抗震设计基础知识

1 第一章 地震及结构抗震的基本知识

知识点解析：

1.地球构造：

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。

地球内部可分为3大部分：地壳、地幔和地核。

（1）地壳

地震多发区域：绝大部分发生在地壳内。

（2）地幔

地幔物质根据推算形态应为粘弹性体(可传播横波)。

（3）地核

2．地震的发生过程：

（1）地震：是地球内某处因地球构造运动、岩层突然破裂(构造地震)、成因局部岩层塌陷(塌陷地震)、火山爆发(火山地震)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。

①震源：发生地震的地方。

②震中：震源在地表的投影。

③震源深度：震源至地面的垂直距离。分为：

(a)浅源地震(<=60km.)(世界上绝大部分地震).

(b)中源地震(60-300km).

(c)深源地震(>300km).

④震源深度影响：浅震波及范围小、破坏程度大；深震波及范围大而破坏程度小。

3．地震的成因与类型：

（1）地震成因：地壳的变形

（2）地震类型：

①构造地震：全球地震发生总数约90%为构造地震。

②火山地震

③塌陷地震

此外，水库也能诱发地震、核爆炸可能在场地激发地震。

4．地震波及其传播

（1）地震波定义：地震引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播。

（2）分类：

①体波：通过地球本体传递的波。

（i）纵波：可在固体、液体传播，为压缩波。

（ii）横波：只能在固体中传播，为剪切波。

②面波：为次生波。分为：(a)乐甫波、(b)瑞雷波。

5．地震波的主要特性：地震加速度、速度和位移波形

地震加速度波形及三大要素：峰值、频谱、持续时间。

6．地震震级：是表征地震强弱的指标，是地震释放能量多少的尺度，一次地震仅一个震级。

分为：(1)近震震级ML；(2)面波震级MS；(3)体波震级MB。

基于震级的地震分类：微震、有感地震、破坏地震、强烈地震。

7．地震烈度：地震对地面影响的强烈程度。

8．中国地震活动的主要特点：

（1）分布范围广：面积79%以上为6度抗震设防。

（2）震源浅、强度大：绝大部分深度20-30km。

（3）强震的重演周期长：

（4）位于地震区的大中城市多，建筑物抭震能力低。

8．中国的地震灾害：

（1）地表破坏：地震缝、喷砂冒水、滑坡塌方。 2 （2）建筑物的破坏

（3）次生震害：一次灾害、次生灾害。

9．抗震设防目标的确定

(1)依据现有的科学水平和经济条件

(2)合理的设防目标具有重要意义，既能有效减轻地震破坏，又能合理使用资金。

10．中国抗震设防标准

（1）原则：在建筑物使用寿命期间，对不同频度和强度的地震，要求建筑物具有不同水平的抵抗能力。

（2）地震危险性分析——地震频度和强度。

①基本烈度（中震）：相当于50年超越概率为10%的烈度，重现周期为475年。

②众值烈度（小震）：50年超越概率为63.2%，重现周期为50年，众值烈度比基本烈度低1.55度。

③罕遇烈度(大震)：超越概率为3%重现周期为1461-2475年，罕遇烈度比基本烈度高1度。

11．中国抗震设计规范(2001)设防目标：

三水准的设防要求：小震不坏、中震可修、大震不倒。

12．抗震设防目标的实现

（1）中国抗震设防的目标，是根据不同的水准用不同的抗震设计方法和要求实现的，称为三水准、二阶段抗震设计方法。

第一水准：建筑物在遭受颇度较高、强度较低的各种地震时，按小震作用效应和其它荷载效应的基本组合、验算结构构件的承载能力、及在小震作用下验算结构弹性变形。

第二水准：对各类结构按规定要求采取抗震措施。

第三水准：对一些规范规定的结构进行大震作用下的弹塑性变形验算。

（2）二阶段抗震设计方法：

①强度验算：以小震验算承戴能力，小震验算结构弹性变形。(第一水准设防)

②构造措施：通过构造措施保证结构必要的变形能力。(第二水准设防)

③变形验算：变形验算、对特别重要的结构和易倒塌结构按大震验算层间位移。(第三水准设防)

第二章 场地、地基和基础

知识点解析与小结：

1.掌握建筑地段的选择和场地类别的分类。

2.了解天然地基与基础的抗震验算。

3.掌握液化地基的现象、影响因素、液化地基的判别与处理。

4.了解地基基础抗震加固的方法，掌握地基加固处理方法的选择原则。

1．地段类别的划分：有利地段、不利地段、危险地段。

在建筑物选址时，应选择对抗震有利的地段，避开不利地段，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建筑物。

2．发展断裂带的震害和避让

3．局部孤突地形的震害影响

4．场地土的分类：

（1）建筑场地对建筑物震害的影响

软弱地基上，柔性结构易破坏，刚性结构相应表现较好。

坚硬地基上，柔性结构表现较好，刚性结构表现不一。

深厚覆盖土层上建筑物的震害较重，而浅层土上建筑物的震害则相对要轻些。

（2）场地土类的划分

影响因素：覆盖土层厚度、表层土的剪切波速

（3）抗震规范场地类别划分：抗震规范按照表层土的剪切波速和场地覆盖层厚度两个因素，将建筑物场地分为I-IV四种类别。

5．地基的抗震验算：

（1）天然地基破坏极少。 3 （2）可不进行抗震验算的天然地基。

（3）天然地基的抗震验算。

6．地基土的液化现象：在地震作用下，饱和砂土或粉土颗粒间急剧上升的孔隙水压力来不及消散，使有效压力降低，当有效压力完全消失时，土体抗剪强度为0，形成有如"液体"的现象，即称为"液化"。

7．液化危害：

（1）地面：喷水、冒砂、地陷等。

（2）建筑物：下沉、倾斜

8．决定地基液化的主要因素有：

(1)土层的地质年代。

(2)土的组成和密实饱度。

(3)液化土层的埋深。

(4)地下水位深度。

(5)地震烈度和持续时间。

9．液化的初步判别：初步判别为不液化或可不考虑液化影响的条件。

试验判别：标准贯入试验的判别公式为：

液化指数的大小，从定量上反映了土层液化的可能性大小和液化危害的轻重程度。

10．地基抗液化措施

根据建筑物的重要性和地基的液化等级，并结合当地的施工条件、习惯采用的施工方法和施工工艺等具体情况予以确定。

11．地基加固处理处理方法

首先考虑采用天然地基方案，其次考虑采取加强上部结构的建筑和结构措施，当仍然不能满足抗震要求时，再考虑采用人工地基加固处理方案。（1）换土垫层法（2）重锤夯实法（3）强夯法（4）振动水冲法（5）深层挤密法（6）砂井预压法

第三章 单自由度体系结构的地震反应

知识点解析与小结

1．地震反应：地面运动作用于房屋,在房屋结构中产生的内力、变形、位移速度和加速度。

影响地震反应的因素：房屋结构的动力特性、地面运动特性(幅值、频谱特性、持续时间)等。

2．单自由度体系结构的动力计算简图：房屋结构的简化：一般将一单层房屋集中为一个质的，将竖向构件质量集中至上下两端，忽略质量的扭转效应，按单自由度考虑。

3．力学模型及运动方程：

（1）荷载作用下的运动方程：

（2）地面运动作用下运动方程：

4．运动方程的解：

（1）单自由度体系的无阻尼自由振动：

4 加速度

惯性力

（2）单自由度体系的有阻尼自由振动：

-----------有阻尼的自振频率

5．单自由度体系地震反应的数值计算

6．求解地震作用下结构内力的方法：

（1）比较精确的方法：建立结构体系的动力学模型，根据在地震作用下的位移反应，利用刚度方程，直到求觧内力。适用情况：理论分析。

（2）近似方法：根据地震作用下结构的加速度反应，求出该结构体系的惯性力，将此惯性力视作为一种反映地震影响的等效力，即地震作用，再进行结构静力计算，求出各构件内力。适用于结构设计。

7．地震影响系数：

地震影响系数不包含地面运动强烈程度和结构反应大小

地震系数:

反应地面运动强烈程度，一般情况下，地震烈度越高，地面运动加速度愈大，所以、地震系数与地震烈度之间有一定的对应关系。P49、表3.1

动力系数(放大倍数)

单质点体系最大绝对加速度与地面运动最大加速度的比值。

8．水平地震作用的计算：

, 关键要确定 ,影响因素,设防烈度，场区的地震动特性和场地条件。

9．地震反应谱：

反应谱曲线的特点：

（1）多峰值（2）阻尼影响大（3）随周期变化规律显著。

地面运动无规律，包含了不同频率的分量，不同结构放大频率不同。

10．标准地震加速度反应谱曲线：

标准反应谱曲线的应用：已知结构的周期即可由标准反应谱曲线直接查出加速度反应。

11． "抗震规范"设计反应谱：

场地条件决定：场地类型和地震分组(分为第一组、第二组、第三组)。

阻尼的影响：一般钢筋砼的阻尼比取0.05，但建筑结构的阻尼比也会有较多的变化，如阻尼器的采用，钢结构房屋等阻尼比均不相同。

第四章 多自由度体系结构的地震反应

知识点解析与小结： 5 1．多自由度体系的常用分析模型：层间模型：每个楼面、屋面可作用一个质点，墙柱质量则分别向上下质点集中。

2．两自由度体系结构无阻尼运动方程：

3．多自由度体系结构无阻尼运动方程：

考虑阻尼时：

采用端雷阻尼假定：

4．多自由度体系的自振频率：

(4.11)P62

----第一自振圆频率(较小)

-----第二自振圆频率(较大)

-----较大的为第一自振周期

-----较小的为第二自振周期

----较小的为第一自振频率

----较大的为第二自振频率

5．多自由度体系的振型

振型的概念：对应某一自振频率各质点位移向的关系：

（1）对应某一自振频率各质点位移的比值：

特点：位移幅值的比值为常数。

（2）对应某一自振频率、各质点任意时刻位移的关系：

特点：位移比值仍为常数。

（3）体系运动的组成：包含所有的频率和振型。

6．振型的正交性：任意两个不同频率的主振型之间有在互相正交的性质。

振型关于质量矩阵正交性

(4.17)

振型于刚度矩阵正交性

(4.18)

进一步可得: