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地震工程学

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地震 工程学
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地震工程学授 65121430 1 地震工程学概述 • 2 地震学基础知识 • 3 工程地震 ——地震作用与灾害 • 4 结构地震反应分析 • 5 工程抗震与结构抗震设计 • 6 几个专题 1 地震灾害简述 地震工程学的发展概况 地震工程学的研究内容 地震工程学的特点 地震工程学与相关学科的关系 震灾害简述地球与地震并存地震灾害严重 地震灾害频仍 抗震防灾是有效的界地震灾害严重简况世界十大自然灾害(据联合国, 1947带气旋(飓风、台风)、地震、洪涝、雷暴与龙卷风、雪暴、火山爆发、热浪、雪崩、滑坡、潮汐与海啸中国是受灾最严重的国家之一灾重:地震( 7/17次 5万人, 4/4次 20万人)分布广成灾比率高害日趋频繁产生自然灾害的直接原因 ——自然现象产生自然灾害的结构原因 ——“社会”本身的弱点灾情日趋严重城市“黑洞”现象日益加剧生命线系统的脆弱近年来的五大自然灾害火山爆发、地震、风灾、陨石袭击、温室效应力阶段反应谱阶段地震工程学的发展概况震动地震地质背景、强震观测、地震动特性、地震动模拟、震害分析工程结构地震反应抗震试验、理论分析抗震减灾理论抗震设计理论、结构振动控制理论、地震危险性分析、震害预测理论、防灾规划、震工程学的研究内容震工程学的特点• 研究基础 ——强震观测、震害经验与试验研究• 研究重点 ——地震作用• 研究热点 ——结构非线性与复杂地震动输入• 发展方向 ——广泛应用概率论、控制论、规划论地震工程学与地震学• 地震工程学与土木工程• 震工程学与相关学科的关系地球内部构造 板块构造运动 地震成因和类型 几个有关名词 地震分布 地震观测与度量 地震波动理论 球内部构造• 几何形状与尺寸• 内部构造– 面–三大圈层• 物理性质比重、温度、压力、 板块构造运动• 板块构造运动学说• 六大板块–欧亚大陆板块–太平洋板块–美洲板块–非洲板块–印澳板块–地震成因和类型• 地震成因–宏观背景 ——板块构造运动–局部机制 ——断层说(弹性回跳说、粘滑说)• 地震类型–按成因 ( 构造 山 落 发 按发震位置(板边 内 按震源深度( 浅源 源 源 按地震序列(主震余震型、震群型、单发型)几个有关名词• 震源• 震中• 震源深度震源距• 地震分布• 世界地震带–环太平洋地震带–欧亚地震带• 中国地震环境–地震构造运动背景– 10个地震区–中国地震的基本特征环太平洋地震带• 地震观测与度量• 地震观测• 地震波动理论• 地震波类型– 体波(运动特点、对结构作用)• 纵波 ——压缩波 ——横波 ——剪切波 ——面波• 瑞雷波 ——乐夫波 ——地震波动理论工程地震(地震作用)• 震动观测 • 级与烈度 • 震地面运动特性 • 震地面运动模拟 • 震灾害 震动观测• 地震动观测仪器• 强震观测台网• 强震观测的现状• 强震观测记录的作用两种仪器 ——地震仪与强震仪仪器 使用者 地震强弱 运转方式 记录速 度 放大倍 数 记录量 记录内容 设置地 点 通频带 目的地震仪 地震工 作者 弱震 连续 慢 高 位移 到时差、 初相 基岩 窄、低频 震源、介质、 传播规律强震仪 抗震工 作者 强震 自动触发 快 低 加速度 全过程 场地、 结构 宽、高低频 地震动、结构 振动特性拾震器 放大器 记录器+ x’’+2• 二者不同点• 二者共同点–运动方程 ——用拾震器的位移表示地面运动地震动衰减台阵布设方式 :线状布设在发震断层辐射线上目的 :地震动衰减规律、地震传播效应举例 :美国加州布设方式 :布设在某区域内(上百公里)目的 :巨大地区的地震动资料、场地影响举例 :美国阿拉斯加布设方式 :布设在潜在发震断层附近目的 :近场地震动、震源机制举例 :美国圣安德列斯断层台阵布设在建筑物不同高度处目的 :结构地震反应举例 :北京饭店、天津医院布设方式 :布设在几十至几百米目的 :地震动的空间相关性举例 :台湾 布设在地表及地下几十 地震动随深度的变化、土结相互作用举例 :日本• 区域地震动台阵• 断层地震动台阵• 结构地震动台阵• 地震动差动台阵• 地下地震动台阵强震观测的现状• 始于 1932年美国• 1933年获得首次记录(美国长滩地震)• 60年代以前,以结构为主• 60年代以后,加强了地表和近地表地震动的观测• 1985年,全世界供布设 7000台,日美各 3000台• 全世界已取得可用记录达上万条• 世界最大峰值加速度记录 拿大)• 中国最大地震动记录 南)是地震工程学赖以发展的数据基础• 是研究地震动特性的数据基础• 是推动地震力理论发展的重要因素– 几乎每一次关于地震动特性认识的提高和地震力理论的变革其根本原因都可归结为对强震观测记录的深入分析• 是结构地震反应分析的输入形式• 级与烈度• 震级• 烈度含义 ——一次地震释放能量大小的度量• 多种震级定义– 里氏震级 ( 1935) ML=近震• 中距 R=100大水平地面位移– 面波震级( 1939) MS=远震、浅源– 体波震级 ( 1945) Mb=),h)——远震– 短周期体波震级( 1963) 矩震级 ( 1977) , (地震矩 存在问题及未来方向定义• 评价指标• 地震烈度表• 性质• 理解分歧• 影响因素及规律• 关于取消烈度指标的综合性–分等级的宏观性–以后果表示原因的间接性–侧重点差异–地震学:地震破坏后果–抗震:地震作用强弱–烈度与地震动参数关系烈度影响因素及规律• 烈度影响因素– 震源 M– 传播途径与震中距 R– 场地条件 S– 其它• 烈度衰减规律– 震级与震中烈度的衰减关系I0=f(M,h) M=烈度衰减关系 I=f(,S)• 圆形等震线• 椭圆形等震线 —多普勒效应地质构造的不均匀性传播距离的远近方位场地土 ——基岩低,软土高断层 ——发震 ~高,非发震 ~?局部地形 ——鞭梢效应关于取消烈度• 争论与原因– 烈度具有多指标的综合性,与单一地震动参数本身就不具有良好对应关系– 依照烈度进行抗震设计,在反应谱理论中容易引起概念上的混淆– 烈度是分等级的,地震作用成倍数关系– 烈度具有以后果表示原因的间接性,是“危害性”而非“危险性”,抗震设防则恰恰以后者为依据却不适宜于衡量地震作用• 我国的做法–取消烈度作为抗震设防依据,采用地震分区作为抗震设防依据,震地面运动特性幅值特性• 频谱特性• 持时特性• 空间相关性- 2 . 5- 1 . 5- 0 . 50 . 51 . 52 . 50 5 10 15 20 25 30 35 40t ( s )a(t)(m/=a(t))幅值特性幅值 ——某种物理量(如加速度、速度、位移中的任何一种)的最大值或某种意义下的等代值• 多种定义• 峰值• 有效峰值• 持续加速度• 等反应谱有效加速度• 概率有效峰值• 静力等效加速度• 简要评价• 等效简谐振幅• 平均振幅• 均方根加速度• 谱强度多种幅值定义 . 5- 1 . 5- 0 . 50 . 51 . 52 . 50 5 10 15 20 25 30 35 40t ( s )a(t)(m/谱特性• 三种谱表述方法• 简要评价傅立叶谱• 功率谱• 反应谱t)=i)}- 2 . 5- 1 . 5- 0 . 50 . 51 . 52 . 50 5 10 15 20 25 30 35 40t ( s )a(t) (m/单自由度弹性体系的地震反应• 反应谱的定义• 反应谱的性质• 反应谱的种类• 反应谱的影响因素及规律单自由度弹性体系• 运动微分方程– 受力分析• 恢复力 ——虎克定律• 阻尼力 ——瑞雷阻尼• 惯性力 ——牛顿第二定律– 方程建立 ——达朗贝尔原理• m(x’’+x’’g)+• +g• x’’ +2x’’g• 运动微分方程的解答mk g(t)x’’g(t)m(x’’+x’’g)cx’通解(自由振动)– x(t)=00 wd= A0=x(0), x’(0)+)]/特解(强迫振动) ——分– x(t)= -1/x’’g(T) 全解 =通解 +特解 ~ ~特解– x(t)= -1/x’’g(T) x’(t)= x’’g(T)+ ew/x’’g(T) x’’(t)+x’’g(t)= t)t)• 最大反应及简化– x’’(t)+x’’g(t)| x’(t) | x(t) |三点近似: w |x’’g(T) w +2x’’迫振动)• 输入过程的离散化 ——微脉冲 g(T)dx(t)=• 冲量作用– 前后位移为 0: A0=x(T)=0• 动量定律: x’(T)=g(T)x’(T)+)]/x’’g(T)dT/解答– dx(t)= g(T)x(t)= -1/x’’g(T)dT}单自由度弹性体系在给定地震作用下某种反应量的最大值与体系自振周期之间的关系曲线e, v(e, d(e, T1)x’’g(t)分s(t)= f(x’’g, e, e, v(e, d(e, 分s(t)= f(x’’g, e, 结构反应特点– 低频(长周期)系统( =10 反应谱性质– 反应谱由中频段的放大区和两端的极限区三部分构成– 伪谱的性质• Sa=频 低频动力放大系数a/v/d/真谱和伪谱• 弹性谱和弹塑性谱• 归一化反应谱 ——放大系数谱• 平均反应谱与设计反应谱• 其他地震动方面– 震级• 震级越大,长周期成分越丰富,反应谱峰点周期越后移– 震中距• 震级越大,长周期成分越丰富,反应谱峰点周期越后移– 场地• 场地越软,峰值越大,反应谱峰点周期越后移• 结构方面– 阻尼比• 阻尼比越大,反应越小,曲线越平滑– 结构周期• 三段特性 一般特征• 多种定义• 简要评价 . 5- 1 . 5- 0 . 50 . 51 . 52 . 50 5 10 15 20 25 30 35 40t ( s )a(t) (m/震动的空间相关性• 问题的由来• 相关性类别• 相关性描述• 简要评价建筑结构– 扭转问题– 大底盘– 深基础• 生命线工程– 扭转问题– 大跨度– 空间伸展同一地点多维地震动分量之间的相关性– 水平与水平– 竖向与水平• 不同地点地震动的相关性 ——空间相关性– 不同地理位置之间地震动的相关性– 同一地理位置不同深度处地震动的相关性信号角度– 相关函数矩阵• 工程应用角度– 幅值特性– 频谱特性– 地震地面运动模拟• 问题的提出• 地震动随机模型• 地震灾害• 地表破坏• 结构物破坏• 几个震害实例构地震反应分析• 构地震反应分析方法的发展• 震结构模型化 • 震动输入• 抗震结构模型化• 地震中的结构行为• 抗震结构动力分析模型 • 结构构件动力性能及其模型化 • 结构阻尼特性及其模型化层模型– 层间剪切模型– 层间弯曲模型– 层间剪弯模型– 刚片模型• 杆系模型– 平面杆系模型– 空间杆系模型• 有限元模型• 几点说明– 分析目的与模型– 结构行为与模型• 线性结构• 非线性结构结构构件动力性能及其模型化• 试验• 混凝土构件– 梁– 柱– 节点– 抗震墙• 钢构件– 梁– 柱• 砌体构件• 几点说明– 分析目的与模型– 结构行为与模型• 线性结构• 非线性结构筑抗震设计原则和基本要求• 建筑抗震设防目标与标准• 建筑抗震设防目标与标准• 抗震设防及其思想• 设防依据• 设防目标及其实现• 建筑类别与设防标准抗震设防– 对建筑物进行抗震设计并采取抗震措施• 指导思想– 预防为主– 减轻结构震害– 避免人员伤亡– 减少经济损失– 使地震时不可缺少的紧急活动得以维持和进行• 趋势– 使用寿命期内对不同频度和强度的地震具有不同的抵抗能力—抗震设防烈度• 定义:按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设防依据发地震烈度• 确定:必须按国家规定的权限审批、颁发的文件(图件)确定– 一般情况下,可采用中国地震烈度区划图的地震基本烈度度(或与本规范设计地震基本加速度值对应的烈度值)– 对做过抗震防灾规划的城市,可按批准的抗震设防区划(抗震设防烈度或设计地震动参数)进行抗震设防• 设防范围– 6三水准要求义 要 求第一水准小震不坏当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时,一般不受损坏或不需修理仍可继续使用第二水准中震可修当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时,可能损坏,经一般修理或不需修理仍可继续使用第三水准大震不倒当遭受高于本地区抗震设防烈度的预估的罕遇地震影响时,不致倒塌或发生危及生命的严重破坏• 两阶段设计三水准地震作用的标定• 基本假定– 地震强度呈极值分布– 烈度符合极值 0年超越概率地震重现期多遇地震对应的烈度 ——50年设防烈度中震 10% 475年罕遇地震对应的烈度大震 2642计算– F(I)=(12-I)k/(12k], T/))) )0 一般关系–烈度: 50403)液化地基的初步判别• 地质年代– 年代愈老 , 土固结程度 、 密实度 、 结构性愈好 ( 第四纪晚更新世 粉土粘粒 ( 粒径 d0+d0+液化特征深度 (m)基础埋深 (m)( >=2m)覆土厚度 (m)地下水位深度 (m)液化场地危害性分析– 衡量指标 ——液化指数 液化指数 液化等级–轻微( 0中等( 5严重( >15)• 抗液化措施–探明液化土层的深度与厚度,计算液化指数 后根据建筑物重要性、液化等级采用相应的抗液化措施c r 1)1(地基抗震措施• 抗液化措施• 软土地基抗震措施• 抗震陷措施• 严重不均匀地基的抗震措施• 地基稳定措施措施的选择原则– 根据建筑物重要性 、液化等级采用相应的抗液化措施建筑类别液化等级轻微 中等 严重甲 特殊考虑,但不得低于乙类乙 +C 或 D + D 全部消除液化沉陷的地基措施–B 部分消除液化沉陷的地基措施–C 基础和上部结构处理–D 可不采取措施抗液化措施的要求–规范给出了相应的要求和方法–软土地基抗震措施的选择原则•软土地基 ——(不存在严格定义,通常指)淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土及地基承载力标准值小于 80( 7度)、 100( 8度)、 120( 9度) 土等软土层•6度时可不考虑软土地基震陷;•静力设计中严格控制基础底面压力,未经处理的软土层一般不宜作为持力层;•可不考虑震陷影响的条件。软土地基抗震措施本消除震陷的地基措施:桩基础、深基础、加深基础或换土(软土层浅且薄)•减少震陷的地基措施:挖除部分软土层(加深基础或换土)、降低承载力取值( 基础和上部结构的构造措施:选择合适的基础埋深、减轻荷载(材料、基础上填土、设置零层楼板)、调整基础底面积减小偏心、加强基础整体性和刚性(筏基、圈梁等)、增加上部结构的整体性和竖向刚度、管道问题。抗震陷措施:故河道、暗藏沟坑边缘地带、边坡地的半挖半填地段、局部的或不均匀的液化土层、其它成因、岩性或状态明显不均匀的地层•措施:首先建议避开,不能避开时采取适当措施,如:沉降缝、桩基础或深基础等岸边坡、故河道边缘地带等。地基加固、抗滑桩等。6 建筑结构抗震验算• 地震作用计算• 地震作用计算• 一般说明和计算原则• 基本计算数据• 水平地震作用的计算• 竖向地震作用的计算影响设计地震作用的因素• 设计地震作用的方向• 地震作用的计算范围和原则• 地震作用的计算方法及其适用范围• 计算模型地震动特性方面– 抗震设防烈度– 设计近远震– 场地类别• 结构特性方面– 结构自振周期– 建筑质量(重力荷载)– 结构阻尼比(材料)设计地震作用的方向– 水平(两个)– 竖向(一个)• 结构效应的方向– 平动(两个水平、一个竖向)– 扭转(竖轴)计算范围– 水平地震作用6度区–(除甲类建筑和 不算• 7除可不进行上部结构抗震验算的房屋外)均算•8、 9度大跨度结构和长悬臂结构•9度的高层建筑• 水平地震作用的计算原则– 竖向地震作用– 一般正交布置抗侧力构件的结构,可沿纵横主轴方向分别计算– 斜交布置抗侧力构件的结构,宜按平行于抗侧力构件方向计算– 质量和刚度明显不均匀、不对称的结构,应考虑水平地震作用的扭转影响地震作用的计算方法及其适用范围—集中质量模型• 多高层房屋– 无扭转– 有扭转• 单层厂房– 横向– 纵向重力荷载代表值• 结构自振周期• 设计反应谱重力荷载代表值– 永久荷载(建筑结构构配件自重)标准值 +可变荷载(雪、灰、楼面活荷载)组合值久荷载标准值组合值系数可变荷载标准值结构自振周期• 理论计算方法 ——近似计算方法– 能量法– 折算质量法– 顶点位移法– 矩阵迭代法• 经验方法水平地震影响系数水平地震影响系数曲线–水平地震影响系数曲线  –水平地震影响系数最大值T(s)g(特征周期) ) 7 8 9多遇地震 18 36 72 144罕遇地震 25 405 630烈度 6 7 8 9多遇地震 多自由度弹性体系的地震反应• 三种计算方法• 楼层水平地震剪力的分配• 扭转问题• 地基 —结构动力相互作用振型分解反应谱法• 底部剪力法• 时程分析法运动微分方程• 运动微分方程的解答质点受力分析t)xi(t))()(• 体系运动微分方程   11             运动微分方程的解答(一)• 无阻尼自由振动                          00)()s i n(22• 振型的性质             )(0)(0)(0• 运动微分方程的解答                      n   ,21                                                                                                  1111111111运动微分方程的解答(二)t)xi(t))                                                                      11111111112211211111222             ******11*11*11*1      ,*            xg(t)  111振型分解反应谱法振型分解法                            ,,                       1                                  m a x 振型分解反应谱法 2算地震影响系数和振型参与系数计算振型地震作用 计算振型地震效应振型组合底部剪力法• 计算方法– 底部剪力的计算– 地震作用沿高度的分配1n1 F  部附加地震作用–突出屋面小建筑物• 适用条件–满足下列条件–高度 1, 几点概念• 同一点、同一方向的侧移刚度与侧移柔度总成倒数• 同一水平面上刚度可以叠加• 同一竖面上柔度可以叠加横向楼层地震剪力分配– 从楼层剪力分配到墙片• 刚性楼盖 ——按横墙抗侧力等效刚度(水平截面积)分配• 柔性楼盖 ——按横墙从属面积重力荷载代表值分配• 半刚性楼盖 ——取上述两种结果平均值– 从墙片分配到墙肢• 按墙肢抗侧力等效刚度分配• 纵向楼层地震剪力分配– 从楼层剪力分配到墙片• 按纵墙抗侧力等效刚度(水平截面积)分配– 从墙片分配到墙肢• 按墙肢抗侧力等效刚度分配砌体抗震抗剪强度设计值墙体抗震抗剪承载力验算– 无筋粘土砖、多孔砖墙体– 水平配筋粘土砖、多孔砖墙体– 混凝土小型空心砌块沿阶梯形截面破坏的抗震抗剪强度设计值 砌体强度的正应力影响系数非抗震设计的砌体抗震间强度设计值     构造措施• 多层砌体结构房屋–多层砖房–多层砌块房屋• 底部框架 —抗震墙房屋• 单层钢筋混凝土柱和砖柱厂房back
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