抗震设计浅析.docx

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抗震设计浅析

抗震设计浅析

一、地震的类型和成因

地震按其产生的原因，可分为火山地震、陷落地震和构造地震。

由于地下空洞突然塌陷而引起的地震叫陷落地震；由于地质构造运动引起的地震称为构造地震。

一般火山地震和陷落地震强度低，影响范围小，而构造地震释放的能量大，影响范围广，造成的危害严重。

工程结构设计时，主要考虑构造地震的影响。

地质运动会使岩层变形而产生应力，岩层变形的不断积累会使应力增大，当岩层应力大于岩层强度时，岩层会突然破裂。

岩层破裂后将以振动的方式释放能量并产生地震波，地震波引起地面运动，称为地震。

地震按震源的深浅，可分为：

浅源地震（震源深度小于60km）、中源地震（震源深度在60~300km）和深源地震（震源深度大于300km）。

其中浅源地震造成的危害最大，发生的数量也最多，约占到世界地震总数的85%。

当震源深度超过100km时，地震释放的能量在传播到地面的过程中大部分被损失掉，故通常不会在地面上造成危害。

我国发生的地震绝大多数是浅源地震，震源深度一般为5~50km。

二、震级和烈度

震级是衡量一次地震规模大小的数量等级。

目前国际上常用的是里氏震级，震级增大一级，地面振动幅度增大10倍。

一般2级以下人体感觉不到，只有仪器能够记录到，称为微震；2~4级人体有所感觉，称为有感地震，大于5级会引起地面工程结构的破坏，称为破坏性地震。

震级增大一级，地震能约增大32倍。

将某一特定地区遭受一次地震影响的强弱程度定义为地震烈度。

一般根据人的感觉、器物的反应以及地貌、建筑物的破坏等现象综合评定。

一般采用1~12个等级划分，日本采用0~7的等级划分。

三、地震波和地面运动

岩层破裂时，将引起周围介质振动，并以波的形式从震源向各个方向传播并释放能量，这种传播地震能量的波即为地震波。

波分为两种，一种为纵波，一种为横波，纵波为压缩波，其质点的振动方向与波的行进方向一致，纵波可在固体和流体中传播；横波是一种剪切波，其质点的振动方向与波的行进方向垂直，横波只能在固体中传播。

纵波主要引起地面上下运动，横波主要引起地面前后、左右运动，可见地震地面运动总是三维运动，是极不规则的。

地面运动的位移、速度和加速度可以用仪器记录下来，对工程结构抗震研究与应用采用的多是地震加速度记录。

一般来说，烈度越大，地面运动强度越大。

地震地面运动加速度的平均值与烈度间的平均关系为

a=1.25*2（I-7）（m/s2）

影响地面运动主要有两个因素：

一是震中距，二是场地条件。

一般波的周期越短，在有阻尼介质中传播衰减得越快，因此随着震中距的增加，地面运动短周期所占比例越来越小，长周期所占比例越来越大。

场地条件主要指所考虑的工程结构所在地地表土层的软硬程度和土层的覆盖层厚度，

场地特征周期Tg=4d/v

v-场地土平均剪切波速d-剪切波速小于500m/s的场地土覆盖层厚度。

（参考抗震设计规范第四章）

当地震波的周期与场地特征周期一致时，会发生共振反应，使地震波产生的地面运动放大数倍甚至数十倍，而对于其它周期不会有那样的放大效应。

由于地震波的周期成分很多，而仅与场地特征周期接近的周期被放大，因此也是地面运动的主要周期，也称场地卓越周期。

四、地震作用

一般结构进行地震反应分析时可以进行简化为单质点体系和多质点体系。

尽管地震地面运动是三维运动，但若结构处于弹性状态，可将三维地面运动分解为三个一维地面运动之和。

通过平衡方程，可以得出地震最大绝对加速度反应与其自振周期的关系，称为地震加速度反应谱，简称地震反应谱，Sa（T）。

地震作用F=mSa（T）

地震反应谱与阻尼、地震动有关。

一般体系阻尼比越小，体系地震加速度反应越大，因此地震反应谱值越大。

场地条件、震中距均对地震反应谱有影响。

不同的地震记录，地震反应谱不同，当进行结构抗震设计时，由于无法确知今后发生地震的时程，因而无法确定相应的地震反应谱，可见，地震反应谱直接应用于结构的抗震设计有一定的困难，而需改为可供结构抗震设计用的反应谱，称之为设计反应谱。

F=Gkβ（T）

G-体系重量k-地震系数β（T）-动力系数

地震系数与基本地震加速度值相同。

（参考设计规范3.2章）

动力系数

βmax=2.25

地震影响系数

令α（T）=kβ（T）

称为地震影响系数谱曲线

目前，我国建筑抗震采用两阶段设计，第一阶段进行结构强度与弹性变形验算时采用多遇地震烈度，其k值相当于基本烈度所对应k值的1/3；第二阶段进行结构弹塑性变形验算采用罕遇地震烈度，其k值相当于基本烈度所对应k值的1.5~2倍。

可由公式可以算出水平地震影响系数最大值。

（参考抗震规范5.1章）

五、地震分析方法

1、振型分解反应谱法

通过公式F=Gkβ（T）

可以得出不同的质点不同振型的水平地震作用计算式。

进行振型组合。

一般来说，结构的低阶振型反应大于高阶振型反应，振型阶数越高，振型反应越小。

因此，结构的总地震反应以低阶振型反应为主，而高阶振型反应对结构总地震反应的贡献较小。

故求结构总地震反应时，不需要取结构全部振型反应进行组合，通过统计分析，振型反应的组合数可按如下规定确定：

1、一般情况下，可取结构前2~3阶振型进行组合，但不多于结构自由度数。

2、当结构基本周期大于1.5s或建筑高宽比大于5时，可适当增加振型反应组合数。

2、底部剪力法

采用振型分解反应谱法计算结构最大地震反应精度较高，但一般情况下无法采用手算，且计算量较大，理论分析表明，当建筑物高度不超过40m，结构以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布较均匀时，结构的地震反应将以第一振型反应为主，而结构的第一振型接近直线。

因此假定：

结构的地震反应可用第一振型反应表征，

结构的第一振型为线性到三角形，即任意质点的第一振型位移与其高度成正比。

则结构底部剪力的计算可简化为

F=Gα

然后将其分配到各个质点上。

当结构基本周期较长时，结构的高阶振型地震作用影响不可忽略，为此我国抗震规范采用在结构顶部附加集中水平地震作用的办法考虑高阶振型的影响，规范规定，当结构基本周期大于1.4Tg时，需在结构顶部附加集中水平地震作用。

对于建筑物有局部突出屋面的小建筑等时，由于该部分结构重量和刚度突然变小，将产生鞭梢效应，因此当采用底部剪力法计算这类小建筑的地震作用效应时，需乘以增大系数3。

3、时程分析法

选用一定的地震波，直接输入到所设计的结构，然后对结构的运动平衡微分方程机型数值积分，求得结构在整个地震时程范围内的地震反应。

分为振型分解法和逐步积分法。

时程分析法是完全动力方法，计算量大，而计算精度高，但时程分析法计算的是某一确定的地震的时程反应，不像底部剪力法和振型分解反应谱法考虑了不同地震时程记录的随机性。

4、结构弹塑性地震反应

在罕遇地震下，允许结构开裂和产生塑性变形，但不允许结构倒塌，为保证结构“大震不倒”，需进行结构弹塑性地震反应分析。

结构超过弹性变形极限，进入弹塑性变形状态后，结构的刚度发生变化，这时结构弹性状态下的动力特征（自振周期和振型）不再存在，因此基于结构弹性动力特征的振型分解反应谱法和底部剪力法不适用与结构弹塑性地震反应分析，需专门进行结构弹塑性计算。

滞回曲线-将结构或构件在反复荷载作用下的力与弹塑性变形间的关系曲线称为滞回曲线。

可通过反复加载试验得到。

5、竖向地震作用

震害调查表明，在烈度较高的震中区，竖向地震对结构的破坏也会有较大影响。

烟囱等高耸结构和高层建筑的上部在竖向地震的作用下，因上下振动，而会出现受拉破坏。

因此我国抗震规范规定：

8、9度时的大跨度和长悬臂结构及9度时的高层建筑，应计算竖向地震作用。

可采用类似于水平地震作用的底部剪力法，计算高层建筑的竖向地震作用。

即先确定结构底部总竖向地震作用，再计算作用在结构各质点上的竖向地震作用，公式为

F=Gα

G-结构等效重力荷载，取实际的75%

α-地震影响系数最大值，取水平地震影响系数最大值的65%

很多情况下，竖向地震对多高层建筑结构的影响比水平地震的影响要小得多，因此可近似忽略。

重力荷载代表值

G=D+Lψ

D-结构恒荷载标准值

L-活荷载标准值

ψ-活荷载组合值系数

六、抗震设计

1、三不准设防

工程抗震设防的基本目的是在一定经济条件下，最大限度的限制和减轻建筑物的地震破坏，保障人们生命财产安全，为了实现这一目的，许多国家的抗震设计规范都趋向以“小震不坏，中震可修，大震不倒”作为建筑抗震设计的基本准则。

第一水准：

当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用；

第二水准：

当遭受相当于本地区设防烈度的地震影响时，

建筑物可能损坏，但经一般修理即可恢复正常使用；

第三水准：

当遭受高于本地区设防烈度的地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏。

实质上，上述“小震、中震、大震”概念，指小震烈度、中震烈度、大震烈度。

我国对小震、中震、大震规定了具体的概率水准。

地震烈度的概率密度函数曲线

从概率意义上说，小震烈度就是发生机会较多的地震烈度。

分析年限50年峰值烈度超越概率为63.2%为小震烈度，又称多遇地震烈度。

基本烈度在50年内的超越概率一般为10%，大震烈度应是罕遇的地震烈度，在50年内超越概率为2%左右。

一般来说，基本烈度比多遇烈度高1.55度，比罕遇烈度低1度。

2、两阶段设计

第一阶段设计：

按多遇地震烈度对应的地震作用效应和其它荷载效应的组合验算结构构件的承载能力和结构的弹性变形。

第二阶段设计：

按罕遇地震烈度对应的地震作用效应验算结构的弹塑性变形。

第一阶段的设计，保证了第一水准的承载能力要求和变形要求，第二阶段的设计，则旨在保证结构满足第三水准的抗震设防要求，而明确的抗震构造措施要求，可基本保证第二水准要求的实现。

3、建筑物分类及设防标准

分为甲类、乙类、丙类、丁类，

甲类建筑地震作用应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定；抗震措施，当抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。

乙类建筑，地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施，一般情况下，当抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。

对较小的乙类建筑，当其结构改用抗震性能较好的结构类型时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震措施。

丙类建筑，地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度的要求。

丁类建筑，一般情况下，地震作用仍应符合本地区抗震设防烈度的要求；抗震措施应允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低，但抗震设防烈度为6度时不应降低。

抗震设防烈度为6度时，除本规范有具体规定外，对乙、丙、丁类建筑可不进行地震作用计算。

4、计算要求

底部剪力法、振型分解反应谱法和振型分解时程分析法，因建立在结构的动力特性基础上，只适用于结构弹性地震反应分析。

而逐步积分时程分析法，不仅适用于结构非弹性地震反应分析，也适用于作为非弹性特例的结构弹性地震反应分析。

采用什么方法进行抗震设计，可根据不同的结构和不同设计要求分别对待，在小地震作用下，结构的地震反应是弹性的，可按弹性分析方法计算；在大震作用下，结构的地震反应是非弹性的，则要按非弹性方法进行抗震计算。

对于规则、简单的结构，可采用简化方法进行抗震计算；对不规则、复杂的结构，则应采用较精确的方法进行计算。

为此我国抗震设计规范规定：

1）、高度不超过40m，以剪切变形为主且质量和刚度沿高度分布比较均匀的结构，以及近似于单质点的结构，可采用底部剪力法；

2）、除1）以外的结构，宜采用振型分解反应谱法；

3）、特别不规则结构、甲类建筑和采用时程分析法的房屋高度范围所列的高层建筑，应采用时程分析法进行多遇地震下的补充计算。

5、考虑扭转效应、偶然偏心与双向水平地震的影响

控制偶然偏心的主要目的是控制结构的扭转效应。

对于高层建筑，即便是均匀、对称的结构，也应考虑偶然偏心的影响；对于多层建筑，则可以不考虑偶然偏心的影响。

抗震规范5.1.1条规定：

质量和刚度分布明显不对称、不规则的结构，应计入双向地震作用下的扭转影响。

七、抗震概念设计

完整的建筑结构抗震设计包括三个方面的内容和要求：

概念设计、抗震计算和构造措施。

概念设计在总体上把握抗震设计的主要原则，弥补由于地震作用及结构地震反应的复杂性而造成抗震计算不准确的不足；抗震计算为抗震设计提供定量保证；构造措施则为保证抗震概念与抗震计算的有效提供保障，上述三个方面是一个不可分割的整体，忽略任何一部分，都可能使抗震设计失效。

所谓概念设计一般指不经数值计算，尤其在一些难以做出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，依据整体结构总体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、震害经验总结、工程模拟试验和长期工程设计经验中获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度确定建筑结构的总体布置和抗震细部措施的宏观控制过程。

主要内容；

1、在建筑体系上，应重视结构的选型和平、立面布置的规则性，择优选择抗震和抗风性能好且经济合理的结构体系，结构应具有明确的计算简图和合理的传递地震力途径，结构在两个主轴方向的动力特征宜相近。

抗震规范3.4.1条以强制性条文的形式规定“建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。

”

2、在结构布局上，要使整体结构布置合理，有均匀的质量、刚度和承载力分布，避免采用严重不规则的方案，避免传力途径间断、局部削弱，刚度突变或产生过大应力集中的部位，对可能出现的薄弱部位采取有效的抗震措施，使之既有足够的变形能力又不使薄弱层发生转移。

3、在结构构件上，要使构件既有必要的抗震承载力和刚度，又有很好的承受非弹性变形的能力，设置多道抗震防线。

建筑结构的概念设计是结构工程设计的灵魂，对结构抗震设计而言，概念设计比计算设计更重要。

通过执行各项规范和规程中的有关规定，保证抗震概念设计的完成，使建筑物具有可靠的抗震性能，在做好概念设计的基础上，进行结构定量计算分析及采取可靠的抗震构造措施，是建筑结构设计应遵守的原则。

八、软件调整

振型个数

振型个数是软件在做抗震计算时考虑振型的数量，振型数的多少与结构层数及结构自由度有关，该值不能太小，取值太小不能正确反映模型应当考虑的地震振型数量，使计算结果失真；该值也不能过大，取值太大不仅浪费时间，还可能使计算结果发生畸变，最大值不能超过结构有质量贡献的自由度总数。

刚性假定的结构，每层有三个自由度，振型数不应超过结构楼层数的三倍，对才应弹性楼板假定，或错层、越层、楼板开大洞的结构，由于存在大量的自由节点，而每个节点有两个有质量贡献的自由度，振型数量应加倍选取。

振型数是否取值合理，可以看计算书中X、Y方向有效质量系数都大于0.9为止。

最大地震力作用方向是指地震沿着不同的方向作用，结构地震反应的大小也各不相同，那么必然存在某个角度使得结构地震反应值最大，这个方向称为结构的最不利地震作用方向，程序自动计算方向角并在计算书中输出，如果大于15度，应输入该值重新计算，以体现最不利地震作用方向的影响。

结构基本周期是计算风荷载的重要指标，可事先保留缺省值，待计算后从计算书中读取，填入参数中重新计算。

第一周期

动力学认为结构的第一周期应该是出现该振形时所需要的能量最小，第二周期所需要的能量次之，依次往后推。

按照动力学理论，结构第一周期只与结构本身的质量、刚度和边界条件有关，与外界力没有关系，地震只是提供一个激振力，基底剪力是反映这个激振效果的一个指标，这个除了以上的条件外，同时就跟地震参数有关，比如加速度的值。

而结构最容易出现振动的振型就应该是第一振型，这个振型所需要的能量最小，最容易发生。

这个就很容易理解为什么扭转振型不能太靠前，起码不能出现再第一振型。

主振型的意义在于：

它可能不是最容易被激励起的振型，但是它一旦被激励起了，那么它就是结构振动的主要成分，所以我们在抗震的时候我特别给与关注，尽量避免它与扭转振型靠近。

主振型：

对于某个特定的地震作用引起的结构反应而言，一般每个参与振型都有着一定的贡献，贡献最大的振型就是主振型，贡献指标的确定一般有两个，一是基底剪力的贡献大小，二是应变能的贡献大小。

一般而言，基底剪力的贡献大小比较直观，容易被我们接受

一般工程仅进行小震下的弹性抗震设计，而用概念设计和构造措施保证“中震可修，大震不倒”，但没有验算和证实，能否真正做到“中震可修，大震不倒”，对抗震设防烈度较高的重要建筑和超限建筑，审查专家往往提出更具体的设计指标，中震（大震）不屈服设计、中震（大震）弹性设计。