工程結構抗震與防災,主講人：黃雄軍 手機E-mail：,第1章 結構抗震基本知識 1-1 地震基本知識 地震是一種經常發生的自然現象，只不過在發生 小于四級地震時，人們沒有感覺。 但是，如果地震發生在人群居住地并且地震級別 較大時，將給人們帶來災難甚至是滅頂之災，例如： 1976年的唐山大地震，2008年的四川汶川大地震及 2013年4月的四川蘆山地震。 盡管目前人們尚不能控制及預測地震的發生，但 是實踐表明，設計出抗震性能優良的建筑物，則有可,能減少地震帶來的生命與財產損失。 因此，為了抵御和減輕地震災害，有必要進行工 程結構的抗震分析與設計。,一、地球的構造 地球：地球是一個平均半徑約為6400km的橢圓球體。 由外到內可分為三層，即地殼、地幔與地核。,地殼：地球外表面的一層薄殼，平均厚度約為30km，最薄處約5km，地震多發于此。 通常認為，地殼（地球最外層）是由一些巨大的 板塊所組成的，板塊向下延伸的深度大約為70-100km。 地幔主要由質地堅硬的橄欖巖組成。由于地球內 部放射性物質不斷釋放熱量，地球內部的溫度隨深度 的增加而升高，導致地幔內物質的對流。 地核是地球的核心部分，可分為內核與外核。,二、地震的類型與成因 地震安全成因主要分為： 構造地震 火山地震 水庫引發地震 礦山開發 人工爆破 其中，前兩項為天然地震，后面為誘發地震。,構造地震的成因主要有： 1.斷層說 地球內部在不斷運動的過程中，始終存在著巨大 的能量，造成地殼巖層不停地連續變動，不斷發生變 形，產生地應力。 當地應力產生的應變超過某處巖層的極限應變時 ，巖層就會發生突然斷裂和錯動。,2.板塊構造說 地球表面的巖石層不是一塊整體，而是由六大板 塊和若干小板塊組成，即歐亞板塊、美洲板塊、非洲 板塊、太平洋板塊、澳洲板塊和南極板塊。 由于地幔物質的對流，板塊一直在緩慢地相互運 動，板塊構造說認為：板塊的構造運動是產生構造地 震的根本原因。 從局部機制上分析，地球板塊在運動過程中，板 塊之間的相互作用力會使地殼中的巖層發生變形。當 這種變形積聚到超過巖石所能承受的程度時，該處的 巖體突然斷裂或錯動，從而引起地震。,三、世界的地震活動 據統計，地球上平均每年發生震級8級以上、震中 烈度11度以上的毀滅性地震2次；震級7級以上、震中 烈度9度以上的大地震不到20次；震級在2.5級以上的 有感地震15萬次以上。,三、我國的地震活動 我國東臨太平洋地震帶，南接歐亞地震帶，地震 分布相當廣泛。我國6個地震活動區： 臺灣及其附近海域 喜馬拉雅山脈活動區 南北地震帶 天山地震活動區 華北地震活動區 東南沿海地震活動區,五、近期世界地震活動 2004年12月26日印尼發生的地震為8.7級； 2008年5月12日四川汶川發生的地震為8.0級； 2010年1月12日海地發生的地震為7.3級； 2010年2月27日智利發生的地震為8.8級； 2011年3月11日日本發生的地震為9.0級，引發 海嘯與核泄漏，以致造成巨大的災難； 2013年4月20日四川蘆山發生的地震為7.0級；,1-2 地震的基本術語 一、震源和震中 地球內部由于某種原因發生振動，并以波的形式傳遞到地表引起地面震動 內部發生振動的地方稱之為震源 震源在地表的投影叫震中 震源至地面的垂直距離叫震源深度 根據震源深度將地震劃分為： 淺源地震震源深度小于60km； 中源地震震源深度在60km- 300km之間； 深源地震震源深度大于300km； 其中，淺源地震的破壞性為最大。,二、地震波 地震由于地下巖體發生斷裂、錯動產生震動并以 波的形式從震源向外傳播，即為地震波，可分為體波 與面波。 （1）體波 體波是指通過地球本體內傳播的波，包含縱波、 橫波。,縱波：質點振動方向與波的傳遞方向一致的波。 橫波：質點振動方向與波的傳遞方向垂直的波。 縱波：壓縮波，無論是在固體內還是液體內均能 傳播； 周期短、振幅小，在地面引起上下顛簸運動。 橫波：剪切波，只能在固體內傳播； 周期較長，振幅較大，引起地面水平方向的 運動。,（2）面波 面波是指介質表面或地球表面及其附近傳播的 波，一般認為是體波經地層界面多次反射形成的次生 波，包含瑞雷波和樂普波。 瑞雷波傳播時，質點在波的前進方向與地表法向 組成的平面內作逆向橢圓運動。這種運動形式被認為 是形成地面晃動的主要原因。 樂夫波傳播時，質點在與波的前進方向垂直的水 平方向運動，在地面上表現為蛇形運動。,瑞雷波振動軌跡剖面(a)和射線(b),地震波的傳播速度，以縱波最快、橫波次之，面 波最慢。 所以，在地震發生的中心地區人們的感覺是，先 上下顛簸，后左右搖晃。當橫波或面波到達時，地面 振動最為強力，產生的破壞作用也最大。 在離震中較遠的地方，地震波衰減，地面振動減 弱，破壞作用也就減輕。,三、地震震級 地震震級是表示地震本身大小的一種度量。其數 值是根據地震儀記錄到的地震波圖確定的。例如某時 某地發生了里氏7級地震。 地震震級M與震幅的關系： 地震震級M與震源釋放能量的關系如下： 從該公式可以知道，如果地震震級M增加1級，則 震源釋放能量E增加大約為30倍。,四、地震烈度 地震烈度是指某一區域的地表和各類建筑物遭受 某一次地震影響的平均強弱程度。 一次地震，表示地震本身大小的震級只有一個。 然而，由于同一次地震對不同地點的影響不一樣，隨 著距離震中的遠近會出現多種不同的烈度。 此外，由于地層土不一樣，地震波的表現也不一 樣，因此震中距相同的建筑，其破壞程度也不一樣。,此外，地震烈度與地面上的建筑物的抗震性能也 有關。08年8月底在攀枝花發生的6.1級與2010年4月玉 樹地震帶來的破壞也相對較大，原因之一就是處于山 區農民的房屋大部分是土坯房，即使不發生地震，也 應該是危房。 地震等級在地震發生后不久就可以確定，但是， 地震烈度則要經過調查后才能確定，時間相對較長。 例如，5.12汶川地震發生后，國家地震局隨即就 發布了地震的等級為7.8級，兩天后修改為8.0級。但 是地震烈度的情況則是在9月初公布。,汶川地震的烈度分布情況,1-2 地震動特性 由地震波傳播所引發的地面振動，稱為地震動。 一般通過記錄地面運動的加速度來了解地震動的 特性。 地震動的三要素為地震動的峰值（最大振幅）、 頻譜和持續時間。 工程結構的地震破壞與地震動三要素密切相關。 每次的地震動記錄都是不一樣的。但可根據地震 后的構筑物的破壞情況或者通過人工合成的辦法確定 幾種典型的地震動，作為進行工程結構的抗震分析用。,一、地震動幅值特性 地震動的幅值可以是地面的加速度、速度或位移 的某種最大值或某種意義下的有效值。 目前采用最多的地震動幅值是地面運動最大加速 度幅值，它可以描述地面震動的強弱程度，且與震害 有著密切的關系，可作為地震烈度的參考物理指標。 二、地震動頻譜特性 震級、震中距和場地條件對地震動的頻譜有重要 的影響，震級越大、震中距越遠，地震動記錄的長周 期分量就越顯著。,地基土中軟土且地層厚的地基上的卓越周期偏向 長周期，因此地震動的作用就可能被放大。 三、地震動持時特性 地震動持時對結構的破壞程度有著較大的影響。 在相同的地面運動最大加速度作用下，當強震的持續 時間越長，則該地點的地震烈度就高，結構物的地震 破壞就重。,地震的破壞作用 1.地表破壞及其影響 地表破壞表現為地裂縫、地面下沉、噴水冒砂和 滑坡等形式。 地裂縫分成為構造性地裂縫和重力式地裂縫。 地面不均勻沉陷易引起建筑物的破壞甚至倒塌。 2.建筑物及構筑物的破壞 由地表破壞造成的建筑物破壞性質上屬于靜力破 壞，這種破壞有時是災難性的，如北川縣城的一些建 筑的破壞。,更多的建筑物（大約90%）破壞由于地震地面運動 的動力響應引起的，在性質上屬于動力破壞，也是人 們通過改善建筑物設計可以控制的。因此，結構物動 力破壞機制的分析，是結構抗震研究的重點和結構抗 震設計的基礎。 建筑物的動力破壞主要表現為因為主體結構強度 不足所形成的破壞和結構喪失整體性兩類破壞形式。,3.次生災害 如地震形成的堰塞湖、水壩、煤氣、通訊、易 燃、易爆、有毒物質的容器的破壞給人們的破壞也相 當巨大。例如北川的唐家山堰塞湖，若不及時處理， 給下游造成的破壞有可能大于地震本身的破壞。,1-4 工程結構的抗震設防 一、基本術語 抗震設防烈度 按國家規定的權限批準作為一個地區抗震設防依 據的地震烈度。一般情況下，取50年內超越概率為 10%的地震烈度，也稱為基本烈度。 基本烈度是一個地區進行抗震設防的主要依據。 如前所述，地震等級表明的是地震釋放能量的大 小，地震烈度是地面建筑物的破壞程度，因此對建筑 物進行抗震設計只能依據烈度大小。,在我國基本地震烈度的區劃只能由國家地震局發 布，且基本上按縣級行政區域進行劃分，可以在抗震 設計規范中查出，如地震烈度、地震加速度峰值。 抗震設防標準 衡量抗震設防要求高低的尺度，由抗震設防烈度 或設計地震動參數及建筑物的抗震類別確定； 地震作用 由地震動引起的結構動態作用，包括水平地震作 用和豎向地震作用。 設計地震動參數 抗震設計用的加速度（速度、位移）時程曲線、加,速度反應譜和峰值加速度 設計基本加速度 50年設計基準期超越概率10%的地震加速度的設計 取值； 設計特征周期 抗震設計用的地震影響系數程曲線中反映地震震級 、震中距和場地類別等因素的下降起始點對應的周期 值，簡稱特征周期； 場地 工程群體所在地，其范圍相當于廠區、居民小區 和自然村或不小于1平方公里的平面面積。,抗震措施 除地震作用計算和抗力計算以外的抗震設計內容 ，包括抗震構造措施。 抗震構造措施 根據抗震概念設計原則，一般不需要計算而對結 構和非結構各部分必須采取的各種細部要求。,二、地震影響和抗震設防烈度 抗震設防烈度是一個地區進行抗震設防依據的地 震烈度。 一般情況下可采用中國地震動區劃圖的地震基本 烈度或與建筑抗震設計規范（GB50011-2010） 設計基本地震加速度值對應的烈度值。 抗震規范規定，設防烈度為6度及以上的地 區的建筑，必須進行抗震設計。 震害調查表明，雖然不同地區的宏觀烈度相同， 但處于大震級遠震中距的柔性建筑物，其震害要比小 震級近震中距的情況。,震害調查表明，雖然不同地區的宏觀烈度相同， 但處于大震級遠震中距的柔性建筑物，其震害要比小 震級近震中距的情況重得多。 因此，抗震規范用設計地震分組來體現震級 和震中距的影響，建筑工程的設計地震分成為三組。 第一組表示近震中距，第二、三組表示較遠震中 距的影響。,三、建筑分類 我國抗震規范將建筑物按其用途的重要性分 成為特殊設防類（簡稱甲類）、重點設防類（乙類）、 標準設防類（丙類）、適度設防類（丁類）四類。 （1）特殊設防類建筑：指使用上有特殊設施，涉及 國家公共安全的重大建筑工程和地震時可能發生嚴重 次生災害等特別重大災害后果，需要進行特殊設防的 建筑。 （2）重點設防類建筑：指地震時使用功能不能中斷 或者需盡快恢復的生命線相關建筑，以及地震時可能 導致大量人員傷亡等重大災害后果，需要提高設防標,準的建筑如城市的建筑，簡稱乙類建筑。如城市的供 水、供電、通訊、交通控制中心、三甲醫院的主要醫 技樓及中小學、幼兒園的教學樓等。 （3）標準設防類建筑：除了（1）、（2）、（4）等 三類建筑以外的建筑，簡稱丙類建筑。 （4）適度設防類建筑：指使用上人員稀少且震損不致 產生次生災害，允許在一定條件下適度降低要求的建 筑，簡稱丁類。如無人看守的倉庫、臨時建筑等。 經過汶川地震的教訓，我國將中小學的建筑調整為 乙類建筑，國外如日本，學校的建筑是最安全的。,我國建筑抗震設防分類標準規定，各抗震設 防類別建筑的抗震設防標準應符合下列要求： （1）特殊設防類（甲類建筑） 地震作用應高于本地區抗震設防烈度的要求，其 值應按批準的地震安全性評價結果確定。 抗震措施，當抗震設防烈度為6-8度時，應符合比 本地區抗震設防烈度提高1度的要求，當為9度時，應 符合比9度抗震設防更高的要求。,（2）重點設防類（乙類建筑） 地震作用應符合本地區抗震設防烈度的要求；抗 震措施，一般情況下，當抗震設防烈度為6-8度時，應 符合比本地區抗震設防烈度提高1度的要求，當為9度 時，應符合比9度抗震設防更高的要求；地基基礎的抗 震措施應符合有關規定。 （3）標準設防類（丙類建筑） 地震作用和抗震措施均應符合本地區抗震設防烈 度的要求。,（4）適度設防類（丁類建筑） 一般情況下，地震作用仍應符合本地區抗震抗震 設防烈度的要求；抗震措施應允許比按本地區抗震設 防烈度的要求適當降低，但抗震設防烈度為6度時不 應降低。 抗震設防烈度為6度時，除規范有具體規定外， 對乙、丙、丁類建筑可不進行地震作用計算。,四、多遇地震烈度和罕遇地震 多遇地震烈度：是指發生機會較多的地震又稱小震烈 度，是指在50年內發生的可能性（或者被超越的概率） 為63.6%，又稱為小震烈度。 基本烈度：它在50年內發生的可能性（或者被超越的 概率）為10%，又稱為中震對應的烈度 。 罕遇地震烈度：是指在在50年內發生的可能性（或者 被超越的概率）為2%，又稱為大震烈度。 基本烈度較小震烈度約高1.55度，較罕遇地震烈 度低1度。,圖：三種烈度含義及其關系,五、抗震設防目標 工程設防的基本目的是在一定的經濟條件下，最 大限度地限制和減輕建筑物的地震破壞，保障人民生 命財產的安全。 我國抗震規范明確提出了三個水準的抗震設 防要求： 第一水準：當遭受低于本地區設防烈度的多遇地 震影響時，建筑物一般不受損壞或不需要修理仍可繼 續使用；,第二水準：當遭受相當于本地區設防烈度的地震 影響時，建筑物可能損壞，但經一般修理即可恢復正 常使用； 第三水準：當遭受高于本地區設防烈度的罕遇地 震影響時，建筑物不致倒塌或發生危及生命安全的嚴 重破壞。 上述三個水準可簡單表述為：“小震不壞、中震 可修，大震不倒” ，這也我國的抗震設防目標。,我國采取6度起設防的方針。這樣，我國地震設 防區面積約占國土面積的60%。 每一個地區（具體到縣級行政區）的抗震設防烈 度均可以在抗震規范中查出。 同一抗震設防烈度等級還有不同的地震加速度， 如7度區，設計基本加速度有0.10g與0.15g，為了區 分，俗稱為7度及7度半。,六、兩階段抗震設計方法 我國抗震規范采用簡化的兩階段設計方法： 第一階段設計：按多遇地震烈度對應的地震作用 效應和其他荷載效應的組合驗算結構構件的承載能力 和結構的彈性變形。 第二階段設計：按罕遇地震烈度對應的地震作用 效應驗算結構構件彈塑性變形。 第一階段設計，保證了第一水準的承載力要求與 變形的要求。 第二階段設計，則旨在保證了第三水準的抗震設,防要求，即大震不倒。 第二水準設防很難進行定量計算，目前主要通過 構造措施來保證。如鋼筋的最小配筋率、鋼筋的錨固 長度，最小截面要求等等。 汶川地震震害證明上述的三水準設防與兩階段 設計是比較科學的。,七、基于性能的抗震設計 為了強化結構抗震的安全目標和提高結構抗震的 功能要求，提出了基于性能的抗震設計思想和方法。 （1）從著眼于單體抗震設防轉向同時考慮單體工程 和所相關系統的抗震。 （2）將抗震設計以保障人民的生命安全為基本目標轉 變為在不同風險水平的地震作用下滿足不同的性能目 標，即將統一的設防標準改變為滿足不同性能要求的 更合理的設防目標和標準。,（3）設計人員可根據業主的要求，通過費用-效益的 工程決策分析確定最優的設防標準和設計方案，以滿 足不同業主、不同建筑物的抗震要求。 基于抗震性能的抗震設計將是今后較長時期結構 抗震的研究和發展方向。,1-5 建筑場地 一、建筑場地類別 地震區的建筑宜選擇有利地段，避開不利地段， 不在危險地段進行工程建設。 但建筑場地的選擇則要受到地震以外的許多因素 的制約。 1.建筑場地的地震影響 不同場地上建筑物的震害差異是很明顯的。 在軟弱地基上，軟性結構最容易遭到破壞，剛性 結構表現較好；在堅硬地基上，柔性結構表現較好， 而剛性結構表現不一。,就地面建筑總的破壞現象來說，在軟弱地基上的破 壞現象比堅硬地基上的破壞要嚴重。 不同覆蓋層厚度上的建筑物，其震害表現明顯不 同。 覆蓋層厚度 覆蓋層厚度為地下基巖或剪切波速大于500m/s的 堅硬土層到地表面的距離，稱為覆蓋層厚度。,不同覆蓋層厚度上的建筑物，其震害表現明顯不 同。在覆蓋層厚度為中等厚度的一般地基上，中等高 度一般房屋的破壞，比高層建筑的破壞嚴重，而在基 巖上各類房屋的破壞普遍較輕。,2.場地土的固有周期與場地的地震效應 不同場地上建筑物的震害差異是很明顯的,其主 要原因在于場地土的固有周期及自振周期不同。 土層的固有周期與覆蓋層厚度 有良好的相關 性，土層的固有周期隨著覆蓋層厚度的增加而增加。 場地土層的固有周期T可按下列簡化公式進行計算 ，對于： 單一土層： 多層土：,場地土對于基巖傳來的入射波具有放大作用。 當地震動的卓越周期與該地點的土層固有周期一 致時，將產生共振現象，導致地表的振幅大大增加。 由于表層土的濾波作用，堅硬場地土地震動以短 周期為主，而軟弱場地土則以長周期為主。 當地震波中占優勢的波動分量的周期與建筑物自 振周期相接近時，建筑物將由于共振效應而受到非常 大的地震作用，導致建筑物出現震害。,因此，堅硬場地土上自振周期短的建筑物一般震 害較嚴重，而軟弱地基上長周期柔性建筑物的震害必 然嚴重。,3.建筑場地類別 建筑場地土類別是場地條件的表征。 我國抗震規范根據土層等效剪切波速的大小 以及覆蓋層的厚度將場地劃分為4個類別，即I 、II、 III、IV類，其中I類有2個子類。 相同的建筑建造在I類土上的抗震性能為最好，IV 類最差。,計算深度范圍內土層的等效剪切波速應按下式計算： d0計算深度，取覆蓋層厚度和20米兩者的較小 值； n計算深度范圍內土層的分層數； t剪切波在地面至計算深度之間的傳播時間； 計算深度范圍內第i土層的厚度（m）； 計算深度范圍內第i土層的剪切波速； 土層的等效剪切波速 ；,關于覆蓋層厚度的確定，應符合以下要求： 1）一般情況下，應按地面至剪切波速大于500m/s且其 下臥各層巖土的剪切波速均不小于500m/s的土層頂 面的距離確定； 2）當地面5m以下存在剪切波速大于其上部各土層剪切 波速2.5倍的土層，且該層及其下臥各層巖土的剪 切切波速剪切波速均不小于400m/s ，可按地面至 該土層頂面的距離確定； 3）剪切波速大于500m/s的孤石、透鏡體，應視同周圍 土層； 4）土層中的火山巖硬夾層，應視為剛體，應扣除。,例題：某場地的地質狀況鉆孔資料如下，請確定該場 地類別。,解：因為地表下7.5米以下土層的剪切波速為： ，因此覆蓋層的厚度為7.5米。 所以，計算深度為： 等效剪切波速為： 根據抗震規范，即表1-4，該場地屬于II類。,二、場地土的液化 1.場地土液化及其判別 飽和松散的砂土或粉土，地震時易發生液化現象 ，使地基承載力喪失或者減弱，甚至噴水冒砂，這種 現象稱為砂土液化或者地基土液化。 液化機理土顆粒間的空隙水由于地震產生的 強烈擠壓來不及排出，導致壓力急劇增大并使得土粒 之間摩擦力消失，土顆粒處于“懸浮”狀態，形成所 謂的液化現象。 地基土液化使土體抗震強度喪失，引起地基的不 均勻沉陷引發建筑物的破壞或倒塌，后果較為嚴重。,影響土的液化的因素： （1）土層的地質年代 （2）土中土粒的組成和密實程度 （3）砂土層埋置深度和地下水位深度 （4）地震烈度和地震持續時間,2.3.2液化的判別 1.初步判別 飽和的砂土或粉土當符合下列條件之一時，可初 步判別為不液化或可以不考慮液化的影響： （1）地質年代為第四紀晚更新世（Q3）及其以前且 設防烈度為7、8度時； （2）粉土的粘粒含量百分率c（%），當烈度為7 度、8度、9度時分別大于10、13、16時； （3）地下水位深度和覆蓋層非液化厚度滿足下面三 式之一時：,2.標準貫入試驗判別 當上述所有條件均不能滿足時，地基存在液化的 可能，此時，應采用標準貫入試驗進一步判別其是否 液化。 當地面下20米深度范圍土的標準錘貫入擊數 小于下式確定的下限值 時，則為液化土，否則為 不液化土。,2.液化場地的危害性分析與