《建筑抗震設(shè)計(jì)》多媒體課件-第4章

第四章建筑抗震設(shè)計(jì)本章將全面介紹建筑物抗震設(shè)計(jì)的基本概念和關(guān)鍵技術(shù)。從地震作用的特點(diǎn)和基本設(shè)計(jì)原則開始,詳細(xì)闡述地震動(dòng)的性質(zhì)及其影響因素。然后分析建筑物抗震性能指標(biāo),并介紹靜力彈性分析、動(dòng)力彈性分析和非線性分析等建筑抗震設(shè)計(jì)的基本方法。最后,探討建筑構(gòu)造上的抗震措施和結(jié)構(gòu)抗震性能的評(píng)估。thbytrtehtt4.1概述1地震作用的基本特點(diǎn)地震作用是建筑抗震設(shè)計(jì)關(guān)注的核心,其不可預(yù)測(cè)性、隨機(jī)性和破壞性是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和評(píng)估的關(guān)鍵因素。2建筑物抗震設(shè)計(jì)的基本原則建筑物抗震設(shè)計(jì)應(yīng)以保護(hù)人員生命安全為出發(fā)點(diǎn),兼顧經(jīng)濟(jì)性和使用功能,采用適當(dāng)?shù)目拐鸩呗浴?抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵內(nèi)容本章將詳細(xì)介紹地震動(dòng)特性分析、建筑物抗震性能指標(biāo)、抗震設(shè)計(jì)方法以及構(gòu)造措施等抗震設(shè)計(jì)的核心內(nèi)容。4.1.1地震作用的基本特點(diǎn)不可預(yù)測(cè)性地震發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)和強(qiáng)度都無(wú)法精確預(yù)測(cè),這給建筑抗震設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)。隨機(jī)性地震加速度時(shí)程呈現(xiàn)強(qiáng)烈的隨機(jī)性和不規(guī)則性,難以用確定性的方法進(jìn)行分析。破壞性地震作用可導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p壞,甚至引發(fā)倒塌,威脅人員生命安全。4.1.2建筑物抗震設(shè)計(jì)的基本原則1生命安全第一以保護(hù)人員生命安全為首要目標(biāo),確保在地震作用下建筑結(jié)構(gòu)不發(fā)生崩塌。2經(jīng)濟(jì)合理在保證安全性的前提下,采取經(jīng)濟(jì)可行的抗震措施,兼顧建筑物的使用功能。3系統(tǒng)完整建筑抗震設(shè)計(jì)應(yīng)從整體上考慮結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、基礎(chǔ)等各個(gè)方面的協(xié)調(diào)配合。建筑物抗震設(shè)計(jì)的基本原則是以保護(hù)人員生命安全為首要目標(biāo),兼顧經(jīng)濟(jì)性和使用功能。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)采取全面系統(tǒng)的抗震策略,從結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、基礎(chǔ)等多個(gè)方面協(xié)調(diào)配合,確保建筑物在地震作用下能夠安全可靠地抵抗破壞。4.2地震動(dòng)的特征1時(shí)程特性地震動(dòng)具有不可預(yù)測(cè)的時(shí)間歷程及隨機(jī)性強(qiáng)烈的加速度時(shí)程。2頻譜特性地震動(dòng)的頻譜特征決定了對(duì)不同建筑物的影響程度。3影響因素地震動(dòng)受震源特征、傳播介質(zhì)及場(chǎng)地條件等多方面因素影響。地震動(dòng)是建筑物抗震設(shè)計(jì)的核心輸入,其復(fù)雜多變的時(shí)程特性、豐富多樣的頻譜特性以及受多種因素影響的特點(diǎn),是設(shè)計(jì)時(shí)需要深入研究的重要內(nèi)容。4.2.1地震動(dòng)的時(shí)程特性不規(guī)則波動(dòng)地震動(dòng)加速度時(shí)程呈現(xiàn)強(qiáng)烈的不規(guī)則性和隨機(jī)性,難以描述為確定的數(shù)學(xué)函數(shù)。持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)大地震的持續(xù)時(shí)間可長(zhǎng)達(dá)數(shù)十秒到數(shù)分鐘,給建筑物帶來(lái)持續(xù)的動(dòng)力效應(yīng)。多個(gè)沖擊波地震動(dòng)通常由多個(gè)沖擊波構(gòu)成,給建筑物加載復(fù)雜的動(dòng)力響應(yīng)。4.2.2地震動(dòng)的頻譜特性1頻率成分地震動(dòng)包含廣泛的頻率成分,從低頻長(zhǎng)周期到高頻短周期。2頻響特征不同建筑物對(duì)應(yīng)不同的振動(dòng)特性,會(huì)被特定頻率的地震動(dòng)激發(fā)。3頻譜分布地震動(dòng)頻譜隨地震強(qiáng)度和場(chǎng)地條件而變化,體現(xiàn)了地震動(dòng)的復(fù)雜性。地震動(dòng)的頻譜特性是建筑物抗震設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。地震動(dòng)包含了廣泛的頻率成分,不同建筑物會(huì)因其自身振動(dòng)特性而被特定頻率的地震動(dòng)激發(fā)。地震動(dòng)頻譜的分布特點(diǎn)更是受震源、傳播路徑和場(chǎng)地條件等多方面因素的影響,體現(xiàn)了地震動(dòng)的復(fù)雜動(dòng)力特性。4.2.3地震動(dòng)的影響因素1震源特征地震震源深度、震級(jí)等特征會(huì)影響地震動(dòng)的頻率成分和時(shí)程特性。2傳播介質(zhì)地震波在不同地質(zhì)條件下的傳播過程會(huì)改變其特征。3場(chǎng)地條件軟質(zhì)地基對(duì)地震動(dòng)產(chǎn)生放大效應(yīng),增大破壞性。地震動(dòng)的特征受到多方面因素的影響,包括震源自身的地震規(guī)模和深度、地震波在傳播過程中遇到的地質(zhì)條件,以及場(chǎng)地土壤特性等。這些因素會(huì)共同決定地震動(dòng)的頻率分布、加速度時(shí)程和能量特點(diǎn),從而影響到建筑物的動(dòng)力響應(yīng)和破壞程度。了解這些影響因素對(duì)于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地震動(dòng)特征和開展針對(duì)性的抗震設(shè)計(jì)至關(guān)重要。4.3建筑物的抗震性能指標(biāo)1剛度指標(biāo)建筑物的抗震剛度能有效限制地震作用引起的變形,確保結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。2強(qiáng)度指標(biāo)構(gòu)件必須具備足夠的抗剪、抗彎、抗壓等承載能力,以承受地震荷載。3變形指標(biāo)建筑物在地震作用下的位移、層間位移等變形應(yīng)控制在允許范圍內(nèi)。4耗能指標(biāo)結(jié)構(gòu)應(yīng)通過塑性變形等方式消耗地震能量,避免脆性破壞。4.3.1剛度指標(biāo)抗震剛度建筑物的抗震剛度越高,越能有效限制地震作用引起的位移和變形,確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。層間位移控制通過合理的剛度分配,可以有效控制建筑物各層的相對(duì)位移,避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和局部破壞。振動(dòng)特性分析準(zhǔn)確分析建筑物的固有周期和振型,有利于確定合理的抗震剛度設(shè)計(jì)目標(biāo)。4.3.2強(qiáng)度指標(biāo)1抗剪強(qiáng)度構(gòu)件必須具備足夠的抗剪承載能力，抵抗地震力引起的剪切破壞。2抗彎強(qiáng)度結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)有足夠的抗彎承載能力，承受地震作用下的彎矩載荷。3抗壓強(qiáng)度壓縮構(gòu)件必須具備足夠的抗壓承載能力，避免發(fā)生壓潰破壞。建筑物的抗震強(qiáng)度指標(biāo)是評(píng)判其抗震安全性的關(guān)鍵指標(biāo)之一。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)確保各類構(gòu)件，如梁柱等，具備足夠的抗剪、抗彎和抗壓承載能力，能夠可靠抵抗地震作用下的內(nèi)力和應(yīng)力。這是確保建筑物整體抗震性能的基礎(chǔ)。4.3.3變形指標(biāo)1位移控制建筑物的整體位移應(yīng)控制在合理范圍內(nèi)。2層間位移控制相鄰層之間的相對(duì)位移應(yīng)控制在允許標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。3變形協(xié)調(diào)上部結(jié)構(gòu)與下部基礎(chǔ)的變形應(yīng)相互協(xié)調(diào)配合。建筑物在地震作用下的變形控制是抗震設(shè)計(jì)的關(guān)鍵指標(biāo)。需要控制建筑物整體的位移幅度,同時(shí)還要確保相鄰層之間的相對(duì)位移在安全范圍內(nèi),上部結(jié)構(gòu)與下部基礎(chǔ)之間的變形也要相互協(xié)調(diào)。這樣可以有效避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和局部破壞,確保建筑物在地震作用下的安全性。4.3.4耗能指標(biāo)1塑性變形建筑物應(yīng)通過構(gòu)件的可控塑性變形來(lái)消耗地震能量,避免脆性破壞。2耗能機(jī)制合理設(shè)計(jì)梁柱等構(gòu)件的抗震性能,利用材料的塑性性能來(lái)吸收和耗散地震能量。3耗能性能指標(biāo)建筑物的總能量耗散能力是評(píng)估其抗震性能的重要指標(biāo)之一。4.4建筑物抗震設(shè)計(jì)的基本方法1靜力彈性分析法采用簡(jiǎn)化的等效靜力作用來(lái)模擬地震作用,通過彈性分析計(jì)算內(nèi)力和變形。2動(dòng)力彈性分析法采用地震動(dòng)時(shí)程分析或反應(yīng)譜分析,充分考慮建筑物的動(dòng)力特性。3非線性分析法采用塑性分析方法,考慮建筑結(jié)構(gòu)的非線性行為,更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)抗震性能。4.4.1靜力彈性分析法1簡(jiǎn)化作用以等效靜力作用代替地震動(dòng)作用2彈性分析采用線性彈性分析法計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形3快速高效計(jì)算過程簡(jiǎn)單,能夠快速得到設(shè)計(jì)結(jié)果靜力彈性分析法是一種相對(duì)簡(jiǎn)單的建筑抗震設(shè)計(jì)方法。它將復(fù)雜的地震動(dòng)作用簡(jiǎn)化為等效的靜力作用,通過線性彈性分析計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形。這種方法計(jì)算過程簡(jiǎn)單快速,常用于初步設(shè)計(jì)階段。但由于忽略了建筑物的動(dòng)力特性,其預(yù)測(cè)結(jié)果也相對(duì)粗略,不能充分反映實(shí)際地震響應(yīng)。因此在正式設(shè)計(jì)中需要采用更精細(xì)的動(dòng)力分析方法。4.4.2動(dòng)力彈性分析法精確地震作用動(dòng)力分析采用實(shí)際地震動(dòng)時(shí)程或反應(yīng)譜,能更準(zhǔn)確模擬地震動(dòng)特性。動(dòng)力特性考慮分析方法充分考慮建筑物的固有周期、振動(dòng)模態(tài)等動(dòng)力性能。精細(xì)計(jì)算過程動(dòng)力分析通過復(fù)雜的數(shù)值積分過程得到精細(xì)的結(jié)構(gòu)響應(yīng)結(jié)果。動(dòng)力彈性分析法是一種更加精細(xì)的建筑抗震設(shè)計(jì)方法。它采用實(shí)際的地震動(dòng)時(shí)程或反應(yīng)譜作為輸入,并充分考慮建筑物的固有動(dòng)力特性,通過復(fù)雜的數(shù)值積分過程得到更準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形響應(yīng)。這種方法可以更好地模擬地震作用下建筑物的實(shí)際行為,是抗震設(shè)計(jì)中的主要分析手段之一。4.4.3非線性分析法1考慮塑性行為采用非線性分析方法,可以充分模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的塑性變形。2反映實(shí)際響應(yīng)相比線性分析,非線性分析可以更準(zhǔn)確預(yù)測(cè)建筑物的實(shí)際抗震性能。3計(jì)算過程復(fù)雜非線性分析涉及復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和繁瑣的計(jì)算步驟,計(jì)算量較大。相比于簡(jiǎn)單的靜力彈性分析和動(dòng)力彈性分析,非線性分析法能夠更全面地反映建筑物在地震作用下的實(shí)際響應(yīng)行為。它可以考慮結(jié)構(gòu)材料的塑性變形特性,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)地震作用下的破壞模式和承載能力。但這種分析方法計(jì)算過程較為復(fù)雜,需要大量的數(shù)值計(jì)算和迭代步驟。因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中通常采用適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化手段,以提高計(jì)算效率。4.5建筑物抗震構(gòu)造措施1平面布置建筑物平面應(yīng)簡(jiǎn)單規(guī)則,盡量對(duì)稱分布，避免復(fù)雜不規(guī)則形狀。2立面布置建筑物各層高度應(yīng)協(xié)調(diào)一致,突出部分應(yīng)嚴(yán)格控制。3結(jié)構(gòu)體系采用剛度和強(qiáng)度均衡的抗震結(jié)構(gòu)體系,如框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑物的抗震性能除了依賴于計(jì)算分析,還需要在構(gòu)造上采取相應(yīng)的措施。平面布置、立面布置和結(jié)構(gòu)體系的合理設(shè)計(jì),對(duì)于提高建筑物的整體抗震性能至關(guān)重要。通過簡(jiǎn)單規(guī)則的平面形狀、統(tǒng)一的層高尺度,以及剛度和強(qiáng)度協(xié)調(diào)的結(jié)構(gòu)體系,可以增強(qiáng)建筑物的整體抗震性能。4.5.1平面布置簡(jiǎn)單規(guī)則建筑物平面應(yīng)盡量設(shè)計(jì)成簡(jiǎn)單規(guī)則的形狀,如正方形、矩形等,避免復(fù)雜不規(guī)則的布局。對(duì)稱分布建筑物的柱子、梁、墻等主要構(gòu)件應(yīng)盡量對(duì)稱分布,使建筑物整體平面構(gòu)成均衡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。減少扭轉(zhuǎn)平面布置應(yīng)盡量避免中心不重合、剛度不一致等引起的扭轉(zhuǎn)效應(yīng),減少局部受力不均勻。4.5.2立面布置1層高協(xié)調(diào)各層高度應(yīng)盡量統(tǒng)一,避免層高差異過大。2突出控制建筑物突出部分的高度應(yīng)嚴(yán)格控制。3平順過渡上下部分之間應(yīng)采取平順過渡的方式。建筑物的立面布置也是提高其整體抗震性能的重要因素。首先要保證各層的層高基本一致,避免突兀的高低差異,使結(jié)構(gòu)整體受力更加均勻。對(duì)于建筑物的突出部分,如塔樓等,還需要嚴(yán)格控制其高度,避免過大的不規(guī)則變形。同時(shí)在上下部分的連接處應(yīng)采取平順過渡的方式,確保結(jié)構(gòu)整體的整體性和剛度協(xié)調(diào)。4.5.3結(jié)構(gòu)體系1框架結(jié)構(gòu)采用剛性框架作為主要承重結(jié)構(gòu),可有效分散地震作用,提供良好的塑性變形能力。2剪力墻結(jié)構(gòu)采用高強(qiáng)度的剪力墻作為主要抗震構(gòu)件,可大幅提升建筑物的整體剛度和強(qiáng)度。3框架-剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)合剛性框架和剪力墻的優(yōu)點(diǎn),形成剛度和強(qiáng)度協(xié)調(diào)的復(fù)合抗震體系。4.5.4構(gòu)件設(shè)計(jì)受力合理確保各構(gòu)件的受力分布合理,避免出現(xiàn)應(yīng)力集中或不均勻的情況?？箟撼休d針對(duì)壓力作用進(jìn)行充分設(shè)計(jì),確保承載力滿足抗震需求?？辜粼O(shè)計(jì)針對(duì)剪力作用進(jìn)行專門設(shè)計(jì),提高構(gòu)件的抗剪強(qiáng)度和剛度。4.5.5基礎(chǔ)設(shè)計(jì)1深埋基礎(chǔ)采用深埋基礎(chǔ)可有效減小地震作用對(duì)基礎(chǔ)的影響,提高抗震穩(wěn)定性。2剛性連接基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)采用剛性連接,確?；A(chǔ)與上部整體協(xié)調(diào)工作。3抗傾覆設(shè)計(jì)針對(duì)傾覆效應(yīng)進(jìn)行專門設(shè)計(jì),增加基礎(chǔ)的抗傾覆能力。4.6結(jié)構(gòu)抗震性能評(píng)估1抗震性能指標(biāo)包括剛度、強(qiáng)度、變形和耗能等指標(biāo)2抗震性能分級(jí)根據(jù)指標(biāo)水平劃分不同等級(jí)3抗震性能驗(yàn)證通過分析計(jì)算或試驗(yàn)驗(yàn)證滿足要求建筑物的抗震性能評(píng)估是確保其安全性和可靠性的關(guān)鍵內(nèi)容。主要包括對(duì)剛度、強(qiáng)度、變形和能量耗散等指標(biāo)的綜合考核,并根據(jù)指標(biāo)水平劃分不同的性能等級(jí)。在設(shè)計(jì)階段需要通過分析計(jì)算或試驗(yàn)驗(yàn)證,確保建筑物的抗震性能達(dá)到相應(yīng)的要求。只有經(jīng)過系統(tǒng)的抗震性能評(píng)估,才能確保建筑物在地震作用下能夠安全可靠地使用。4.6.1抗震性能指標(biāo)1剛度指標(biāo)評(píng)估建筑物整體和局部的抗側(cè)力能力2強(qiáng)度指標(biāo)檢查構(gòu)件抗拉剪壓的承載能力3變形指標(biāo)控制建筑物在地震作用下的位移和傾斜4耗能指標(biāo)評(píng)估結(jié)構(gòu)在地震作用下的能量消耗能力建筑物的抗震性能評(píng)估主要通過以下4個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行考核:剛度指標(biāo)、強(qiáng)度指標(biāo)、變形指標(biāo)和耗能指標(biāo)。剛度指標(biāo)反映建筑物整體及局部抵抗側(cè)向作用的能力,強(qiáng)度指標(biāo)則檢查構(gòu)件在拉剪壓作用下的承載能力。變形指標(biāo)限制建筑物在地震作用下的位移和傾斜,耗能指標(biāo)則評(píng)估結(jié)構(gòu)在地震中的能量消耗能力。通過這些綜合指標(biāo),可以全面評(píng)估建筑物的抗震性