工程结构抗震 杨远龙 兰州大学土木工程与力学学院.

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1 工程结构抗震 杨远龙 兰州大学土木工程与力学学院

2 前言 课程性质：土木工程学科一门重要的专业课，也是理论性和实践性都很 强的专业课。
工程结构抗震 前言 课程性质：土木工程学科一门重要的专业课，也是理论性和实践性都很 强的专业课。 课程目的：通过本课程的学习，使学生了解结构抗震设防的基本知识， 掌握结构抗震设计的原理和方法，能够运用抗震设计规范进 行建筑结构的抗震计算和构造设计，具备将来从事土木工程 设计和施工的从业要求。 知识基础：学习过《理论力学》、《材料力学》、《结构力学》、《土 力学与地基基础》、《混凝土结构》、《砌体结构》、《钢 结构》等课程。 教学资料：《建筑抗震设计》（第三版）一郭继武 中国建筑工业出版社 《工程结构抗震》一丰定国 地震出版社 《建筑抗震设计规范》GB

3 工程结构抗震 第1章 抗震设计原则 1.1 构造地震 构造地震：由于地壳构造运动使深部岩石的应变超过容许值，岩层发生断裂、错动而引起的地面震动，简称为地震。构造地震影响面广，破坏性大，发生频率高，约占破坏性地震总量的90%以上。 震源：地壳深处发生岩层断裂、错动的地方。 震源深度：震源至地面的距离。 震中：震源正上方的地面。 震中区：震中邻近地区。 震中距：地面上某点至震中的距离。 根据震源深度，地震可以分为浅源地震（<60km）、中源地震（60-300km）和深源地震（>300km）。 我国发生的绝大多数地震均属于浅源地震。比如，1976年的唐山大地震，震源深度为11km；1999年的台湾大地震，震源深度仅为1.1km。 深源地震释放出的能量在长距离的传播中大部分被损失掉，对地面上的建筑物影响很小。

4 工程结构抗震 1.1 构造地震 地震示意图

5 工程结构抗震 1.2 地震波、震级和烈度 地震波：当震源岩层发生断裂、错动时，岩层所积累的变形能突然释放，从震源向四周传播的波。地震波按其在地壳传播的位置不同，分为体波和面波。 体波：在地球内部传播的波。分为纵波（P波）和横波（S波）。 纵波：由震源向四周传播的压缩波。介质质点的震动方向与波传播方向一致，周期短，振幅小，波速快（ m/s），引起地面垂直方向震动。 横波：由震源向四周传播的剪切波。介质质点的震动方向与波传播方向垂直，周期长，振幅大，波速慢（ m/s），引起地面水平方向震动。 可以看出 其中：E —介质的弹性模量； —介质密度； —介质的泊松比； G —介质的剪切模量。

6 工程结构抗震 1.2 地震波、震级和烈度 面波：在地球表面传播的波（L波）。它是体波经地层界面多次反射、折射形成的次生波，波速较慢，约为横波的0.9，在体波之后到达地面。 地震曲线图 由图可见，纵波（P波）首先到达，横波（S波）次之，面波（L波）最后到达。分析地震曲线上P波和S波到达的时间差，可以确定震源的距离。

7 工程结构抗震 1.2 地震波、震级和烈度 震级：衡量一次地震释放能量大小的等级，用M表示。当M<2，微震；当M=2～4，有感地震；当M>5，破坏性地震；当M>7，强烈地震或大地震；当M>8，特大地震。震级用地面振动的振幅大小来度量。 震级的计算方法：于1935年由C.F.Richter首先提出。利用标准地震仪（指周期为0.8s，阻尼系数为0.8，放大倍数为2800的地震仪）距震中100km处记录的以微米为单位的最大水平地面位移（振幅）A的常用对数值： 其中：M —地震震级，一般称为里氏震级；A —地震曲线上的最大振幅（ m ） 对于震中距不是100km的地震台站和采用非标准地震仪，需对震级进行修正。 震级与地震释放的能量有下列关系： 当震级相差一级地面振幅增加约10倍，能量增加近32倍。

8 1.2 地震波、震级和烈度 地震烈度：地震时在一定地点引起的地面震动及其影响的强弱程度。
工程结构抗震 1.2 地震波、震级和烈度 地震烈度：地震时在一定地点引起的地面震动及其影响的强弱程度。 地震烈度的衡量：用《中国地震烈度表》（GB/T ）衡量，它将宏观烈度与地面运动参数（如地面运动加速度峰值、速度峰值等）建立起联系，既有定性的宏观指标，又有定量的物理指标。 地震烈度 人的感觉 房屋震害 其他震害现象 水平向地震动参数 类型 震害程度 平均震害指数 峰值加速度m/s2 峰值速度m/s VI 多数人站立不稳，少数人惊逃户外 A 少数中等破坏，多数轻微破坏和/或基本完好 0.00~0.11 家具和物品移动；河岸和松软土出现裂缝，饱和砂层出现喷砂冒水；个别独立砖烟囱轻度裂缝 0.63 (0.45~0.89) 0.06 (0.05~0.09) B 个别中等破坏，少数轻微破坏，多数基本完好 C 个别轻微破坏，大多数基本完好 0.00~0.08

9 1.2 地震波、震级和烈度 《中国地震烈度表》的注意事项： 1、地震烈度评定指标
工程结构抗震 1.2 地震波、震级和烈度 《中国地震烈度表》的注意事项： 1、地震烈度评定指标 包括人的感受、房屋震害程度、其他震害现象、水平向地震动参数。 2、评定烈度的房屋类型 （1）A类：木构架和土、石、砖墙建造的旧式房屋； （2）B类：未经抗震设防的单层或多层砖砌体房屋； （3）C类：按照VII度抗震设防的单层或多层砖砌体房屋。 3、地震烈度评定 评定地震烈度时，I度～V度应以地面上以及底层房屋中的人的感觉和其他震害现象为主；VI度～X度应以房屋震害为主，参照其他震害现象，当用房屋震害程度与平均震害指数评定结果不同时，应以震害程度评定结果为主，并综合考虑不同类型房屋的平均震害指数；XI度和XII度应综合房屋震害和地表震害现象。 4、房屋破坏等级及其对应的震害指数 见下表。

10 1.2 地震波、震级和烈度 工程结构抗震 建筑破坏级别与震害指数 破坏等级 震害程度 震害指数d 基本完好
承重和非承重构件完好，或个别非承重构件轻微损坏，不加修理可继续使用 0.00≤d<0.10 轻微破坏 个别承重构件出现可见裂缝，非承重构件有明显裂缝，不需要修理或稍加修理即可继续使用 0.10≤d<0.30 中等破坏 多数承重构件出现轻微裂缝，部分有明显裂缝，个别非承重构件破坏严重，需要一般修理后可使用 0.30≤ d<0.55 严重破坏 多数承重构件破坏较严重，非承重构件局部倒塌，房屋修复困难 0.55≤d<0.85 毁坏 多数承重构件严重破坏，房屋结构濒临崩溃或已倒毁，已无修理可能 0.85≤d<1.00

11 工程结构抗震 1.2 地震波、震级和烈度 平均震害指数 《中国地震烈度表》（GB/T ）采用平均震害指数确定房屋的宏观烈度。平均震害指数是指同类房屋震害指数的加权平均值。 若令 ，则平均震害指数可以写成： 其中： —房屋破坏等级为i的破坏指数； —房屋破坏等级为i的房屋栋数； —破坏等级为i的房屋破坏比； N —房屋总栋数。 通过各类房屋不同的对比，可以了解各类房屋之间抗震性能的优劣。求出平均震害指数后，即可由地震烈度表查得地震烈度。

12 工程结构抗震 1.2 地震波、震级和烈度 烈度衰减规律和等震线 对应于一次地震，将烈度相同区域的外包线称为等烈度线或等震线。等震线多是一些不规则的封闭曲线。一般地说，等震线的度数随震中距的增加而递减，但也会在局部出现异常区。 烈度I、震级M和震中距R（km）之间的关系式： 震中烈度I0与震级M之间的关系式： 等烈度区的划分

13 工程结构抗震 1.2 地震波、震级和烈度 唐山地震等震线

14 1.3 地震基本烈度和地震烈度区划图 地震基本烈度
工程结构抗震 1.3 地震基本烈度和地震烈度区划图 地震基本烈度 地震的发生具有很大的随机性，因此采用概率方法预测某地区未来一定时间内可能发生的最大烈度是有实际意义的。 一个地区的基本烈度是指该地区在今后50年期限内，在一般场地条件下可能遭遇超越概率为10%的地震烈度。 地震烈度区划图 国家地震局和建设部于1992年联合发布了新的《中国地震烈度区划图（1990）》，给出了全国各地地震基本烈度的分布。 编制地震烈度区划图分两步进行： 第一步：确定地震危险区； 第二步：预测这些地震的影响范围。

15 工程结构抗震 1.3 地震基本烈度和地震烈度区划图 北京地区地震烈度区划图

16 1.4 建筑抗震设防分类、设防标准和设防目标 建筑抗震设防分类
工程结构抗震 1.4 建筑抗震设防分类、设防标准和设防目标 建筑抗震设防分类 国家标准《建筑工程抗震设防分类标准》（GB ）规定，建筑工程应根据其使用功能的重要性和地震灾害后果的严重性分为以下四个抗震设防类别： 1、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，须要进行特殊设防的建筑。 2、重点设防类（乙类）：指地震时使用功能不能中断或须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，须要提高设防标准的建筑。 3、标准设防类（丙类）：指大量的除1、2、4款以外按标准要求进行设防的建筑。 4、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。

17 1.4 建筑抗震设防分类、设防标准和设防目标 建筑抗震设防分类
工程结构抗震 1.4 建筑抗震设防分类、设防标准和设防目标 建筑抗震设防分类 建筑抗震设防标准是衡量建筑抗震设防要求的尺度，由建筑设防烈度和建筑使用功能的重要性确定。 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，一般情况可采用基本烈度。 《建筑工程抗震设防分类标准》（GB ）规定各抗震设防类别建筑的抗震设防标准： 1、标准设防类：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。 2、重点设防类：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。 3、特殊设防类：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。 4、适度设防类：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。

18 1.4 建筑抗震设防分类、设防标准和设防目标 建筑抗震设防目标
工程结构抗震 1.4 建筑抗震设防分类、设防标准和设防目标 建筑抗震设防目标 在使用寿命期限内，对不同频率和强度的地震，要求建筑具有不同的抗震能力。《建筑抗震设计规范》（GB ）规定，一般情况采用“三水准”抗震设防目标，但建筑有使用功能上或其他的专门要求时，可按高于上述的设防目标进行抗震性能设计。 “三水准”抗震设防目标： 第一水准：当遭受到多遇的低于本地区设防烈度的地震(简称“小震”)影响时，建筑一般应不受损坏或不需修理仍能继续使用。 第二水准：当遭受到本地区设防烈度影响时(简称“中震”) ，建筑可能有一定的损坏，经一般修理或不经修理仍能继续使用。 第三水准：当遭受到高于本地区设防烈度的罕遇地震(简称“大震”)时，建筑不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。 概括来说，“小震不坏，中震可修，大震不倒”。 在具体做法上，采用二阶段设计法： 第一阶段设计：按小震作用效应和其他荷载效应的基本组合验算结构构件的承载能力，以及在小震作用下验算结构的弹性变形，以满足第一水准抗震设防目标的要求。 第二阶段设计：在大震作用下验算结构的弹塑性变形，以满足第三水准抗震设防目标的要求。

19 1.4 建筑抗震设防分类、设防标准和设防目标 小震和大震 小震烈度比基本烈度低1.55度左右，大震烈度比基本烈度高1度左右。 工程结构抗震
烈度概率密度函数 小震烈度比基本烈度低1.55度左右，大震烈度比基本烈度高1度左右。

20 1.5 建筑抗震性能设计 建筑有使用功能上或其他的专门要求，一般是指以下一些情况： 1、超限高层建筑结构；
工程结构抗震 1.5 建筑抗震性能设计 建筑有使用功能上或其他的专门要求，一般是指以下一些情况： 1、超限高层建筑结构； 2、结构的规则性、 结构类型不符合《抗震规范》有关规定的建筑； 3、位于高烈度区（8度、9度）的甲、乙类设防标准的特殊工程； 4、位于抗震不利地段的工程。 结构抗震性能设计，是指以结构抗震性能目标为基准的结构抗震设计，结构抗震性能目标，是指针对不同的地震地面运动（小震、中震、大震）设定的结构抗震性能水准。结构抗震性能水准是指对结构震后损坏状况及继续使用可能性等抗震性能的界定（如完好、基本完好或轻微破坏等）。 结构抗震性能目标应根据抗震设防类别、设防烈度、场地条件、结构类型和不规则性、附属设施功能要求、投资大小、震后损失和修复难易程度等确定。结构抗震性能目标分为A、B、C、D四级。不同的结构抗震性能目标设定的结构抗震性能水准分为1、2、3、4、5五个水准。 各种性能水准结构的楼层均不应出现受剪破坏。

21 1.5 建筑抗震性能设计 工程结构抗震 结构抗震性能水准 宏观损坏程度 损坏程度 继续使用的可能性 普通竖向构件 关键构件 耗能构件
第1水准 完好，无损坏 无损坏 一般不须修理即可使用 第2水准 基本完好，轻微损坏 轻微损坏 稍加修理即可使用 第3水准 轻度损坏 轻度损坏，部分中度损坏 一般修理后才可使用 第4水准 中度损坏 部分构件中度损坏 中度损坏，部分比较严重损坏 修复或加固后才可继续使用 第5水准 比较严重损坏 部分构件比较严重损坏 须排险大修 地震水准 结构抗震性能目标 A B C D 多遇地震 第1水准 设防地震 第2水准 第3水准 第4水准 罕遇地震 第5水准

22 1.6 地震的破坏作用 地表的破坏现象 1、地裂缝（重力地裂缝和构造地裂缝） 2、喷砂冒水 3、地面下沉（震陷） 4、河岸、陡坡滑坡
工程结构抗震 1.6 地震的破坏作用 地表的破坏现象 1、地裂缝（重力地裂缝和构造地裂缝） 2、喷砂冒水 3、地面下沉（震陷） 4、河岸、陡坡滑坡 地裂缝 喷砂冒水形成的陷坑 地面震陷引起建筑物破坏 地震引起山体滑坡

23 1.6 地震的破坏作用 建筑物的破坏 1、结构丧失整体性 2、承重结构承载力不足引起破坏 3、地基失效 次生灾害 1、火灾 2、海啸
工程结构抗震 1.6 地震的破坏作用 建筑物的破坏 1、结构丧失整体性 2、承重结构承载力不足引起破坏 3、地基失效 次生灾害 1、火灾 2、海啸 结构丧失整体性 承重构件破坏 地基失效 地震引发火灾 地震引发海啸

24 工程结构抗震 1.7 建筑抗震设计的基本要求 建筑抗震概念设计 根据地震震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。 在抗震设计时，应遵守下列一些要求： 一、场地、地基和基础的要求 二、选择对抗震有利的建筑平面、立面和竖向剖面 三、选择技术和经济合理的结构体系 四、利用计算机进行结构抗震分析 五、对非结构构件的要求 六、结构材料性能与施工的要求