1、建筑结构抗震设计课程名称：建筑结构抗震设计教材名称：建筑结构抗震设计出版社：重庆大学出版社主讲教师：杨波第1章地震与抗震设计的基本知识1.1地震成因与地震类型1.2地震波及传播1.3地震震级与地震烈度1.4中国地震的特点与地震灾害1.5结构的抗震设防1.1 地震成因与地震类型l全世界每年发生的地震约达五百万次。l人们能感觉到的地震叫有感地震，占地震总数的1左右。l造成灾害的强烈地震平均每年发生十几次。l地震还可能应起火灾、水灾、山崩、滑坡以及海啸。7.28唐山地震l1976年7月28日3时42分53.8秒，中国河北省唐山丰南一带（东经118.2，北纬39.6）发生了强度里氏7.8级（矩震级7.
2、5级）地震，震中烈度11度，震源深度12千米，地震持续约23秒。地震造成242769人死亡，16.4万人重伤，位列20世纪世界地震史死亡人数第二，仅次于海原地震。l【海原地震1920年12月16日20时06分，甘肃省固原县和海原县发生里氏8.5级特大地震，地震释放的能量相当于11.2个唐山大地震。强烈的震动持续了十余分钟，当时世界上有96个地震台都记录到了这场地震，称为“环球大震”余震维持三年时间。】下图：大地震后，唐山化为一片废墟（1976-7-28，新华社记者刘东鳌摄）；上图：2016年7月9日拍摄的唐山市城区。1.1.1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
3、半径约6378km，两极半径约6357km。从物质成分和构造特征来划分，地球可分为三大部分：地壳、地幔和地核(图1.1)。地壳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。1.1.1地球构造 2.2.地幔地幔地壳以下到深度约2895km的古登堡界古登堡界面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
4、，其中上地幔物质结构不均匀，中、下地幔部分是比较均匀的。由于地幔能传播横波(剪切波)，所以根据推算，地幔应为固体地幔应为固体。1.1.1地球构造 3.3.地核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地核的物质成分主要为镍和铁铁。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，而外核处于液态，而内核可能是固态内核可能是固态。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。1.1.1地球构造 地震地球内某处因地球构造运动岩层突然破裂，或因局部岩层塌陷、火山爆发、其他原因等发生了振动，并以波的形
5、式传到地表引起地面的颠簸和摇晃，从而引起的地面运动。1.1.2 地震成因及类型512汶川地震汶川地震严重破坏地区超过10万平方千米，其中，极重灾区共10个县（市），较重灾区共41个县（市），一般灾区共186个县（市）。截至2008年9月18日12时，512汶川地震共造成69227人死亡，374643人受伤，17923人失踪，是中华人民共和国中华人民共和国成立以来破坏力最大的地震成立以来破坏力最大的地震，也是唐山大地震后伤亡最严重的一次地震。经国务院批准，自2009年起，每年5月12日为全国“防灾减灾日防灾减灾日”。1.1.2 地震成因及类型震源：地球内部断层错动并引起周围介质振动的部位。震中：
6、震源正上方的地面位置。震源深度:从震中到震源的距离。震中距：地面某处至震中的水平距离。l震中距在100公里-1000公里的称为近震。l震中距超过1000公里的称为远震。震源震源深度震 中等震线震中距l 震源深度在60公里以内的地震为浅源地震。l 震源深度超过300公里的地震叫深源地震。l 震源深度介于60-300公里之间的地震为中源地震。1.1.2 地震成因及类型构造地震原因：地壳构造运动 影响：发生数量大、影响范围广 (占地震总数约90)火山地震原因：火山爆发 工程地震的主要工程地震的主要研究对象研究对象诱发地震原因：人工爆破；矿山开采；工程活动 影响：一般不太强烈，个别情况会造成严 重的地
7、震灾害天然地震花莲外海是欧花莲外海是欧亚大陆板块与亚大陆板块与菲律宾板块的菲律宾板块的交界处交界处，由于地壳活动多，原本就不稳定不稳定，两个板块碰撞就会产生地震。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1.1.2 地震成因及类型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
8、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 1.1.2 地震成因及类型1.2地震波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：体波：在地球内部传播的波 面波：沿地球表面传播的波 纵波(压缩波)横波(剪切波)注：横波周期较长，振幅较大。乐夫波瑞雷波注：面波周期长，振幅大；比体波衰减慢，能传到很远的地方。1.2地震波1.2.1 1.2.1 体波体波体波是指通过地球本体内传播的波，它包含纵波与横波两种。纵波(P)是由震源向外传递的压缩波，质点的振动方向与波的前进方向一致，如图1.3(a)所示周
9、期短、振幅小，在固体、液体里都能传播。横波(S)是由震源向外传递的剪切波，质点的振动方向与波的前进方向垂直，如图1.3(b)所示周期长、振幅较大，只能在固体介质中传播。纵波的传播速度纵波的传播速度 与横波的传播速度与横波的传播速度PVSV)21)(1()1(EVPGEVS)1(2(1.1)(1.2)21)1(2SPVV(1.3)上式大于上式大于1，因此，因此纵波比横波先到达纵波比横波先到达。式中：式中：E为介质的弹性模量；为介质的弹性模量；G为介质的剪切模量；为介质的剪切模量；为介质的泊松比；为介质的泊松比；为介质的密度。为介质的密度。在弹性介质中，两者关系在弹性介质中，两者关系1.2.1 1
10、.2.1 体波体波面波是在地表面传播的波，又称为L波。它是由体波经地层界面多次反射、折射形成的次生波。主要有：瑞雷波传播时，介质质点在波的行进方向与地表法向组成的平面内作椭圆运动，像波浪效应。乐浦波传播时，介质质点在与波的行进方向垂直的水平方向作剪切型运动，在地面上表现为蛇形运动。图1.3 面波质点振动形式1.2.2 面波地震波示意图1.2 地震波地震记录上，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。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。图1.4 地震曲线图地震动由地震波传播所引
11、发的地面振动。其中，在震中区附近的地震动称为近场地震动。地震动的三要素：地震动的峰值（最大振幅）频谱 持续时间1.2.3 地震动【GB 18306-2015中国地震动参数区划图解读】中国地震动参数区划图解读】五、湖北省的区划情况如何？第五代区划图以基本地震峰值加速度为指标，将湖北划分为湖北划分为3个区域个区域：一是基本地震动峰值加速度0.15g区，占全省土地面积0.6%，主要分布在鄂西北和鄂东北，涉及的行政区域有竹山、竹溪、英山等3县的部分乡镇。二是基本地震动峰值加速度地震动峰值加速度0.10g区，占全省土地面积8.3%，主要涉及的行政区域有武汉市新洲区、十堰市郧阳区、郧西县、竹溪县、竹山县、
12、房县、丹江口市、襄阳市老河口市、荆州市公安县、黄冈市黄州区黄冈市黄州区、团风县、红安县、罗田县、英山县、浠水县、麻城市、恩施州咸丰县等县区的部分区域。三是基本地震动峰值加速度0.05g区，占全省土地面积91.1%，除前述0.10g、0.15g区域之外的地区，均为0.05g区域。其中黄石、随州、孝感等地的部分地区，由四代区划图中0.05g提高到0.05g。新区划图的适用范围新区划图的适用范围1.适用于新建、改建、扩建一般建设工适用于新建、改建、扩建一般建设工 程抗震设防。程抗震设防。2.编制社会经济发展和国土利用规划。编制社会经济发展和国土利用规划。3.编制防震减灾规划。编制防震减灾规划。4.已
13、建一般建设工程的抗震鉴定和加固。已建一般建设工程的抗震鉴定和加固。1.3.1 地震强度的衡量AMlg1.地震的能量：震级地震震级地震震级是度量地震本身强度大小的指标，它是地震的基本参数之一，用符号M表示。里氏震级震级的大小是在距震中100km处标准地震仪（指摆的自振周期为0.8s，阻尼系数为0.8，放大系数为2800倍的地震仪）记录下来的地震S波最大水平振幅A（以m计）的常用对数值：对于浅源地震，常用如下经验公式来表示震级M与地震能量E（单位为erg，1erg=10-7J）之间的关系：(1.4)8.115.1lgME(1.5)1.3 地震震级与烈度1.3.1 地震强度的衡量1.3 地震震级与烈
14、度基于震级的地震分类：小于2级的地震叫作微震，人们感觉不到，只有仪器才能记录下来；24级地震叫有感地震人能感觉到；5级以上地震就要引起不同程度的破环，统称为破坏性地震；7级以上地震则称为强烈地震或大震，8级以上就称为特大地震。1.地震的能量：震级2.地震的影响：烈度等级 地震烈度：是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。对于一次地震，表示地震大小的震级只有一个，而同一次地震中，不同地方的烈度是不同的。等烈度线：对应于一次地震，在受到影响的区域内具有相同烈度 的各个地点的外包线。震中区的烈度称为震中烈度。对于中浅源地震，震中烈度与震级的大致对照关系如表1.2表1.2
15、震级与震中烈度的关系1.3.1 地震强度的衡量1.3 地震震级与烈度地震烈度把地震的强烈程度，从无感到建筑物毁灭及山河改观等划分为若干等级，列成表格，以统一的尺度衡量地震的强烈程度。我国现行中国地震烈度表(GB/T17742)采用 12 等级的地震烈度划分，见表1.3。表1.3 中国地震烈度表2.地震的影响：烈度等级2.地震的影响：烈度等级我国现行中国地震烈度表(GB/T17742)采用 12 等级的地震烈度划分，见表1.3。2.地震的影响：烈度等级我国现行中国地震烈度表(GB/T17742)采用 12 等级的地震烈度划分，见表1.3。注：数量词的含义为：个别指10%以下；少数指10%-15%
16、；多数指50%-70%；大多数指70%-90%；普遍指90%以上。表中房屋包括以下3种类型：A类木架构和土、石、砖墙建造的旧式房屋；B类未经抗震设防的单层或多层砖砌体房屋；C类按照度抗震设防的单层或多层砖砌体房屋。2.地震的影响：烈度等级我国现行中国地震烈度表(GB/T17742)采用 12 等级的地震烈度划分，见表1.3。使用说明如下：用该标准评定地震烈度时，度度应以地面上以及底层房屋中的人的感觉和其他震害现象为主；度度应以房屋震害为主，参照其他震害现象，当用房屋震害程度与平均震害指数评定结果不同时，应以震害程度评定结果为主，并综合考虑不同类型房屋的平均震害指数；度和度应综合房屋震害和地表震
17、害现象。当采用高楼上人的感觉和器物反应评定地震烈度时，适当降低评定值。当采用低于或高于度抗震设计房屋的震害程度和平均震害指数评定地震烈度时，适当降低或提高评定值。当采用建筑质量特别差或特别好房屋的震害程度和平均震害指数评定地震烈度时，适当降低或提高评定值。农村可按自然村，城镇可按街区为单位进行地震烈度评定，面积以1km2左右为宜。当有自由场地强震动记录时，水平向地震动峰值加速度和峰值速度可作为综合评定地震烈度的参考指标。2.地震的影响：烈度等级我国现行中国地震烈度表(GB/T17742)采用 12 等级的地震烈度划分，见表1.3。1.4 地震活动性及地震灾害1.4.1 世界地震活动性在地球上震
18、中的分布是沿一定深度和规律地集中在某些特定的大地构造部位，总体呈带状分布。通常可以划分出4条全球规模的地震活动带，其中环太平洋地震带和欧亚地震带是世界上2条主要的地震活动带。图1.6 世界地震震中分布示意图1.4.2 我国地震活动性中国是世界上多地震国家之一。地处世界上两个最活跃的地震带中间，东濒环太平洋地震带，西部和西南部是欧亚地震带所经过的地区。图1.7 中国地震灾害分布示意图南北带东西带1.中国地震带（1）南北地震带北起贺兰山，向南经六盘山，穿越秦岭沿川西至云南省东北，纵贯南北。（2）东西地震带主要的东西地震带有2条，北面的一条沿陕西、山西、河北北部向东延伸，直至辽宁北部的千山一带；南面
19、的一条自帕米尔起，经昆仑山、秦岭，直到大别山区。据此，我国大致可以划分成6个地震活动区：台湾及其附近海域；喜马拉雅山脉活动区；南北地震带；天山地震活动区；华北地震活动区；东南沿海地震活动区。1.4.2 我国地震活动性2.地震灾害：地表破坏、建筑物破坏、各种次生灾害。（1）地表破坏 地裂缝强烈的地震发生时，地面断层将达到地表，从而改变地形和地貌。按其成因可以分为以下2种类型：构造性地裂缝：由于地下断层错动延伸到地表而形成的裂缝；重力性地裂缝：由于在强烈地震作用下引起的地面激烈震动的惯性力超过了土的抗剪强度所致。喷水冒砂当地下水位较高、砂层埋深较浅的平原地区，特别是河流两岸最低平的地方，地震时地震
20、波产生的强烈振动使得地下水压急剧增加，地下水经过地裂缝或其他通道冒出地面。当地表土层为砂土层或粉土层时，会造成砂土液化甚至喷水冒砂现象。1.4.2 我国地震活动性2.地震灾害：地表破坏、建筑物破坏、各种次生灾害。地表下沉在强烈地震作用下，在地下存在溶洞的地区或者由于人们的生产活动产生的空洞如矿井或者地铁等，强烈地震发生时，地面土体将会产生下沉，造成大面积陷落。此外，在松软而压缩性高的土层中，地震使土颗粒间的摩擦力大大降低，土层变密实，造成地面下沉。滑坡常发生在陡峻的山区，在强烈地震的摇动下，由于陡崖失稳常引起塌方、山体滑移、山石滚落等现象。山石崩裂1.4.2 我国地震活动性2.地震灾害：地表破
21、坏、建筑物破坏、各种次生灾害。（2）建筑物的破坏建筑物的破坏可以因前述地表破坏引起，在性质上属于静力破坏；更常见的建筑物破坏是由于地震地面运动的动力作用引起，在性质上属于动力破坏。建筑物的破坏情况与结构类型和抗震措施等有关，根据破坏形态和原因可分为3类：结构丧失整体性造成破坏；承重结构承载力或变形能力不足引起破坏；地基失效引起的破坏。（3）次生灾害次生灾害是指由一次灾害诱发的，如地震后引起的火灾、水灾、海啸、逸毒、瘟疫等灾害。1.4.2 我国地震活动性1.4.2 我国地震活动性1.5 建筑抗震设计的基本要求1.5.1 相关术语1.地震基本烈度：指该地区在一定时期（我国是50年）内，在一般场地条
22、件下可能遭遇超越概率为10%的地震烈度值。它是一个地区进行抗震设防的依据。2.抗震设防分类：根据建筑遭遇地震破坏后，可能造成人员伤亡、直接和间接经济损失、社会影响的程度及其在抗震救灾中的作用等因素，对各类建筑所做的设防类别划分。3.抗震设防烈度：按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。一般情况下，取50年内超越概率10%的地震烈度，即基本烈度。4.抗震设防标准：衡量抗震设防要求高低的尺度，由抗震设防烈度或设计地震动参数及建筑抗震设防类别确定。1.5.2 建筑抗震设防分类和设防标准抗震设防是指对建筑工程进行抗震设计计算和采取抗震构造措施，以达到抗震的效果。1.建筑抗震设防分类根据
23、建筑的使用功能及其重要性，按其受地震破坏时产生的后果及其严重性，抗震设防的建筑工程分为：以下4个抗震设防类别：特殊设防；重点设防；标准设防；适度设防。1.5 建筑抗震设计的基本要求2.建筑抗震设防标准表1.4 各抗震设防类别建筑的抗震设防标准1.5.2 建筑抗震设防分类和设防标准1.5 建筑抗震设计的基本要求我国抗震规范提出的“三水准”抗震设防目标是：第一水准：当遭受低于本地区抗震设防烈度的多遇地震影响时，主体结构不受损坏或不需修理可继续使用；第二水准：当遭受相当于本地区抗震设防烈度的设防地震影响时，可能发生损坏，但经一般性修理仍可继续使用；第三水准：当遭受高于本地区抗震设防烈度的罕遇地震影响
24、时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏。即：“小震不坏，中震可修，大震不倒”。1.5.3 建筑抗震设防的目标1.5 建筑抗震设计的基本要求图1.9 三水准烈度的含义及其关系其中：众值烈度：是曲线峰值对应的烈度。从概率意义上说，众值烈度发生机会较多，它在50年内的超越概率为63.2%，可以将这一烈度定义为小震烈度，或称为多遇烈度。基本烈度：其50年内的超越概率一般为10%，是中震对应的烈度。罕遇烈度：其50年内超越概率为2%左右，可作为大震烈度，所发生的地震也可称为罕遇地震（大震）。1.5.3 建筑抗震设防的目标1.5 建筑抗震设计的基本要求我国地震烈度的概率分布基本上符合极值型分布，其概率密度函
25、数曲线的基本形状如图1.9所示。为满足上述“三水准”抗震设防目标，我国建筑抗震设计规范采用了简化的两阶段设计方法来实现。1.强度验算(第一水准设防)。以小震验算承载力；小震验算结构弹性变形。2.变形验算(第三水准设防)。对特别重要的结构和易倒塌结构按大震验算层间位移。通过构造措施保证结构必要的变形能力,中震可修得到保证（第二水准设防）。1.5.4 建筑抗震设计方法1.5 建筑抗震设计的基本要求抗震设防烈度为6度及以上地区的建筑，必须进行抗震设计。建筑抗震设计包括3个环节，即：概念设计、抗震计算、构造措施。上述抗震设计3个环节的内容是一个不可割裂的整体，忽略任何一部分，都可能造成抗震设计的失败。
26、1.5.5 建筑抗震设计的总体要求1.5 建筑抗震设计的基本要求一、名词解释。1.震级 2.地震烈度 3.抗震设防烈度 4.构造地震 5.基本烈度思考题二、判断题。1横波只能在固态物质中传播。2震源到震中的垂直距离称为震源距。3抗震结构在设计时，应保证有一定的强度、足够的刚度和良好的延性。四、简答题。简述两阶段三水准抗震设计方法。三、填空题。1.地震波包括在地球内部传播的体波和只限于在地球表面传播的面波，其中体波包括 波和 波，而面波分为 波和 波。其中波速最快的波为 。2.构造地震为由于地壳构造运动造成地下岩层 或 引起的 。3.抗震规范将50年内超越概率为 的烈度值称为基本地震烈度，超越概率为63.2%的烈度值称为 。4.丙类建筑房屋应根据 ，和房屋高度采用不同的抗震等级。5.震源在地表的投影位置称为 ，震源到地面的垂直距离称为 。6.表征地震动特性的要素分别为 、和 。
