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第十三章建筑结构抗震设计,第一节地震基础知识 第二节抗震设防与概念设计 第三节建筑场地和地基基础的抗震设计 第四节多层框架结构的抗震设计 第五节多层砌体结构的抗震设计,第一节地震基础知识,地球是一个平均半径约为6 400 km的椭圆球体，它由三层不同的物质构成。最表面的一层是很薄的地壳，平均厚度约为30 km;中间很厚的一层是地慢，厚度约为2 900 km;最里面的叫地核，其半径约为3 500 km，如图13-1所示。地震是一种自然现象。全世界每年大约发生500万次地震。这些地震绝大多数很小，不用灵敏的仪器测量不到。这样的小地震约占一年中地震总数的99%，剩下的1%才是人们可以感觉到的，其中能造成严重破坏的大地震平均每年大约发生18次。一、地震的类型 地震按其成因可分为火山地震、陷落地震和构造地震。由于火山爆发而引起的地震叫火山地震;由于地表或地下岩层突然大规模陷落和崩塌而造成的地震叫陷落地震;由于地壳运动，推挤地壳岩层使其薄弱部位发生断裂错动而引起的地震叫构造地震。前两种地震的影响范围和破坏程度相对较小，而后一种地震的破坏作用大，影响范围也广，通常在研究工程抗震时将其作为重点。,下一页,返回,第一节地震基础知识,二、构造地震的成因 地球内部在不停地运动着，在地球的运动过程中，始终存在巨大的能量，而组成地壳的岩层在巨大的能量作用下，也不停地连续变动，不断地发生褶皱、断裂和错动，如图13-2所示。这种地壳构造状态的变动，使岩层处于复杂的地应力作用之下。不断地壳运动使地壳某些部位的地应力逐渐加强，当弹性应力的积聚超过岩石的强度极限时，岩层就会发生突然断裂和猛烈错动，从而引起振动。振动以波的形式传到地面，形成地震。由于岩层的破裂往往不是沿一个平面发展的，而是形成由一系列裂缝组成的破碎地带，沿整个破碎地带的岩层不可能同时达到平衡，因此，在一次强烈地震(即主震)之后，岩层的变形还有不断的零星调整，从而形成一系列余震。构造地震与地质构造密切相关，这种地震往往发生在地应力比较集中、构造比较脆弱的地段，即原有断层的端点或转折处、不同断层的交会处。,上一页,下一页,返回,第一节地震基础知识,三、地震波 地震发生时，震源处的岩石破裂，并产生巨大的残余变形，地震的能量便从震源释放出来，其中小部分的能量引起振动，以波的形式传到地球表面各处，这就是地震波。地震波按其传播途径的不同可分为体波和面波两类。1.体波 在地球内部传播的波称为体波。体波又分为纵波和横波两类。纵波，或称P波(Primary wave)，是由震源通过介质的质点以疏密相间的方式向四周传播的压缩波(图13-3)，其质点的振动方向与波的传播方向一致。声音在空气中的传播即是一种纵波。纵波的周期短、振幅小、波速快。其波速可按下式计算:(13-1)-介质密度。,上一页,下一页,返回,第一节地震基础知识,E-介质弹性模量;v-介质泊松比;横波，或称S波(Secondarywave)，它通过介质的质点在垂直于传播方向以蛇形振动的形式传播(图13-4)。横波传播时，物体的体积不变，但形状改变，即发生剪切变形，故又称为剪切波。因此，对于没有固定形状的液体，横波无法通过。地震学者据此推测地核的外核可能为液体。横波介质质点的振动方向与波的传播方向垂直。与纵波相比，横波的周期长、振幅大、波速慢。横波的波速可按下式计算:(13-2)G-介质的剪切模量。其余符号意义同式(13-1)。纵波引起地面垂直方向的振动，横波引起地面水平方向的振动由式(13-1)、式(13-2)，当取v=1/4时，得:(13-3),上一页,下一页,返回,第一节地震基础知识,可见，纵波比横波传播速度要快。根据波速的不同分析地震记录图上纵波和横波到达的时差，常用来确定震源距。2.面波 从震源发生的以弹性波形式向各个方向传播的体波到达地球表面后，经过途中层状地壳岩层界面的折射和反射，产生沿地表传播的波称为面波，它是在一定条件下激发的次生波。面波有两种一瑞利波(Raylcigh wave)和勒夫波(Love wave)。瑞利波传播时，质点在波的传播方向和地面法线所确定的铅垂平面内，以滚动形式作逆进椭圆运动(图13-5)。而勒夫波传播时，质点在地面上作垂直于波传播方向的振动，以蛇行运动的方式前进(图13-6)。面波振幅大、周期长，只在地表附近传播，振幅随深度的增加迅速减小，速度约为横波的90%。面波比体波衰减慢，能传播到很远的地方。,上一页,下一页,返回,第一节地震基础知识,地震发生时，在地震仪上可记录到如图13-7所示的地震记录。最先达到的是纵波(P),表现出周期短、振幅小的特点。其次到达的是横波(S),表现出周期长、振幅较大的特点。接着是面波中的勒夫波(L)、瑞利波(R)。过去一般认为，面波的振幅最大，横波和面波都达到时振动最为剧烈，使工程结构物发生破坏，但近年来，尤其是从199年1月17日日本阪神大地震震后的宏观调查及地震记录中发现，由纵波造成的破坏也不容忽视。四、震级与地震烈度 1.震级 震级是表示地震本身大小的尺度。日前，国际上比较通用的是里氏震级，其原始定义是1935年由里克特(Richter)给出的，即地震震级M为:M=lgA(11-34),上一页,下一页,返回,第一节地震基础知识,式中，A是标准地震仪(指周期为0.8 s、阻尼系数为0.8、放大倍数为2 800倍的地震仪)在距震中100 km处记录的以微米(1um=10-6m)为单位的最大水平地动位移(单振幅)。例如，在距震中100 km处地震仪记录的振幅是1 mm，即1 000um，其对数为3，根据定义，这次地震就是3级。震级与震源释放能量的大小有关，震级每差一级，地震释放的能量将差32倍。一般认为，小于2级的地震，人们感觉不到，只有仪器才能记录下来，称为微震;24级地震，人就感觉到厂，叫做有感地震;5级以上地震能引起不同程度的破坏，称为破坏性地震;7级以上的地震，则称为强烈地震或大震;8级以上的地震，称为特大地震。据1935年后所提出的震级测算方法计算，1960年5月发生在智利的8.9级地震，是日前记录到的世界最大地震，它所释放出来的能量之大是空前的，海啸规模巨大，地面形态变化非常显著，其破坏性之大，在世界上是十分罕见的。,上一页,下一页,返回,第一节地震基础知识,2.地震烈度 地震烈度是指某一地区的地面和各类建筑物遭受到一次地震影响的强弱程度。对于一次地震，表示地震大小的震级只有一个，但它对不同地点的影响是不一样的。一般来说，随距离震中远近的不同，烈度就有差异，距震中越远，地震影响越小，烈度就越低;反之，距震中越近，烈度就越高。此外，地震烈度还与地震大小、震源深度、地震传播介质、表土性质、建筑物动力特性、施工质量等许多因素有关。评定地震烈度需要建立一个标准，这个标准被称为地震烈度表。它是以描述震害宏观现象为主的，即根据建筑物的损坏程度、地貌变化特征、地震时人的感觉、家具动作反应等方面进行区分。由于对烈度影响轻重的分段不同，以及在宏观现象和定量指标确定方面有差异，加之各国建筑情况及地表条件的不同，各国所制定的烈度表也就不同。,上一页,下一页,返回,第一节地震基础知识,现在，除了日本采用从0到7度分成8等的烈度表、少数国家(如欧洲一些国家)用to度划分的地震烈度表外，绝大多数国家包括我国都采用分成12度的地震烈度表。考虑到抗震设计的需要，我国颁布厂具有参考物理指标的中国地震烈度表(2008;)o 一般来说，震中烈度是地震大小和震源深度两者的函数。由于对人民生命财产影响最大的、发生最多的地震的震源深度一般为1030 km，所以，我们可以近似地认为震源深度不变，进行震中烈度五、与震级M之间关系的研究。根据全国范围内既有宏观资料，又有仪器测定震级的3次地震资料，中国地震日录(1983年版)给出厂根据宏观资料估定震级的经验公式:M=0.58I0+1.5(13-5)五、等震线、基本烈度与抗震设防烈度,上一页,下一页,返回,第一节地震基础知识,1.等震线 一次地震发生后，在该地震波及的地区内，根据现场调查和通信调查，按照烈度表可对该区域内尽可能多的点评出一个烈度。烈度相同区域的外包线称为等烈度线或等震线。一般来说，某地点的烈度随震中距的增大而递减。因此，等震线的度数也随震中距的增加而递减。但由于震源往往不是一个点，尤其是大地震或强烈地震，其震源往往是几十、几百千米的断裂错位，所以，等震线不可能是一些同心圆，再加上地质、地形等的影响，等震线多是一些不规则的曲线。在等震线图中常可见到一些零星分布的烈度异常区。所谓异常，指的是这一片小地区的烈度与其周围大片地区的烈度相比不一样。例如1976年唐山地震时，在唐山西北约50 km处的玉田县，就是议度区中的研度低异常区。,上一页,下一页,返回,第一节地震基础知识,3.抗震设防烈度 抗震设防烈度是按国家规定权限批准的作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。一般情况下抗震设防烈度可采用中国地震烈度区划图的地震基本烈度。2.基本烈度 一个地区的基本烈度是指该地区在设计基准期50年内，一般场地条件下，可能遭遇超越概率为10%的地震烈度。国家地震局颁布的中国地震烈度区划图给出厂全国各地基本烈度的分布。该图上，各个地区的基本烈度是根据未来50年内可能发震的断层、震级的大小、烈度衰减规律等，用概率论的方法确定的。,上一页,返回,第二节抗震设防与概念设计,一、抗震设防 抗震设防是指对房屋进行抗震设计和采取抗震措施，以达到抗震的目的。抗震设防的依据是抗震设防烈度。1.建筑抗震设防分类 建筑工程应分为以下四个抗震设防类别:(1)特殊设防类:指使用上有特殊设施，涉及国家公共安全的重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害等特别重大灾害后果，需要进行特殊设防的建筑。简称甲类。(2)重点设防类:指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的生命线相关建筑，以及地震时可能导致大量人员伤亡等重大灾害后果，需要提高设防标准的建筑。简称乙类。(3)标准设防类:指大量的除(1),(2),(3)款以外按标准要求进行设防的建筑。简称丙类。(4)适度设防类:指使用上人员稀少且震损不致产生次生灾害，允许在一定条件下适度降低要求的建筑。简称丁类。,下一页,返回,第二节抗震设防与概念设计,2.建筑抗震设防标准 各抗震设防类别建筑的抗震设防标准，应符合下列要求:(1)特殊设防类(甲类)，应按高于本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施;但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施。同时，应按批准的地震安全性评价的结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定其地震作用。(2)重点设防类(乙类)，应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施;但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施;地基基础的抗震措施，应符合有关规定。同时，应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。(3)标准设防类(丙类)，应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用，达到在遭遇高于当地抗震设防烈度的预估罕遇地震影响时不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏的抗震设防目标。,上一页,下一页,返回,第二节抗震设防与概念设计,(4)适度设防类(丁类)，允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低其抗震措施，但抗震设防烈度为6度时不应降低。一般情况下，仍应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。注:对干划为重点设防类而规模很小的工业律筑，当改用杭震性能较好的材料且符合杭震设计规范对结构体系的要求时，介许按标准设防类设防。3.建筑抗震设防的原则建筑抗震设防应遵守的原则主要有:(1)结构构件的截面抗震验算，应采用下列设计表达式:(13-6)S-结构构件内力组合的设计值，包括组合的弯矩、轴向力和剪力设计值;-承载力抗震调整系数;R-结构构件承载力设计值。,上一页,下一页,返回,第二节抗震设防与概念设计,当仅计算竖向地震作用时，各类结构构件承载力抗震调整系数均宜采用1.0。(2)抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑，必须进行抗震设计。(3)适用于抗震设防烈度为6、7、8和9度地区一般的建筑工程的抗震设计及隔震、消能减震设计。抗震设防烈度大于9度地区的建筑和行业有特殊要求的工业建筑，其抗震设计应按有关专门规定执行。(4)抗震设防烈度必须按国家规定的权限审批、颁发的文件(图件)确定。(5)抗震设防烈度可采用中国地震烈度区划图的基本烈度。对已编制抗震设防区划的城市，可按批准的抗震设防烈度或设计地震动参数进行抗震设防。二、建筑抗震概念设计 建筑抗震概念设计是指正确地解决建筑总体方案、材料使用和细部构造的问题，以达到合理抗震设防的目的。,上一页,下一页,返回,第二节抗震设防与概念设计,由于地震的不确定和复杂性，构件的轴向变形、材料特性的时效变化、结构阻尼、地基与结构共同作用等因素在结构分析中难以考虑，使目前的抗震计算仍不够严密。要使结构具有较好的抗震性能和使计算分析结果更能反映地震时结构反应的实际情况，应首先做好抗震概念设计。1.场地和地基(1)选择建筑场地时，应根据工程需要，掌握地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料，对抗震有利、不利和危险地段作出综合评价。对不利地段，应提出避开要求;当无法避开时应采取有效措施;不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。建筑抗震有利地段，一般是指稳定基岩，坚硬土或开阔平坦、密实均匀的中硬土等地段;不利地段，一般是指软弱土、液化土、条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非岩质的陡坡，河岸和边坡边缘，在平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层(如古河道、断层破碎带、暗埋的塘洪沟谷及半填半挖地基)等地段;危险地段，,上一页,下一页,返回,第二节抗震设防与概念设计,一般是指地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发震断裂带上可能发生地表错位的部位等地段。(2)建筑场地为丁类时，甲、乙类建筑应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施;丙类建筑应允许按本地区抗震设防烈度降低1度的要求采取抗震构造措施，但抗震设防烈度为6度时仍应按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震构造措施。(3)建筑场地为m、代类时，对设计基本地震加速度为0.15g和0.30g的地区，除另有规定外，宜分别按抗震设防烈度为8度(0.20g)和9度(0.40g)时各类建筑的要求采取抗震构造措施。(4)地基和基础设计应符合下列要求:同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上。同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基。地基为软弱钻性土、液化土、新近填土或严重不均匀土时，应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响，并采取相应的措施。,上一页,下一页,返回,第二节抗震设防与概念设计,2.建筑结构的规则性(1)建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性;建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减小，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。(2)不规则的建筑结构，应按下列要求进行水平地震作用计算和内力调整，并应对薄弱部位采取有效的抗震构造措施:1)平面不规则而竖向规则的建筑结构，应采用空间结构设计模型，并应符合下列要求:扭转不规则时，应计及扭转影响，且楼层竖向构件最大的弹性水平位移和层间位移分别不宜大于楼层两端弹性水平位移和层间位移平均值的l.倍。凹凸不规则或楼板局部不连续时，应采用符合楼板平面内实际刚度变化的计算模型，当平面不对称时尚应计及扭转影响。,上一页,下一页,返回,第二节抗震设防与概念设计,2)平面规则而竖向不规则的建筑结构，应采用空间结构计算模型，其薄弱层的地震剪力应乘以1.l5的增大系数，应按建筑抗震设计规范(GB 50011-2001)有关规定进行弹塑性变形分析，并应符合下列要求:竖向抗侧力构件不连续时，该构件传递给水平转换构件的地震内力应乘以1.251.5的增大系数。楼层承载力突变时，薄弱层抗侧力结构的受剪承载力不应小于相邻上一楼层的65%。3)平面不规则且竖向不规则的建筑结构，应同时符合上述两种不规则建筑结构的要求。(3)砌体结构和单层工业厂房的平面不规则性和竖向不规则性，应分别符合相关的规定。(4)体型复杂、平立面特别不规则的建筑结构，可按实际需要在适当部位设置防震缝，形成多个较规则的抗侧力结构单元。,上一页,下一页,返回,第二节抗震设防与概念设计,(5)防震缝应根据抗震设防烈度、结构材料种类、结构类型、结构单元的高度和高差情况留有足够的宽度，其两侧的上部结构应完全分开。当设置伸缩缝和沉降缝时，其宽度应符合防震缝的要求。3.建筑结构体系的选择 建筑结构体系应根据建筑的抗震设防类别、设防烈度、建筑高度、场地条件、地基、材料和施工等因素，经技术、经济条件综合比较确定。建筑结构体系应符合下列各项要求:(1)应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径。(2)应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。(3)应具备必要的抗震承载能力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。(4)对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。,上一页,下一页,返回,第二节抗震设防与概念设计,(5)宜有多道抗震防线。多道抗震防线指的是:1)一个抗震结构体系，应由若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作。如框架一抗震墙体系由延性框架和抗震墙两个系统组成，双肢或多肢抗震墙体系由若干个单肢墙分系统组成。2)抗震结构体系应有最大可能数量的内部、外部赘余度，有意识地建立起一系列分布的屈服区，以使结构能吸收和消耗大量的地震能量，一旦破坏也易于修复。(6)宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。抗震薄弱层(部位)的概念，也是抗震设计中的重要概念，包括:1)结构在强烈地震下不存在强度安全储备，构件的实际承载力分析(而不是承载力设计值的分析)是判断薄弱层(部位)的基础。,上一页,下一页,返回,第二节抗震设防与概念设计,2)要使楼层(部位)的实际承载力和设计计算的弹性受力之比在总体上保持一个相对均匀的变化，一旦楼层(部位)的这个比例有突变时，会由于塑性内力重分布导致塑性变形的集中。3)要防止在局部上加强而忽视整个结构各部位刚度、强度的协调。4)在抗震设计中有意识、有日的地控制薄弱层(部位)，使之有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移，这是提高结构总体抗震性能的有效手段。(7)结构在两个主轴方向的动力特性宜相近。4.对非结构构件的要求(1)非结构构件、包括建筑非结构构件和建筑附属机电设备自身及其与结构主体的连接，应进行抗震设计。(2)非结构构件的抗震设计，应由相关专业人员分别负责进行。,上一页,下一页,返回,第二节抗震设防与概念设计,(3)附着于楼(屋)面结构上的非结构构件，应与主体结构有可靠的连接或锚固，避免地震时倒塌伤人或砸坏重要设备。(4)围护墙和隔墙应考虑对结构抗震的不利影响，避免不合理设置而导致主体结构的破坏。(5)幕墙、装饰贴面与主体结构应有可靠连接，避免地震时脱落伤人。(6)安装在建筑上的附属机械、电气设备系统的支座和连接，应符合地震时使用功能的要求，且不应导致相关部件的损坏。5.隔震和消能减震设计(1)隔震与消能减震设计，应主要应用于使用功能有特殊要求的建筑及抗震设防烈度为8、9度的建筑。,上一页,下一页,返回,第二节抗震设防与概念设计,(2)采用隔震或消能减震设计的建筑，当遭遇到本地区的多遇地震影响、抗震设防烈度地震影响和罕遇地震影响时，其抗震设防日标应高于建筑抗震设计规范(GB 50011-2001)的规定。6.结构材料与施工(1)抗震结构对材料和施工质量的特别要求，应在设计文件上注明。(2)结构材料性能指标，应符合表13-1中所列的最低要求。,上一页,返回,第三节建筑场地和地基基础的抗震设计,一、建筑场地 场地土是指场地范围内的地基土。震害调查和对场地土输人地震波的动态分析表明，影响地表震动的主要因素有两个，其一是场地土的刚度，其二是场地覆盖土层的厚度。震害调查表明，土质越软，覆盖土层越厚，建筑物震害越重。土的软硬一般用土的剪切波速二表示。因此，建筑抗震设计规范(GB 50011-2001)采用厂以平均剪切波速和覆盖层厚度为评定指标来划分场地类别的双参数分类法。1.层状土的等效剪切波速 层状土的等效剪切波速应按下式计算:(13-7)vse-土层等效剪切波速(m/s);,下一页,返回,第三节建筑场地和地基基础的抗震设计,d0-计算深度(m)，取覆盖层厚度和20m二者的较小值;t-剪切波在地面至计算深度之间的传播时间(s);di-计算深度范围内第i土层的厚度(m);vsi-计算深度范围内第i土层的剪切波速(m/s);n-计算深度范围内土层的分层数。对丁类建筑及层数不超过10层且高度不超过:30m的丙类建筑，当无实测剪切波速时，可根据岩土名称和性状，按表13-2估计各层土的剪切波速，按式(13-7)求出等效剪切波速。2.覆盖层厚度的确定 覆盖层厚度是指从地表表面到地下基岩的距离。从理论上讲，当土层的剪切波速下层比上层大得多时，下层可当作基岩。但实际地层的刚度是逐渐变化的，上下土层波速比很大时，下层才能当作基岩。另外，对建筑物破坏作用最大的主要是地震波的中、短周期部分，而深层介质对它们的影响并不是很显著，所以，覆盖层厚度也无必要取很大。,上一页,下一页,返回,第三节建筑场地和地基基础的抗震设计,因此，建筑抗震设计规范(GB 50011-2001)规定工程场地覆盖层厚度的确定，应符合下列要求:(1)在一般情况下应按地面至剪切波速大于500 m/s的坚硬土层或岩层顶面的距离确定。(2)当地面5m以下存在剪切波速大于相邻的上层土剪切波速的2.5倍的下卧土层，且下卧土层的剪切波速不小于400 m/s时，可取地面至该下卧层顶面的距离和地面至剪切波速大于500 m/s的坚硬土层或岩层顶面距离两者中的较小值。(3)场地土剪切波速大于500 m/s的孤石和透镜体应视同周围土层一样。(4)剪切波速大于500 m/s的硬夹层(火山岩夹层)可当作绝对刚体看待，从而可以从土层柱状中扣除。3.建筑场地的选用 人们常常看到在具有不同工程地质条件的场地上，建筑物在地震中的破坏程度是明显不同的。,上一页,下一页,返回,第三节建筑场地和地基基础的抗震设计,于是人们自然就想到既然在不同场地条件下建筑物所受的破坏作用是不同的，那么，选择对抗震有利的场地和避开不利的场地进行建设，就能大大地减轻地震灾害。另一方面，由于建设用地受到地震以外的许多因素的限制，除厂极不利和有严重危险性的场地以外往往是不能排除其作为建设用场地的。这样就有必要按照场地、地基对建筑物所受地震破坏作用的强弱和特征进行分类，以便按照不同场地特点采取抗震措施。这就是地震区场地选择与分类的目的。在选择建筑场地时，应根据工程需要，掌握地震活动情况和工程地质的有关资料，做出综合评价，宜选择有利的地段、避开不利的地段，当无法避开时应采取适当的抗震措施;不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。二、地基基础的抗震验算 地基在地震作用下的稳定性对基础及至上部结构的内力分布是比较敏感的，,上一页,下一页,返回,第三节建筑场地和地基基础的抗震设计,因此确保地震时地基基础能够承受上部结构传下来的竖向和水平地震作用以及倾覆力矩而不发生过大变形和不均匀沉降是地基基础抗震设计的基本要求。地基基础的抗震设计是通过选择合理的基础体系和抗震验算来保证其抗震能力的。1.地基基础的抗震设计要求(1)同一结构单元不宜设置在性质截然不同的地基土层上，也不宜部分采用天然地基而部分采用人工地基。地基主要持力层范围内有软弱钻性土、新近填土、可液化土及严重不均匀土时，宜对地基土采取适当措施，或适当加强基础的整体性与刚性，并根据上部结构的受力体系选择有效的基础类型。(2)抗震建筑地基宜选择场地土层稳定的有利地段(如一般第四纪地层、土质均匀、场地开阔平坦、地下水埋藏较深、基岩坡度较平缓)，避开不利地段(例如，河道沉积地层、软土、可液化土层、新近填土、陡坡、断层)。,上一页,下一页,返回,第三节建筑场地和地基基础的抗震设计,(3)抗震的高层建筑宜设置地下室，连同地下室的天然地基基础埋置深度不小于地面以上建筑物高度(算到主要屋面)的1/121/15，桩基础承台底的埋置深度不宜小于1/18。埋置深度一般从室外地面算起，如地下室周围无可靠侧限时应从具有侧限的地面算起。(4)抗震建筑具有复杂体型时宜用抗震缝将其分开使其成为规则建筑，并结合地基土的不同沉降要求，将抗震缝、沉降缝、伸缩缝结合考虑，后两者缝宽须符合抗震缝的要求。不同高度(例如高层建筑与裙房)抗震建筑之间由于沉降不同，其沉降差经精确计算(=30 mm)后可不设沉降缝，而采用后浇缝处理。2.可不进行抗震承载力验算的天然地基及基础 下列建筑可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算:(1)砌体房屋。,上一页,下一页,返回,第三节建筑场地和地基基础的抗震设计,(2)地基主要受力层范围内不存在软弱钻性土层的下列建筑:1)一般的单层厂房和单层空旷房屋。2)不超过8层且高度在25m以下的一般民用框架房屋。3)基础荷载与项相当的多层框架厂房。(3)建筑抗震设计规范(GB 50011-2001)规定可不进行上部结构抗震验算的建筑。3.天然地基基础抗震承载力的验算 验算天然地基地震作用下的竖向承载力时，按地震作用效应标准组合的基础底面平均压力和边缘最大压力应符合下列各式的要求:(13-8)(13-9)p-地震作用效应标准组合的基础底面平均压力;pmax-地震作用效应标准组合的基础边缘的最大压力。,上一页,下一页,返回,第三节建筑场地和地基基础的抗震设计,高宽比大于4的高层建筑，在地震作用下基础底面不宜出现拉应力;其他建筑，基础底面与地基土之间零应力区面积不应超过基础底面面积的15%。4.地基土抗震承载力的确定 要确定地基土的抗震承载力，就要研究动力荷载作用下土的强度，即土的动力强度(简称动强度)。动强度一般按动荷载和静荷载作用下，在一定的动荷载循环次数，土样达到一定应变值(常取静荷载的极限应变值)时的总作用应力确定。因此，动强度与动静荷载大小、脉冲次数、频率、允许应变值等因素有关。由于地震作用是低频(15 Hz)的有限次(1030次)的脉冲作用，此外，又考虑到强烈地震是一种偶然作用，历时短暂，所以对地基在地震作用下的可靠度的要求可较静力作用时降低。这样，地基土抗震承载力，除十分软弱的土外，都较地基土静承载力高。地基土抗震承载力的取值，我国与世界上大多数国家都是采取在地基土静承载力的基础上乘一个调整系数的办法来确定的。,上一页,下一页,返回,第三节建筑场地和地基基础的抗震设计,建筑抗震设计规范(GB 50011 2001)规定，地基抗震承载力应按下式计算:(13-10)faE-调整后的地基抗震承载力;-地基抗震承载力调整系数，应按表13-3采用;fa-深宽修正后的地基承载力特征值。三、地基的抗液化措施 液化是造成地基失效震害的主要原因，要减轻这种危害，应根据地基液化等级和结构特点选择不同的措施。1.地基液化的判别及等级划分(1)液化的判别。当初步判别认为需进一步进行液化判别时，应采用标准贯入试验判别法判别地面下15m深度范围内的液化情况;当采用桩基或埋深大于5m的深基础时，尚应判别1520m范围内土的液化。,上一页,下一页,返回,第三节建筑场地和地基基础的抗震设计,当饱和土标准贯入锤击数(未经杆长修正)小于液化判别标准贯入锤击数临界值时，应判为液化土。当有成熟经验时，尚可采用其他判别方法。在地面下15m深度范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算:(13-11)在地面下1520m范围内，液化判别标准贯入锤击数临界值可按下式计算:(13-12)Ncr-液化判别标准贯入锤击数临界值;N0-液化判别标准贯入锤击数基准值;ds-饱和土标准贯入点深度(m);dw-地下水位深度(m)，宜按设计基准期内平均最高水位采用，也可按近期内年最高水位采用;-钻粒含量百分率，当小于3或为砂土时，应采用3。,上一页,下一页,返回,第三节建筑场地和地基基础的抗震设计,(2)地基液化等级的划分。对存在液化土层的地基，应探明各液化土层的深度和厚度按下式计算每个钻孔的液化指数，并按表13-4综合划分地基的液化等级:(13-13)IlE-液化指数;n-在判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数;Ni、Ncri-分别为i点标准贯入锤击数的实测值和临界值，当实测值大于临界值时应取临界值的数值;di-i点所代表的土层厚度(m)，可采用与该标准贯入试验点相邻的上、下两标准贯入试验点深度差的一半，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化深度;Wi-i土层单位土层厚度的层位影响权函数值(单位为m-1);若判别深度为15 m,当该层中点深度不大于5m时应采用10,等于15m时应采用零值，515m时应按线性内插法取值;,上一页,下一页,返回,第三节建筑场地和地基基础的抗震设计,若判别深度为20 m，当该层中点深度不大于5m时应采用10,等于20 m时应采用零值，520m时应按线性内插法取值。表13-4中所列地基的液化等级对建筑物的危害程度见表13-5。2.地基抗液化措施的选择 目前常用的抗液化工程措施都是在总结大量震害经验基础上提出的，即综合考虑建筑物的重要性和地基液化等级，再根据具体情况确定。当液化土层较平坦且均匀时，一般可按表13-6采用相应的措施。(1)全部消除地基液化沉陷可采用桩基、深基础、土层加密法或用非液化土替换全部液化土层等措施:1)采用桩基时，桩端伸入液化深度以下稳定土层中的长度(不包括桩尖部分)，应按计算确定，且对碎石土，砾、粗、中砂，坚硬钻性土和密实粉土尚应不小于0.5m，对其他非岩石土尚不宜小于1.5m。2)采用深基础时，基础底面应埋人液化深度以下的稳定土层中，其深度应不小于0.5m。,上一页,下一页,返回,第三节建筑场地和地基基础的抗震设计,3)采用加密法(如振冲、振动加密、挤密碎石桩、强夯等)加固时，应处理至液化深度下界;振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯入锤击数不宜小于液化判别标准贯入锤击数临界值。4)当直接位于基底下的可液化土层较薄时，可采用非液化土替换全部液化土层;5)采用加密法或换土法处理时，在基础边缘以外的处理宽度，应超过基础底面下处理深度的1/2且不小于基础宽度的1/5。(2)部分消除地基液化沉陷的措施，应符合下列要求:l)处理深度应使处理后的地基液化指数减少，当判别深度为15m时，其值不宜大于4，当判别深度为20m时，其值不宜大于5;对独立基础和条形基础，尚应不小于基础底面下液化土特征深度和基础宽度的较大值。2)采用振冲或挤密碎石桩加固后，桩间土的标准贯入锤击数不宜小于液化判别标准贯入锤击数临界值。,上一页,下一页,返回,第三节建筑场地和地基基础的抗震设计,3)基础边缘以外的处理宽度，应超过基础底面下处理深度的1/2且不小于基础宽度的1/5。(3)减轻液化影响的基础和上部结构的处理，可综合采用下列各项措施:1)选择合适的基础埋置深度。2)调整基础底面积，减少基础偏心。3)加强基础的整体性和刚度，如采用箱基、筏基或钢筋混凝土交叉条形基础，加设基石出圈梁等。4)减轻荷载，增强上部结构的整体刚度和均匀对称性，合理设置沉降缝，避免采用对不均匀沉降敏感的结构形式等。5)管道穿过建筑处应预留足够尺寸或采用柔性接头等。,上一页,返回,第四节多层框架结构的抗震设计,一、多层框架结构房屋的震害与分析 在强地震作用下，建筑物的破坏机理和过程是十分复杂的，迄今为止还不能完全用理论与计算分析加以解释。因此，要正确地进行多层和高层建筑的抗震设计，就必须总结各类建筑在历次大地震中的震害特点，从中吸取经验教训，这是十分重要的。1.结构布置不当引起的震害(1)平面刚度分布不均匀、不对称产生的震害。建筑平面复杂，结构刚度不对称，地震时容易引起扭转和局部应力集中，尤其在凹角处。若未采取相应的加强措施，则将会造成严重震害。(2)竖向刚度突变产生的震害。结构刚度沿竖向分布有局部削弱或突然变化时，可能使结构在刚度突然变小的楼层产生过大变形甚至倒塌。若未对可能出现的薄弱部位采取相应的提高抗震能力的措施，就可能产生严重的震害。如果为上柔下刚结构，则下部震害会加重。,下一页,返回,第四节多层框架结构的抗震设计,(3)防震缝处理不当造成的震害。在防震缝两侧的结构单元由于各自的动力特性不同，因此在地震时可能产生相向的位移，如果防震缝宽度不够，则结构单元之间会发生碰撞而引起震害。2.场地影响产生的震害(1)地基失效引起上部结构破坏。尽管地基失效造成的上部结构破坏仅占结构物破坏很少的一部分，但这类破坏的修复、加固是很困难的，有时甚至是不可能的。这意味着必须重视对地基基础的抗震设计。(2)地震地面运动的卓越周期长，会加重长周期高层建筑的震害。地面运动在土中传播时，短周期分量衰减较快，而长周期分量衰减较慢，能传递到较远的地方。因此，在离震中较远的软土地基上，地震地面运动的卓越周期长，对自振周期较长的高层建筑，尤其框架结构易产生共振，加重震害。,上一页,下一页,返回,第四节多层框架结构的抗震设计,3.框架的震害 框架在地震中常因强度和延性不足而发生破坏。一般情况下，柱的震害重于梁;角柱的震害重于内柱;短柱的震害重于一般柱;柱上端的震害重于下端。柱子同时承受竖向的轴力和两个主轴方向的弯矩与剪力的作用，受力复杂;而柱子的地位又最重要，一旦柱子破坏，整幢房屋就有倒塌的危险。在钢筋混凝土框架的抗震设计中，提倡“强柱弱梁”就是从大量的震害中得到的教训。(1)框架柱的震害。框架柱的震害主要有下列儿方面:1)柱端弯剪破坏。上、下柱端出现水平裂缝和斜裂缝，有时也有交叉斜裂缝，混凝土局部压碎，梁端形成塑性铰。严重者，混凝土剥落，箍筋外鼓崩断，柱筋弯曲。2)柱身剪切破坏。多出现交叉斜裂缝或S形裂缝，箍筋屈服崩断。,上一页,下一页,返回,第四节多层框架结构的抗震设计,3)角柱破坏。由于房屋不可避免地要发生扭转，因此角柱所受剪力最大，同时角柱又受双向弯矩作用，而其约束又较其他柱小，故角柱的震害较内柱重。有的上、下柱身错动，钢筋由柱内拔出。4)短柱破坏。当有错层、夹层或有半高的填充墙，或不适当地设置某些连系梁时，容易形成H/b4(H为柱高，b为柱截面的短边边长)的短柱。一方面短柱能吸收较大的地震剪力，另一方面短柱常发生剪切破坏，形成交叉裂缝乃至脆断。(2)框架梁的震害。震害多在梁端。在地震作用下，梁端纵向钢筋屈服，出现上下贯通的垂直裂缝和交叉斜裂缝。在梁负弯矩钢筋切断处，抗弯能力削弱也容易产生裂缝，从而造成梁的剪切破坏。由于设计时未考虑水平地震的往复作用在梁端产生的附加正负弯矩，使梁抗弯强度不足而产生正截面破坏。另外，梁主筋在节点内锚固不足而在反复荷载作用下被拔出的震害现象也比较多。,上一页,下一页,返回,第四节多层框架结构的抗震设计,梁的破坏后果常常不如柱的破坏严重，即使梁破坏也只造成局部损失，一般不会引起整幢房屋的倒塌。但梁的剪切破坏和锚固破坏都是脆性破坏，应特别注意防范。(3)框架梁、柱节点的震害。在强震作用下，框架梁、柱节点核心区破坏的震害实例较多，其主要表现为:1)节点核心抗剪强度不足引起的破坏。破坏时，核心区产生斜向对角的通长裂缝，节点区内的箍筋屈服、外鼓甚至崩断。2)当节点区剪压比较大时，箍筋可能尚未屈服，而是混凝土被剪压、酥碎成块而发生破坏。3)由于构造措施不当而引起的破坏常表现为节点箍筋过稀而产生的脆性破坏，或由于节点核心区的钢筋过密而影响混凝土浇筑质量引起的破坏。另外，由于梁柱主筋通过节点时搭接不合理，使结构的连续性难以保证而引起的震害也时有发生。,上一页,下一页,返回,第四节多层框架结构的抗震设计,4.填充墙的震害 框架中嵌砌砖填充墙，容易发生墙面斜裂缝，并沿柱周边开裂。端墙、窗间墙和门窗洞口边角部位破坏更加严重。烈度较高时墙体容易倒塌。由于框架变形属剪切型，下部层间位移较大，填充墙在房屋中下部儿层震害严重;框架一抗震墙结构的变形接近弯曲型，上部层间位移较大，故填充墙在房屋上部儿层震害严重。填充墙破坏的主要原因是:墙体抗拉、抗剪承载力低，变形能力小，墙体与框架缺乏有效的拉结，因此在往复变形时墙体易发生剪切破坏。5.抗震墙的震害 相对于框架体系而言，框架一抗震墙体系