1、工程結構抗震設計電子教案第一章 地震基礎知識與工程結構抗震設防一、 學習目的與要求1、了解地震的主要類型及其成因；2、了解世界及我國地震活動性以及地震成災機制；3、掌握地震波的運動規律和震級、地震烈度等地震強度度量指標；4、掌握建筑抗震設防分類、抗震設防目標和抗震設計方法；5、了解基于性能的工程結構抗震概念設計基本要求二、課程內容與知識點1、地震按其成因可分為三種主要類型，即火山地震、塌陷地震和構造地震。其中構造地震為數最多，危害最大。構造地震成因的局部機制可以用地殼構造運動來說明；構造地震成因的宏觀背景可以借助板塊構造學說來解釋。2、地球上地震活動劃分為兩個主要地震帶：環太平洋地震帶和地中海

2、南亞地震帶。我國地處環太平洋地震帶和地中海南亞地震帶之間，是一個多地震國家，抗震設防的國土面積約占全國面積82.7%。3、地震災害主要有地表的破壞、工程結構的破壞造成的直接災害，地震引發的火災、水災、海嘯等次生災害，以及由前面兩種災害導致的工廠停產、城市癱瘓、瘟疫蔓延等誘發災害。4、地震波是一種彈性波，它包括體波和面波，體波分為縱波和橫波，面波分為瑞雷波和樂甫波。地震波傳播速度以縱波最快，橫波次之，面波最慢。縱波使工程結構產生上下顛簸，橫波使工程結構產生水平搖晃，當體波和面波同時到達時振動最為劇烈。5、地震震級是表示地震本身大小的等級，它以地震釋放的能量為尺度，根據記錄到的地震波來確定的。地震

3、烈度是指某地區地面和各類建筑物遭受一次地震影響的強弱程度，它是按地震造成的后果分類的。一次地震只有一個震級，烈度隨距離震中的遠近而異。6、 工程結構抗震設防的依據是中國地震烈度區劃圖中給出的基本烈度或其他地震動參數。為反映不同震級和震中距的地震對工程結構影響，建筑抗震規范將建筑工程的設計地震劃分為三組，不同設計地震分組，采用不同的設計特征周期和設計基本地震加速度值。7、三水準的抗震設防要求：(1)當遭受低于本地區設防烈度的多遇地震影響時，建筑物一般不損壞或不需修理仍可繼續使用(小震不壞)；(2)當遭受本地區設防烈度的地震影響時，建筑物可能損壞，經過一般修理或不需修理仍可繼續使用(中震可修)；(

4、3)當遭受高于本地區設防烈度的預估罕遇地震影響時，建筑物不倒塌，或不發生危及生命的嚴重破壞(大震不倒)。 二階段設計方法：第一階段設計是多遇地震下承載力驗算和彈性變形計算。取第一水準地震動參數，用彈性方法計算結構彈性地震作用和彈性變形，保證必要強度、控制側向變形，滿足第一水準“不壞”和第二水準“可修”的要求；再通過合理的結構布置和抗震構造措施，增加結構耗能和變形能力，滿足第三水準“不倒”的要求。第二階段設計是罕遇地震下彈塑性變形驗算。對于特別重要的結構或抗側能力較弱的結構，取第三水準的地震動參數進行薄弱部位彈塑性變形驗算。8、 抗震設計中，根據建筑遭受地震破壞后可能產生的經濟損失、社會影響及其

5、在抗震救災中的作用，將建筑物按重要性分為甲、乙、丙、丁四類，對于不同重要性的建筑，采取不同的抗震設防標準。9、 抗震概念設計就是依據歷次震害總結出的經驗，進行合理結構布置，采取可靠構造措施，提高結構抗震性能。概念設計包括結構平面和豎向布置，復雜體型處理、結構體系選擇以及結構構件強度、剛度和延性的合理匹配、非結構構件的連接等方面的內容。三、習題與思考題1、 地震按其成因分為幾種類型？按其震源深淺又分為哪幾種類型？2、 試述構造地震成因的局部機制和宏觀背景？3、試分析地震動的空間分布規律及其震害現象4、 地震波包含了哪幾種波？它們的傳播特點是什么？對地面運動影響如何？5、 什么是地震震級？什么是地

6、震烈度？兩者有何關聯？6、 地震基本烈度的含義是什么？7、 為什么要進行設計地震分組？8、試列出三座城市的抗震設防烈度、設計基本地震加速度和所屬的設計地震分組9、 什么是建筑抗震三水準設防目標和兩階段設計方法？10、 我國規范根據重要性將抗震類別分為哪幾類，不同類別的建筑對應的抗震設防標準是什么？11、 什么是建筑抗震概念設計？包括哪些方面的內容？12、根據經驗公式，某次地震釋放的能量大約是5×10爾格，它對應的里氏震級是多少？四、考核目標與要求識記：構造地震、震源、震中、震源深度、震源距、震中距、震級、地震烈度、地震基本烈度領會：地震的類型（分別按成因、震源深淺、震級大小）；地震波

7、的種類，傳播特點及對地面運動的影響；建筑抗震的三水準設防目標和兩階段設計方法；建筑類別和設防標準；建筑抗震的概念設計第二章 場地、地基和基礎抗震一、 學習目的與要求1、了解工程地質條件對震害的影響 242、掌握建筑場地類別劃分的依據及劃分方法3、了解天然地基基礎抗震驗算方法4、掌握場地土液化的概念及其影響因素，了解場地土液化的判別方法與抗液化措施二、 課程內容與知識點1、工程地質條件對震害的影響包括對局部地形的影響、局部地質構造的影響以及地下水位的影響；2、建筑場地類別是根據土層等效剪切波速和場地覆蓋層厚度劃分的；3、地基土抗震承載力是在地基土的靜承載力基礎上乘以一個大于1的調整系數，但對軟弱

8、土的抗震承載力不予提高；4、地震引起飽和砂土和粉土的顆粒趨于密實，同時孔隙水來不及排出，孔隙水壓力增大，顆粒間的有效應力減少，達到一定程度，土體完全喪失抗剪能力，呈液體狀態，稱為砂土液化，影響因素包括：土層的地質年代、土的組成、土層的相對密度、土層的埋深、地下水位的深度以及地震烈度和地震持續時間；5、場地土的液化判別分兩步進行，即初步判別和標準貫入試驗判別。初步判別主要根據土層地質年代、粉土的粘粒含量百分率、基礎埋深和上覆非液化土層厚度以及地下水位深度來判別。標準貫入試驗判別是利用專門的試驗設備并按規定的方法在現場進行試驗；6、地基抗液化措施應根據建筑物的抗震設防類別和地基的液化等級，結合具體

9、情況綜合確定，主要包括全部消除液化沉陷、部分消除液化沉陷以及基礎和上部結構處理；三、習題與思考題1、 什么是場地，怎樣劃分場地土類型和場地類別？2、 簡述選擇建筑場地的相關規定3、 如何確定地基抗震承載力？簡述天然地基抗震承載力的驗算方法4、 已知某建筑場地的鉆孔資料見下表，試計算該場地土層的自振周期，并按抗震規范的規定來確定該建筑場地的類別土層資料5、 什么是砂土液化？液化會造成哪些危害？影響液化的主要因素有哪些？6、 怎樣判別地基土的液化，如何確定地基土液化的危害程度？7、 簡述可液化地基的抗液化措施四、考核目標與要求識記：發震斷裂、場地、場地覆蓋層厚度、砂土液化領會：場地土的類型和場地類

10、別的劃分；地基抗震承載力的確定；影響砂土液化的主要因素，如何影響；地基土液化的辨別方法第三章 工程結構地震反應分析與抗震驗算一、 學習目的與要求1、了解地震作用的機理和計算基本原則2、了解單質點和多質點彈性體系運動方程的建立和求解3、掌握底部剪力法、振型分解反應譜法和時程分析法的適用范圍4、掌握設計反應譜和地震影響系數的確定方法5、掌握底部剪力法、振型分解反應譜法用于地震作用和地震作用效應的計算6、了解平移扭轉藕聯體系的振動、考慮扭轉影響的水平地震作用和作用效應的計算7、了解豎向地震作用的特點和計算方法8、掌握地震作用效應和其他荷載效應的組合、截面抗震驗算。抗震變形驗算的方法和計算公式二、課程

11、內容與知識點1、結構由地震引起的振動稱為結構的地震反應，振動過程中作用在結構上的慣性力就是“地震作用”，它使結構產生內力，發生變形。地震時結構所承受的地震作用實際上是地震動輸入結構后產生的動態反應。地震作用的數值大小不僅取決于地面運動的強弱程度，而且與結構的動力特性有關，即與結構的自振周期、質量、阻尼等直接相關。目前我國和世界上絕大多數國家均把反應譜理論作為確定地震作用的主要手段。2、 單質點彈性體系在地震作用下的運動微分方程的通解可由常微分方程理論求得，方程的特解可由杜哈曼積分給出，求解方程過程中采用了迭加原理，杜哈曼積分只能用于彈性體系。3、 單質點體系作用于質點上的水平地震作用F可表示成

12、地震系數k、動力系數與質點重量G的乘積，即F=kG，k反映地面運動強弱程度，反映結構動力特性。抗震規范將地震系數與動力系數的乘積用一個地震影響系數表示，并以為參數給出了設計用反應譜。該設計反應譜由四部分組成，譜的形狀與場地條件、震中距遠近和結構阻尼比有關，設計時地震影響系數可根據結構自振周期及其它條件確定。4、 對于多質點彈性體系可建立n個聯立的運動方程，每個方程均包含n個未知的質點位移，利用振型的正交性，采用以振型為基底的廣義坐標，可將聯立的運動方程解耦，轉化為n個獨立方程，再比照單質點體系的求解方法，即可得到多質點體系在地震作用下任一質點的位移反應，該位移反應等于n個相應的單自由度體系相對

13、位移反應與相應振型的線性組合。5、 利用振型分解反應譜法可確定多質點體系在地震作用下相應于j振型i質點的水平地震最大作用：Fji=jjXjiGi相應于各振型的最大地震作用不會在同一時刻出現，可按“平方之和再開方”的組合公式確定水平地震作用效應，即： SEK=S2j6、對于高度不超過40m，以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布比較均勻的結構，可采用底部剪力法計算水平地震作用。結構底部總剪力按下式計算：FEK=1Geq各質點水平地震作用： Fi=GiHiGHjj=1nFEK(1-n) j7、 采用底部剪力法計算多質點體系的地震作用時，需要確定結構的基本自振周期，結構基本周期計算的近似方法有能量法、

14、折算質量法和頂點位移法。采用振型分解反應譜法計算多質點體系的地震作用時，需求出多個頻率和相應振型，可采用矩陣迭代法，通過振幅方程反復迭代逐步逼近求得頻率或周期。8、體型復雜的結構，質量和剛度分布明顯不均勻、不對稱的結構，在地震作用下會發生扭轉振動。引起扭轉振動的主要原因是結構質量中心與剛度中心不重合，水平地震力的合力通過質心，結構抗力的合力通過剛心，質心和剛心的偏離使得結構除產生平移振動外，還圍繞剛心作扭轉振動，形成平扭耦聯振動。考慮平扭耦聯振動的多質點體系，體系自由度增至3n個，各振型的頻率間隔大為縮短，進行各振型作用效應組合時，應考慮振型間的相關性。9、 在高烈度區，豎向地震運動的影響明顯

15、，應在抗震設計中加以重視。對于高聳結構、高層建筑和對豎向運動敏感的結構物可采用建立在豎向反應譜基礎上的底部剪力法確定豎向地震作用；對于大跨度結構及長懸臂結構可將其重力荷載代表值放大某一比例即認為已考慮了豎向地震作用。10、建筑結構抗震承載力驗算涉及地震作用的考慮、重力荷載代表值確定和結構構件截面抗震驗算。一般情況下，水平地震作用對結構起控制作用，可沿結構兩個主軸方向分別驗算；對于質量和剛度明顯不均勻、不對稱的結構應考慮水平地震作用引起的扭轉影響；高烈度區的高聳及高層結構、大跨及長懸臂結構應考慮豎向地震作用。抗震設計的重力荷載代表值中，永久荷載取標準值，可變荷載取組合值，適用于計算地震作用以及與

16、地震作用相遇的其他重力荷載。構件截面抗震承載力驗算時，結構構件內力組合設計值采用多遇地震的作用效應和其他荷載效應組合的多系數表達式，結構構件承載力設計值應考慮承載力抗震調整系數予以調整，適當降低地震作用下結構的可靠度。11、建筑結構的抗震變形驗算包括在多遇地震作用下的彈性變形驗算和罕遇地震作用下的彈塑性變形驗算。三、習題與思考題1、什么是地震作用？如何確定結構的地震作用？2、地震系數和動力系數的物理意義是什么？通過什么途徑確定這兩個系數？3、 影響地震反應譜形狀的因素有哪些？設計用反應譜如何反映這些因素影響的？4、簡述確定結構地震作用的底部剪力法和振型分解反應譜法的基本原理和步驟？5、何謂求水

17、平地震作用效應的平方和開方法（SRSS），寫出其表達式，說明其基本假定和適用范圍6、簡述計算地震作用的方法和適用范圍7、什么叫鞭端效應？設計時如何考慮這種效應？8、什么叫結構的剛心和質心？結構的扭轉地震效應是如何產生的？9、哪些結構需要考慮豎向地震作用？如何計算豎向地震作用？10、 什么是結構或構件恢復力特征曲線，反映了結構或構件的什么性能？11、地震動的三要素是什么？采用時程分析法選取地震波時如何考慮這三要素？12、 抗震設計中如何考慮結構的地震作用？依據的原則是什么？13、什么是承載力抗震調整系數？為什么要引入這一系數？14、什么是樓層屈服強度系數？怎樣確定結構薄弱層或部位？15、一單層單

18、跨框架如圖1所示。假設屋蓋平面內剛度為無窮大，集中于屋蓋處的重力代表值G1200kN,框架柱線剛度ic3.0×10 kN.m，框架剛度h5.0m，跨度l=9.0m。已知設防烈度為8度，設計基本地震加速度0.2g，設計地震分組為第二組，類場地，結構阻尼比為0.05。試求該結構在多遇地震和罕遇地震時的水平地震作用。16、求圖2所示體系的頻率、振型.已知：m1=m2=m,k1=k2=k 417、試用振型分解反應譜法計算圖3所示框架多遇地震時的層間剪力。抗震設防烈度為8度，類場地，設計地震分組為第二組。18、試用底部剪力法計算圖3所示框架多遇地震時的層間剪力。已知結構的基本周期T1=0.46

19、7s ,每層的層高均為3.5m,抗震設防烈度為8度,類場地,設計地震分組為第二組。=98MN/m=195MN/m=245MN/m5519、已知某三層框架各層的層間側移剛度K(1)=5.2×10kN/m； K(2)=3.8×10kN/m；K(3)=2.8×10kN/m；各層層高h(1)=4m；h(2)=3.8m； h(3)=3.6m；各層的抗剪承載力Vy(1)=2500kN, Vy(2)=800kN, Vy(3)=900kN,罕遇地震作用下各層的彈性地震剪力Ve(1)=4200kN, Ve(2)=3800kN, Ve(3)=2000kN,試計算罕遇地震時該框架結構的

20、薄弱層位置，并驗算其層間彈塑性位移。四、考核目標與要求識記：地震作用、地震系數、動力系數、水平地震影響系數、反應譜、振型、鞭端效應、質心、剛心、重力荷載代表值、樓層屈服強度系數、承載力調整系數領會：地震作用的計算方法和適用范圍；振型分解反應譜法的計算步驟；底部剪力法的計算步驟，如何考慮高振型的影響；地震動的三要素；豎向地震作用的計算 應用：單質點體系地震作用的計算采用振型分解反應譜法和底部剪力法進行多質點體系地震作用的計算第四章 多層及高層鋼筋混凝土房屋抗震設計一、 學習目的與要求1、了解多層及高層鋼筋混凝土結構房屋震害現象并能分析其原因。2、掌握和深刻理解多層及高層鋼筋混凝土結構抗震概念設計

21、的基本要求與一般規定。 3、掌握多層及高層鋼筋混凝土結構抗震性能的特點。4、熟練掌握鋼筋混凝土框架結構房屋抗震設計的內容與方法步驟。 5、掌握框架結構和框架抗震墻結構房屋的抗震設計方法。6、掌握和深刻理解多層及高層鋼筋混凝土結構抗震性能的主要抗震構造措施，并深刻理解其意義。二、課程內容與知識點1、鋼筋混凝土結構因結構方案不當引起的震害主要是設計時平面布置不規則、豎向布置不連續以及防震縫構造不當等原因造成。在設計時應注意結構選型和結構布置，綜合考慮建筑5抗震重要性類別、設防烈度、結構類型和房屋高度等因素，確定房屋的抗震等級；2、框架結構在水平荷載作用下的內力分析常采用D值法，豎向荷載作用下的內力

22、分析常采用二次彎矩分配法；內力組合時一般考慮兩種基本組合：(1)地震作用效應與重力荷載代表值效應的組合；(2)豎向永久荷載與可變荷載的荷載效應組合；3、在進行框架結構抗震設計時，應使框架結構具有足夠的承載能力、良好的變形能力以及合理的破壞機制，即在抗震設計時應遵循“強柱弱梁”，“強剪弱彎”，“強節點、強錨固”的設計原則4、為實現“強柱弱梁”，避免或推遲柱端產生塑性鉸以形成合理的破壞機制，對柱端彎矩應進行調整：Mc=cMb5、為實現“強剪弱彎”，防止構件先發生脆性的剪切破壞，應使構件的受剪承載力大于構件彎曲屈服時實際達到的剪力值： 梁端截面的剪力設計值調整為：柱端截面的剪力設計值調整為： 6震害

23、經驗教訓以及抗震試驗研究得到的規律后，以規范條文的形式確定下來的抗震設計要求。對框架梁、柱和節點核心區的構造措施應深刻理解和掌握。三、習題與思考題1、 多層及高層鋼筋混疑土房屋有哪些結構體系?各自的特點和適用范圍是什么?2、 多層及高層鋼筋混凝土結構的震害有哪些?有哪些抗震薄弱環節?在設計中應如何采取對策?3、 抗震概念設計在多層及高層鋼筋混凝土結構設計時具體是如何體現的?概念設計與計算設計的關系是什么?4、 抗震設計為什么要限制各類結構體系的最大高度和高寬比?5、 多層及高層鋼筋混疑土結構設計時為什么要劃分抗震等級?是如何劃分的?6、 框架結構和框架抗震墻結構房屋的結構布置應著重解決哪些問題

24、7、 框架結構和框架抗震墻結構在水平力作用下各有什么變形特點8、 框架結構和框架抗震墻結構的抗震計算采用了哪些假設?如何確定各自的計算簡圖?9、 如何合理選用框架結構和框架抗震墻結構的抗震計算方法?各有哪些主要步驟?10、如何計算在水平地震作用下框架結構的內力和位移?11、在計算豎向荷載下框架結構的內力時要注意哪些方面的問題?12、 如何設計結構合理的破壞機制?13、 框架結構柱的截面設計應考慮哪些因素?縱筋和箍筋的配置應注意結構問題?14、 框架結構梁的截面由哪些因素確定?縱筋和箍筋的配置應注意什么問題?15、框架抗震墻結構如何實現多道抗震防線的設計思想?16、 什么是“強柱弱梁” 、“強剪

25、弱彎”原則?在設計中如何體現?17、 怎樣保證框架梁柱節點的抗震性能? 如何進行節點設計?18、 框架結構和框架抗震墻結構在抗震設計中有哪些主要構造措施?19、 多層及高層鋼筋混疑土結構的抗震設計對樓屋蓋有什么要求?20、框架抗震墻結構中的框架部分的地震剪力為什么要調整，如何調整?21、 框架抗震墻結構協同工作體系其內力分布有哪些特點?22、框架抗震墻結構中的框架抗震墻的端柱和邊框梁有什么作用?應如何進行設計?23、在9度區建設兩相鄰的鋼筋混凝土框架樓房，總高度分別為26m和32m，試計算其防震縫的最小寬度四、考核目標與要求識記：剪壓比、軸壓比、延性框架、強柱弱梁、強剪弱彎領會：抗震等級的劃分

26、；各類結構體系最大高度和高寬比的限制；如何實現強柱弱梁、強剪弱彎；如何提高梁的延性；限制軸壓比的意義應用：應用底部剪力法進行多層鋼筋混凝土房屋的抗震計算和抗震設計第五章 多層砌體房屋和底部框架抗震墻房屋抗震設計一、 學習目的與要求1、了解砌體房屋、底部框架抗震墻房屋的震害特點；2、掌握砌體房屋抗震設計的一般規定、抗震驗算的基本方法和抗震構造措施3、了解底部框架抗震墻房屋抗震設計的一般規定、抗震驗算的基本方法和抗震構造措施二、課程內容與知識點1、根據多層砌體房屋和底部框架房屋的震害現象及原因分析，提出了砌體結構房屋抗震設計的一般規定，包括結構的總體布置和細部構造措施等，以提高砌體房層的抗震能力并

27、在地震作用下不致倒塌；2、多層砌體房層在抗震計算時一般只考慮水平地震作用，不考慮地震扭轉的作用，因此在建筑平面、立面布置時應盡量做到質量、剛度均勻，以減少扭轉的影響。由于多層砌體房層整體的剛度較大，在地震作用下結構的變形為剪切型，地震作用的確定可用底部剪力法求得；3、樓層地震剪力在各墻體間的分配主要取決于樓蓋的水平剛度及各墻體的側移剛度；4、多層砌體房層，可只選擇縱、橫向的不利墻段進行截面抗震承載力的驗算，不利墻段為：承擔地震剪力較大的墻段；豎向壓力較小的墻段；局部截面較小的墻段。5、由于底部框架抗震墻砌體房屋是一種“上剛下柔”的結構體系，為防止底層變形集中而發生嚴重震害，應對這類房屋的結構方

28、案和結構布置進行嚴格限制，如：底部框架沿縱、橫兩個方向應均勻對稱設置一定數量的抗震墻；規定底部與上部砌體房屋的剛度比限值；上部砌體抗震墻與底部的框架梁或抗震墻應對齊或基本對齊；底部框架抗震墻房屋的抗震墻下應設置條形基礎、筏式基礎或樁基。6、底部框架抗震墻砌體房屋地震作用的計算、底層水平地震作用的分配、底層傾覆力矩的分配以及鋼筋混凝土托墻梁的計算。三、習題與思考題1、 多層砌體房屋在地震作用下，其震害主要表現在哪些方面？產生的原因是什么？2、多層砌體房屋在抗震設計中，除進行抗震承載能力的驗算外，為何更要注意概念設計及抗震構造措施的處理？3、 多層砌體房屋的計算簡圖如何選取？地震作用如何確定？層間

29、地震剪力在墻體間如何分配？墻體的抗震承載力如何驗算？4、 底部框架抗震墻砌體房屋的結構方案和結構布置時應注意哪些方面？5、底層框架抗震墻砌體房屋為什么要限制第二層與底層的側移剛度比？如果底層的側移剛度大于第二層砌體房屋的側移剛度，對結構是否有利？為什么？6、 在計算底部框架抗震墻結構地震傾覆力矩時，如何求得傾覆力矩在框架柱中引起的軸力？四、考核目標與要求領會：砌體房屋計算簡圖、地震作用的確定；層間地震剪力在墻體間的分配原則；樓梯間不宜設在房屋兩端和轉角處的原因；設置圈梁和構造柱的目的；限制抗震橫墻的最大間距的原因應用：多層砌體房屋的抗震計算和抗震設計第九章 結構隔震、減震設計與制振技術一、學習

30、目的與要求1、了解結構基底隔震原理、基底隔震裝置的類型及組成、隔震結構設計方法和計算要點；2、了解結構消能及阻尼減震原理、消能減震裝置和部件、消能減震結構的設計方法；3、了解結構被動控制P-TMD體系及TLD體系的工作原理和工程應用，以及結構主動控制體系制振工作原理和工程應用。二、課程內容與知識點1、基底隔震是在結構物底部與基礎面之間設置隔震裝置，使之與固結于地基中的基礎頂面分開，限制地震動向結構物的傳遞，減小主體結構的振動反應。隔震裝置由隔震器、阻尼器、復位裝置組成，目前應用最多的隔震裝置是疊層橡膠支座。2、隔震結構動力分析模型可根據具體情況采用單質點模型、多質點模型或空間模型。隔震體系水平位移主要集中在隔震層、可近