建筑抗震设计讲义

建筑结构抗震设计讲义

哈尔滨工业大学土木工程学院 防灾减灾学科组

2014年春

目录

第一章 绪论 ........................................................................ 1

1.1 地震 .................................................................................................................................................. 1 1.2 震级与烈度 ...................................................................................................................................... 1 1.3 地震灾害 .......................................................................................................................................... 2 1.4 工程抗震设防 .................................................................................................................................. 3 1.5 抗震概念设计 .................................................................................................................................. 4 本章重点................................................................................................................................................. 5 第二章 场地与地基 .................................................................. 6

2.1 场地划分 .......................................................................................................................................... 6 2.2 地基抗震验算 .................................................................................................................................. 8 2.3 地基土液化及其防治 ...................................................................................................................... 9 本章重点............................................................................................................................................... 10 第三章 结构地震反应分析与抗震计算 .................................................. 11

3.1概述 ................................................................................................................................................. 11 3.2 单自由度结构的弹性地震反应分析 ............................................................................................ 11 3.3 单自由度结构的地震作用与反应谱 ............................................................................................ 12 3.4 多自由度弹性体系地震反应分析 ................................................................................................ 15 3.5 振型分解反应谱法 ........................................................................................................................ 16 3.6 计算水平地震作用的底部剪力法 ................................................................................................ 20 3.7 建筑结构的扭转地震效应 ............................................................................................................ 24 3.8 结构竖向地震作用 ........................................................................................................................ 24 3.9 结构抗震验算 ................................................................................................................................ 25 第四章 砌体房屋 .................................................................... 27

4.1 概述 ................................................................................................................................................ 27 4.2 震害及其分析 ................................................................................................................................ 27 4.3 抗震设计的一般规定 .................................................................................................................... 27 4.4 抗震构造措施 ................................................................................................................................ 28 4.5抗震计算 ......................................................................................................................................... 29 第五章 多层和高层钢筋混凝土结构房屋 ................................................ 33

5.1 概述 ................................................................................................................................................ 33 5.2 震害及其分析 ................................................................................................................................ 33 5.3 抗震设计的一般规定 .................................................................................................................... 33 5.4 框架和框架-抗震墙结构水平地震作用计算 ............................................................................... 35 5.5 钢筋混凝土框架的抗震设计 ........................................................................................................ 35 第六章 隔震与耗能减震简介 ......................................................... 41 参考文献

第一章 绪论

1.1 地震

1.1.1地震类型与成因

地震按成因可分为天然地震和诱发地震。

诱发地震：因爆破、矿山开采、兴建水库等人类活动所引发的地震称为诱发地震。 天然地震：包括构造地震、火山地震、陷落地震

1中，板块之间的相互作用使岩层发生变形，当变形累积

到超过岩石承受能力时，该处岩体就发生突然断裂或错动，从而引起地震。

1.1.2地震波

地震波是震源岩石破裂产生的振动，由震源向地表传播的过程。地震波分为体波和面波，体波是指在在地球内部传播的地震波，面波是指在地球表面传播的地震波。

体波又分为纵波（或P波，P—Primary）和横波（S波，S—Secondary）。 纵波（P波）：胀缩波，质点振动方向与波的前进方向一致 横波（S波）：剪切波，质点振动方向与波的前进方向垂直

纵波特点是周期短、振幅小、波速快，横波特点是周期长、振幅大、波速慢。可利用纵波快于横波的特点进行地震预警。

面波又分为洛夫（Love）波和瑞利（Rayleigh）波。 洛夫波：质点与前进方向垂直

瑞利波：质点在前进方向与地表法线组成的平面内作椭圆运动[2]。

面波比体波衰减慢、振幅大、周期长、传播远。建筑物破坏主要由S波或面波造成[1]。

1.1.3震源、震中、震中距

地球内部发生地震的地方叫震源；震源在地面上的投影点称为震中；震中及其附近的地方称为震中区；从震中到地面上任何一点的距离称为震中距。

1.2 震级与烈度

1.2.1震级

震级是指反映一次地震释放能量大小的等级，里氏震级按下式确定[6]

M logA（ ） logA（+M0 (1.1) 0 ）

式中，A表示标准Wood–Anderson地震仪在所测地震下记录到的最大水平位移，单位为微

米； 为震中距；M0是参考地震的震级，A0是地震仪在参考地震下记录到的最大水平位移。由式(1.1)可知，A和A0均为震中距的函数。如果距震中100km的地震仪记录值为1微米，则定义此时的震级为零2。如果把零级地震作为参考地震，则式(1.1)变为[7]

M logA（ ） logA（ (1.2) 0 ）

1

板块构造运动的理论基础是魏格纳于1915年在其著作《海陆的起源》中提出的大陆漂移学说。

2

在文献[6]中，A及A0的单位为毫米，该文作者把A(100km)=1mm对应的震级定义为3级。容易证明，按这种定义与按本文定义得到的里氏震级值完全相同。

[2]

如果地震仪放置在距震中100km处，则[8]

M logA（100km） (1.3)

除里氏震级外，还有体波震级、面波震和矩震级[2]。

震级与能量的关系

震级与能量的关系如下[2][8]：

logE 11.8 1.5M

式中，能量E的单位为尔格（1尔格=10-7焦耳）。震级相差一级，能量相差约32倍；相差二级，能量相差1000倍。

按震级的地震分类

微震：2级以下；有感地震：2-4级；破坏性地震：5级以上；强烈地震：7级以上；特大地震： 8级以上。

1.2.2地震烈度

地震烈度是指某一区域内的地表和各类建筑物遭受地震影响的平均强弱程度。在同一地震的影响下，各地烈度不同。震中烈度I与震级M的粗略关系为[1]

I 1.5(M 1) 我国在1980年制定了《中国地震烈度表》，将地震烈度分为1-12度。

一个地区未来50年内一般场地条件下可能遭受的具有10%超越概率的地震烈度值称为该地区的基本烈度，对应的重现期为475年。

1.3 地震灾害

1.3.1地震带

全世界地震主要分布于以下两个带：

(1)环太平洋地震带：包括南北美洲的太平洋沿岸和从阿留申群岛、堪察加半岛、经千岛群岛日本列岛南下至我国台湾省，再经菲律宾群岛转向东南，直到新西兰。

(2)喜马拉雅——地中海地震带：从印度、尼泊尔经缅甸至我国横断山脉、喜马拉雅山区，越帕米尔高原，经中亚细亚到地中海及其附近。

1.3.2我国的地震活动地区

我国的地震活动主要分布在五个地区：①台湾省及其附近海域；②西南地区，主要是西藏、四川西部和云南中西部；③西北地区，主要在甘肃河西走廊、青海、宁夏、天山南北麓；④华北地区，主要在太行山两侧、汾渭河谷、阴山-燕山一带、 山东中部和渤海湾；⑤东南沿海的广东、福建等地。

1.3.3我国的地震灾害

1556年陕西关中地震，8级，死亡82余万人； 1976年河北唐山地震，7.8级，死亡24万人；

2008年四川汶川地震，8.0级，死亡69200人，18195人失踪。

1.3.4世界的地震灾害

2004年12月16日，印度洋地震，9.0级，23-28万人死亡[3]； 2010年海地地震，7.3级，死亡人数30多万； 2010年9月4日，新西兰克赖斯特彻奇地震，7.2级，震源深度20公里，死亡人数0[4]； 2011年2月22日，新西兰克赖斯特彻奇地震，6.3级，震源深度4公里，死亡人数182[5]； 2011年，日本本州东海岸地震，9.0级，10901人死亡，17649人失踪。

1.3.5地震的破坏作用

地震的破坏作用分为：(1)地表破坏，包括地面变形、地裂、滑坡、喷水冒砂；(2)建(构)筑物破坏，包括结构破坏和非结构破坏；(3)次生灾害，包括火灾、海啸、水灾等。

1.4 工程抗震设防

1.4.1抗震设防的目标及要求

抗震设防基本目的是减轻建筑的地震破坏，避免人员伤亡，减少经济损失。《建筑抗震规范》规定了“三水准”的抗震设防目标，即：小震不坏、中震可修、大震不倒。“三水准”地震作用及相应抗震设防要求分别见表1.1和表1.2。抗震设防范围为设防烈度为6度及以上地区的建筑，对于多数建筑，设防烈度一般取该地区的基本烈度。

表1.1 三水准地震作用的定义

地震作用 多遇烈度（小震） 基本烈度（中震）

罕遇烈度（大震）

表1.2 抗震设防要求

50年超越概率

63.2% 10% 2-3%

地震重现期 50年 475年 1642-2475年

1.4.2抗震设计方法

《建筑抗震规范》规定了“”设计计算方法。第一阶段设计，按多遇地震烈度对应的地震作用效应和其它荷载效应的组合验算结构构件的承载能力和结构的弹性变形；第二阶段设计，按罕遇地震烈度对应的地震作用效应验算结构的弹塑性变形。对于第二水准，主要通过构造设计来实现。