1 工程结构地震破坏的基本经验和主要工程对策(翟长海)

1、工 程 抗 震,翟长海 滨工业大学土木工程学院 Email：zch- Tel: 86282027,讨论工程结构抗震设计主要分析方法,底部剪力法 振型分解反应谱法： 时程分析法： 静力弹塑性法（pushover法）,认真准备、非常重要！ 要精练、抓住重点、把问题将清楚、学会总结！,工程地震与工程抗震,震源特性 地震波的传播 强地震动的预测 强地震动特征分析 结构地震反应分析 抗震设计理论 结构的震害预测 结构的抗震加固与鉴定 结构的振动控制 结构的健康检测 .,国家自然科学基金 “十一五”重大研究计划 “重大工程的动力灾变 “ 15,000万元 2008.12015.12 工程与材料科学部、地球科学部、 数理科学部、信息科学部,科学目标,针对长大桥梁、大型建筑（包括超高建筑、大型空间建筑、城市大型地下建筑）和高坝三类重大工程，采用理论分析、模型试验、现场实测和数值模拟等研究手段，研究强地震动场和其动力作用下重大工程的损伤破坏演化过程，揭示重大工程的损伤机理和破坏倒塌机制，建立重大工程动力灾变模拟系统，实现对强地震动场的动力作用从统计推断到统计推断结合理论预测的重点跨越和理论升华，实现对重

2、大工程的动力灾变过程从简单效应分析到多效应耦合的全过程分析的重点跨越和理论升华，提升我国重大工程防灾减灾基础研究原始创新能力，为保障我国超大尺度重大工程（千米级大桥、五百米级超高层建筑、三百米级高坝等）的安全建设和运营提供科学支撑，为我国重大工程防灾减灾培养创新人才。,关键科学问题,（一）强地震动场和强台风场的建模与预测 （二）重大工程动力灾变的关键效应。 1. 材料、构件和结构的非线性动力效应。 2. 结构与环境介质的动力耦合效应。 3. 结构的空间动力作用效应。 4. 结构内部及与环境介质之间的能量转换和耗散效应。 （三）重大工程动力灾变的全过程分析。 1. 动力灾变建模与数值计算。 2. 损伤演化规律与破坏倒塌机制。 3. 动力灾变过程控制。 （四）重大工程动力灾变模拟系统的集成与验证。,工程抗震的主要内容,工程结构地震破坏的基本经验和主要工程对策 工程抗震设防标准和设计地震动（重点讲解！） 工程抗震设计的基本原则和一般要求 工程结构抗震设计主要分析方法 （重点讲解！） 工程结构地震模拟实验 工程结构振动控制 工程抗震鉴定与加固,参考文献,建筑抗震设计规范GB50011-2001

3、，中国建筑工业出版社，2001 胡聿贤，地震工程学，地震出版社，1988； 沈聚敏，周锡元等，抗震工程学，中国建筑工业出版社 谢礼立主编. 中国工程建设标准化协会标准. 建筑工程抗震性态设计通则（试用）.中国计划出版社, 2004. Chopra. Dynamics of Structures: Theory and Application to Earthquake Engineering. （谢礼立等译），2007，高等教育出版社。 李国强，李杰等著，建筑结构抗震设计，中国建筑工业出版社，2002 李刚, 程耿东. 基于性能的结构抗震设计理论、方法与应用. 科学出版社, 2004. 郭继武著，建筑抗震设计，中国建筑工业出版社，2002 赵成刚，冯启民等，生命线地震工程，地震出版社，1994 邱法维，结构抗震实验方法，科学出版社，2000 相关期刊、会议文章（非常重要！）,工程结构地震破坏的基本经验 和主要工程对策,地基和基础 平面、立面布置 防震缝 抗震结构体系 抗震结构的构件要求 抗震结构各构件的连接 非结构构件 材料与施工,概念设计,地基和基础,建于性质差别很大地基上或部分采用

4、天然地基、部分采用桩基的，地震中结构遭到的破坏更为严重。 1985年自贡地震时，三层砖混结构的自贡新华印刷厂综合楼，基础穿过填土(原为水沟)座落在基岩上，震后遭到较重的破坏。自贡兴隆坳小学二层砖木结构教学楼，北檐墙埋深1.52.0m，置于填土上，南檐墙砌在岩石上，埋深0.5m，建成后不久西北墙角即下沉开裂，地震后除旧有裂缝扩宽外，其它部分也遭到很重破坏。,唐山地震中，天津市宏观烈度为度，由于软土的影响，老旧的非刚性房屋，厂房、框架等自振周期较长的房屋地震反应较大，震害达到8度的平均程度，而刚性多层砖房的结构反应并未放大，仍然只有7度地震的平均震害程度。 在海城地震中，营口市大面积砂土液化，不同结构的震害差异更明显，多层砖房相当于8度震害，烟囱相当于9度震害。 墨西哥地震中，墨西哥城中10-14层建筑的结构反应最大，破坏和倒塌也最严重。 这些震例表明，在选址时，应根据拟建工程的结构特性，通过宏观经验和计算分析来选择对结构地震反应较小的场地；或者说，应根据场地自振特性来布置适宜于建造的结构类型，以求结构的地震反应较小，从而减轻和避免地震的危害。,平面、立面布置,具有简单规则的平、立面建筑物

5、，地震中破坏相对较轻。通常认为，简单结构的受力性能比较明确，设计时容易分析结构在地震作用下的实际反应和内力，且结构细部的设计也好处理。 平面和立面的规则性问题,平面和立面的规则性问题,结构规则与否是影响结构抗震性能的重要因素。但是，由于建筑设计的多样性，不规则结构有时是难以避免的。同时，由于结构本身的复杂性，通常不可能做到完全规则，也只能尽量使其规则，减少不规则性带来的不利影响， 特别不规则结构应尽设避免采用，尤其在高烈度区。 根据不规则的程度，应采取不同的计算模型分析方法，并采取相当的细部构造措施。,平面规则准则,（1）平面偏心 结构在平面内沿两正交方向上侧向刚度和质量分布接近对称。如果任何一层的偏心率超过0.2时，则认为属于不规则结构，偏心率为质量中心与刚度中心间距离与相应方向宽度之比。 （2）平面凹角 平面轮廓应简单、对称，如下图所示的限制平面形状，突出部分的长度不应超过图中所示的限制。,平面规则准则,平面规则准则,（3）楼板突变 楼板在平面内突然间断，或楼板内洞口削弱面积超过整个楼层面积15或相邻层有效楼板刚度相差超过15，都属于平面不规则结构。 （4）平面外水平断错 竖向构件

6、在平面外水平断错，造成侧向力传递路径的间断，这种情况属于结构平面不规则。 （5）非平行结构体系 抗侧力的竖向构件既不平行于抗侧力体系的对称轴，又不平行于抗侧力体系的正交轴，这种情况属于结构平面不规则。,立面规则准则,（1）刚度突变的柔性层 各楼层侧向刚度沿结构高度分布均应保持不变或逐步减小，没有突变。相邻楼层的侧向刚度的变化不得超过30或与其上部相邻三层楼层侧向刚度平均值相比不得小于80。 （2）质量分布突变 各楼层的质量沿结构高度分布均应保持不变或逐步城小，没有突变。相邻楼层的质量变化不得超过50，但结构顶层出外。,立面规则准则,（3）立面刚度突变 所有抗侧力体系如简体、剪力墙或框架不宜被截断，应自基础连续到结构顶部；或当在不同高度处须有缩进时，应自底部连续到相应区段的顶部。 （4）竖向抗侧力构件在其平面内的间断 （5）承载力突变薄弱层 框架结构体系中，楼层实际抗力与计算所需抗力之比即屈服承载力系数，在毗邻楼层问不应有突然变化，两者相差不得超过20。,刚度突变常导致破坏,柔底层可以看作是刚度、强度突变的一个例子。这种对于刚度、强度连续式、过渡式的变化，不但是上层和底层，同时也包括在竖

7、向及水平向相邻层之间的变化，再进而可以扩大为在平、立面内的几何形状、刚度、强度和质量的变化，都应力求均匀，否则，将会引起结构反应性状的变化，如产生过大的扭转，从而引起某些部位的内力或变形的集中，而导致破坏。,橄榄景医疗中心主楼为六层，钢筋混凝土房屋的上面5层有四个翼，底层连在一起，并在平面上超过上5层。,顶上四层有剪力墙和螺箍柱，地下层与第2层则无剪力墙，只有包括系箍柱的抗弯刚架。顶上四层的刚度与强度都远大于下面两层，从而形成了柔底层的结构形式。 1971年1月9日美国圣费尔南多地震中，严重的结构震害均集中于下面两层，上部四层震害轻微，底层的永久位移达到25厘米，第2层达76厘米。,柱的破坏要重视,在许多地震中，钢筋混凝土柱的破坏曾引起严重后果，如1967年委内瑞拉加拉加斯地震。为此，现在的抗震规范均强调强柱弱梁（内在原因？）的设计原则。 引起钢筋混凝土柱破坏的原因很多，主要的有过大的侧移而产生的P-效应（概念？）、角柱的双向地震动影响、房屋倾覆和竖向地震动产生的柱轴向内力、箍筋不足等原因。柱是钢筋混凝土房屋中承力的主要构件，其强度降低和变形加大会使柱丧失其承担竖向力的作用而导致房屋倒

8、塌。,要求,结构体系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,1999年台湾集集大地震中，不少10多层的钢筋混凝土向一侧倾倒。据事后对结构布局的观察，是由于柱子的数量较少或承载能力较弱，部分柱子地震中退出工作后，整个结构系统丧失了对竖向荷载的承载能力，致使结构塌落或倾倒。 抗震设计的一个重要原则是结构应具有必要的赘余度和内力重分配的功能（是判断结构抗震设计是否合理的一个依据），即使地震中部分构件退出工作，其余构件仍能将竖向荷载承担下来，避免整体结构失效或失稳。,防震缝,不规则建筑或房屋相邻两翼同一方向的侧移刚度相差悬殊的建筑物，在地震时往往因局部应力集中或两翼衔接处左右变形不协调而产生局部破坏。 抗震设计中，对这一问题的处理方法，通常是在建筑的某一部位设置防震缝，以使不规则建筑尽量规则些，刚度相差悬殊两部分划分成各自独立的整体。,防震缝,防震缝在不同程度上影响建筑立面效果，加之结构地震反应的复杂性，致使地震时变形的大小较难确切估计，因此，对防震缝设置的必要性，目前意见尚未完全统一。 主要问题是，设置防震缝究竟是增加了房屋的抗震能力还是降低了房屋的抗震能

9、力。目前比较倾向于根据建筑类型、结构体系和建筑物体型等具体情况区别对待，而不提倡都设或都不设。,目前对毗邻结构的研究是研究的热点问题,抗震结构体系,抗震结构体系是抗震设计中要考虑的最关键问题。结构方案选取是否合理，对安全和经济起决定性作用。抗震结构体系的确定，受设计项目的经济和技术条件(投资、材料、施工技术)制约，还同项目所在地的环境条件(地震、场地条件)有关，是一项系统决策，需要从多方面考虑 抗震结构体系要求受力明确、传力合理且传力路线不间断，使结构的抗震分析更符合结构在地震时的实际表现。这是结构选型与布置结构抗侧力体系时首先考虑的条件之一。,结构体系应具备必要的承载能力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力,对结构体系来说足够的承载能力和变形能力是两个同时需要满足的条件。 有较高的承载能力而缺少较大的变形能力(如不加约束的砌体结构)，很易引起脆性破坏而倒塌；有较大的变形能力而缺少较高的抗侧向力的能力(如钢或钢筋混凝土纯框架)，也由于在不大的地震作用下产生较大的变形，而导致非结构构件的破坏或结构本身的失稳，不能满足结构抗震能力的需要，必要的承载能力和良好的变形能力的结合便是结构在地震作用下具有的耗能能力。,强烈地震发生时，建筑物将受到多次反复冲击作用而产生累积性破坏。如果建筑物仅设置一道防线，则在该道防线破坏后，接踵而来的持续震动将造成建筑物的倒塌。如果设置第二道乃至更多道防线，则可抵挡因第一道防线破坏而产生的倒塌，从而保证建筑物内人员的人身安全。,要设置多道抗震防线,多道抗震防线的含意是： 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； 抗震结构体系应有最大的内部、外部赘余度，并有意识地建立一系列屈服区，使结构既能吸收和耗散大量地震能量，又能在一旦破坏后易于修复。,抗震薄弱层(部位)也是抗震设计中的重要概念 结构在强烈地震作用下不存在强度安全储备。构件的实际承载力分析是判断薄弱层(部门)的基础； 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相对均匀变化（屈服强度系数）。因为楼层(部位)的这个比例一旦有突变，将会由

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