1、抗震設計淺析抗震設計淺析一、地震的類型和成因地震按其產生的原因，可分為火山地震、陷落地震和構造地震。由于 地下空洞突然塌陷而引起的地震叫陷落地震； 由于地質構造運動引起 的地震稱為構造地震。一般火山地震和陷落地震強度低，影響范圍小， 而構造地震釋放的能量大，影響范圍廣，造成的危害嚴重。工程結構 設計時，主要考慮構造地震的影響。地質運動會使巖層變形而產生應力，巖層變形的不斷積累會使應力增 大，當巖層應力大于巖層強度時，巖層會突然破裂。巖層破裂后將以 振動的方式釋放能量并產生地震波，地震波引起地面運動，稱為地震。 地震按震源的深淺，可分為：淺源地震（震源深度小于60km ）、中源地震（震源深度在6

2、0300km）和深源地震（震源深度大于300km）。 其中淺源地震造成的危害最大，發生的數量也最多，約占到世界地震 總數的85%。當震源深度超過100km時，地震釋放的能量在傳播到 地面的過程中大部分被損失掉，故通常不會在地面上造成危害。我國 發生的地震絕大多數是淺源地震，震源深度一般為550km。二、震級和烈度震級是衡量一次地震規模大小的數量等級。 目前國際上常用的是里氏 震級，震級增大一級，地面振動幅度增大10倍。一般2級以下人體感覺不到，只有儀器能夠記錄到，稱為微震；24級人體有所感覺，稱為有感地震，大于5級會引起地面工程結構的破壞，稱為破壞性地 震級增大一級，地震能約增大 32倍。將某

3、一特定地區遭受一次地震影響的強弱程度定義為地震烈度。一般根據人的感覺、器物的反應以及地貌、建筑物的破壞等現象綜合評定。一般采用112個等級劃分，日本采用07的等級劃分。三、地震波和地面運動巖層破裂時，將引起周圍介質振動，并以波的形式從震源向各個方向傳播并釋放能量，這種傳播地震能量的波即為地震波。波分為兩種，一種為縱波，一種為橫波，縱波為壓縮波，其質點的振 動方向與波的行進方向一致，縱波可在固體和流體中傳播；橫波是一 種剪切波，其質點的振動方向與波的行進方向垂直，橫波只能在固體中傳播。縱波主要引起地面上下運動，橫波主要引起地面前后、左右 運動，可見地震地面運動總是三維運動，是極不規則的。地面運動

4、的位移、速度和加速度可以用儀器記錄下來， 對工程結構抗 震研究與應用采用的多是地震加速度記錄。一般來說，烈度越大，地面運動強度越大。地震地面運動加速度的平均值與烈度間的平均關系為a=1.25*2（ I-7）（ m/s2）影響地面運動主要有兩個因素：一是震中距，二是場地條件。一般波的周期越短，在有阻尼介質中傳播衰減得越快，因此隨著震中 距的增加，地面運動短周期所占比例越來越小， 長周期所占比例越來越大。場地條件主要指所考慮的工程結構所在地地表土層的軟硬程度和土層的覆蓋層厚度，場地特征周期Tg=4d/vv-場地土平均剪切波速 d-剪切波速小于500m/s的場地土覆蓋層厚 度。（參考抗震設計規范第四

5、章）當地震波的周期與場地特征周期一致時， 會發生共振反應，使地震波 產生的地面運動放大數倍甚至數十倍，而對于其它周期不會有那樣的 放大效應。由于地震波的周期成分很多，而僅與場地特征周期接近的周期被放大，因此也是地面運動的主要周期，也稱場地卓越周期。四、地震作用一般結構進行地震反應分析時可以進行簡化為單質點體系和多質點 體系。盡管地震地面運動是三維運動，但若結構處于彈性狀態，可將三維地 面運動分解為三個一維地面運動之和。通過平衡方程，可以得出地震最大絕對加速度反應與其自振周期的關系，稱為地震加速度反應譜，簡稱地震反應譜，Sa（ T ）。地震作用 F=m Sa（ T）地震反應譜與阻尼、地震動有關。

6、一般體系阻尼比越小，體系地震加速度反應越大，因此地震反應譜值 越大。 場地條件、震中距均對地震反應譜有影響。不同的地震記錄，地震反應譜不同，當進行結構抗震設計時，由于無 法確知今后發生地震的時程，因而無法確定相應的地震反應譜，可見， 地震反應譜直接應用于結構的抗震設計有一定的困難， 而需改為可供 結構抗震設計用的反應譜，稱之為設計反應譜。F=Gk B(T)G-體系重量 k-地震系數B( T)-動力系數地震系數與基本地震加速度值相同。(參考設計規范3.2章)動力系數B max=2.25地震影響系數令口( T) =k B( T)稱為地震影響系數譜曲線目前，我國建筑抗震采用兩階段設計，第一階段進行結

7、構強度與彈性 變形驗算時采用多遇地震烈度，其 k值相當于基本烈度所對應k值 的1/3;第二階段進行結構彈塑性變形驗算采用罕遇地震烈度，其k值相當于基本烈度所對應k值的1.52倍。可由公式可以算出水平地 震影響系數最大值。(參考抗震規范5.1章)五、地震分析方法 1、振型分解反應譜法 通過公式F=Gk (3( T)可以得出不同的質點不同振型的水平地震作用計算式。進行振型組 合。一般來說，結構的低階振型反應大于高階振型反應，振型階數越高，振型反應越小。因此，結構的總地震反應以低階振型反應為主， 而高 階振型反應對結構總地震反應的貢獻較小。故求結構總地震反應時， 不需要取結構全部振型反應進行組合，

8、通過統計分析，振型反應的組 合數可按如下規定確定：1、一般情況下，可取結構前 23階振型進行組合，但不多于結構自由度數。2、 當結構基本周期大于1.5s或建筑高寬比大于5時，可適當增加振 型反應組合數。2、底部剪力法采用振型分解反應譜法計算結構最大地震反應精度較高，但一般情況 下無法采用手算，且計算量較大，理論分析表明，當建筑物高度不超 過40m,結構以剪切變形為主且質量和剛度沿高度分布較均勻時， 結構的地震反應將以第一振型反應為主，而結構的第一振型接近直 線。因此假定：結構的地震反應可用第一振型反應表征，結構的第一振型為線性到三角形，即任意質點的第一振型位移與其高 度成正比。則結構底部剪力的

9、計算可簡化為F=G a然后將其分配到各個質點上。當結構基本周期較長時，結構的高階振型地震作用影響不可忽略，為此我國抗震規范采用在結構頂部附加集中水平地震作用的辦法考慮 高階振型的影響，規范規定，當結構基本周期大于1.4Tg時，需在結 構頂部附加集中水平地震作用。對于建筑物有局部突出屋面的小建筑等時，由于該部分結構重量和剛 度突然變小，將產生鞭梢效應，因此當采用底部剪力法計算這類小建 筑的地震作用效應時，需乘以增大系數 3。3、時程分析法選用一定的地震波，直接輸入到所設計的結構，然后對結構的運動平衡微分方程機型數值積分，求得結構在整個地震時程范圍內的地震反應。分為振型分解法和逐步積分法。時程分析

10、法是完全動力方法，計算量大，而計算精度高，但時程分析 法計算的是某一確定的地震的時程反應，不像底部剪力法和振型分解 反應譜法考慮了不同地震時程記錄的隨機性。4、結構彈塑性地震反應在罕遇地震下，允許結構開裂和產生塑性變形，但不允許結構倒塌，為保證結構“大震不倒”，需進行結構彈塑性地震反應分析。結構超過彈性變形極限，進入彈塑性變形狀態后，結構的剛度發生變 化，這時結構彈性狀態下的動力特征（自振周期和振型）不再存在，因此基于結構彈性動力特征的振型分解反應譜法和底部剪力法不適 用與結構彈塑性地震反應分析，需專門進行結構彈塑性計算。滯回曲線-將結構或構件在反復荷載作用下的力與彈塑性變形間的關 系曲線稱為

11、滯回曲線?？赏ㄟ^反復加載試驗得到。5、豎向地震作用震害調查表明，在烈度較高的震中區，豎向地震對結構的破壞也會有 較大影響。煙囪等高聳結構和高層建筑的上部在豎向地震的作用下， 因上下振動，而會出現受拉破壞。因此我國抗震規范規定：& 9度時的大跨度和長懸臂結構及 9度時的高層建筑，應計算豎向地震作 用?？刹捎妙愃朴谒降卣鹱饔玫牡撞考袅Ψǎ?計算高層建筑的豎向地震 作用。即先確定結構底部總豎向地震作用，再計算作用在結構各質點 上的豎向地震作用，公式為F=G aG-結構等效重力荷載，取實際的75%a -地震影響系數最大值，取水平地震影響系數最大值的65%很多情況下，豎向地震對多高層建筑結構的

12、影響比水平地震的影響要 小得多，因此可近似忽略。重力荷載代表值G=D+L ipD-結構恒荷載標準值L-活荷載標準值9 -活荷載組合值系數六、抗震設計1、三不準設防工程抗震設防的基本目的是在一定經濟條件下，最大限度的限制和減輕建筑物的地震破壞，保障人們生命財產安全，為了實現這一目的， 許多國家的抗震設計規范都趨向以“小震不壞，中震可修，大震不倒” 作為建筑抗震設計的基本準則。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

13、的地震影響時，建筑物不致倒塌或發生危及生命安全的嚴重破壞。實質上，上述“小震、中震、大震”概念，指小震烈度、中震烈度、大震烈度。我國對小震、中震、大震規定了具體的概率水準。地震烈度的概率密度函數曲線從概率意義上說，小震烈度就是發生機會較多的地震烈度。 分析年限 50年峰值烈度超越概率為 63.2%為小震烈度，又稱多遇地震烈度?；玖叶仍?0年內的超越概率一般為10%，大震烈度應是罕遇的地 震烈度，在50年內超越概率為2%左右。一般來說，基本烈度比多遇烈度高 1.55度，比罕遇烈度低1度。2、兩階段設計 第一階段設計：按多遇地震烈度對應的地震作用效應和其它荷載效應 的組合驗算結構構件的承載能力和

14、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的彈塑性變形。第一階段的設計，保證了第一水準的承載能力要求和變形要求， 第二 階段的設計，則旨在保證結構滿足第三水準的抗震設防要求， 而明確 的抗震構造措施要求，可基本保證第二水準要求的實現。3、建筑物分類及設防標準分為甲類、乙類、丙類、丁類，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 68度 時，應符合本地區抗震設防烈度提高一度的要求，當為 9度時，應 符合比9度抗震設防更高的要求。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

15、況下，當抗震設防烈度為 68度時，應符合本地區抗震設防 烈度提高一度的要求，當為9度時，應符合比9度抗震設防更高的 要求。對較小的乙類建筑，當其結構改用抗震性能較好的結構類型時， 應允許仍按本地區抗震設防烈度的要求采取抗震措施。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。丁類建筑，一般情況下，地震作用仍應符合本地區抗震設防烈度的要 求；抗震措施應允許比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?？拐鹪O防烈度為6度時，除本規范有具體規定外，對乙、丙、丁類建筑可不進行地震作用計算。4、計算要求底部剪力法、振型分解反應譜法和振型分解時程分析法，因建立在結 構

16、的動力特性基礎上，只適用于結構彈性地震反應分析。而逐步積分 時程分析法，不僅適用于結構非彈性地震反應分析， 也適用于作為非 彈性特例的結構彈性地震反應分析。采用什么方法進行抗震設計，可根據不同的結構和不同設計要求分別 對待，在小地震作用下，結構的地震反應是彈性的，可按彈性分析方 法計算；在大震作用下，結構的地震反應是非彈性的，則要按非彈性 方法進行抗震計算。對于規則、簡單的結構，可采用簡化方法進行抗震計算；對不規則、 復雜的結構，則應采用較精確的方法進行計算。 為此我國抗震設計規 范規定：1）、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，以及近似于單質點的結構，可采

17、用底部剪力法；2）、除1）以外的結構，宜采用振型分解反應譜法；3）、特別不規則結構、甲類建筑和采用時程分析法的房屋高度范圍所列的高層建筑，應采用時程分析法進行多遇地震下的補充計算。5、考慮扭轉效應、偶然偏心與雙向水平地震的影響控制偶然偏心的主要目的是控制結構的扭轉效應。對于高層建筑，即便是均勻、對稱的結構，也應考慮偶然偏心的影響；對于多層 建筑，則可以不考慮偶然偏心的影響。抗震規范條規定：質量和剛度分布明顯不對稱、不規則的結構， 應計入雙向地震作用下的扭轉影響。七、抗震概念設計完整的建筑結構抗震設計包括三個方面的內容和要求：概念設計、抗震計算和構造措施。概念設計在總體上把握抗震設計的主要原則，

18、彌 補由于地震作用及結構地震反應的復雜性而造成抗震計算不準確的 不足；抗震計算為抗震設計提供定量保證； 構造措施則為保證抗震概 念與抗震計算的有效提供保障，上述三個方面是一個不可分割的整 體，忽略任何一部分，都可能使抗震設計失效。所謂概念設計一般指不經數值計算，尤其在一些難以做出精確理性分 析或在規范中難以規定的問題中，依據整體結構總體系與分體系之間 的力學關系、結構破壞機理、震害經驗總結、工程模擬試驗和長期工 程設計經驗中獲得的基本設計原則和設計思想，從整體的角度確定建 筑結構的總體布置和抗震細部措施的宏觀控制過程。主要內容；1、在建筑體系上，應重視結構的選型和平、立面布置的規則性，擇 優選

19、擇抗震和抗風性能好且經濟合理的結構體系，結構應具有明確的計算簡圖和合理的傳遞地震力途徑，結構在兩個主軸方向的動力特征 宜相近。抗震規范341條以強制性條文的形式規定“建筑設計應符合抗震概 念設計的要求，不應采用嚴重不規則的設計方案?！?、在結構布局上，要使整體結構布置合理，有均勻的質量、剛度和 承載力分布，避免采用嚴重不規則的方案，避免傳力途徑間斷、局部 削弱，剛度突變或產生過大應力集中的部位， 對可能出現的薄弱部位 采取有效的抗震措施，使之既有足夠的變形能力又不使薄弱層發生轉 移。3、在結構構件上，要使構件既有必要的抗震承載力和剛度，又有很 好的承受非彈性變形的能力，設置多道抗震防線。建筑結

20、構的概念設計是結構工程設計的靈魂，對結構抗震設計而言， 概念設計比計算設計更重要。通過執行各項規范和規程中的有關規 定，保證抗震概念設計的完成，使建筑物具有可靠的抗震性能，在做 好概念設計的基礎上，進行結構定量計算分析及采取可靠的抗震構造 措施，是建筑結構設計應遵守的原則。八、軟件調整振型個數振型個數是軟件在做抗震計算時考慮振型的數量， 振型數的多少與結 構層數及結構自由度有關，該值不能太小，取值太小不能正確反映模 型應當考慮的地震振型數量，使計算結果失真；該值也不能過大，取 值太大不僅浪費時間，還可能使計算結果發生畸變，最大值不能超過 結構有質量貢獻的自由度總數。剛性假定的結構，每層有三個自由度， 振型數不應超過結構樓層數的三倍，對才應彈性樓板假定，或錯層、 越層、樓板開大洞的結構，由于存在大量的自由節點，而每個節點有 兩個有質量貢獻的自由度，振型數量應加倍選取。振型數是否取值合理，可以看計算書中X、丫方向有效質量系數都大 于0.9為止。最大地震力作用方向是指地震沿著不同的方向作用，結構地震反應的大小也各不相同，那么必然存在某個角度使得結構地震反應值最大， 這個方向稱為結構的最不利地震