地震工程学精.ppt
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1、全国注册结构工程师继续教育必修课之五 建筑震害与设计对策建筑震害与设计对策第一章 地震基础知识第二章 建筑结构抗震设计 基础概念第三章 多层砌体房屋 震害与设计对策第四章 多层和高层混凝土房屋 灾害与设计对策1.第一章 地震基本知识v1.1地球的构造v地球是一个平均半径为6400km的椭球体。其最外面一层是地壳,平均厚度30km,包括表面沉积层,花岗岩层和玄武岩层;地球中间一层是地幔,厚度2900km,主要有橄榄岩组成;最里面的地核为半径3500km的球体,主要构造物质为铁镍,据推测,其外核(厚2100km)为液态,内核可能为固态。地球的平均重度为5.5g/cm3。2.地壳和地幔的界面称为莫霍
2、面(M界面),在此处地震波速不连续(由7.5km/s突然增大到8.08.2km/s);地幔和地核的界面称为古登堡面(G界面),在此处地震波速明显变小(由13.3km/s下降到8.1km/s)。在距地幔顶部60250km处存在地震波低速度层,说明该处岩石处于熔融状态,在板块学说中称之为软流层。3.v 1.2.1 地震的类型v按成因:构造地震、火山地震、冲击地震(陷落地震)和诱发地震。以构造地震数量多、分布广、震级也大。v按震中距:地方震(100km)、近震(100 1000km)和远震(1000km)。按震级M:小地震(M3)、有感地震(3M4.5)、中强地震(4.5M6)、强烈地震(6 M 7
3、)、大地震(7 M8)和特大地震(M8)共6个级别。按震源深度h:浅源地震(h 60km)、中源地震(60km h 300km)、和深源地震(300km h700km)1.2 地震的成因与类型4.1.2.2地震的成因v 1.宏观背景板块学说v 地壳和地幔顶部厚约70100km的岩石组成了全球岩石圈,分为6大板块(参见书中图1-4):欧亚板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、印澳板块和南极板块。由于岩石圈下部软流层的作用,太平洋板块以每年410cm的速度向西移动,在日本东岸深海沟一带向下俯冲;印澳板块以每年56cm的速度向北移动;同时,欧亚板块又从欧洲受到向东的推力。形成世界范围内的地震带。5.
4、v2.板内地震的产生断块观点v 全球岩石圈的形成和发展并不是整齐划一的。不同年代的地质构造运动,使岩石圈断裂分割为大小不等、深浅不一、发展历史不同的断裂块体。我国则分为9个断块构造分区,以桑干期(24亿年)构造分区最为古老,喜马拉雅期(0.260.65亿年)构造分区最为年轻。断块构造区形成板内地震带。6.v3.地震成因的局部机制弹性回跳说地壳由弹性的,有断层的岩石组成;地壳运动产生的能量以弹性应变能的形成在断层及其附近岩石中长期积累;当弹性应变能积累及岩石变形达到一定程度时,断层上某一点两侧的岩体发生相对位移,地震发生,断层上长期积累的弹性应变能突然释放;地震后岩体又重新恢复到没有变形的状态。
5、7.v4.弹性回跳学说的改进粘滑说v弹性回跳说认为,断层发生错动时,把积累的应变能全部释放。粘滑说则提出,每一次断层发生错动时只释放了积累的总应变能的一小部分,而剩余部分则为断层面上很高的动摩擦力所平衡。地震后,断层两侧仍有摩擦力使之固结,并可以再积累而发生较大的地震。此观点能较好地解释下一节的地震序列。8.地震序列:按时间顺序排列的同一地质构造区内发生的一系列地震的大小(见书中图1-3)v1.主震型v 主震震级突出,主震释放的地震能量占全序列的90%95%;又可分为有明显前震和无明显前震两种情况;最大余震与主震的震级差的平均值为1.11.8。v2.震群型 没有突出的主震,最大地震在全序列中所
6、占能量比例小于80%,此型地震活动的持续时间长。v3.孤立型(单发性地震)前震和余震都很少 1.3 地震序列9.v1.地震活动期和平静期v我国华北、华南地区每个地震活动期持续一、二百年,然后是大约一百年的平静期;而新疆、西藏中部地区的每个地震活动期持续50年左右,然后是20、30年的平静期。在每个地震活动期内又可出现地震更为集中的时间段,称为地震活动幕。1.4 地震分布10.v2.世界地震构造系统a)环太平洋地震带 地震活动性最强,频度高,能量大,震源较下面几个地震带为深,释放的能量占全球地震释放总能量的75%以上。b)地中海南亚地震带 地震活动性仅次于环太平洋地震带,以浅源地震为主,释放的能
7、量占全球地震释放能量的15%20%。c)海岭地震带d)频度低,震源浅,能量小。d)大陆裂谷地震带e)地震活动较强,均为浅源地震。11.v3.我国的地震活动情况12.v我国可划分为10个地震区、23个地震亚区和30个地震带。概括地说:南海、东北地震强度小,频度低;华南中强地震活动,频度较低,但东南沿海强度较大;华北,台湾,青海高原和新疆地震强度大,频度高。13.14.1.5 地震波与传播v地震波体波(由震源发出的波)面波(体波经界面多次反射、折射而成)纵波(压缩波或P波)横波(剪切波或S波)瑞雷波(R波)乐夫波(L波)瑞雷波传播时,质点在波的传播方向和地表面法向组成的平面内做与波前进方向相反的椭
8、圆运动。15.v乐夫波传播时,质点在地平面内产生与波前进方向相垂直的运动,在地面上表现为蛇形运动。Vp=VsVsVL Vp=56km/s P波、S波、L波的速度与震幅16.v1.6.1 震级震级是地震发生强度的一种度量。1935年里克特首先提出:M=lgA A震中距为1000km处地震仪的最大振幅(m)震级与能量的关系:lgE=1.5M+11.8E地震释放的能量(erg)由以上两式可以看出,震级每增加1级,振幅增大10倍,而能量增大30余倍。1.6 地震震级、震源与震中17.v地方震级(近震震级)ML,测定近震的短周期震动,适用于26级地震标度:ML=lgAM-R()+Cs AM近震记录上的两
9、个水平分量最大振幅的算术平均值;R()起称函数;Cs台站校整值。面波震级MS,测定远震的长周期震动,适用于48级地震标度:MS=lg()max+()+CS A两个水平分向地动位移的矢量和;MS为通常媒体报道的里氏震级。18.v体波震级MB,测定短周期深源地震:MS=1.59MB4由于上述标定方法的局限性,由地震波频谱组成等因素的影响,同一地震在不同地震确定的震级差别可达0.5级。短震级Mw,为克服地震波谱组成影响和震级饱和而提出:Mw=lg M010.7M0 地震矩,由地震波谱或经验关系确定。19.1.6.2 震源与震中v震源:地震(岩层错断)发生的位置。v震中:震源在地表的投影位置。v震源距
10、:地面上某一点到震源的距离。v震中距:地面上某一点到震中的距离。v大多数地震的震源深度为520km,震源深度超过100km的地震不致引起地面灾害,观测到最深的地震震源深度为700km。20.21.22.23.1.7 地震烈度v地震烈度:表示地震对地表及工程建筑物影响的强弱程度。对应一次地震,震级只有一个,而由于震中距地质条件等的差别,不同地点的地震烈度也不同。v1.地震烈度表 地震烈度表:用以描叙不同地震烈度的表格。当前采用的地震烈度表:中国地震烈度表(GB/T177421999)。24.主要依据人的感觉(15度)一般房屋震害情况(610度)其他记录(11、12度)参考物的指标:峰值加速度、峰
11、值速度(610度)2.烈度定量我国抗震规范采用:设计基本地震加速度(地震影响系数最大值)以及设计特征周期。25.26.v1976年和1990年我国颁发了两版中国地震烈度区划图。v2001年颁发了国家标准中国地震烈度区划图(GB183062001),给出了各地区50年超越概率为10%的地震动参数:地震动峰值加速度分区图和地震动反应谱特征周期分区图。3.烈度区划和地震动参数区划27.v4.烈度和震级的关系v震中烈度与震级的关系:M=1+0 M=1.5+0.58 0地震烈度的衰减关系:=a+bMclg(R+R0)R场地到震源的距离;R0与震源深度有关的常数;a、b、c回归常数。M=8.00=10.5
12、0=11.2M=8.028.1.8 地震灾害v1.8.1地震引起的地表变化1.地裂缝构造性地裂:由地下断层的错动连带地面的岩层发生 相对位移而形成。重力型地裂:结构不均匀土质、不稳定的土坡及液化土层在地震作用下形成的。29.30.v2.滑坡塌方31.32.v3.喷砂冒水v无粘性土(沙土和粉土)的抗剪强度:f=(-u)tan 剪切面上总法向压应力;u空隙水压力;土的内摩擦角。33.34.v4.海啸35.v1.8.2 工程破坏1.房屋建筑破坏 承载力不足引起的破坏 36.连接不牢引起的破坏 37.地基失效引起的破话 38.2.桥梁破坏 39.3.铁路破坏 40.4.生命线工程破坏 41.1.8.3
13、 次生灾害 42.43.1.9建筑震害的程度划分44.第二章 建筑结构抗震设计基本概念v2.1建筑抗震设计思想v1.非抗震建筑结构v结构在预期荷载作用下保持或基本保持在弹性工作状态。设计使结构具有足够的强度,保证安全性;又要使结构具有足够的刚度等正常使用性能。v2.地震作用的特点v相对于结构自重、风、雪等荷载,地震动出现次数少,作用时间短,各次地震的强度差异大。若要求在各种强度的地震影响下结构仍保持弹性状态是不经济的,甚至是不可能的。45.v3.抗震设计基本思想抗震设防目标v 当当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时,一般不受损坏或不需修理可继续使用,当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震
14、影响时,可能损坏,经一般修理或不需修理仍可继续使用,当遭受高于本地区抗震设防烈度预估的罕遇地震影响时,不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。46.v1.三水准设防目标的概括及两阶段设计v三水准设防目标可概括为“小震不坏,中震可修,大震不倒。”书中图2-147.v三水准设防目标通过“两阶段设计”来实现。v第一阶段设计:进行第一水准烈度下的结构构件截面设计和验算结构的弹性层间位移角,以满足“小震不坏”;在此基础上,听过构造措施,保证结构的延性,以满足“中震可修”。v第二阶段设计:验算第三水准烈度下的结构薄弱部位的弹塑性层间位移角,以满足“大震不倒”。48.v2.三个水准烈度第一水准:多遇烈度(众值烈度
15、)50年 超越概率63.2%50年一遇第二水准:基本烈度 50年超越概率10%474年一遇第三水准:罕遇烈度 50年超越概率23%16002500年一遇49.50.v2.2.1房屋建筑地震破坏的直接原因v1.地震引起强烈的地面变形v2.地震引起地基失效v3建筑结构的地震反应超出其承受能力v总结震害经验以改进建筑抗震设计技术2.2建筑地震灾害及其启示51.v2.2.2 历次地震房屋建筑震害概说v1.1906年美国旧金山地震v 地震发生于1906年4月18日,8.3级,震中烈度10度。当时尚无钢筋混凝土建筑。型钢骨架砖填充墙的高层建筑普遍出现非结构破坏,墙体开口部分之间有”x”裂缝或水平裂缝,位置
16、大致在建筑高度的2/3处。52.v 这次地震突出的经验教训:因房屋倒塌,引起水灾,且自来水管道破裂,消防系统失灵,大火持续了三天三夜。此后,人们开始重视地震区房屋建筑的耐震、耐火等问题,提出在地震区应推广钢筋混凝土结构。53.v 2.1957年墨西哥地震v 1957年10月28日在墨西哥城南部发生7.6级地震,墨西哥城最大加速度0.050.1g。地震区分山区、过渡区和湖泊区,山区破坏轻,湖泊区破坏严重。v 该市55座8层以上建筑,有11座钢筋混凝土框架遭到破坏。特点是5层以上震害严重,未与骨架联接的填充墙、隔墙出现明显裂缝,而框架结构的裂缝与相邻建筑物的碰撞有关。54.v 3.1960年5月2
17、1日智利南部地震v 为有记录以来最大地震,有十次超过7级,三次超过8级,主震级8.9级(一说9.5级)。智利1940年制定抗震规范,起到了提高房屋抗震能力的作用。v 经验教训:钢筋混凝土剪力墙的抗震性能经受了考验。L形、T形平面建筑发生扭转破坏。局部应力集中会导致破坏。不同类型的场地土对上部结构影响不同,对高层建筑需充分考虑场地卓越周期问题。55.v4.1963年南斯拉夫科普里市地震v 震级6级,震中烈度89度,震源深度510km。v 当框架结构底层砌有砖围护墙时震害较轻;底层完全敞开的框架结构震害较重,柱子混凝土被压碎并永久性倾斜。框架剪力墙结构破坏轻,只是配筋不足、施工质量欠佳的剪力墙出现
18、裂缝。v 经验:慎重对待柔性底层房屋;防震缝宽度不够。56.v 5.1964年美国阿拉斯加地震v 震级8.4级,震中烈度约10度,震源深度2540km,剧烈震动持续了1.54min,地震引起山崩、雪崩、滑坡和海啸。v 距震中112km的安克雷奇市按当时的美国统一建筑规范考虑抗震设防,房屋倒塌的很少,但预制结构受损严重。经验教训:v 剪力墙结构抗震性能良好。57.b)剪力墙在平面布置上偏心将导致建筑扭转破坏。c)许多框架结构主体未破坏,但填充墙裂缝严重,甚至倒塌。d)刚度性大而强度相对较低的部位或构件破坏严重,如楼梯间。e)装配式钢架混凝土结构的破坏多发生在连接节点上,主要原因是节点的强度不足或
19、冲击韧性差。f)位于滑坡和稳定土体边界上的结构遭到严重破坏,应当避开这样的区段。g)施工质量低劣为造成震害的重要因素之一。如因为混凝土施工缝而导致破坏,对施工质量缺乏认真检查。58.59.v6.1964年日本新瀉地震v7.4级,震中烈度8度,震源深度60km,地震后的28min内发生三次海啸,淹没了市中心的大部分。v经验:刚性较大的建筑有效地抵抗地基不均匀沉降而使主体结构破坏轻微。饱和砂土地区的多层建筑应采用桩基、管桩和沉箱,以防止场地液化引起上部结构倾覆。60.61.v7.1967年委内瑞拉加拉加斯地震v6.3级,震中烈度8度,加拉加斯地面加速度0.060.08g。v当冲积层厚度大于160m
20、时,14层以上的建筑物破坏显著加重,而基岩或薄冲积层上的高层建筑几乎未遭破坏。v经验教训:非结构构件和非抗侧力构件对结构预期预期的抗震性能影响较大。倾覆力矩的影响超过了以往的估计。如莱旅馆由于剪力墙弯曲压力而导致下部内柱破坏最重。62.证明在混凝土构件的所有侧面配置纵向钢筋是有效的。框架中的刚度突变部位是一个危险区域。对混凝土柱的要求:地震区应比非地震区严格。连接处的强度应与被连接构件相同,甚至更强。与剪力墙相连的楼板受力很大。应注意扭转作用、屋顶水箱的设计、楼梯在地震后仍能使用等问题。要考虑地震时基础和地基对上部结构的影响。63.v8.1968年日本十胜冲地震v8级,主震持续80s,水平加速
21、度峰值0.180.28g。v从计算上,绝大多数钢筋混凝土结构在0.18g时应在弹性阶段,但震害严重,突出的是短柱剪切破坏,说明钢筋混凝土柱的抗剪设计存在问题。v震害特点:剪力墙较多的建筑几乎无震害。框剪结构是否破坏,不仅取决于剪力墙的数量,还取决于剪力墙的长度。纯框架结构:因柱子压坏而倒塌,有的虽未倒塌但柱子破坏严重;扭转效应明显。64.v9.1970年秘鲁地震v 7.8级,震源深度56km,持续45s,20万栋建筑损坏。v 土坯及砖石房屋;砖砌房屋80%倒塌或严重破坏,但砖墙中设有钢筋混凝土梁柱的混合破坏轻得多。v 钢筋混凝土框架结构:一般损坏轻微。但当底层为开敞无墙的商店时,柱端剪弯折断。
22、v 钢框架本身无损,但在连接及次要结构上有损坏。v 经验:场地覆盖层厚时,房屋损坏严重;施工质量直接影响房屋抗震效果。65.v10.1971年美国圣费尔南多地震v6.6级,震中烈度8度强。震源很浅,造成大量地震永久变形,加重了建筑震害。v主要经验:对于框架角柱的设计应予特别的注意。要考虑倾覆力矩的影响。框架节点的设计及施工质量。必须考虑楼板、楼梯、填充墙等非结构构件的加劲作用。66.平面布置是应考虑相邻建筑物之间的不同的动力特性。防震缝若不能充分地防止变形时的碰撞,则必须考虑撞击作用。电梯的各部分应适当地固定在主体结构上。研究此次地震的意义:a)取得了200多个强度加速度记录;20层以上建筑物
23、顶部最大加速度为底部的1.52.0倍。67.b)对于医院、消防单位以及学校、人员很多的房屋,应保证在地震时不中断使用。c)促进了抗震设计理念的跨越式发展。工程界认为,当时的美国规范已经很完善。此次地震则表明,按其设计的许多房屋发生了严重破坏。加州工程师协会在78年提出的报告中引入了结构线性动力分析方法,并尝试对抗震设计的风险水准进行量化。d)68.69.v11.1972年尼加拉瓜马那瓜地震v震级6.5级,但马那瓜70%以上的房屋倒塌。v 主要经验:避免结构布置偏心。当建筑的两个方向强度不一致时,应在薄弱的方向上采取消耗地震能量的措施。设计时应考虑三角拱支撑等对柱子受力形式改变壳体结构应加强边缘
24、结构的抗侧力强度和刚度。结构的耗能能力和动力性能直接决定其抗震安全性。70.v12.1976年中国唐山地震v 时间:1976年7月28日凌晨3点;震级7.8级;震源深度:1216km;震中烈度11度。v 地震发生在人口稠密的城市且正值人们沉睡的时间,在当时唐山又属于不设防的6度区,地震造成的损失和人员伤亡极其严重。位于震中的路南区成了一片废墟,路北区绝大多数建筑塌毁,仅少数幸存(凤凰上以北),受波及的天津、北京也有大量建筑受损。71.v经验教训:重视地基基础的抗震措施。房屋平、立面布置应简单合理。多层砖房设置圈梁,加强内外墙拉结。房屋转角部位受力复杂。结构变形缝宽度要够用。屋顶局部突出部位破坏
25、严重。建筑抗震设防目标要考虑在罕遇地震作用下房屋不至于倒塌伤人。72.v13.1985年墨西哥地震v主震8.1级,强余震7.5级,震源深度33km,震中距墨西哥城400km。墨西哥城很多房屋也在表层为3050km冲积层的软土地基上,建筑物倾斜、下沉(有的下沉一层)普遍,有的建筑翻倒和地桩拔出(十分罕见)。而同属墨西哥城的西部火山岩地带上的建筑的破坏要轻得多。v 此外,共振效应引起的灾害不容忽视。以912层建筑破坏比例最大,其自振周期与场地卓越周期接近。73.74.75.v14.1994年美国北岭地震v6.7级,震中距洛杉矶35km.v商业建筑特别是大型停车场破坏严重;焊接抗弯钢框架的节点出现大
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