建筑结构 第十五章 建筑抗震设计基本知识二.pptx

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1、 第十五章第十五章 地震作用和结构的抗震验算地震作用和结构的抗震验算第一节第一节 地震基本知识地震基本知识第二节第二节 抗震设计的基本要求抗震设计的基本要求第三节第三节 地震作用的计算地震作用的计算第四节第四节 结构的自振周期结构的自振周期第五节第五节 结构的抗震验算结构的抗震验算第五编第五编 建筑抗震设计基本知识建筑抗震设计基本知识第一节第一节 地震基本知识地震基本知识一、一、地震的类型地震的类型二、二、常用术语常用术语一、一、地震的类型地震的类型v地震是由于地壳构造运动地震是由于地壳构造运动(岩层构造状态的变动岩层构造状态的变动)或其或其它原因而引起的地面振动的现象。它原因而引起的地面振动

2、的现象。v地震按其成因可分为：火山地震，陷落地震和构造地地震按其成因可分为：火山地震，陷落地震和构造地震。震。1.火山地震火山地震由于火山爆发而引起的地震；由于火山爆发而引起的地震；2.陷落地震陷落地震由于地表或地下岩层突然大规模陷落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；和崩塌而造成的地震；3.构造地震构造地震由于地壳运动，推挤地壳岩层使其薄由于地壳运动，推挤地壳岩层使其薄弱部位发生断裂错动而引起的地震。弱部位发生断裂错动而引起的地震。v 前二种地震的影响范围和破坏程度相对较小，而后前二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力大一种地震的破坏力大 二、二、常用术语

3、常用术语1.地震震级：地震震级：1)震级是表示地震本身大小（释放能量多少）的尺度。目前，震级是表示地震本身大小（释放能量多少）的尺度。目前，国际上比较通用的是国际上比较通用的是里氏震级里氏震级，其原始定义为，其原始定义为1935年由里年由里克特克特(Richter)给出，即地震震级给出，即地震震级M为为 M=logA 2)震级与震源释放能量的大小有关，震级每差一级，地震释震级与震源释放能量的大小有关，震级每差一级，地震释放的能量将差放的能量将差32倍。倍。v微震微震 小于小于2级的地震；级的地震；v有感地震有感地震 2 4级地震，人能感觉到级地震，人能感觉到;v破坏性地震破坏性地震 5级以上地

4、震，能引起不同程度的破坏；级以上地震，能引起不同程度的破坏；v强烈地震强烈地震 7级以上的地震。级以上的地震。2.地震烈度地震烈度v地地震震烈烈度度是是指指某某一一地地区区的的地地面面和和各各类类建建筑筑物物遭遭受受到到一一次次地地震震影影响响的的强强弱弱程程度度。对对于于一一次次地地震震，表表示示地地震震大大小小的的震震级只有一个；级只有一个；v 随距离震中的远近不同，烈度就有差异随距离震中的远近不同，烈度就有差异。v 评评定定地地震震烈烈度度的的标标准准就就称称为为地地震震烈烈度度表表。绝绝大大多多数数国国家家包括我国都采用分成包括我国都采用分成12度的地震烈度表。度的地震烈度表。3.基本

5、烈度基本烈度v作作为为一一个个地地区区抗抗震震设设防防依依据据的的地地震震烈烈度度，它它是是指指该该地地区区今今后后一一定定时时期期内内，在在一一般般场场地地土土条条件件下下，可可能能遭遭受受的的最最大大地地震震烈烈度度，也也就就是是由由国国家家地地震震局局制制定定的的全全国国地地震震烈烈度度区区划划图图规定的烈度。规定的烈度。4.设防烈度：设防烈度：建筑物抗震设防时采用的烈度。建筑物抗震设防时采用的烈度。v 地震对建筑物的影响地震对建筑物的影响第二节第二节 抗震设计的基本要求抗震设计的基本要求一、一、建筑抗震设防分类和设防标准建筑抗震设防分类和设防标准二、二、抗震设防的目标抗震设防的目标 三

6、、三、抗震概念设计抗震概念设计一、一、建筑抗震设防分类和设防标准建筑抗震设防分类和设防标准1.抗震设防类别抗震设防类别 根据建筑的使用功能的重要性，分为甲类、根据建筑的使用功能的重要性，分为甲类、乙类、丙类、丁类四个抗震设防类别。乙类、丙类、丁类四个抗震设防类别。2.抗震设防标准抗震设防标准甲类建筑甲类建筑乙类建筑乙类建筑丙类建筑丙类建筑丁类建筑丁类建筑二、二、抗震设防的目标抗震设防的目标 v抗震设防的目标抗震设防的目标 三水准要求：三水准要求：所谓的三水准抗震目标，可简单的概括为：所谓的三水准抗震目标，可简单的概括为：1）小震不坏）小震不坏2）中震可修）中震可修3）大震不倒）大震不倒三、抗震

7、概念设计三、抗震概念设计 概概念念设设计计 指指一一些些在在计计算算中中或或在在规规范范中中难难以以作作出出具具体体规规定定的的问问题题，必必须须由由工工程程师师运运用用“概概念念”进进行行分析，作出判断，以便采取相应的措施。分析，作出判断，以便采取相应的措施。结构破坏机理的概念；结构破坏机理的概念；力学概念；力学概念；由震害、试验现象等总结提供的各种宏观的和具体的经验等。由震害、试验现象等总结提供的各种宏观的和具体的经验等。概念及经验要贯穿在方案确定及结构布置过程中，概念及经验要贯穿在方案确定及结构布置过程中，应体现在计算简图或计算结果的处理中，应体现在计算简图或计算结果的处理中，对某些薄弱

8、部位的配筋构造起作用。对某些薄弱部位的配筋构造起作用。概概念念设设计计带带有有一一定定的的经经验验性性。但但它它和和抗抗震震计计算算、构构造造设设计计等等是是不不可可分分割割、互互为为补补充充的的抗抗震震设设计计的的重重要要组成部分。组成部分。1.场地、地基和基础选择场地、地基和基础选择场地土的分类场地土的分类场地的选择场地的选择地基和基础选择地基和基础选择2.结构的平面和立面布置结构的平面和立面布置3.结构体系的选择结构体系的选择4.抗震结构构件及其连接抗震结构构件及其连接5.非结构构件非结构构件6.材料选择和施工材料选择和施工第三节第三节 地震作用的计算地震作用的计算一、一、重力荷载代表值

9、重力荷载代表值二、二、单质点弹性体系的地震作用单质点弹性体系的地震作用三、三、多质点弹性体系的地震作用多质点弹性体系的地震作用一、一、重力荷载代表值重力荷载代表值v一一般般把把各各层层质质量量集集中中在在楼楼层层处处，n n个个楼楼层层即即形形成成n n个个质质点点。每每一一楼楼面面标标高高位位置置的的重重量量（称称重重力力荷荷载载代代表表值）由以下几部分组成：值）由以下几部分组成：恒恒荷荷载载（本本层层楼楼面面结结构构及及上上、下各半层墙、柱）的全部；下各半层墙、柱）的全部；雪荷载的雪荷载的5050；一一般般楼楼面面活活荷荷载载的的5050，藏藏书书库库、档档案案库库活活荷荷载载的的8080

10、。v简简化化后后的的计计算算简简图图如如图图，图图中中G Gi i为为第第i i层层质质点点的的重重力力荷载代表值。荷载代表值。1.1.单质点体系单质点体系v等高单层厂房、水塔等。等高单层厂房、水塔等。v该结构中参与振动的所有质量全部折算至顶部；该结构中参与振动的所有质量全部折算至顶部；v墙、柱视作一无重的弹性杆，这样就形成了一个单质点体系；墙、柱视作一无重的弹性杆，这样就形成了一个单质点体系；v该体系只作单向振动时，就成为一个单自由度体系。该体系只作单向振动时，就成为一个单自由度体系。二、二、单质点弹性体系的地震作用单质点弹性体系的地震作用2.2.单质点弹性体系的地震作用单质点弹性体系的地震

11、作用式中：式中：m m、G G 为单质点体系的质量及重量；为单质点体系的质量及重量；g g重力加速度；重力加速度；为地面运动最大加速度；为地面运动最大加速度；称为地震系数，表示地面运动的相对强度；称为地震系数，表示地面运动的相对强度；称为动力系数，表示质点加速度与地面加速称为动力系数，表示质点加速度与地面加速度相比的放大系数；度相比的放大系数；为地震影响系数，为地震影响系数，=k=k。3.3.计反应谱曲线计反应谱曲线 地震影响系数；地震影响系数；maxmax 地震影响系数最大值；地震影响系数最大值；T T 结构自振周期；结构自振周期；T Tg g 特征周期；特征周期；曲线下降段衰减指数；曲线下

12、降段衰减指数；1 1 直线下降段下降斜率调整系数；直线下降段下降斜率调整系数；2 2阻尼调整系数阻尼调整系数4.4.单质点体系的地震作用计算方法单质点体系的地震作用计算方法l计算结构自振周期计算结构自振周期l由场地类别、设计地震分组查表由场地类别、设计地震分组查表,得场地特征周期得场地特征周期T Tg;g;l由设防烈度查表得水平地震影响系数最大值由设防烈度查表得水平地震影响系数最大值maxmax；l确定确定、1、2；l由由T T、T Tg g、maxmax按图计算水平地震影响系数按图计算水平地震影响系数；l作用在单质点上的水平地震作用为作用在单质点上的水平地震作用为 F FEKEK=g=g=m

13、gmg。三、三、多质点弹性体系的地震作用多质点弹性体系的地震作用1.1.多质点体系的振型和自振周期多质点体系的振型和自振周期2.2.多质点体系的地震作用的计算方法多质点体系的地震作用的计算方法应按不同情况分别采用相应的地震作用计算方法：应按不同情况分别采用相应的地震作用计算方法：高度不超过高度不超过40m，以剪切变形为主，刚度与质量以剪切变形为主，刚度与质量 沿高度分布比较均匀的建筑物，可采用底部剪力法。沿高度分布比较均匀的建筑物，可采用底部剪力法。高度超过高度超过40m的高层建筑物一般可采用振型分解反的高层建筑物一般可采用振型分解反 应谱方法。应谱方法。刚度与质量分布特别不均匀的建筑物、甲类

14、建筑物刚度与质量分布特别不均匀的建筑物、甲类建筑物 等，宜采用时程分析法进行补充计算。等，宜采用时程分析法进行补充计算。基本思想：基本思想：按结构底部总剪力相等的原则，把多按结构底部总剪力相等的原则，把多质点体系简化为单质点体系，只用基本自振周期确质点体系简化为单质点体系，只用基本自振周期确定总底部剪力，然后按照一定规律将地震力（总底定总底部剪力，然后按照一定规律将地震力（总底部剪力）沿高度沿高度分配给各质点。部剪力）沿高度沿高度分配给各质点。适用条件：适用条件：结构高度小于结构高度小于4040m m；沿高度方向质量及刚度分布比较均匀；沿高度方向质量及刚度分布比较均匀；以剪切变形为主（以剪切变

15、形为主（H/BH/B4 4）的高层建筑。的高层建筑。3.3.底部剪力法底部剪力法 计算方法计算方法基本自振周期基本自振周期T T1 1、按反应谱曲线（按反应谱曲线（T-T-）确定确定1 1；（；（地震影地震影响系数最大值响系数最大值maxmax ；特征周期特征周期T Tg g；曲线下降段衰减指数曲线下降段衰减指数；直直线下降段下降斜率调整系数线下降段下降斜率调整系数1 1；阻尼调整系数阻尼调整系数2 2）计算底部剪力计算底部剪力F FEKEK：F FEKEK=1 1G Geqeq （G Geqeq=0.85G=0.85GE E=0.85=0.85 G Gi）FEK分配给各质点：分配给各质点：建

16、筑为建筑为n n层时，各楼层处地震力为层时，各楼层处地震力为F Fi i。顶部附加荷载顶部附加荷载Fn近似考虑高振型影响。顶层等效地震力为近似考虑高振型影响。顶层等效地震力为Fn+Fn。多质点体系的水平地震作用分布特点：多质点体系的水平地震作用分布特点：当质量、刚度沿高度当质量、刚度沿高度分布较均匀（分布较均匀（GiGj）时，时，Fi与与Hi成正比。成正比。第四节第四节 结构的自振周期结构的自振周期一、顶点位移法一、顶点位移法二、计算自振周期的经验公式二、计算自振周期的经验公式一一.顶点位移法顶点位移法v对对于于质质量量和和刚刚度度沿沿高高度度分分布布比比较较均均匀匀的的框框架架结结构构、框框

17、架一剪力墙结构和剪力墙结构：架一剪力墙结构和剪力墙结构：T T 结结构构顶顶点点假假想想侧侧移移：即即把把集集中中在在各各层层楼楼面面处处的的重重量量G Gi i视视为为作作用用于于i i层层楼楼面面的的假假想想水水平平荷荷载载，按按弹弹性性刚刚度度计算得到的结构顶点侧移计算得到的结构顶点侧移(以以m m为单位为单位)；0 0 基本周期的缩短系数：基本周期的缩短系数：框架结构取框架结构取0 0=0.6=0.60.70.7；框框架架一一剪剪力力墙墙结结构构取取0 0=0.7=0.70.80.8；剪剪力力墙墙结结构构取取0 00.9 0.9 1.0 1.0。二二.计算自振周期的经验公式计算自振周期

18、的经验公式v高层钢筋混凝土剪力墙结构高层钢筋混凝土剪力墙结构（高度为（高度为20205050m m，剪力墙间距为剪力墙间距为3 36 6m m的住宅、旅馆类建筑物）的住宅、旅馆类建筑物）横墙间距较密时横墙间距较密时:T T1 1横横=0.054=0.054n n；T T1 1纵纵=0.04=0.04n n 横墙间距较疏时：横墙间距较疏时：T T1 1横横=0.06=0.06n n；T T1 1纵纵=0.05=0.05n n 式中：式中：n n为建筑物层数；为建筑物层数；H H为建筑物总高度；为建筑物总高度；B B为建筑物总宽度。为建筑物总宽度。v钢筋混凝土框架、框架一剪力墙结构：钢筋混凝土框架

19、、框架一剪力墙结构：或或 T T1 1=（0.07-0.090.07-0.09）n n 式中：式中：H H、B B、n n意义同前。意义同前。第五节第五节 结构的抗震验算结构的抗震验算一、一、荷载效应的基本组合荷载效应的基本组合 二、二、抗震验算的设计表达式抗震验算的设计表达式三、抗震变形验算三、抗震变形验算一、荷载效应的基本组合一、荷载效应的基本组合 1.1.无地震作用组合：无地震作用组合：S=G GS SGK GK+Q QQ QS SQKQK+WWWWS SWkWk 式中式中:S S 无地震组合时荷载效应组合的设计值；无地震组合时荷载效应组合的设计值；S SGK GK 永久荷载效应标准值；

20、永久荷载效应标准值；S SQk Qk 楼面活荷载效应标准值；楼面活荷载效应标准值；S SWK WK 风荷载效应标准值；风荷载效应标准值；G G、Q Q、W W 分别为永久荷载、楼面活荷载、分别为永久荷载、楼面活荷载、风荷载分项系数；风荷载分项系数；Q Q、W W 分别为楼面活荷载和风荷载组合值系数。分别为楼面活荷载和风荷载组合值系数。荷载分项系数应按下列规定采用：荷载分项系数应按下列规定采用：1)1)承载力计算时承载力计算时：永久荷载的分项系数永久荷载的分项系数G G：v 当其效应对结构不利时：当其效应对结构不利时：对由可变荷载效应控制的组合应取对由可变荷载效应控制的组合应取1.21.2；对由

21、永久荷载效应控制的组合应取对由永久荷载效应控制的组合应取1.351.35。v 当其效应对结构有利时，应取当其效应对结构有利时，应取1.01.0；楼面活荷载的分项系数楼面活荷载的分项系数Q Q：一般情况下应取一般情况下应取1.41.4；风荷载的分项系数风荷载的分项系数WW：应取应取1 14 4。2)2)位移计算时：位移计算时：公式中各分项系数均应取公式中各分项系数均应取1.01.0。楼面活荷载和风荷载组合值系数楼面活荷载和风荷载组合值系数Q Q、WW：v 当永久荷载效应起控制作用时应分别取当永久荷载效应起控制作用时应分别取0.70.7和和0.00.0；v 当可变荷载效应起控制作用时应分别取当可变

22、荷载效应起控制作用时应分别取1.01.0和和0.60.6或或 0.7 0.7和和1.01.0；v 对对书书库库、档档案案库库、储储藏藏室室、通通风风机机房房和和电电梯梯机机房房，本本条楼面活荷载组合值系数取条楼面活荷载组合值系数取0.70.7的场合应取为的场合应取为0.900.90。2.有地震作用组合时：有地震作用组合时：SE=GSGEGE+EhEhS SEhkEhk+EvEvS SEvkEvk+WWWWS SWkWk式中：式中：S SE E荷载效应和地震作用效应组合的设计值；荷载效应和地震作用效应组合的设计值；S SGEGE重重力力荷荷载载代代表表值值的的效效应应 重重力力荷荷载载代代表表值

23、值包包括括下下列列荷荷载载：100100自自重重标标准准值值，5050雪雪荷荷载载标标准准值值，50508080楼楼面面活活荷荷载载(在书库及档案库中取在书库及档案库中取8080楼面活荷载楼面活荷载)；S SEhkEhk水水平平地地震震作作用用标标准准值值的的效效应应，尚尚应应乘乘以以相相应应的的增增大大系系数数或调整系数；或调整系数；S SEvkEvk竖竖向向地地震震作作用用标标准准值值的的效效应应，尚尚应应乘乘以以相相应应的的增增大大系系数数或调整系数；或调整系数；G G重力荷载分项系数；重力荷载分项系数；WW风荷载分项系数；风荷载分项系数；EhEh水平地震作用分项系数；水平地震作用分项系

24、数；EvEv竖向地震作用分项系数；竖向地震作用分项系数；WW风荷载的组合值系数，应取风荷载的组合值系数，应取0.200.20 v有有地地震震作作用用效效应应组组合合时时，荷荷载载效效应应和和地地震震作作用用效应的分项系数应按下列规定采用：效应的分项系数应按下列规定采用：1)1)承承载载力力计计算算时时，分分项项系系数数应应按按下下表表采采用用。当当重重力力荷荷载载效效应应对对结结构构承承载载力力有有利利时时，表表中中G G不不应大于应大于1.01.0。2)2)位移计算时位移计算时，公式中各分项系数均应取公式中各分项系数均应取1.01.0。按按极极限限状状态态设设计计的的要要求求，各各种种构构件

25、件承承载载力力验验算算的的一一般般表达式为：表达式为：不考虑地震作用的组合时不考虑地震作用的组合时 0 0SR SR 考虑地震作用的组合时考虑地震作用的组合时 S SE ERRE E/RERE 式中：式中：S S、S SE E构件内力；构件内力；R R、R RE E不考虑抗震及考虑抗震时构件承载力设计值。不考虑抗震及考虑抗震时构件承载力设计值。v 地震作用下，构件承受反复作用力及地震作用下，构件承受反复作用力及变形，承载力变形，承载力R RE E要降低，要降低，0 0 结结构构重重要要性性系系数数，可可按按结结构构的的重重要要程程度度(即即安安全全等等级级)分别取分别取1.11.1、1.01.

26、0、0.90.9；v 抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数；抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数；RE RE 承承载载力力抗抗震震调调整整系系数数，考考虑虑到到地地震震作作用用的的偶偶然然性性与短时性，对承载能力作相应的调整，按下表采用。与短时性，对承载能力作相应的调整，按下表采用。二、二、抗震验算的设计表达式抗震验算的设计表达式三、抗震变形验算三、抗震变形验算1)1)正常使用条件下的结构水平位移，按风荷载正常使用条件下的结构水平位移，按风荷载和地震作用，用弹性方法计算。和地震作用，用弹性方法计算。2)2)以楼层层间最大位移以楼层层间最大位移与层高与层高h h之比作为限制之比作为限制条件，

27、即：条件，即：/h/h/h/h高高度度为为250250m m及及250250m m以以上上的的高高层层建建筑筑，楼楼层层层层间间最最大大位移与层高之比的限值为位移与层高之比的限值为1 1500500。高高度度150150m m及及150150m m以以下下的的高高层层建建筑筑楼楼层层层层间间最最大位移与层高之比不宜大于下表的限值。大位移与层高之比不宜大于下表的限值。高高度度在在150250150250m m之之间间的的高高层层建建筑筑，楼楼层层层层间间最最大大位位移与层高之比的限值按线性插人取用。移与层高之比的限值按线性插人取用。结结 构构 类类 型型/h h 框框 架架 1 1550550框

28、架一剪力墙、框架框架一剪力墙、框架核心筒、核心筒、板柱板柱剪力墙剪力墙1 1800800筒中筒、剪力墙筒中筒、剪力墙1 110001000框支层框支层1 1100010003)3)限制结构侧向位移的主要原因是：限制结构侧向位移的主要原因是：v过过大大的的侧侧向向位位移移，特特别别是是过过大大的的层层间间侧侧移移会会使使填填充充墙墙及及建建筑筑装装修修出出现现裂裂缝缝或或损损坏坏，也也会会使使电电梯梯轨轨道道变变形形过大；过大；v过大的侧向位移会使主体结构出现裂缝甚至破损；过大的侧向位移会使主体结构出现裂缝甚至破损；v过大的侧向位移会使结构产生附加内力；过大的侧向位移会使结构产生附加内力；v过大的侧移会使人不舒服，影响正常使用。过大的侧移会使人不舒服，影响正常使用。