震区划 基本烈度 : 指一个地区在一定时期 ( 我国取 50 年 ) 内在一般场地条件下按一定的概率 ( 我国取 10%) 可能遭遇到的最大地震烈度 基本烈度是一个地区进行抗震设防的依据 地震区划 : 依据地质构造, 历史地震规律, 强震观测资料, 采用地震危险性分析的方法, 计算出每一地区在未来一定时限内关于某一烈度的超越概率, 将国土划分为不同基本烈度所覆盖的区域的工作.
16 1.2 地震灾害概说 中国地震背景 我国位于世界两大地震构造系的交汇区域, 是地震多发的国家之一. 本世纪以来, 全世界破坏性强的地震平均每年 18 次, 造成经济损失达数千亿美元 126 万人死亡, 近千万人严重伤残 我国上世纪以来, 发生 6 级以上地震 600 余次,8 级以上地震 9 次 一次大地震可在数 10 秒钟之内使一座繁荣的城市变成废墟, 人们几代人的积累和财富化为乌有
17 我国的 2 条主要地震带 : (1) 南北地震带 (2) 东西地震带我国大致可划分为 6 个地震活动区 : (1) 台湾及其附近海域 (2) 喜马拉雅山脉活动区 (3) 南北地震带 (4) 天山地震活动区 (5) 华北地震活动区 (6) 东南沿海地震活动区
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20 1.2.2 地震的破坏作用地震破坏的三种形式 : 1. 地表破坏 2. 建筑物破坏 3. 次生灾害
21 一 地表破坏及其影响 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 地面下沉多发生在软弱土分布地区和矿业采空区, 地面不均匀沉陷易引起建筑物的破坏和倒塌 喷砂冒水的现象 ( 液化 ) 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含水层受到挤压, 地下水往往从地裂缝或土质松软的地方冒出路面, 在有砂层的地方则夹带砂子喷出形成喷砂冒水现象 滑坡塌方常发生在陡峻的山区, 在强烈地震的摇动下, 由于陡崖失稳常引起塌方 山体滑移 山石滚落等现象
22 地面裂缝 地面下沉 喷砂冒水 滑坡塌方
23 二 建筑物的破坏建筑物的地震破坏一般可分为五个等级 : 1) 基本完好 : 承重构件完好, 个别非承重构件轻微损坏 ; 附属构件有不同的程度破坏. 2) 轻微损坏 : 个别承重构件轻微裂缝, 个别非承重构件明显破坏 ; 附属构件有不同程度的破环. 3) 中等破坏 : 多数承重构件轻微裂缝, 部分明显裂缝 ; 个别非承重构件严重破坏. 4) 严重破坏 : 多数承重构件严重破坏或部分倒塌. 5) 倒毁 : 多数承重构件倒塌.
24 台湾地震房屋底层破坏 结构破坏
25 2004 年 10 月日本地震路面破坏
26 2008 年 5 月中国汶川地震破坏
27 三 次生灾害 次生灾害是指由一次灾害诱发的, 如地震后引起的火灾 水灾 海啸 逸毒 瘟疫等灾害 在地震工程中一般把地震灾害划分为一次灾害和次生灾害 一次灾害是指地震造成的直接灾害, 如建筑物倒塌 地面破坏和工程设施的破坏等 次生灾害为地震引起的间接灾害, 有时比地震直接造成的损失还大 如 1906 年美国旧金山大地震后的大火使全城几乎变成一片废墟
28 04 年 11 月印尼地震引发印度洋海啸
29 日本地震次生灾害致使列车出轨
30 1.3 工程杭震设防 抗震设防的目的和要求 一 抗震设防的目的 : 抗震设防的基本目的是在一定的经济条件下, 最大限度地限制和减轻建筑物的地震破坏, 保障人民生命财产的安全 建筑抗震设计的基本准则 : 小震不坏, 中震可修, 大震不倒 我国对小震, 中震, 大震规定了具体的概率水准.
31 二 我国地震烈度 intensity of seismic 的概率分布地震烈度的分布 ( 地震危险性分析结果 ) 地震烈度的概率分布函数符合极值 Ⅲ 型分布. ; ; 12; ) ( ) ( ) ( 1 的烈度众值烈度, 即峰值对应形状参数地震烈度 ; 地震烈度上限, 取 = ε ω ε ω ω ε ω ω k I e I k I f k I k k
32 三 多遇 基本 罕遇地震烈度 多遇烈度 ( 小震 ): 建筑物所在地区在设计基准期内 (50 年 ) 出现的频度最高的烈度, 也称为常遇烈度 小震烈度. 其超越概率为 63.2% 基本烈度 ( 中震 ): 一个地区未来 50 年内, 在一般场地条件下可能遭受的具有 10% 超越概率的地震烈度值称为该地区的基本烈度 罕遇烈度 ( 大震 ): 建筑物所在地区在设计基准期内具有超越概率 2%-3% 的地震烈度 设防烈度采用基本烈度 我国主要城市和地区的地震设防烈度见 P286
33 三种烈度关系示意图
34 四 抗震设防要求 根据设计准则, 我国规范提出三水准的抗震设防要求第一水准 : 当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时, 建筑物一般不受损坏或者不需修理仍可继续使用 第二水准 : 当遭受相当于本地区设防烈度的地震影响时, 建筑物可能损坏, 但经一般修理即可恢复正常使用 第三水准 : 当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时, 建筑物不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏
35 1.3.2 抗震设计方法 抗震规范采用两阶段设计方法 : 第一阶段 : 按多遇地震烈度对应的地震作用效应和其他荷载效应的组合验算结构构件的承载能力和结构的弹性变形 此阶段的设计是保证第一水准的要求 ( 小震不坏 ) 第二阶段, 按罕遇地震烈度对应的地震作用效应验算结构的弹塑性变形 此阶段的设计是保证第三水准的要求 ( 大震不倒 ) 如何保证第二水准的要求呢? 一般认为良好的抗震构造措施有助于第二水准 ( 中震可修 ) 的实现
36 1.3.3 建筑物重要性分类与设防标准 我国抗震设计规范将建筑物按其用途的重要性分为以下四类 : 特殊设防类建筑 : 指使用上有特殊设施, 涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑, 简称甲类 重点设防类建筑 : 指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑 以及地震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果, 需要提高设防标准的建筑, 简称乙类 标准设防类建筑 :1 2 3 类以外按标准要求进行设防的建筑, 简称丙类 适度设防类建筑 : 使用上人员稀少且震損不致产生次生灾害, 允许在一定条件下适度降低要求的建筑, 简称丁类
37 建筑物设防标准 : 甲类建筑 : 在 6-8 度设防区, 应按设防烈度提高一度计算地震作用和采取抗震构造措施 当 9 度区时, 应作专门研究 乙类建筑 : 按设防烈度进行抗震验算 但在抗震构造措施上提高一度考虑 丙类建筑 : 按设防烈度考虑地震作用计算和抗震构造 丁类建筑 : 按设防烈度考虑地震作用计算, 其抗震构造措施可适当降低要求 (6 度时不降低 )
38 本章小结 1. 地震类型 : 火山爆发 陷落地震 诱发地震 构造地震 2. 相关术语 : 震源 震中 震中距 地震震级 地震烈度 基本烈度 3. 抗震设防目标和要求 建筑重要性分类 建筑设防标准
39 本章结束, 谢谢!
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