01 建筑抗震设计绪论.ppt

第1页：建筑结构抗震设计封面

课程名称

建筑结构抗震设计

课程定位

土木工程专业一门重要的专业课程

第2页：课程简介与教材说明

新版《建筑抗震设计规范》（GB50011-2001）自2002年1月1日起实施，本教材依据新规范及土木工程专业培养要求编写，采用中国建筑工业出版社出版的李国强等编著的《建筑结构抗震设计》。

• 全书共分八章，介绍地震有关知识、抗震设计原则与要求
• 涵盖场地分类与基础抗震、地震作用与结构地震反应分析
• 涵盖砌体结构、多高层钢筋混凝土结构、多高层钢结构和单层厂房结构抗震设计
• 最后介绍隔震与减震设计，可供土木工程及相近专业本科与专升本学生使用

第3页：教学大纲与课程目标

课程目标：培养学生具有一定的抗震计算理论基础和扎实的概念设计基础，从而能够从事一般工程的抗震设计工作。

基本要求（一）绪论：了解地震的特点，掌握地震的成因、类型、震级与烈度的概念；了解地震造成的破坏现象；了解地震工程与工程地震学科的发展概况；明确本课程的内容、任务和学习方法。

第4页：教学基本要求（续）

• 理解工程结构抗震设计原理及抗震设计总则和基本要求，掌握抗震设计的基本目的与新规范适用范围
• 抗震结构的概念设计：理解抗震概念的重要性、结构受震破坏的宏观概念、框架结构的两种基本屈服机制以及强震不倒塌结构的概念分析
• 场地、地基和基础：了解覆盖层对结构地震反应及破坏率的影响，掌握场地土液化判别方法、承载力验算方法及地基抗震措施
• 结构动力特性：了解自振周期、阻尼比和振型的计算和测试方法
• 地震作用：熟练掌握水平地震作用的底部剪力法和振型分解法，理解地震影响系数的概念及应用
• 了解结构地震反应时程分析法的基本问题与单自由度弹塑性体系的时程分析

第5页：各类结构抗震设计要求

• 多层砌体房屋：了解震害特点与影响抗震能力的强度、延性、整体性因素，掌握合理布置与选型原则，熟练掌握地震作用计算与抗震验算方法
• 多层和高层钢筋混凝土房屋：了解承重与非承重结构的震害特点，掌握抗震设计原则与一般规定，包括结构体系选择、规则与不规则区分、抗震等级划分与防震缝处理
• 单层工业厂房：了解钢筋混凝土柱、砖柱与钢结构厂房的抗震性能与震害特点，掌握等高及不等高厂房自由振动的实用计算方法与抗震构造措施

第6页：主要参考文献

1. 《建筑结构抗震设计》，东南大学编著，清华大学主审，中国建筑工业出版社
2. 《建筑抗震设计》，郭继武编，高等教育出版社
3. 《高层建筑结构设计》第三版，包世华、方鄂华主编，清华大学出版社

第7页：课程主要内容与章节体系

1. 第一章 绪论
2. 第二章 场地与地基
3. 第三章 结构地震反应分析与抗震计算
4. 第四章 多层砌体结构抗震设计
5. 第五章 多高层建筑钢筋混凝土结构抗震设计
6. 第六章 多高层建筑钢结构抗震设计（了解）
7. 第七章 单层厂房抗震设计（了解）
8. 第八章 隔震、减震与结构控制初步（了解）

第8页：第一章绪论重点掌握内容

重点掌握内容：

• 震源、震中、震中距
• 地震波、地震动
• 地震震级、地震烈度、基本烈度
• 工程设防目的和要求
• 抗震设计的总体要求

第9页：第一章绪论章节目录

1. 第一节 地震与地震动
2. 第二节 地震震级与地震烈度
3. 第三节 地震灾害概说
4. 第四节 工程抗震设防
5. 第五节 抗震设计的总体要求
6. 小结 习题

第10页：第一节地震与地震动导览

1. 1.1 震源、震中、震中距
2. 1.2 地震波
3. 1.3 地震动

第11页：震源震中与震中距

地震是一种自然现象。据统计，地球每年平均发生500万次左右地震，其中5级以上的强烈地震约1000次左右。强烈地震发生在人类聚居区就会造成地震灾害。

诱发地震

主要由人工爆破、矿山开采及工程活动（如兴建水库）所引发，一般不太强烈

天然地震

分为构造地震与火山地震，构造地震发生次数多（约占地震总数90%）、影响范围广，是地震工程的主要研究对象

第12页：构造地震的成因机制

宏观背景：地球内部由地壳、地幔与地核三个圈层构成，最外层由巨大板块组成，板块向下延伸深度约70～100km，地幔物质对流使板块缓慢相互运动，板块构造运动是构造地震产生的根本原因。

局部机制：板块运动过程中，板块间相互作用力使地壳岩层发生变形，当变形积聚超过岩石所能承受的程度时，岩体突然断裂或错动，从而引起地震。

第13页：震源震中与震中距定义

震源

地球内部断层错动并引起周围介质振动的部位

震中

震源正上方的地面位置

震中距

地面某处至震中的水平距离

按震源深度划分：

第14页：地震波与体波类型

地震时地下岩体断裂、错动产生振动，以波的形式从震源向外传播，即为地震波。在地球内部传播的波称为体波，分为纵波与横波两种。

第15页：面波类型与传播特点

沿地球表面传播的波叫做面波，主要有瑞雷波和乐夫波两种形式。

• 瑞雷波：质点在波的前进方向与地表法向组成的平面内作逆向椭圆运动，是形成地面晃动的主要原因
• 乐夫波：质点在与波的前进方向垂直的水平方向运动，地面上表现为蛇形运动
• 面波周期长、振幅大，比体波衰减慢，能传播到很远的地方

地震波传播速度纵波最快、横波次之、面波最慢，故震中区人们的感觉是先上下颠簸、后左右摇晃。

第16页：

第17页：地震动及其三要素

地震动

由地震波传播所引发的地面振动，通常称为地震动

地震动的三要素：

• 峰值
• 频谱
• 持续时间

第18页：第二节地震震级与烈度导览

1. 2.1 地震震级
2. 2.2 地震烈度
3. 2.3 基本烈度

第19页：地震震级与里氏震级

地震震级

表示地震本身大小的一种度量，数值根据地震仪记录到的地震波图确定

我国现用仪器，近震（震中距小于100km）震级按下式计算：M = logA + R(△)，式中A为地震记录图上量得的最大水平位移，R(△)为依震中距△而变化的起算函数。

震级M与震源释放能量E的关系为：logE = 1.5M + 11.8（里氏震级，1erg=10^-7J）。震级每增加一级，释放能量约增加30倍。

• 大于2.5级的浅震在震中附近人有感觉，称为有感地震
• 5级以上的地震会造成明显破坏，称为破坏性地震
• 世界上已记录到的最大地震震级为8.9级

第20页：地震烈度及其分布规律

地震烈度

指某一区域的地表和各类建筑物遭受某一次地震影响的平均强弱程度

一次地震，表示地震大小的震级只有一个；但由于同一次地震对不同地点的影响不一样，随距离震中的远近会出现多种不同的烈度。一般来说，距离震中近烈度就高，距离震中越远烈度越低。

第21页：基本烈度与设防依据

基本烈度

指一个地区在一定时期（我国取50年）内在一般场地条件下按一定的概率（我国取10%）可能遭遇到的最大地震烈度

基本烈度是一个地区进行抗震设防的依据。

第22页：第三节地震灾害概说导览

1. 3.1 两大地震构造系
2. 3.2 地震的破坏作用

第23页：全球两大地震构造系

全球地震主要集中在两个大的地震构造系范围内：

• 环太平洋地震构造系：集中了全世界地震总数的75%
• 大陆地震构造系：位于北纬20°～50°之间，集中了全球大陆地震的90%

第24页：我国地震灾害统计

我国位于世界两大地震构造系的交汇区域，历史上就是地震多发的国家之一。

第25页：地震破坏作用的三种形式

地震的破坏作用主要表现为三种形式：

直接灾害

震动造成房屋被毁，地裂、滑坡、地陷、塌方等造成道路、矿山等毁坏，海啸摧毁港口、船只和近海岸建筑物等（指前两种：地表破坏与建筑物的破坏）

次生灾害

油罐、输气管道破裂引起火灾，水坝决口引起水灾，玻璃碎片飞舞伤人，此外还有爆炸、核泄漏等（第三种）

第26页：地表破坏与次生灾害

• 地表破坏及其影响：表现为地裂缝、地面下沉、喷水冒砂和滑坡等形式
• 建筑物的破坏：我国历史地震资料表明90%左右的建筑物破坏由地表运动的动力破坏作用引起，主要表现为主体结构强度不足形成的破坏和结构丧失整体性两类，强度破坏主要因承重构件抗剪、抗弯、抗压强度不足造成
• 次生灾害：水坝、煤气管道、供电线路及易燃易爆有毒物质容器破坏可造成水灾、火灾、空气污染等。例如1995年日本阪神大地震，震后火灾多达500余处，震中区木结构房屋几乎全部烧毁；地震引起的海啸也会对海边建筑造成巨大破坏

第27页：20世纪中国大陆地震活动周期

本页为20世纪中国大陆地震活动周期示意图，展示该时段内地震活动的周期性与起伏特征。

第28页：中国强震及地震带分布图

本页为中国强震及地震带分布图，标示我国主要地震带的分布与历史强震震中位置。

第29页：

第30页：板块构造示意

本页为板块构造示意图，展示地球表层的板块划分与板块之间的相互运动关系。

第31页：地震中房屋倾倒震害

本页为震害照片，展示地震中房屋整体倾倒后的破坏形态。

第32页：

第33页：海啸过后的震害现场

本页为震害照片，展示海啸过后近海岸建筑与设施被摧毁的现场状况。

第34页：断层构造图解

本页为断层构造图解，标示断层的基本要素与岩层错动的空间关系。

第35页：圣安德烈斯断裂错动实例

本页为实例照片：在海滨地区跨圣安德烈斯断裂的篱笆在1906年旧金山地震时错动了2.6米，远处的土地向右移动。

第36页：亚美尼亚地震新鲜断崖

本页为1988年亚美尼亚地震造成的新鲜断崖照片，展示地震地表破裂的直观形态。

第37页：兰德斯地震断层擦痕

本页为埃莫森断裂崖的新鲜断面照片，显示1992年兰德斯地震后的滑移（称之为擦痕）。

第38页：大陆漂移假说与板块说

板块说（简单介绍）：大陆漂移假说由德国气象学家魏格纳（Wegener，1880～1930年）在讲课中提出，在约10年时间内未受到地质界重视。1922年2月16日《自然》杂志上一篇无名短文评述其著作，称该书直接应用了物理学原理，但遭到许多地质学家的强烈反对。

• 魏格纳假定一个超级大陆于3亿年前破裂，其碎块漂移出去形成现今的大陆
• 证据：不同大陆的大型地质构造可吻合，如非洲西海岸和南美的东海岸
• 该原理能解释许多地质学问题，在以后几十年中成为辩论的主要焦点

第39页：构造力挤压下的岩层褶皱

本页为实例照片：来自以色列的精彩实例，原来水平的刚性岩石层在长时期作用的构造力挤压下发生褶皱。

第40页：地层剖面示意

本页为地层剖面示意图，标示不同年代地层的层序与接触关系。

第41页：建筑震害倒塌前后对比

本页为建筑倒塌前后的对比照片，直观展示地震造成的建筑损毁过程。

第42页：地球圈层构造示意

本页为地球构造示意图，展示地壳、地幔与地核三个圈层的结构关系。

第43页：第四节工程抗震设防导览

1. 4.1 工程抗震设防的基本目的和要求
2. 4.2 抗震设防的方法、范围与标准

第44页：工程抗震设防的目的

工程抗震设防的基本目的

在一定的经济条件下，最大限度地限制和减轻建筑物的地震破坏，保障人民生命财产的安全

为实现这一目的，近年来许多国家的抗震设计规范都趋向于以“小震不坏、中震可修、大震不倒”作为建筑抗震设计的基本准则。

第45页：三水准抗震设防要求

我国《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2001）明确提出了三个水准的抗震设防要求：

第46页：两阶段设计法

保证设防目标的方法：两阶段设计法

• 第一阶段：通过对多遇地震弹性地震作用下的结构截面强度验算，保证小震不坏和中震可修，保证第一水准的承载力要求和变形要求
• 第二阶段：通过对罕遇地震烈度作用下结构薄弱部位的弹塑性变形验算，并采取相应的构造措施保证大震不倒，保证第三水准的抗震设防要求

如何保证第二水准的抗震设防要求尚在研究之中，目前一般认为良好的抗震构造措施有助于第二水准要求的实现。

第47页：抗震设防范围与建筑类别

• 抗震设防的范围：6度、7度、8度、9度。我国采取6度起设防的方针，地震设防区面积约占国土面积的60%；6度一般只需按构造考虑，10度区上的建筑抗震设计应做专门考虑
• 建筑类别及其设防标准：按建筑的重要性不同而采用不同的设防标准，不同使用性质的建筑物地震破坏后果不一样，不宜采用同一标准，应根据其破坏后果加以区别对待

第48页：建筑抗震设防分类

我国建筑抗震设计规范将建筑物按其用途的重要性分为四类：

第49页：第五节抗震设计总体要求导览

1. 5.1 建筑抗震设计包括三个层次的内容与要求
2. 5.2 建筑抗震设计在总体上要求把握的基本原则

第50页：抗震设计的三个层次

建筑抗震设计包括三个层次的内容与要求：

概念设计

在总体上把握抗震设计的基本原则

抗震计算

为建筑抗震设计提供定量手段

构造措施

在保证结构整体性、加强局部薄弱环节等意义上保证抗震计算结果的有效性

第51页：抗震设计的五项基本原则

建筑抗震设计在总体上要求把握的基本原则可以概括为：

• 注意场地选择
• 把握建筑体型
• 利用结构延性
• 设置多道防线
• 重视非结构因素

第52页：场地选择与建筑体型原则

• 场地选择：地震区的建筑宜选择有利地段，避开不利地段；确需在不利或危险地段建造时，应进行详细的场地评价并采取必要的抗震措施
• 建筑体型：平、立面布置的基本原则是对称、规则、质量与刚度变化均匀。结构对称有利于减轻扭转效应；形状规则使各部分振动易于协调、减少应力集中。平面方向应尽量使刚度中心与质量中心一致；立面方向质量与刚度不宜有悬殊变化。刚度突然削弱的薄弱层会造成变形集中并加速倒塌；上部刚度较小会形成“鞭梢效应”

第53页：利用结构延性耗能

仅利用结构的弹性性能抗御强烈地震是不明智的。正确的做法是同时利用结构弹塑性阶段的性能，通过结构一定限度内的塑性变形来消耗地震时输入结构的能量。

• 钢筋混凝土结构：可采用强剪弱弯、强节点弱构件的设计策略，促使梁以受弯曲形式产生较大变形
• 砌体结构：可采用墙体配筋、构造柱与圈梁体系等措施增加结构的延性

第54页：设置多道抗震防线

在建筑抗震设计中，有意识地使结构具有多道抗震防线，是抗震概念设计的一个重要组成部分。在两道防线之间，大量地震输入能量被结构的弹塑性变形所消耗。应注意：

• 不同的设防阶段应使结构周期有明显差别，以利避免共振
• 最后一道防线要具备一定的强度和足够的变形潜力

第55页：非结构构件的抗震处理

• 非结构构件的存在会影响主体结构的动力特性（如阻尼、周期等）
• 玻璃幕墙、吊顶、室内设备等非结构构件在地震中往往先期破坏
• 非结构构件与主体结构之间要有可靠的连接或锚固
• 对围护墙、隔墙等可能影响主体结构振动的非结构构件，应分析或估计其影响并采取相应抗震措施

第56页：第一章小结

• 地震：地震波，震级，烈度；烈度：设防烈度、基本烈度、多遇烈度、罕遇烈度
• 设防目标：三水准，大震不倒、中震可修、小震不坏
• 设计方法：两阶段设计法，小震下进行强度验算，大震下进行变形验算
• 建筑物的设防类别：甲、乙、丙、丁
• 建筑的设防标准：以丙类为设防基准，乙类提高1度，丁类降低1度，甲类特殊处理
• 设防范围：6～9度

第57页：本章复习与掌握要点

本章应在理解和掌握地震震级、地震烈度、基本烈度、设防烈度、多遇烈度、罕遇烈度等基本概念的基础上，掌握和区分各概念之间的区别。

• 理解和掌握两大地震构造系的分布
• 掌握地震破坏作用的三种主要表现形式：地表破坏、建筑物的破坏、次生灾害
• 重点掌握工程抗震设防的基本目的和要求，理解三水准、两阶段的基本含义
• 理解抗震设防的方法、范围与标准
• 重点掌握建筑抗震设计三个层次的内容与要求及总体把握的基本原则

第58页：第一章习题

1. 震级和烈度有什么区别和联系？
2. 如何考虑不同类型建筑的抗震设防？
3. 怎样理解小震、中震与大震？
4. 概念设计、抗震计算、构造措施三者之间的关系是什么？
5. 试讨论结构延性与结构抗震的内在联系。

第59页：第一章结束

第一章 绪论 结束。