第2章 抗震设计基本原则和要求

'土木工程学院建筑结构抗震设计第2章抗震设计基本原则和要求§2.1建筑抗震设计的基本特点（1）存在强烈的不确定性地震动输入、结构分析模型、分析方法、结构破坏模式等（2）应考虑结构反应的动力特征结构地震反应问题属动力学范畴，基于静力学问题的概念和规律并不都适用于抗震设计，如“算不清，加钢筋”（3）必须考虑结构的弹塑性行为允许结构强震中产生损伤和破坏，合理描述和估计结构的非线性行为过程是抗震设计区别于一般结构设计的一个难点。第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计§2.1建筑抗震设计的基本特点（续）（4）概念设计至关重要仅靠计算是不够的，计算设计只解决了问题的一方面，还需要依赖工程实践和经验总结出的概念和构造措施。（5）实质上在于引导一种预期的结构破坏模式抗震结构应具有合理的破坏模式：部位、顺序和程度。（6）是强度、刚度、延性的综合控制问题强度：结构所能承受的地震作用大小；刚度：结构所受地震作用大小，变形大小和破坏状态；延性：结构自屈服到极限状态间的变形和耗能能力。建筑抗震设计赋予了设计者更大的主观能动性第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计§2.2抗震设防类别与设防标准§2.2.1建筑抗震设防类别：考虑建筑物遭遇地震后可能造成的人员伤亡、直接和间接经济损失、社会影响的程度及其在抗震救灾中的作用等因素，对各类不同使用性质的建筑物所做的设防类别划分。我国《建筑工程抗震设防分类标准》GB500223-2008将建筑物按其用途的重要性分为四类：“抗震设防类别”特殊设防类(甲类)：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。重点设防类(乙类)：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。标准设防类(丙类)：一般建筑，除甲、乙、丁类建筑以外的一般工业与民用建筑。适度设防类(丁类)：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。〔普通仓库、人员较少的辅助建筑物等〕。第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计特殊设防类(甲类)建筑工程抗震设防分类标准GB50223-2008三级医院中承担特别重要医疗任务的门诊、医技、住院用房；承担研究、中试和存放剧毒的高危险传染病病毒任务的疾病预防与控制中心；国家和区域的电力调度中心；国际出入口局、国际无线电台，国家卫星通信地球站，国际海缆登陆站；国家级、省级的电视调频广播发射塔建筑（当混凝土结构塔的高度大于250m或钢结构塔的高度大于300m时）。第2章抗震设计基本原则和要求 土木工程学院建筑结构抗震设计重点设防类(乙类)建筑工程抗震设防分类标准GB50223-2008防灾救灾建筑：医院门诊、医技、住院用房；疾病预防与控制中心建筑；城镇的给水、排水、燃气、热力建筑工程；省（市）电力调度中心；火力发电厂、变电所的生产建筑；交通运输建筑；座位≥1200座邮电通信、广播电视建筑；结构单元内经常使用幼儿园、中小学教人数超过8000人容纳5000人以上学用房工业建筑：采煤、采油和矿山冶金、化工生产建筑；公共建筑和居住建筑：体育建筑、影剧院、博物馆、档案馆、商场、展览馆、会展中心、教育建筑、高层建筑等居住建筑。第2章抗震设计基本原则和要求 土木工程学院建筑结构抗震设计§2.2.2建筑抗震设防标准抗震设防计算地震作用抗震措施类别采用的烈度（主要体现在抗震等级、抗震调整等）设防烈度＋1度（6~8度）甲类高于设防烈度高于设防烈度（9度）设防烈度＋1度（6~8度）乙类设防烈度高于设防烈度（9度）丙类设防烈度设防烈度较设防烈度适当降低（7~9度）丁类设防烈度设防烈度（6度）6度时，除规定要求计算外，乙、丙、丁类可不计算，但应采取相应的抗震措施不同建筑物实际抗震能力不同，甲类：“中震不坏、大震可修”；丁类：达不到“中震可修、大震不倒”第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计§2.3结构设计地震动地震动特性:幅值、频谱和持时影响因素复杂地震动输入形式：设计地震动参数：幅值、频谱详见第3章设计基本地震加速度反应谱表2-2抗震设防烈度和设计基本地震加速度值的对应关系抗震设防烈度6度7度8度9度设计基本地震加速度值0.05g0.10g(0.15g)0.20g(0.30g)0.40g地震动时程曲线：实际地震记录人工波根据烈度确定地震加速度时程的最大值进行调幅见3.4.3节第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计设计地震分组㈠、问题的提出下图中的两座建筑在经历不同周期特点的地震作用下，哪座建筑更易破坏？地震波传播过程中不断“损耗”，波的高频成分相对含量将随震中距逐渐衰减；建筑位于震中或震中距在100km范围内时，地震波高频成分相对丰富，“类共振”现象导致地面上的普通建筑物破坏严重。当震中距在100km之外时，高频成分大量衰减，此时地震波以长周期为主，“类共振”现象将导致高层建筑震害加重。第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计㈡、设计地震分组在宏观烈度大体相同条件下，处于大震级远离震中的高耸建筑物的震害比中小震级，近震中距的情况严重得多。6度近震7度近震6度远震7度远震设计地震分组是《建筑抗震设计规范》GB50011-2001提出的概念，用以代替旧规范GBJ11-89设计近震、远震的概念。设计地震分组（见GB50011-2010附录A）：对于Ⅱ类场地，第一、二、三组的设计特征周期分别为：0.35s、0.40s、0.45s。第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计§2.4概念设计及要求三个层次：概念设计（conceptdesign）、抗震计算、抗震措施概念设计：在总体上把握抗震设计的基本原则；抗震计算：定量手段；抗震措施：保证抗震计算结果有效，确保中、大震性能。第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计§2.4.1建筑抗震概念设计定义: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，进行建筑和结构总体布置并确定细部构造的过程。重要性：概念设计比抗震计算更重要（地震动、模型、分析方法等不确定性）有助于掌握抗震设计思路，运用抗震设计原则，避免陷入盲目的计算工作美国结构工程师HenryDegenkolb：“假如我们从一个不良的体系着手，则工程师所能做到的就是提供绷带——尽可能地改善一个根本上就拙劣的方案。反之，如果我们从一个良好的体型与合理的结构设计着手，即使是一个拙劣的工程师，也不能过分损害它的极限功能。”第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计建筑抗震概念设计内容：场地选择结构规则性结构体系（多道防线；强度、刚度与延性的匹配）重视非结构因素抗震措施（seismicfortificationmeasures）：除地震作用计算和抗力计算以外的抗震设计内容，包括抗震构造措施。抗震构造措施（detailsofseismicdesign）：根据抗震概念设计原则，一般不需计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。第2章抗震设计基本原则和要求 土木工程学院建筑结构抗震设计§2.4.2场地选择建筑场地的地质条件与地形地貌对建筑物震害有显著影响。(地表错动、地裂、液化、地基不均匀沉降、滑坡)原则：（1）选择有利地段；规范规定？（2）避开不利地段；（3）不在危险地段建设。第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计场地选择（断层）1995阪神地震中断层错动导致上方建筑破坏第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计场地选择（断层）2008年“5.12汶川”地震断层穿越彭州市白鹿镇中学两相邻教学楼第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计场地选择（地质条件）工程地质条件对地震破坏的影响很大。地震烈度异常现象，即“重灾区里有轻灾，轻灾区里有重灾”，因为局部地区的工程地质条件不同。水边地土壤滑动、地层液山体滑坡人工处理地基化－倾斜、沉陷第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计场地选择（局部突出地形影响）局部突出地形的影响1994年云南昭通地震，芦家湾某村坐落于山梁上，山梁长150m，顶部最宽15m，最窄5m，高60m，距震中18km。烈度为8度烈度为9度规烈度为7度律？突出端部最大加速度0.632g，鞍部0.257g，大山根部0.431g。第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计表4.1.1有利、不利和危险地段的划分（GB50011-2001）地段类别地质、地形、地貌稳定基岩，坚硬土，开阔、平坦、密实、均匀的中硬有利地段土等。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、河岸和边坡的边缘，平面分布上成因不利地段岩性状态明显不均匀的土层（如故河道疏松的断层破碎带暗埋的塘浜沟谷和半填半挖地基）等。地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等危险地段及发震断裂带上可能发生地表位错的部位。第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计§2.4.3结构规则性建筑体形：简单、对称、规则→与建筑造型、功能的矛盾？结构布置的基本原则：对称，规则，质量与刚度分布及变化均匀。对称的本质：减轻地震扭转效应。规则的本质：地震时结构各部分的振动易于协调一致，减少应力集中现象。质量与刚度分布及变化均匀的含义：结构平面：结构刚度中心与质量中心一致；结构竖向：质量与刚度不宜有悬殊变化，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；结构刚度、强度突变导致出现薄弱层（软弱层），体现为变形集中，加速结构的倒塌破坏过程。结构上部刚度突然减小时，会形成地震反应的“鞭梢效应”，即变形在结构顶部集中的现象。第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计结构规则性1972年2月23日南美洲的马那瓜地震。地震烈度估计为8度.马那瓜中央银行大厦15F马那瓜美洲银行大厦18F第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计结构规则性第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计结构均匀对称，基本的抗侧力体系包括4个L形的桶体，对称地由连梁连接起来，连梁在地震时遭到剪切破坏，是整个结构能观察到的主要破坏。美洲银行分析表明：1.对称的结构布置及相对刚强的联肢墙，有效地限制了侧向位移，并防止了明显的扭转效应；2.避免了大度楼板和砌体填充墙损坏；3.连梁剪切破坏后，结构体系的位移虽有明显增加，但由于抗震墙提供了较大的侧向刚度，位移量得到控制。中央银行1）平面不规则4个楼梯间偏置塔楼西端，西端有填充墙。4层以上楼板仅5cm厚，搁置在高45cm长14m小梁上。2）竖向不规则塔楼上部（4层楼面以上），北、东、西三面布置了密集的小柱子，共64根，支承在4层楼板水平处的过渡大梁上，大梁下10根1m×1.55m的柱子（间距9.4m）。上下严重不均匀，不连续。主要破坏：4层与5层之间(竖向刚度和承载力突变),周围柱子严重开裂，柱钢筋压屈；横向裂缝贯穿3层以上的所有楼板(有的宽达1cm),直至电梯井东侧；塔楼西立面、其他立面窗下和电梯井处的空心砖填充墙及其它非结构构件均严重破坏或倒塌。震后计算分析结果:1.结构存在十分严重扭转效应;2.塔楼3层以上北面和南面大多数柱子抗剪能力大大不足,率先破坏；3.水平地震作用下,柔而长的楼板产生可观的竖向运动等。第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计结构规则性OliveViewHospital，上部刚度比下部约大10倍，1972年地震时底层柱子严重酥裂，侧移达60cm，上部结构平移。第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计结构规则性天津南开大学主楼，1976年7月28日地震时，下部7层框架无损伤，但塔楼严重破坏，向南倾斜20cm；1976年11月15日宁河地震后塔楼塌落。第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计§2.4.4结构体系合理的结构体系是经济有效地实现抗震设防目标的基本前提。结构抗震体系概念设计的两个层面：1、抗震结构体系层面：抗震结构体系应体现出足够的抗震承载能力、良好的变形能力、耗能能力以及合理的破坏模式。要求：（1）传力合理、简捷的结构体系；（2）具有多道抗震防线；（3）强度、变形、耗能的协调性;（4）避免薄弱。第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计（1）传力合理、简捷的结构体系有利于地震传力路线不间断、实现合理的传力机制；有利于保证计算分析更符合结构的实际地震行为。第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计（2）设置多道防线可增强结构的耗能能力；避免因部分结构或构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力或对重力的承载能力形式：多重延性分体系组成（框剪、框筒、框撑、框墙、筒中筒）多种手段：多重体系、采用超静定结构、设置塑性铰、利用框架的填充墙、设置耗能元件或耗能装置等原则：1、不同的设防阶段应使结构周期有明显差别，避免共振；2、最后一道防线要具备一定的强度和足够的变形能力。第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计（3）具有必要的抗震承载能力、良好的变形能力和耗能能力抗震结构如何抵抗地震？（1）前期？承载力（2）后期？变形能力（延性）（3）破坏模式！耗散能量！！（4）强度、刚度分布合理避免局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中对可能的薄弱部位应采取措施提高其抗震能力，但应注意避免局部加强造成薄弱部位转移有意识的控制薄弱部位，保障其变形能力，实现最大限度的耗能第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计2、结构构件层面：要求结构构件及连接具有良好的变形能力强度、刚度、延性匹配高强度低延性中强度中延性低强度高延性图2-1弹性与塑性利用延性吸收更多的地震输入能量，有利于抵御结构倒塌的发生。第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计§2.5抗震设计计算分析基本要求不同计算内容，方法及要求则不同多遇地震内力变形分析：弹性结构，线性静力或动力方法（时程分析法）罕遇地震弹塑性变形验算：静力弹塑性分析方法、弹塑性时程分析方法、简化方法（规则简单的结构）抗震结构的分析模型应尽可能与实际相符通常情况：空间分析模型楼屋盖为刚性且质量和刚度分布接近对称：平面分析模型复杂结构的多遇地震反应分析：两个以上的力学模型进行互相校验结构层间位移较大（在地震作用下的重力附加弯矩大于初始弯矩的10%）：应计入重力二阶效应的影响。采用计算机程序计算的分析结果，须经过判断确认合理、有效后方可用于抗震设计第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计§2.6非结构构件抗震基本要求非结构构件的范围：建筑中构成结构体系之外的构件+附属机电设备机架等附属结构构件（如女儿墙、雨棚等）、装饰物（如饰面、顶棚等）围护结构（如隔墙、维护墙）非结构构件在地震作用下的影响（1）影响主体结构的动力特性（阻尼、周期等）（2）参与工作，改变结构或某些构件的刚度、承载力和传力路线，产生非预期的震害。（填充墙、局部短柱）非结构构件的抗震设计要求：•可靠的连接或锚固（女儿墙、雨棚、围护墙、幕墙等）：避免倒塌伤人；•应考虑对主体结构的有利、不利影响，采取合理措施（填充墙）；•采取必要的防坠落措施；•附属机械、电气设备系统的支架和连接，应符合地震时使用功能的要求，且不应导致相关部件的损坏。第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日 土木工程学院建筑结构抗震设计§2.7结构材料及施工基本要求基本原则：减少材料脆性，确保施工程序贯彻原抗震设计意图材料方面（1）砌体结构材料：标号不太低！（2）混凝土结构材料：混凝土：强度等级不能太低！也不能太高？钢筋：部分构件（抗震等级为一、二级的框架结构）纵向受力钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25、屈服强度实测值与强度标准值的比值不应大于1.3；Why？（3）钢结构材料：钢材的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.2，具有明显的屈服台阶且伸长率应大于20%，有良好的可焊性和合格的冲击韧性等。施工方面砌体结构：先砌墙，后浇构造柱、芯柱；混凝土结构：钢筋替换时，应按照等强度原则，并满足构造要求；钢结构：厚度较大的钢板焊接应符合规定的受拉试件截面收缩率要求等。第2章抗震设计基本原则和要求2016年9月21日'