第九章-建筑物震害的工程控制

第十章

建筑物震害的工程控制

第一節(jié)建筑抗震設計概述

第二節(jié)中、日、美三國建筑結構抗震設計規(guī)范簡介（見P231－P246）

第三節(jié)抗震概念設計第四節(jié)隔震與減震

9/17/20231第一節(jié)建筑抗震設計概述一、抗震設計的目的與目標

二、抗震設計準則三、抗震設計標準四、抗震設計方法9/17/20232一、抗震設計的目的與目標抗震設計的目的：減輕結構的地震破壞，避免人員傷亡，減少經濟損失，同時使地震時不可缺少的緊急活動得以維持和進行?？拐鹪O計的目標：滿足經濟與安全之間的合理平衡：E＝收益－投資－可能的損失＝最大收益：工程建成后的直接與間接收獲；投資：興建工程的資金及維護資金；損失：人身傷亡，物質財產的直接損失，及間接損失，以及政治、社會、經濟影響等。假若不考慮非結構損失，則上式可近似改寫為：C＝工程造價＋修復費＝最小式中，C為結構抗震總費用。

9/17/20233一、抗震設計的目的與目標（續(xù)一）由于震害與修復費是隨機變量，因此總費用也是一個隨機變量，故式(9-2)需采用概率方法計算。一般取數學期望，即

E[C]=工程造價＋E[修復費]

9/17/20234二、抗震設計準則抗震設計基本準則：“小震不壞，中震可修，大震不倒”。設計結構，必須滿足三個主要準則：（1）結構在設計基準期內，在發(fā)生超越概率63.2%的地震動時(常遇地震)，應無任何損失。（2）結構在設計基準期內，在發(fā)生超越概率10%的地震動時(少遇地震)，允許非結構構件受到破壞，但必須保證主要構件不受明顯損壞，使得結構稍加修復后仍能繼續(xù)工作。（3）結構在設計基準期內，在發(fā)生超越概率2~3%的地震動時(罕遇地震)，應不倒塌。9/17/20235二、抗震設計準則(續(xù)二)為滿足結構抗震的三個準則，抗震設計應分別進行三個水準的抗震驗算:第一水準:進行小震下結構允許彈性變形驗算；第二水準:進行中震下結構承載能力驗算；第三水準:進行大震下結構彈塑性極限變形驗算。

9/17/20236二、抗震設計準則(續(xù)三)與某一烈度超越概率相對應的重現期RT可按下式計算：

式中PT為時間T內該地震烈度的超越概率。一般結構的設計基準期為50年，小震是平均50年一遇的地震；中震是平均475年一遇的地震；大震是平均1624－2475年一遇的地震。

9/17/20237三、抗震設計標準根據結構的重要性，可將結構分為三大類：

重要結構：結構如遭受破壞，會造成重大經濟損失或嚴重的社會后果；次要結構：如結構破壞，不易造成人員傷亡和較大的經濟損失；一般結構：除了上述的大量普通結構。一般結構的設計基準期通常為50年；重要結構的設計基準期通常大于50年；次要結構的設計基準期通常小于50年9/17/20238四、抗震設計方法結構抗震設計計算方法可以分為以下幾種：1、靜力法：把地震作用當作等效的靜力荷載進行抗震計算；2、反應譜法：利用振型分解原理和反應普理論進行結構最大地震反應分析；3、動力分析法：選定輸入地震波，對結構的運動平衡微分方程進行數值積分，求得結構在整個地震時程作用下的地震反應9/17/20239第二節(jié)中、日、美三國建筑結構抗震設計規(guī)范簡介（見P231－P246）

9/17/202310第三節(jié)抗震概念設計什麼是概念設計？在著手進行結構抗震設計時，著眼于結構的總體地震反應，靈活運用抗震設計準則，既注意總體布置上的大原則，又考慮關鍵部分的細節(jié)，從而全面、合理地解決結構抗震設計中的基本問題。9/17/202311第三節(jié)抗震概念設計（續(xù)一）一、結構形式的選擇1、

結構體型指結構的外型。實際震害表明，結構體型對結構抗震有顯著的影響。體型簡單，對抗震有利；體型復雜，對抗震不利。2、結構規(guī)則性指結構剛度，質量的均衡性與對稱性。結構體型復雜，必定不規(guī)則。但結構體型簡單，并不等同于結構規(guī)則。結構規(guī)則有利于抗震，不規(guī)則不利于抗震。

9/17/202312第三節(jié)抗震概念設計（續(xù)二）二、抗震結構概念1、總體屈服機制2、剛度與延性均衡3、強度均勻4、多道抗震防線5、強節(jié)點設計6、避開場地卓越周期區(qū)

9/17/202313二、抗震結構概念1、總體屈服機制從經濟合理的觀點出發(fā)，在強烈的地震作用下應允許結構進入彈塑性狀態(tài)工作。通過結構某些構件屈服所產生的塑性變形來消耗地震能量，從而達到抗震的目的。結構的屈服機制有兩種（見圖8.12）局部機制（簡稱L機制）總體機制（簡稱T機制）比較兩種機制可發(fā)現：T機制的抗震性能優(yōu)于L機制。（1）L機制耗能構件少，T機制耗能構件多；（2）L機制對構件的延性要求高，T機制對構件的延性要求低。

9/17/202314二、抗震結構概念（續(xù)一）2、剛度與延性均衡試驗和實踐都證明，框架結構具有良好的延性性能。但是，純框架剛度差，在地震作用下結構變形較大，可能造成非結構構件（如隔墻、門、窗等）的破壞，從而需要大量的修復費。為提高框架結構的剛度，常設剪力墻、支撐等加勁構件。這些加勁構件剛度大，但延性較差，一旦破壞，幾乎喪失承載力。因此，注意加勁結構剛度與延性的均衡十分重要。砌體結構剛度大，但延性差。為提高其延性，常加設鋼筋混凝土構造柱。構造柱連同圈梁，實際形成一個弱的框架。9/17/202315二、抗震結構概念（續(xù)二）3、強度均勻強度均勻指結構在平面和立面上的承載力均勻一致。圖8.15是一個平面上強度不均勻的鋼支撐框架結構，在1978年日本宮城縣地震中遭到破壞。該結構在同一方向上有兩榀框架設有支撐，而有一榀框架未設支撐。因支撐框架剛度大，一開始大部分荷載由它來承擔。而一旦支撐破壞，內力重新分配，非支撐框架的受力迅速增大，超過其設計承載能力，導致結構破壞。結構在立面上強度均勻，可以避免結構彈塑性反應集中。如果結構某一樓層的強度相對較小，則在地震作用下，這一層首先屈服，同時通過該層塑性變形的發(fā)展，使其它樓層不繼續(xù)屈服。這樣結構塑性變形集中在一層，很容易使該層發(fā)生破壞，從而導致整個結構的破壞。9/17/202316二、抗震結構概念（續(xù)三）4、多道抗震防線結構多道抗震防線的概念，一是要求結構具有較高的靜不定次數；二是要求結構在延性變形階段具有良好的吸能能力；三是要求結構中盡量具備多重抗側力體系。一般說來，結構靜不定次數越高，對結構抗震越有利，但這不是充分條件。一些薄弱部位的塑性變形集中可能造成結構局部屈服機制的形成，從而導致整體結構的嚴重破壞甚至倒塌。因此，需要在結構的適當部位設置一系列有利的屈服區(qū)，使這些不危及整體結構安全的部位在地震時率先形成塑性鉸；同時，通過保證各鉸的屈服轉動能力，使結構所吸收地地震能量耗散在整個結構平面和高度上。通過設置人工塑性鉸和阻尼耗能裝置，會更有利于結構發(fā)揮良好的抗震性能。9/17/202317二、抗震結構概念（續(xù)四）5、強節(jié)點設計在1978年日本的一次地震中，鋼結構建筑的破壞，絕大多數是由連接破壞造成的。鋼筋混凝土結構節(jié)點過早破壞，也會使結構不能充分發(fā)揮作用，使結構達不到原定抗震能力。提高節(jié)點的抗震設計強度，加強節(jié)點的抗震構造措施，對各類建筑結構、橋梁結構等都有十分重要的意義。9/17/202318二、抗震結構概念（續(xù)五）6、避開場地卓越周期區(qū)結構對于不規(guī)則地震波的反應是類共振反應而不會發(fā)生共振反應。即使如此，當地震動的卓越周期與結構物的周期相接近時，也會使結構發(fā)生嚴重破壞。由于地震動受發(fā)震機制、震級、距離、場地等多種因素的復雜影響，具有較強的不確定性。因此，試圖在設計階段就使結構自振周期完全避開地震動的卓越周期是不太現實的。但是，如果注意到場地的卓越周期對地震動卓越周期有強烈影響，還是可以在一定程度上防止結構在地震時發(fā)生強烈的共振反應。9/17/202319第四節(jié)隔震與減震一、概述二、基底隔震三、懸掛隔震四、耗能減震五、沖擊減震六、吸振減震七、主動控制減震

9/17/202320一、概述地震引起結構振動的全過程是：由震源產生地震動，通過傳播途徑傳遞到結構上，從而引起結構的振動反應。通過在不同部分采取振動控制措施，就成為不同的積極的抗震方法。

9/17/202321一、概述（續(xù)一）震源傳播途徑結構反應消震隔震被動減震主動減震基底隔震懸掛隔震耗能減震沖擊減震吸振減振9/17/202322一、概述（續(xù)二）1、消震通過減弱震源振動強度達到減小結構振動的方法。2、隔震通過某種裝置，將地震動與結構隔開，減弱或改變地震動對結構作用的強度或方式，達到減小結構振動的目的。隔震方法：基底隔震懸掛隔震3、被動減震通過采用一定的措施或附加子結構，吸收或消耗地震傳遞給主結構的能量，達到減小結構振動的目的。被動減震方法：耗能減震沖擊減震吸震減震4、主動減震根據結構的地震反應，通過自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機，主動給結構施加控制力，達到減小結構振動的目的。9/17/202323一、概述（續(xù)三）兩大類減震方法：

（1）被動控制方法。這種方法無外部能源供給，也稱無源控制技術。包括隔震技術和被動減震技術。（2）主動控制方法。這種方法有外部能源供給，也稱有源控制技術。

與傳統(tǒng)的消極抗震方法相比，減震方法優(yōu)點：

（1）減小地震作用，降低結構造價，提高結構抗震可靠度。隔震方法能夠控制傳到結構上的地震力，克服確定荷載的困難。（2）減小結構在地震作用下的變形，保證非結構構件不破壞，減小震后維修費用，對現代建筑，非結構構件的造價占總造價的80％以上。

（3）隔震、減震裝置的更換或維修比更換、維修結構構件方便、經濟。（4）精密加工設備、核工業(yè)設備等結構物，只能用隔震、減震的方法滿足嚴格的抗震要求9/17/202324二、基底隔震1、原理

基底隔震是在結構物地面以上部分的底部設置隔震層，限制地震動向結構物的傳遞?；赘粽穑?/p>