第12章建筑结构抗基本知识课件.ppt

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1、第十二章 建筑结构抗震基本知识第一讲 地震基本知识(一)地震基本概念,第十二章 建筑结构抗震基本知识,本章主要内容1.地震及其破坏作用；震级与烈度；建筑抗震设防烈度、设防目标、设防标准、抗震概念设计的基本要求；2.多层及高层钢筋混凝土房屋的抗震措施；3.多层砌体结构房屋和底部框架抗震墙房屋的抗震措施。,3,第一讲教学目标：了解地震的基本知识，理解震级、地震烈度的概念；,12.1 地震基本知识,震级与烈度；,难 点,重 点,抗震概念设计的基本要求,12.1.1 地震及其破坏作用,全世界每年发生的地震约达五百万次。人们能感觉到的地震叫有感地震，占地震总数的1左右。造成灾害的强烈地震平均每年发生十几

2、次。强烈地震会引起地震区地面剧烈摇晃和颠簸，并会危及人民生命财产安全和造成工程建筑物的破坏。地震还可能应起火灾、水灾、山崩、滑坡以及海啸。,地震是指因地球内部缓慢积累的能量突然释放而引起的地球表层的振动。,地震是一种自然现象，地球上每天都在发生地震，一年约有500万次。其中约5万次人们可以感觉到；能造成破坏的约有1000次；7级以上的大地震平均一年有十几次。目前记录到的世界上最大地震是 8.9级，发生于1960年5月22日的智利地震。,什么是地震？,地球是一个近似于球体的椭球体，平均半径约6370km，赤道半径约6378km，两极半径约6357km。从物质成分和构造特征来划分，地球可分为三大部

3、分：地壳、地幔和地核(图1.1)。,图1.1地球断面与地壳剖面,(a)地球断面(b)分层结构(c)地壳剖面,地壳,地壳是地球外表面的一层很薄的外壳，它由各种不均匀的岩石组成。地壳的下界称为莫霍界面，或称莫霍不连续面。地壳的厚度在全球变化很大，大陆内一般厚1640km，高山地区厚度更大，中国西藏高原及天山地区厚达70km。海洋下面厚度最小，一般为1015km，最薄的约5km。世界上绝大部分地震都发生在地壳内。,2.地幔,地壳以下到深度约2895km的古登堡界面为止的部分为地幔，约占地球体积的56。地幔由密度较大的黑色橄榄岩等超基性岩石组成，其中上地幔物质结构不均匀，中、下地幔部分是比较均匀的。由

4、于地幔能传播横波(剪切波)，所以根据推算，地幔应为固体。,3.地核,古登堡界面以下直到地心的部分为地核，地核半径约为3500km，又可分为外核和内核。据推测，地核的物质成分主要为镍和铁。由于至今还没有发现有地震横波通过外核，故推断外核处于液态，而内核可能是固态。地球各部分的密度随深度增加而增大，地球内部的温度随深度增加而升高。,1.1.2 地震的发生过程,地震就是地球内某处岩层突然破裂，或因局部岩层塌陷、火山爆发等发生了振动，并以波的形式传到地表引起地面的颠簸和摇晃，从而引起了地面的运动。发生地震的地方叫震源。震源在地表的投影叫震中。震源至地面的垂直距离叫震源深度。震源深度、震中距、震源距,什

5、么叫震源、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，也称极震区；,从震中到地面上任何一点的距离称为震中距。,世界上绝大部分地震是浅源地震，中源地震比较少，而深源地震为数更少。一般来说，对于同样大小的地震，当震源较浅时，波及范围较小，而破坏程度较大；当震源深度较大时，波及范围则较大，而破坏程度相对较小。,地震分类,一.按地震成因分类,-天然地震包括构造地震、火山地震、陷落地震,1.构造地震,破坏性地震主要属于构造地震。据统计，构造地震约占世界地震总数的90%以上。,92%的地震发生在地壳中，其余的发生在地幔上部,关于构造地震的成

6、因有多种学说。这里介绍主要的两种：板块构造学说、断层学说,板块构造学说,欧亚大陆板块太平洋板块美洲板块非洲板块印澳板块南极板块,六大板块,断层学说,在地幔对流等因素产生的巨大能量作用下，使地壳和地幔上部的岩石层发生皱褶变形，当积聚的地应力超过岩石的极限强度时，岩石层便发生脆性断裂，猛烈回弹错动而引起振动，以波的形式向地面传播，形成地震。,(a)岩层的原始状态(b)受力发生弯曲(c)岩层断裂发生震动,这些板块在地幔物质的对流等因素产生的巨大能量作用下缓慢地相互运动，这种运动使得板块之间相互挤压和错动，致使其边缘附近的岩石层脆性破裂而引发地震。这种学说认为，板块的构造运动是构造地震产生的根本原因。

7、,一般造成较大灾害的都为构造地震，尤以浅源构造地震造成的危害更大。因此，从工程抗震角度来说，主要是研究占全球地震发生总数约90的构造地震。构造地震亦称“断层地震”。由地壳（或岩石圈，少数发生在地壳以下的岩石圈上地幔部位）发生断层而引起。,图1.2 断层运动的种类,(a)正断层(b)逆断层(c)横向断层,a、岩层的原始状态,b、受力发生弯曲,c、岩层破裂发生震动,地震形成的局部机制：,地球板块运动,板块之间的相互作用力,地壳中岩层变形,变形积聚超过岩石所能承受的程度,岩体就会发生突然断裂或错动,地震,构造地震成因.avi,2.火山地震,由于火山作用，如岩浆活动、气体爆炸等引起的地震称为火山地震，

8、这类地震只占全世界地震的7%左右。,1914年日本樱岛火山爆发，产生的震动相当于一个6.7级地震。,3.陷落地震,由于地下溶洞或矿井顶部塌陷而引起的地震称为塌陷地震。这类地震的规模比较小，次数也很少。,人工地震,因人为因素直接造成的地震是人工地震。,如工业爆破、地下核爆炸造成的振动；在深井中进行高压注水以及大水库蓄水后增加了地壳的压力，有时也会诱发地震。,1962年3月19日在广东河源新丰江水库坝区发生了迄今我国最大的水库诱发地震，震级为6.1级。,二.按震源深浅分类,浅源地震震源深度小于60千米的称为浅源地震。全世界85%以上的地震都是浅源地震。,中源地震震源深度在60至300千米的称为中源

9、地震,深源地震震源深度在300千米以上的称为深源地震。,浅源地震波及范围小，但破坏力大；深源地震波及范围大，但破坏力小。,2002年6月29日晨1：20发生于吉林的7.2级地震，震源深度为540km，无破坏。,目前有记录的最深震源达720公里。,地震分类,一.按地震成因分类,1960年2月29日发生于摩洛哥艾加迪尔城的5.8级地震，深度为3km。震中破坏极为严重，但破坏仅局限在震中8km内。,地震波及其传播,地震引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播，这就是地震波。地震波是震源辐射的弹性波，一般分为体波和面波。,地震波的组成：,纵波(P波）,横波（S波）,纵波(pressure wave)：

10、由震源向外传播的疏密波或拉压波，或称P波。质点运动的方向与波的前进方向一致。,体波,横波(shear wave)：由震源向外传播的剪切波，或称S波。质点运动的方向与波的前进方向相垂直。,横波特点:周期长、振幅大、波速慢，100-800m/s。引起地面水平摇晃。只在固体里传播。,纵波特点:周期短、振幅小、波速快,200-1400m/s。引起地面竖向颠簸。在固体和液体里都能 传播，在空气里的纵波就是声波。,体波在地球内部的传播速度随深度而增大,随介质的 不同而不同。,S波的传播速度（m/s）,P也可以认为是代表（primary）S也可以认为是代表（secondary）,P波开始,杂波,S波开始,面

11、波开始,地震波记录图,地震波的传播速度,地震波中以纵波最大，横波次之，面波最小。,地震波的传播以纵波最快，横波次之，面波最慢。在地震记录上，纵波最先到达，横波到达较迟，面波在体波之后到达，一般当横波或面波到达时地面振动最强烈，破坏作用大地震波在传播过程中能量衰减，地面振动减弱，破坏作用减轻地震波记录是确定地震发生的时间、震级和震源位置的重要依据，也是研究工程结构物在地震作用下的实际反应的重要资料。,1.2.3 地震波的主要特性及其在工程中的应用,由震源释放出来的地震波传到地面后引起地面运动，这种地面运动可以用地面上质点的加速度、速度或位移的时间函数来表示，用地震仪记录到的这些物理量的时程曲线习

12、惯上又称为地震加速度波形、速度波形和位移波形。在目前的结构抗震设计中，常用到的则是地震加速度波形。地震动的三要素：地震动的峰值（最大振幅）、频谱、持续时间,地震波对建筑物的作用,纵波使建筑物上下颠簸，剪切波使建筑物产生水平方向摇晃，面波则使建筑物既产生竖向颠簸又产生水平方向摇晃。,剪切波和面波都到达时建筑物振动最为剧烈。,面波的能量比体波大，所以造成建筑物和地表的破坏主要以面波为主。,由于面波随着地面深度增加而衰减，所以地下结构震害较轻。,一、地震震级（magnitude）,震级是表征地震强弱的指标，是衡量一次地震释放能量大小的等级，用符号M表示。,震级定义有三种一是近震震级ML、二是面波震级

13、MS、三是体波震级MB。,震级计算,里氏震级（近震震级ML）：1935年美国的里克特（C.F.Richer）首先提 出了震级的定义：震级是利用标准地震仪距震中100km处记录的以微米（1um=10-3mm）为单位的最大水平地面位移（振幅）A的常用对数值。,2.3 震级与烈度,区别：地震烈度 与 震级,一次地震，表示地震大小的震级只有一个 由于同一次地震对不同地点的影响不一样，随着距离震中的远近会出现多种不同的烈度,M2的地震，人感觉不到，称为微震（microearthquake）。,M=2-4的地震，人有感觉，称为有感地震（felt earthquake）。,M5以上的地震，对建筑物要引起不同

14、程度的破坏，统称为破坏地震(destructive earthquake)。,M7的地震称为强烈地震或大地震(large earthquake)。,M8的地震称为特大地震(great earthquake)。,由于震源深浅、震中距大小等不同，地震造成的破坏也不同。震级大，破坏力不一定大；震级小，破坏力不一定就小。,按震级分类,1.3.2地震烈度,地震烈度：地震对地面影响的强烈程度，主要依据宏观的地震影响和破坏现象来判断。表1.1是1999年颁布的中国地震烈度表。注：一般来说，距离震中近，烈度就高；距离震中越远，烈度也越低地震烈度表：把地震的强烈程度，从无感到建筑物毁灭及山河改观等划分为若干等级

15、，列成表格，以统一的尺度衡量地震的强烈程度。表1.1是1999年颁布的中国地震烈度表。等烈度线：具有相同烈度的各个地点的外包线，等烈度线的度数随震中距的增大而递减，但有时会出现烈度异常。震中烈度：震中区的烈度称为震中烈度,地震区划与地震烈度区划图,地震区划图的发展过程,地震区划（seismic zoning）:以地震烈度、地震动参数为指标,将国土可能遭受地震影响的危险程度划分成若干区域，这一工作称为地震区划。,以地震基本烈度圈定的分区图，称为地震烈度区划图。,1957年，著名地震学家李善邦先生主持编制了中国第一代中国地震烈度区划图（万）。没有时间限制。,1977年，国家地震局编制并颁布了第二代

16、中国地震 烈度区划图（万），具有年的时限。,1986年，时振梁研究员主持编制了我国第三张地震烈度 区划图（4万）。该图1990年编制完成，1992年5月22日经国务院批 准正式发布实施。该图是我国第一张采用国际上先进的概率地震危险性分析方法编制的地震烈度区划图，具有50年的时限。,2000年，胡聿贤院士、高孟潭研究员主持编制了我国第四张地震区划图。该图2001年颁布成为我国防震减灾工作的一项强制性国家标准。该图也是我国第一张地震动参数区划图，具有50年的时限。,下图是1990年中国地震烈度区划图,中国地震烈度表(1999),个别：10%以下 少数：10%50%多数：50%70%大多数：70%9

17、0%普遍：90%以上,震害程度,损坏个别掉砖落瓦，墙体微细裂缝。指数00.1；轻度破环局部破坏开裂，但不妨碍使用。指数0.110.30；中等破坏结构受损，需要修理。指数0.310.50；严重破坏墙体裂缝较宽，局部倒塌，修复困难。指数0.510.70；倒塌大部倒塌，不堪修复。指数0.710.90；毁灭墙倒顶塌，荡然无存。指数0.91l.0。,地震的破坏作用（震害现象）,由地震的原生现象如地震断层错动，以及地震波引起的强烈地面振动所造成的灾害。主要有：,1、地面破坏。如地面裂缝、错动、塌陷、喷水冒砂等；,一、直接灾害：,2、建筑物与构筑物的破坏 如房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；,2、建

18、筑物与构筑物的破坏 如房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；,2、建筑物与构筑物的破坏 如房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；,2、建筑物与构筑物的破坏 如房屋倒塌、桥梁断落、水坝开裂、铁轨变形等；,3、山体等自然物的破坏。如山崩、滑坡等；,4、海啸。海底地震引起的巨大海浪冲上海岸，可造成沿海地区的破坏；,二、次生灾害：,直接灾害发生后，破坏了自然或社会原有的平衡、稳定状态，从而引发出的灾害。有时，次生灾害所造成的伤亡和损失比直接灾害还大。,1、火灾 由震后火源失控引起；,1923年日本关东地震，东京市内227处起火，33处未能扑灭造成火灾蔓，旧市区烧毁约50%；横滨市烧毁80%，死

19、亡10万。,主要的次生灾害有：,2、水灾。由水坝决口或山崩拥塞河道等引起；,3、毒气泄漏。由建筑物或装置破坏等引起；,4、瘟疫。由震后生存环境的严重破坏而引起.,三、工程结构破坏现象,1、结构丧失整体性,2、承重结构强度不足,3、结构变形过大导致倒塌,4、结构构件连接支撑失效,5、地基失效,6、非结构构件破坏,相关名称解释,51,框架结构震害分析,钢筋混凝土结构:柔性结构，具有较好的抗震性能，地震时所遭受的破坏比砌体结构（刚性结构）的震害轻得多。但如果设计不合理、施工质量不良，多层和高层钢筋混凝土结构建筑也会产生严重的震害。,框架结构震害分析,马那瓜美洲银行大厦,1972年南美洲马那瓜地震中央

20、银行大厦,1结构布置不合理产生的震害,震前,震后,框架结构震害分析,马那瓜中央银行 结构平面布置,框架,抗震墙,填充墙,框架结构震害分析,平面不规则、竖向不规则严重扭转,马那瓜美洲银行结构平面布置,结构对称均匀抗侧包括4个L行筒体,框架结构震害分析,在强烈地震作用下，结构的薄弱楼层率先屈服、发展弹塑性变形，并形成弹塑性变形集中的现象，不能发挥整体的抗震能力。,1976年唐山大地震中，位于天津塘沽区的天津碱厂十三层蒸吸塔框架，该结构楼层屈服强度分布不均匀，造成6层和11层的弹塑性变形集中，导致6层以上全部倒塌。,天津碱厂输入天津波的弹塑性分析结果,（2）竖向不规则产生的震害(薄弱层),框架结构震

21、害分析,框架结构震害分析,地震时倾倒的原因是底层柱子数量少，间距大。,3框架整体的震害,框架的整体破坏形式按破坏性质可分为延性破坏和脆性破坏，按破坏机制可分为梁铰机制(强柱弱梁型)和柱铰机制(强梁弱柱型)。,框架结构震害分析,一、框架梁、柱的震害,梁柱变形能力不足，构件过早发生破坏。一般是梁轻柱重，柱顶重于柱底，尤其是角柱和边柱更易发生破坏。,柱顶,柱顶周围有水平裂缝、斜裂缝或交叉裂缝。重者混凝土压碎崩落，柱内箍筋拉断，纵筋压曲成灯笼状。,主要原因：节点处弯矩、剪力、轴力都较大，受力复杂，箍筋配置不足，锚固不好等。,破坏不易修复。,框架结构震害分析,柱底,与柱顶相似，由于箍筋较柱顶密，震害相对

22、柱顶较轻。,框架结构震害分析,短柱,当柱净高小于4倍柱截面高度（H/b4)或剪跨比不大于2时,形成短柱。,短柱刚度大，易产生剪切破坏。,短柱,框架结构震害分析,角柱,由于双向受弯、受剪,加上扭转作用，震害比内柱重。,角柱,框架结构震害分析,梁柱节点,节点核心区产生对角方向的斜裂缝或交叉斜裂缝，混凝土剪碎剥落。节点内箍筋很少或无箍筋时，柱纵向钢筋压曲外鼓。,节点破坏的主要原因是节点的受剪承载力不足，约束箍筋太少，梁筋锚固长度不够以及施工质量差所引起。,节点破坏将导致梁柱失去相互之间的联系。,梁柱节点破坏,框架结构震害分析,梁柱节点节点核心区产生对角方向的斜裂缝或交叉斜裂缝，混凝土剪碎剥落，节点内

23、箍筋很少或没有放置箍筋时，柱纵向筋压曲外鼓。梁筋锚固破坏。锚固长度不足，从节点内拔出，将混凝土拉裂。装配式框架构件连接处易发生脆断，剖口焊接钢筋处易拉断，焊接处后浇混凝土开裂或散落。原因：节点受弯承载力不足，约束混凝土太少，梁筋锚固长度不足及施工质量引起。,框架结构震害分析,填充墙的震害,砌体填充墙刚度大而承载力低，首先承受地震作用而遭破坏。一般7度即出现裂缝，8度和8度以上地震作用下，裂缝明显增加，甚至部分倒塌，,填充墙破坏,框架结构震害分析,抗震墙的震害,在强震作用下，抗震墙在反复荷载作用下形成X型剪切裂缝。,抗震墙破坏(交叉裂缝),框架结构震害分析,抗震墙中的连梁震害,在强震作用下还表现

24、在连梁上，其跨度小，高度大形成深梁，在反复荷载作用下形成X型剪切裂缝，为剪切型脆性破坏，尤其是在房屋1/3高度处的连梁破坏更为明显。,抗震墙破坏(交叉裂缝),框架结构震害分析,框架梁震害多在梁端，为剪切破坏。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（因弯剪作用）。在梁负弯矩钢筋切断处由于抗剪能力削弱也易产生裂缝，造成梁剪切破坏。原因：梁端屈服后产生的剪力较大，超过梁的受剪能力，梁内箍筋配置较稀，以及反复荷载作用下混凝土抗剪强度降低等因素引起的。,框架结构震害分析,1、伸缩缝宽度太小，地震时发生碰撞造成震害。如：天津友谊宾馆，东西段之间没有15cm抗震缝，在唐山地震时，防震缝处不少面积因碰撞而掉落。2、建造在软弱地基上的高柔建筑物，因Tg=T1发生共振，烈度不高但其破坏的例子屡见不鲜。如：1976年委内瑞拉发生6.5级地震，距震中56km的加拉加斯冲积场地上有4幢10至12层钢筋混凝土框架结构公寓倒塌。,框架结构震害分析,地震前北川,地震后北川,Rebuild Beichuan,新建北川,reasonable,Construction quality guaranteed,supervise,third-party,