建筑结构模块10课件.ppt
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- 建筑结构 模块 10 课件
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1、 模块模块10 10 建筑结构抗震设计建筑结构抗震设计地震基础知识抗震设防与概念设计建筑场地和地基基础的抗震设计多层框架结构的抗震设计多层砌体结构的抗震设计知识目标知识目标(1 1)了解地震的类型、成因及其他相关的基础知识。)了解地震的类型、成因及其他相关的基础知识。(2 2)熟悉建筑抗震设防的分类、标准及原则。)熟悉建筑抗震设防的分类、标准及原则。(3 3)熟悉建筑抗震概念设计的内容。)熟悉建筑抗震概念设计的内容。(4 4)掌握建筑场地、地基与基础抗震设计及构造措施。)掌握建筑场地、地基与基础抗震设计及构造措施。(5 5)掌握多层框架结构的抗震设计及构造措施。)掌握多层框架结构的抗震设计及构
2、造措施。(6 6)掌握多层砌体结构的抗震设计和构造措施。)掌握多层砌体结构的抗震设计和构造措施。模块模块10 10 建筑结构抗震设计建筑结构抗震设计10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识地球是一个半径约为6 400 km的椭圆球体,它由三层不同的物质构成:最表面的一层是很薄的地壳,平均厚度约为30 km;中间很厚的一层是地幔,厚度约为2 900 km;最里面的一层称为地核,其半径约为3 500 km。地球的构造如图10-1所示。图10-1 地球的构造10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识地震是一种自然现象。全世界每年大约发生500万次地震。这些地震绝大多数震级很小,不用灵敏的仪器无
3、法测到。这样的小地震约占一年中地震总数的99%,剩下的1%才是人们可以感觉到的,其中能造成严重破坏的大地震大约发生18次。10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识10.1.110.1.1地震的类型地震按其成因可分为火山地震、陷落地震和构造地震。由于火山爆发而引起的地震称为火山地震;由于地表或地下岩层突然大规模陷落和崩塌而造成的地震称为陷落地震;由于地壳运动,推挤地壳岩层使其薄弱部位发生断裂错动而引起的地震称为构造地震。前两种地震的影响范围和破坏程度相对较小,而后一种地震的破坏作用较大,影响范围也较广,通常在研究工程抗震时将其作为重点研究对象。10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识10
4、.1.210.1.2构造地震的成因地球内部在不停地运动着,在地球的运动过程中,始终存在巨大的能量,而组成地壳的岩层在这种巨大能量的作用下,也不停地连续变动,不断地发生褶皱、断裂和错动,如图10-2所示。图10-2 地壳构造的变动与地震的形成(a)岩层的原始状态(b)岩层受力后发生褶皱变形(c)岩层断裂,产生振动10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识10.1.210.1.2构造地震的成因这种地壳构造状态的变动,使岩层处于复杂的地应力作用之下。不断的地壳运动使地壳某些部位的地应力逐渐加强,当弹性应力的积聚超过岩石的强度极限时,岩层就会发生突然的断裂和猛烈的错动,从而引起振动。振动以波的形式传
5、到地面,便形成构造地震。由于岩层的破裂往往不是沿一个平面发展的,而是形成由一系列裂缝组成的破碎地带,并且沿整个破碎地带的岩层不可能同时达到平衡,因而,在一次强烈地震(即主震)之后,岩层的变形还会进行不断的零星调整,从而形成一系列余震。10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识构 造 地震与地质构造密切相 关,这种地震往往发生在地应力比较集中、构造比较脆弱的地段,即原有断层的端点或转折处、不同断层的交会处。10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识10.1.310.1.3地震波地震发生时,震源处的岩石破裂,并产生巨大的残余变形,地震的能量从震源释放出来,其中小部分的能量引起振动,以波的形式传
6、到地球表面各处,这就是地震波。地震波按其传播途径的不同可分为体波和面波两类。10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识体波体波1.在地球内部传播的波称为体波。体波又分为纵波(primary wave)和横波(secondary wave)两类。(1)纵波。纵波或称P波,是由震源通过介质的质点以疏密相间的方式向四周传播的压缩波(见图10-3),其质点的振动方向与波的传播方向一致。图10-3 纵波10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识声音在空气中的传播即是一种纵波。纵波的周期短、振幅小、波速快。其波速vp可按式(10-1)计算。)21)(1()1(Evp(10-1)式中,E为介质弹性模量;
7、为介质泊松比;为介质密度。10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识(2)横波。横波或称S波,它通过介质的质点、垂直于传播方向以蛇形振动的形式传播,如图10-4所示。图10-4 横波10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识横波传播时,物体的体积不变,但形状改变,即发生剪切变形,故横波又称为剪切波。因此,对于没有固定形状的液体,横波无法通过。地震学者据此推测地核的外核可能为液体。横波介质质点的振动方向与波的传播方向垂直。与纵波相比,横波的周期长、振幅大、波速慢。横波的波速vs可按式(10-2)计算。GEvs)1(2(10-2)式中,G为介质的剪切模量;其他符号含义同前。10.1 10.1
8、地震基础知识地震基础知识纵波引起地面垂直方向的振动,横波引起地面水平方向的振动。由式(10-1)和式(10-2),当取=1/4时,得spvv3(10-3)可见,纵波比横波的传播速度要快。根据波速的不同,可通过分析地震记录图上纵波和横波到达的时差来确定震源距。10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识面波面波2.从震源发生的以弹性波形式向各个方向传播的体波到达地球表面后,经过途中层状地壳岩层界面的折射和反射,产生沿地表传播的波称为面波,它是在一定条件下激发的次生波。面波有两种:瑞利波(Rayleigh wave)和勒夫波(Love wave)。瑞利波传播时,质点在波的传播方向和地面法线所确定的
9、铅垂平面内,以滚动形式做逆进椭圆运动(见图10-5)。而勒夫波传播时,质点在地面上做垂直于波传播方向的振动,以蛇行运动的方式前进(见图10-6)。10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识图10-5 瑞利波图10-6 勒夫波10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识面波振幅大、周期长,只在地表附近传播,振幅随深度的增加而迅速减小,速度约为横波的90%。面波比体波衰减慢,能传播到很远的地方。地震发生时,在地震仪上可记录到图10-7所示的地震记录。最先到达的是纵波(P),其表现出周期短、振幅小的特点。其次到达的是横波(S),其表现出周期长、振幅大的特点。接着是面波中的勒夫波(L)。过去一般认为
10、,面波的振幅最大,横波和面波都到达地面时振动最为剧烈,使工程结构物发生破坏。但近年来,尤其是从日本阪神大地震(1995年1月17日)震后的宏观调查及地震记录中发现,由纵波造成的破坏也不容忽视。10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识图10-7 地震记录10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识10.1.410.1.4震级与地震烈度震级震级1.震级是表示地震本身大小的尺度。目前,国际上比较通用的是里氏震级,其原始定义是1935年由美国地震学家里克特(Richter)给出的,即地震震级M为M=lg A (10-4)式中,A是标准地震仪(指周期为0.8 s、阻尼系数为0.8、放大倍数为2 80
11、0倍的地震仪)在距震中100 km处记录的以微米(1 m=10-6 m)为单位的最大水平地动位移(单振幅)。例如,在距震中100 km处地震仪记录的振幅是1 mm,即 1 000 m,其对数为3,根据定义,这次地震就是3级。10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识震级与震源释放能量的大小有关,震级每差一级,通过地震被释放的能量约差32倍。一般认为,小于2级的地震,人们感觉不到,只有仪器才能记录下来,称为微震;24级的地震,人就能感觉到了,称为有感地震;5级以上的地震能引起不同程度的破坏,称为破坏性地震;7级以上的地震,则称为强烈地震或大震;8级以上的地震,称为特大地震。据1935年后所提出
12、的震级测算方法计算,1960年5月发生在智利的8.9级地震,是目前记录到的世界最大地震,它所释放出来的能量之大是空前的,海啸规模巨大,地面形态变化非常显著,其破坏性之大,在世界上是十分罕见的。10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识地震烈度地震烈度2.地震烈度是指某一地区的地面和各类建筑物遭受到一次地震影响的强弱程度。对于一次地震,虽然表示地震大小的震级只有一个,但它对不同地点的影响是不一样的。一般来说,随距离震中远近的不同,烈度会有差异,距震中越远,地震影响越小,烈度越低;反之,地震影响越大,烈度越高。此外,地震烈度还与地震大小、震源深度、地震传播介质、表土性质、建筑物动力特性、施工质量
13、等许多因素有关。10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识评定地震烈度需要建立一个标准,这个标准被称为地震烈度表。它是以描述震害宏观现象为主的,即根据建筑物的损坏程度、地貌变化特征、地震时人的感觉、家具动作反应等方面进行区分。由于对烈度影响轻重的分段不同,以及在宏观现象和定量指标确定方面有差异,加之各国建筑情况及地表条件不同,各国所制定的烈度表也就不同。现在,除了日本采用从0度到7度分成8等的烈度表、少数国家(如欧洲一些国家)用10度划分的地震烈度表外,绝大多数国家包括我国都采用分成12度的地震烈度表。考虑到抗震设计的需要,我国颁布了具有参考物理指标的中国地震烈度表(GB/T 1774220
14、08)。10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识一般来说,震中烈度是地震大小和震源深度两者的函数。由于对人民生命财产影响最大的、发生最多的地震的震源深度一般为1030 km,所以,我们可以在近似认为震源深度不变的前提下,进行震中烈度I0与震级M之间关系的研究。根据我国范围内既有宏观资料又有仪器测定震级的35次地震资料,中国地震目录(1983年版)给出了估定震级的经验公式:M=0.58I0+1.5 (10-5)10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识10.1.510.1.5等震线、基本烈度与抗震设防烈度等震线等震线1.一次地震发生后,在该地震波及的地区内,根据现场调查和通信调查,按照地震
15、烈度表可对该区域内尽可能多的点评出一个烈度。烈度相同区域的外包线称为等烈度线或等震线。一般来说,某地点的烈度随震中距的增大而递减。因此,等震线的度数也随震中距的增加而递减。但由于震源往往不是一个点,尤其是大地震或强烈地震,其震源往往是几十、几百千米的断裂错位,所以,等震线不可能是一些同心圆,再加上地质、地形等的影响,等震线多是一些不规则的曲线。10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识在等震线图中常可见到一些零星分布的烈度异常区。所谓异常,指的是这一片小地区的烈度与其周围大片地区的烈度相比不一样。例如,1976年唐山发生大地震时,在唐山西北约50 km处的玉田县,就是度区中的度低异常区。10
16、.1 10.1 地震基础知识地震基础知识基本烈度基本烈度2.一个地区的基本烈度是指该地区在设计基准期50年内,一般场地条件下,可能遭遇超越概率为10%的地震烈度。中国地震局颁布的中国地震烈度区划图给出了全国各地基本烈度的分布。该图上各个地区的基本烈度是根据未来50年内可能发震的断层、震级的大小、烈度衰减规律等,用概率论的方法确定的。10.1 10.1 地震基础知识地震基础知识抗震设防烈度抗震设防烈度3.抗震设防烈度是指按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。一般情况下抗震设防烈度可采用中国地震烈度区划图的地震基本烈度。10.2 10.2 抗震设防与概念设计抗震设防与概念设计10
17、.2.110.2.1抗震设防抗震设防是指对房屋进行抗震设计和采取抗震措施,以达到抗震的目的。抗震设防的依据是抗震设防烈度。10.2 10.2 抗震设防与概念设计抗震设防与概念设计建筑抗震设防分类建筑抗震设防分类1.建筑工程应分为以下四个抗震设防类别:(1)特殊设防类: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等特别重大灾害后果,需要进行特殊设防的建筑,简称甲类。(2)重点设防类:指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关建筑,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。(3)标准设防类:指大量的除(1)、(2)、(4
18、)款以外按标准要求进行设防的建筑,简称丙类。(4)适度设防类:指使用上人员稀少且震损不致产生次生灾害,允许在一定条件下适度降低要求的建筑,简称丁类。10.2 10.2 抗震设防与概念设计抗震设防与概念设计建筑抗震设防标准建筑抗震设防标准2.各抗震设防类别建筑的抗震设防标准,应符合下列要求:(1)特殊设防类(甲类),应按高于本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施;但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施。同时,应按批准的地震安全性评价的结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定其地震作用。(2)重点设防类(乙类),应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施;但抗震设防烈
19、度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施;地基基础的抗震措施,应符合有关规定。同时,应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。10.2 10.2 抗震设防与概念设计抗震设防与概念设计(3)标准设防类(丙类),应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用,达到在遭遇高于当地抗震设防烈度的预估罕遇地震影响时不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏的抗震设防目标。(4)适度设防类(丁类),允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低其抗震措施,但抗震设防烈度为6度时不应降低。一般情况下,仍应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。对于划为重点设防类而规模很小的工业建筑,当改用抗震性能较好的材料且符合抗震设计规范对
20、结构体系的要求时,允许按标准设防类设防。10.2 10.2 抗震设防与概念设计抗震设防与概念设计建筑抗震设防的原则建筑抗震设防的原则3.建筑抗震设防应遵守的原则主要有以下几点:(1)结构构件的截面抗震验算,应采用下列设计表达式:RERS(10-6)式中,S为结构构件内力组合的设计值,包括组合的弯矩、轴向力和剪力设计值;R为结构构件承载力设计值;RE为承载力抗震调整系数。当仅计算竖向地震作用时,各类结构构件承载力抗震调整系数均宜采用1.0。10.2 10.2 抗震设防与概念设计抗震设防与概念设计(2)抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑,必须进行抗震设计。(3)建筑抗震设计规范(GB 500112
21、010)适用于抗震设防烈度为6、7、8和9度地区一般的建筑工程的抗震设计及隔震、消能减震设计。抗震设防烈度大于9度地区的建筑及行业有特殊要求的工业建筑,其抗震设计应按有关专门规定执行。(4)抗震设防烈度必须按国家规定的权限审批、颁发的文件(图件)确定。(5)一般情况下,建筑的抗震设防烈度应采用根据中国地震动参数区划图确定的地震基本烈度。对已编制抗震设防区划的城市,可按批准的抗震设防烈度或设计地震动参数进行抗震设防。10.2 10.2 抗震设防与概念设计抗震设防与概念设计10.2.210.2.2建筑抗震概念设计建筑抗震概念设计是指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想,进行建筑和
22、结构总体布置并确定细部构造的过程。由于地震的不确定性和复杂性,构件的轴向变形、材料特性的时效变化、结构阻尼、地基与结构共同作用等因素在结构分析中难以考虑,目前的抗震计算仍不够严密。因此,要使结构具有较好的抗震性能和使计算分析结果更能真实反映地震时结构反应的实际情况,应首先做好抗震概念设计。10.2 10.2 抗震设防与概念设计抗震设防与概念设计场地和地基场地和地基1.(1)选择建筑场地时,应根据工程需要和地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料,对抗震有利、一般、不利和危险地段做出综合评价。对不利地段,应提出避开要求;当无法避开时应采取有效的措施。对危险地段,严禁建造甲、乙类的建筑,不应建造
23、丙类的建筑。建筑抗震有利地段一般是指稳定基岩,坚硬土或开阔平坦、密实均匀的中硬土等地段;不利地段一般是指软弱土、液化土、条状突出的山嘴,高耸孤立的山丘,非岩质的陡坡,河岸和边坡边缘,在平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层(如古河道、断层破碎带、暗埋的塘浜沟谷及半填半挖地基)等地段;危险地段一般是指地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发震断裂带上可能发生地表错位的部位等地段。10.2 10.2 抗震设防与概念设计抗震设防与概念设计(2)建筑场地为类时,对甲、乙类的建筑应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施;对丙类的建筑应允许按本地区抗震设防烈度降低一度的要求采取抗震
24、构造措施,但抗震设防烈度为6度时仍应按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。(3)建筑场地为、类时,对设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区,除建筑抗震设计规范(GB 500112010)另有规定外,宜分别按抗震设防烈度为8度(0.20g)和9度(0.40g)时各抗震设防类别建筑的要求采取抗震构造措施。(4)地基和基础设计应符合下列要求:10.2 10.2 抗震设防与概念设计抗震设防与概念设计同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上。同一结构单元不宜部分采用天然地基部分作为桩基。地基为软弱黏性土、液化土、新近填土或严重不均匀土时,应根据地震时地基不均匀沉降和其他不利影响,
25、采取相应的措施。10.2 10.2 抗震设防与概念设计抗震设防与概念设计建筑结构的规则性建筑结构的规则性2.(1)建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称,并应具有良好的整体性;建筑的立面和竖向剖面宜规则,结构的侧向刚度宜均匀变化,竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小,避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。(2)不规则的建筑结构,应按下列要求进行地震作用计算和内力调整,并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施:10.2 10.2 抗震设防与概念设计抗震设防与概念设计平面不规则而竖向规则的建筑,应采用空间结构设计模型,并应符合下列要求:扭转不规则时,应计入扭转影响,且楼层竖向构件最大
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