建筑结构抗震设计理论与实例brga.pptx
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1、建筑结构抗震设计理论与实例第一章地震及结构抗震基本知识第二章场地、地基、基础第三章单自由度体系结构的地震反应第四章多自由度体系结构的地震反应第五章地震作用和结构抗震设计要点第六章多高层钢筋混凝土结构房屋抗震设计第七章多层砌体房屋和底部框架、内框架砌体房屋抗震设计第八章钢结构房屋抗震设计第九章单层厂房及单层空旷房屋抗震设计第十章非结构构件抗震设计第一章 地震及结构抗震的基本知识1.1 地震成因及地震类型地壳:地球外表面的一层薄壳。最薄处约5km,地震多发于此。1.1.1 地球的构造1.1.2 地震的发生过程地球内部由于某种原因发生振动,并以波的形式传递到地表引起地面震动。内部发生振动的地方称之为
2、震源。震源在地表的投影叫震中。震源至地面的垂直距离叫震源深度。根据震源深度以60m,300m为限将地震划分为:浅源地震、中源地震、深源地震。浅源地震危害大。1.1.3 地震的成因与类型根据地震成因来分:构造地震:火山地震;塌陷地震;水库引发地震:1.2 地震波以及传播地震以波的形式由震源传递到地表。地震波分为:体波和面波。1.2.1 体波体波是指通过地球本体内传播的波,包含纵波、横波。纵波:质点振动方向与波的传递方向一致的波。横波:质点振动方向与波的传递方向垂直的波。纵波为压缩波,无论是在固体内还是液体内均能传播。横波为剪切波,只能在固体内传播。波速可以按下式计算:式中Vp 纵波波速Vs 横波
3、波速E 介质的弹性模量 介质的泊松比;介质的密度;G 介质的剪切模量;拉梅常数通过两种波速的比较可见:纵波的传播速度快于横波,即纵波先到达地面1.2.2 面波瑞雷波振动轨迹剖面(a)和射线(b)面波是指介质表面或地球表面及其附近传播的波,一般认为是体波经地层界面多次反射形成的次生波,包含瑞雷波和乐普波。乐普波的传播是质点在与波的传播方向相垂直的水平方向的剪切型运动。质点在水平方向振动与波行进方向耦合后会产生水平扭转分量。1.2.3 地震波的主要特新及其在工程中的应用1、地震加速度波形的频谱特性及持续时间的影响软土地基上地震加速度波形中长周期的分量比较显著,而硬土地基上加速度波形则包含多种频谱成
4、分,一般短周期的分量比较显著。长时间持续的地震冲击作用下,结构物的破坏与静载作用下的破坏值相差较大。1.3 地震震级与地震烈度1.3.1 地震震级地震震级是表征地震强弱的指标,是地震释放多少能量的尺度。小于2级的地震人们感觉不到;5级以上的地震就要引起不同程度的破坏,统称为破坏性地震;7级以上地震称为强烈地震。地震烈度:是地震对地面影响的强烈程度,主要依据宏观的地震影响和破坏现象等方面来判断。地震烈度是表示某一区域范围内地面和各种建筑物受到一次地震影响的平均强弱程度的一个指标。根据1999年颁布的中国地震烈度表划分地震烈度。1.4 地震灾害与抗震设防地震灾害:1、地表破坏2、建筑物破坏3、次生
5、灾害结构抗震设防:三水准的设防目标:小震不坏、设防烈度可修、大震不到。抗震设防目标的实现:第一水准:按弹性计算结构在多遇地震下的内力进行强度计算可保证小震不坏的设防目标;第二水准:主要通过概念设计以及构造措施来保证;第三水准:对脆性结构主要从抗震措施上加强;对延性结构则进行弹塑性变形验算加以保证。第二章 场地、地基、和基础2.1 建筑场地一.建筑地段的选择(地质构造和地形)1.地段类别的划分:(1)有利地段:基岩、坚硬土或密实均匀的中硬土。(2)不利地段:软土、液化土、不均匀土(河道、暗浜等)。(3)危险地段:地震时可能发生滑坡、崩陷、地裂、泥石流等及发展断裂带。2.发展断裂带的震害和避让:(
6、1)震害:断裂带是地质构造上的薄弱环节,在地震时可能产生新的错动,使地面建筑物遭受较大的破坏。所以对于这种危险地段选择建筑场地时应予以避开。(2)影响断裂带错动的因素:地震裂度、覆盖土层厚度:8度60m,9度90m时,可不考虑其影响。(3)避让:不满足上述条件时,应避开发震地带,避开距离应大于200-300。2.1 建筑场地二.场地土的分类:地震时,地震波经过土层多次的反射、折射、传入建筑物振动后,又将一部分能量回输到地基、滤波?放大?很复杂。但场地土的影响是明显的。如1976年委内瑞拉地震-P19。1.建筑场地对建筑物震害的影响 软弱地基上,柔性结构易破坏,刚性结构相应表现 较好。坚硬地基上
7、,柔性结构表现较好,刚性结构表现不一,如74年宁海、76年唐山地震。深厚覆盖土层上建筑物的震害较重,而浅层土上建筑物的震害则相对要轻些。2.场地土类的划分2.1 建筑场地2.场地土类的划分 1)影响因素 覆盖土层类型:*坚硬土成岩石:Vs500m/s。*中硬土:250m/sVs=500m/s。*中软土:140m/s=250m/s。*软弱土:Vs500m/s)顶面的距离。2.1 建筑场地 覆盖土层厚度:覆盖土层至坚硬层(Vs500m/s)顶面的距离。2).特殊情况:当无实测剪切波速时,也可由载荷试验参考按P20表2.1来划分土的类型。当由若干层土层组成的场地土,可用土层的等效剪切波速来划分土的类
8、型。等效剪切波速计算公式:P20式(2.1)(2.2)。3).抗震规范场地类别划分:抗震规范按照表层土的剪切波速和场地覆盖层厚度两个因素,将建筑物场地分为I-IV四种类别,见表2.2所示;P21。例题2.1:已知某建筑场地的地质钻探资料如表2.3,试确定该建筑场地的类别。P21 场地的地质钻探资料:表2.3 层底深度(m)土层厚度(m)土层名称 土层剪切波速(m/s)9.5 9.5 砂 37.8 28.3 淤泥质粘土 48.6 10.8 60.1 11.5 68.0 7.9 86.5 18.5 例题2.1解答 解:(1)确定地面下20m范围内土的类型 剪切波从地表到20m深度范围的传播时间:所
9、以表层土属中软土。(2).确定覆盖层厚度:68m以下土层为砾石夹砂、土层剪切波速500m/s.覆盖层厚度应是为68m。(3).确保类别:据表层土属于中软层和覆盖层厚度在9m-80m之间两个条件,查表2.2得 类场地土。2.2 地基的抗震验祘一.天然地基破坏极少.二.可不进行抗震验祘的天然地基:1.为了简化和减少抗震设计-P22。三.天然地基的抗震验算:考虑到地震作用下土的动强度比静强度高和可靠度应该以静力荷载下有所降低,地基抗震承载力设计值采用静力承载力设计值乘以调整系数。地基和基础的抗震验算:一般采用 是所谓的拟静力法计算。另外,还需限制地震作用下过大的基础偏心荷载。2.2 地基的抗震验祘四
10、.桩基的抗震验算:1.可不进行桩基抗震验算的范围:P24。2.当需要进行桩基础抗震验算时:1).单桩的竖向和水平向抗震承载力特征值:-见下节的讨论P24。2).当考虑桩基承受水平向地震荷载效应的验算时,应根据具体情况确定桩和承台(包括地下室)荷载分担此问题。P24。五.液化地基的判别与处理:1.地基土的液化现象 (1).地基土的液化:地基土液化,在地震作用下,饱和砂土或粉土颗粒间急剧上升的孔隙水压力来不及消散,使有效压力降低,当有效压力完全消失时,土体抗剪强度为0,形成有如液体的现象,即称为液化。2.2 地基的抗震验祘 (2).液化危害 1).地面:喷水、冒砂、地陷等。2).建筑物:下沉、倾斜
11、,如唐山地震时,天津办公楼半层沉地下;上部结构破坏;室内地坪破坏等。2.决定地基液化的主要因素有:(1)土层的地质年代。(2).土的组成和密实饱度。(3).液化土层的埋深。(4).地下水位深度。(4).地震烈度和持续时间。3.液化的初步判别:初步判别为不液化或可不考虑液化影响的条件:P27。2.2 地基的抗震验祘4.试验判别:*标准贯入试验的判别公式为:锤重:(63.5kg)、落地:(76cm)、打入土层深度:(30cm)。*计算液化指数:P30。5.地基抗液化措施:P31。思考题1.为什么抗震设计时要考虑场地影响?怎样考虑?分4类、分类依据。P20。P19。设防烈度。2.影响土层液化的主要因
12、素是什么?怎样判别?土层液化会造成那些后果?3.根据表中数值计算场地等效剪切波速,并判断场地类别。土层厚度 2.2 5.8 8.2 4.5 4.3 Vs(m/s)180 200 260 420 530第三章 单自由度体系结构的地震反应 3.1 概述 一.建筑结构的地震反应:*地震反应:地面运动作用于房屋,在房屋结构中产生的内力、变形、位移速度和加速度。*影响地震反应的因素:房屋结构的动力特性、地面运动特性(幅值、频谱特性、持续时间)等。*需求解一亇动力学问题,很复杂。分析中需要进行简化。二.建筑结构的动力计算简图:P36 图3.1,3.2。房屋结构的简化:一般将一单层房屋集中为一个质的,将竖向
13、构件质量集中至上下两端,忽略质量的扭转效应,按单自由度考虑。三.地震反应分析的目的:计算地震作用下结构的内力,进行结构抗震设计。3.2 单自由度体系的自由振动 一.力学模型及运动方程:1.荷载作用下的运动方程:P37.图3.3 *质奌所受的力:弹性恢复力:Fs=-kx,惯性力:阻尼力:外力:P(t)*达郎贝尔原理:*运动方程:3.2 单自由度体系的自由振动 -无阻尼自振圆频率阻尼比 c 阻尼系数3.2 单自由度体系的自由振动 2.地面运动作用下运动方程:地面运动加速度:质奌绝对加速度:质奌相对地面加速度:惯性力:质奌的阻尼力:恢复力:3.2 单自由度体系的自由振动*达朗贝尔原理:*运动方程(公
14、式)二.运动方程的解:1.单自由度体系的无阻尼自由振动:一般解:3.2 单自由度体系的自由振动给定初始条件t=0时,初位移则 振幅-A,圆频率-周期 频率 即 加速度 惯性力 初速度3.2 单自由度体系的自由振动2.单自由度体系的有阻尼自由振动:结构中存在一种耗能的因素-阻尼。一般采用粘滞阻尼理论,粘滞阻尼理论假定:阻尼力与速度成正比、但方向与速度相反。3.2 单自由度体系的自由振动,初速度为 -有阻尼的自振频率 P41,图3.5初始条件t=0时,初位移为 3.2 单自由度体系的自由振动例3.1:一单自由度体系:m=204t,k=8048.6kN/m,阻尼比取为0.05,求体系的自振特性.解:
15、单自由度体系在任意荷载作用下的受迫振动:1)瞬时荷载作用下的自由振动:代入初始条件:t=0,位移x=0,初速度 得 2)一般动力荷载作用下的动力反应:在方程解中:单自由度体系在任意荷载作用下的受迫振动:2)一般动力荷载作用下的动力反应:杜哈美积分 3)地面运动作用情况:特点:不规则、不能用函数表示,如何求解运动方程?P41 图3.63.4 单自由度体系地震反应的数值计算:一.地面运动作用下的位移反应,代入 二.运动方程数值计算:1.分析方法:将时段0,T划分为n个时间段:当 杜哈美积分中用 3.4 单自由度体系地震反应的数值计算:将时段0,T划分为n个时间段:当 时 在tk,tk+1内设定某种
16、变化规律,从而根据tk时刻值,求得tk+1时刻的值.2.线性加速度法:假定tk,tk+1 内的加速度满足下式:在区间 tk,tk+1 内对上式进行积分,得:3.4 单自由度体系地震反应的数值计算:在区间 tk,tk+1内对上式进行积分,得:3.4 单自由度体系地震反应的数值计算:在区间 tk,tk+1 对(3.1 6)式进行积分,得:3.4 单自由度体系地震反应的数值计算:将上两项代入运动方程3.5 抗震设计反应谱求解地震作用下结构内力的方法:1.比较精确的方法:建立结构体系的动力学模型,根据在地震作用下的位移反应,利用刚度方程,直到求觧内力。适用情况:理论分析。2.近似方法:根据地震作用下结
17、构的加速度反应,求出该结构体系的惯性力,将此惯性力视作为一种反映地震影响的等效力,即地震作用,再进行结构静力计算,求出各构件内力。适用于结构设计。抗震规范近似方法 一.水平地震作用的基本公式:对于某一特定的地面运动体系的加速度反应质点的绝对加速度为 3.5 抗震设计反应谱质点的最大绝对加速度:地震时结构经受的最大地震作用 二.地震影响系数:地震影响系数不包含地面运动强烈程度和结构反应大小地震系数:3.5 抗震设计反应谱反应地面运动强烈程度,一般情况下,地震烈度越高,地面运动加速度愈大,所以、地震系数与地震烈度之间有一定的对应关系。P49、表3.1 动力系数(放大倍数)反应单质奌-多少倍 P49
18、.三.水平地震作用的计算:关键要确定影响因素,设防 烈度,场区的地震动特性和场地条件。3.5 抗震设计反应谱四.地震反应谱:1.影响结构地震反应的因素:地面运动(加速度波);场地特征(特征周期);结构动力特性(周期和阻尼)。2.反应谱曲线的绘制:(1).反应谱曲线:单质奌结构反应(加速度、速度、位移)与结构自振周期的关系曲线。(2)反应谱曲线的确定 已知结构的阻尼(一般变化不大),场地特征,对某一特定的地面运动、地震加速度反应只与结构的周期有关,因此可求出加速度(速度、位移)。a与周期T的-对应关系,这样给定任一地面运动、即可做出一条a-T曲线、称作加速度反应谱曲线。3.5 抗震设计反应谱3.
19、反应谱曲线的特点:1).多峰值,2).阻尼影响大,3)随周期变化规律显著。地面运动无规律,包含了不同频率的分量,不同结构放大频率不同。4.标准地震加速度反应谱曲线:1).地震动力反应谱是某一个地震记录的,同时有很多峰值。不同地震记录的反应谱之间的差别很大。需对大量的地震反应谱进行标准化、平均化处理,得到设计反应谱。2).场地地面运动的选取:根据建筑特征选择数条合适的地面加速度波,绘制几条a-T曲线进行统计拟合确定出一条适合该建筑场地的反应谱曲线,称为标准反应谱曲线。3).标准反应谱曲线的应用:已知结构的周期、即可由标准反应谱曲线直接查出加速度反应。3.5 抗震设计反应谱五.抗震规范设计反应谱:
20、1.我国抗震规范中的设计反应谱、即为地震影响系数曲线 2.地震影响系数曲线的确定:1).选用国内、外近300条地震记录,按场地类别归类、统计拟合出标准地震影响系数曲线。:取决于设防烈度和阻尼。3)谱曲线-的形状了:*场地条件:场地类型和地震分组(分第一组、第二组、第三组)*阻尼的影响:一般钢筋砼的阻尼比取0.05 2).谱曲线的峰值:3.5 抗震设计反应谱六.设防烈度地震有关参数的确定:例3.3 地震加速度、水平影响系数最大值、特征周期,P98.表5.5 表5.6 表3.2 设防烈度和地震加速度值的关系 设防烈度 6 7 8 9 设计基本地震加速度 0.05g 0.1 0.2 0.4g (0.
21、15)g (0.30)g 3.5 抗震设计反应谱3.6 单自由度体系的非线性地震反应与计算(了解)本章将考虑结构变形时的材料非线性状,阻尼仍采用瑞利阻尼假定。思考题:1.结构抗震计算有几种方法?分别在什么情况下应用?P118 2.解释地震反应谱和设计反应谱之间的关系?3.6.1 材料的非线性.3.6.2 单自由度非线性体系的运动方程.3.6.3 非线性运动方程的求觧.3.6.4 恢复力模型.3.6.5 单自由度体系地震及应计祘程序 3.5 抗震设计反应谱一.材料的非线性:当应力较小时,建筑结构中常用的钢砼和砌体这两种材料,应力和应变基本上呈线性关系,反映在宏观上,构件所受的力或其恢复力和构件变
22、形或位移成线性关系,在力学模型中,构件可理想化为一根线忙弹簧。当变形增大,特别是材料出现裂缝后,应力和应变之间已不再具有线性关系,有部分变形不能恢复,在宏观上、构件的恢复力和变形之间不再具有线性关系。二.单自由度非线性体系的运动方程:3.5 抗震设计反应谱当体系变形较大,质奌所受到的恢复力fs和质奌变形之间的非线性关系与质奌的变形有关:体系的运动方程为:非线性运动方程的求解:时刻和时刻均成立,即-P51 恢复力模型 体系的恢复力模型反映了体系恢复力fs在体系整个振动过程中的变化规则-P53 半退化三线型恢复力模型 运动方程在第四章 多自由度体系结构的地震反应 4.1 多自由度体系的自由振动 一
23、.多自由度体系的基本概念 1.实际房屋的自由度:无限个。简化:有限自由度模型。2.常用分析模型:层间模型:每个楼面、屋面可作用一个质点,墙柱质量则分别向上下质点集中。二.两自由度无阻尼运动方程的建以立:以两个自由度为例:1.质点的运动:4.1 多自由度体系的自由振动 地面运动加速度:质点相对加速度:质点绝对加速度:2.质点1的运动方程:惯性力:恢复力:4.1 多自由度体系的自由振动平衡方程:质点1运动方程:3.质点2的运动方程:惯性力:恢复力:平衡方程:4.1 多自由度体系的自由振动质点2运动方程:合并式(4.2)和(4.3)写成矩阵形式考虑阻尼时:4.1 多自由度体系的自由振动采用端雷阻尼假
24、定:三.多自由度体系的自振频率:无阻尼振动方程:考虑两自由度情况,假定位移矢量:代入 4.1 多自由度体系的自由振动 频率方程:或 展开:4.1 多自由度体系的自由振动-第一自振圆频率 (较小)-第二自振圆频率 (较大)-较大的为第一自振周期-较小的为第二自振周期-较小的为第一自振频率-较大的为第二自振频率四.多自由度体系的振型 振型的概念:对应某一自振频率各质点位移向的关系:1.对应某一自振频率各质点位移的比值:频率方程:特点:位移幅值的比值为常数。四.多自由度体系的振型2.对应某一自振频率、各质点任意时刻位移的关系:位移比值仍为常数。四.多自由度体系的振型3.体系运动的组成:包含所有的频率
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