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1、1,第十五章 地震作用和结构的抗震验算,第一节 地震基本知识 第二节 抗震设计的基本要求 第三节 地震作用的计算 第四节 结构的自振周期 第五节 结构的抗震验算,第五编 建筑抗震设计基本知识,2,第一节 地震基本知识,一、地震的类型 二、常用术语,3,一、地震的类型,地震是由于地壳构造运动(岩层构造状态的变动)或其它原因而引起的地面振动的现象。 地震按其成因可分为：火山地震，陷落地震和构造地震。 1. 火山地震由于火山爆发而引起的地震； 2. 陷落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； 3. 构造地震由于地壳运动，推挤地壳岩层使其薄弱部位发生断裂错动而引起的地震。 前二种地震
2、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,4,二、常用术语,1. 地震震级： 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里氏震级，其原始定义为1935年由里克特(Richter)给出，即地震震级M为 M = logA 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32倍。 微震 小于2级的地震； 有感地震 2 4级地震，人能感觉到; 破坏性地震 5级以上地震，能引起不同程度的破坏； 强烈地震 7级以上的地震。,5,2. 地震烈度 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，表示地震大小的震级只有一个
3、； 随距离震中的远近不同，烈度就有差异。 评定地震烈度的标准就称为地震烈度表。绝大多数国家包括我国都采用分成12度的地震烈度表。 3. 基本烈度 作为一个地区抗震设防依据的地震烈度，它是指该地区今后一定时期内，在一般场地土条件下，可能遭受的最大地震烈度，也就是由国家地震局制定的全国地震烈度区划图规定的烈度。 4.设防烈度：建筑物抗震设防时采用的烈度。,6,地震对建筑物的影响,7,第二节 抗震设计的基本要求,一、建筑抗震设防分类和设防标准 二、抗震设防的目标 三、抗震概念设计,8,一、建筑抗震设防分类和设防标准,1. 抗震设防类别 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
4、防类别。 2. 抗震设防标准 甲类建筑 乙类建筑 丙类建筑 丁类建筑,9,二、抗震设防的目标,抗震设防的目标 三水准要求： 所谓的三水准抗震目标，可简单的概括为： 1）小震不坏 2）中震可修 3）大震不倒,10,三、抗震概念设计,概念设计 指一些在计算中或在规范中难以作出具体规定的问题，必须由工程师运用“概念”进行分析，作出判断，以便采取相应的措施。 结构破坏机理的概念； 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。 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， 对某些薄弱部位的配筋构造起作用。 概念设计带有一定的经验性。但它和抗震计
5、算、构造设计等是不可分割、互为补充的抗震设计的重要组成部分。,11,1. 场地、地基和基础选择 场地土的分类 场地的选择 地基和基础选择 2. 结构的平面和立面布置 3. 结构体系的选择 4. 抗震结构构件及其连接 5. 非结构构件 6. 材料选择和施工,12,第三节 地震作用的计算,一、重力荷载代表值 二、单质点弹性体系的地震作用 三、多质点弹性体系的地震作用,13,一、重力荷载代表值,一般把各层质量集中在楼层处，n个楼层即形成n个质点。每一楼面标高位置的重量（称重力荷载代表值）由以下几部分组成： 恒荷载（本层楼面结构及上、下各半层墙、柱）的全部； 雪荷载的50； 一般楼面活荷载的50，藏书
6、库、档案库活荷载的80。 简化后的计算简图如图，图中Gi为第i层质点的重力荷载代表值。,14,1.单质点体系 等高单层厂房、水塔等。 该结构中参与振动的所有质量全部折算至顶部； 墙、柱视作一无重的弹性杆，这样就形成了一个单质点体系； 该体系只作单向振动时，就成为一个单自由度体系。,二、单质点弹性体系的地震作用,15,2.单质点弹性体系的地震作用,式中：m、G 为单质点体系的质量及重量； g重力加速度； 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； 称为动力系数，表示质点加速度与地面加速 度相比的放大系数； 为地震影响系数，= k。,16,3.计反应谱曲线, 地震影响系数； m
7、ax 地震影响系数最大值； T 结构自振周期； Tg 特征周期； 曲线下降段衰减指数； 1 直线下降段下降斜率调整系数； 2阻尼调整系数,17,4.单质点体系的地震作用计算方法,计算结构自振周期 由场地类别、设计地震分组查表,得场地特征周期Tg; 由设防烈度查表得水平地震影响系数最大值max； 确定、1、2； 由T、Tg、max按图计算水平地震影响系数； 作用在单质点上的水平地震作用为 FEK=g=mg。,18,三、多质点弹性体系的地震作用,1.多质点体系的振型和自振周期 2.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： 高度不超过40m，以剪切变形为主，刚度与
8、质量 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40m的高层建筑物一般可采用振型分解反 应谱方法。 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。,19, 基本思想：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。 适用条件： 结构高度小于40m； 沿高度方向质量及刚度分布比较均匀； 以剪切变形为主（H/B4）的高层建筑。,3.底部剪力法,20, 计算方法 基本自振周期T1、按反应谱曲线（T-）确定1；（地震影响系数最大值max ；特征周期T
9、g；曲线下降段衰减指数；直线下降段下降斜率调整系数1；阻尼调整系数2） 计算底部剪力FEK： FEK=1Geq （Geq=0.85GE=0.85Gi） FEK分配给各质点： 建筑为n层时，各楼层处地震力为Fi。 顶部附加荷载Fn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：当质量、刚度沿高度分布较均匀（GiGj）时，Fi与Hi成正比。,21,第四节 结构的自振周期,一、顶点位移法 二、计算自振周期的经验公式,22,一.顶点位移法,对于质量和刚度沿高度分布比较均匀的框架结构、框架一剪力墙结构和剪力墙结构： T 结构顶点假想侧移：即把集中在各层楼面处的重量Gi
10、视为作用于i层楼面的假想水平荷载，按弹性刚度计算得到的结构顶点侧移(以m为单位)； 0 基本周期的缩短系数：框架结构取0=0.60.7； 框架一剪力墙结构取0=0.70.8；剪力墙结构取00.9 1.0。,23,二.计算自振周期的经验公式,高层钢筋混凝土剪力墙结构 （高度为2050m，剪力墙间距为36m的住宅、旅馆类建筑物） 横墙间距较密时: T1横=0.054n；T1纵=0.04n 横墙间距较疏时： T1横=0.06n；T1纵=0.05n 式中：n为建筑物层数；H为建筑物总高度；B为建筑物总宽度。 钢筋混凝土框架、框架一剪力墙结构： 或 T1=（0.07-0.09）n 式中：H、B、n意义同
11、前。,24,第五节 结构的抗震验算,一、荷载效应的基本组合 二、抗震验算的设计表达式 三、抗震变形验算,25,一、荷载效应的基本组合,1.无地震作用组合： S=GSGK + QQSQK + WWSWk 式中: S 无地震组合时荷载效应组合的设计值； SGK 永久荷载效应标准值； SQk 楼面活荷载效应标准值； SWK 风荷载效应标准值； G、Q、W 分别为永久荷载、楼面活荷载、 风荷载分项系数； Q、W 分别为楼面活荷载和风荷载组合值系数。,26,荷载分项系数应按下列规定采用： 1)承载力计算时： 永久荷载的分项系数G： 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1.2； 对由永久
12、荷载效应控制的组合应取1.35。 当其效应对结构有利时，应取1.0； 楼面活荷载的分项系数Q： 一般情况下应取1.4； 风荷载的分项系数W：应取14。 2)位移计算时： 公式中各分项系数均应取1.0。,27,楼面活荷载和风荷载组合值系数Q、W： 当永久荷载效应起控制作用时应分别取0.7和0.0； 当可变荷载效应起控制作用时应分别取1.0和0.6或 0.7和1.0； 对书库、档案库、储藏室、通风机房和电梯机房，本条楼面活荷载组合值系数取0.7的场合应取为0.90。,28,2.有地震作用组合时：,SE= GSGE+EhSEhk+EvSEvk+WWSWk 式中： SE荷载效应和地震作用效应组合的设计
13、值； SGE重力荷载代表值的效应重力荷载代表值包括下列荷载：100自重标准值，50雪荷载标准值，5080楼面活荷载(在书库及档案库中取80楼面活荷载)； SEhk水平地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数； SEvk竖向地震作用标准值的效应，尚应乘以相应的增大系数或调整系数； G重力荷载分项系数； W风荷载分项系数； Eh水平地震作用分项系数； Ev竖向地震作用分项系数； W风荷载的组合值系数，应取0.20,29,有地震作用效应组合时，荷载效应和地震作用效应的分项系数应按下列规定采用： 1) 承载力计算时，分项系数应按下表采用。当重力荷载效应对结构承载力有利时，表中G不应大于1
14、.0。 2) 位移计算时，公式中各分项系数均应取1.0。,30,31,按极限状态设计的要求，各种构件承载力验算的一般表达式为：不考虑地震作用的组合时 0SR 考虑地震作用的组合时 SERE/RE 式中：S、SE构件内力； R、RE不考虑抗震及考虑抗震时构件承载力设计值。 地震作用下，构件承受反复作用力及变形，承载力RE要降低， 0 结构重要性系数，可按结构的重要程度(即安全等级)分别取1.1、1.0、0.9； 抗震设计中，不考虑结构构件的重要性系数； RE 承载力抗震调整系数，考虑到地震作用的偶然性与短时性，对承载能力作相应的调整，按下表采用。,二、抗震验算的设计表达式,32,三、抗震变形验算
15、,1)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。 2)以楼层层间最大位移与层高h之比作为限制条件，即：/h/ h 高度为250m及250m以上的高层建筑，楼层层间最大位移与层高之比的限值为1500。 高度150m及150m以下的高层建筑楼层层间最大位移与层高之比不宜大于下表的限值。 高度在150250m之间的高层建筑，楼层层间最大位移与层高之比的限值按线性插人取用。,33,34,3)限制结构侧向位移的主要原因是：,过大的侧向位移，特别是过大的层间侧移会使填充墙及建筑装修出现裂缝或损坏，也会使电梯轨道变形过大； 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结构产生附加内力； 过大的侧移会使人不舒服，影响正常使用。,