一般地震知识与结构抗震概念设计
钱国桢
提要:本文主要浅述了地震成因、震害影响、若干名词解释及结构抗震设计的一般理论及抗震概念设计。
1 一般的地震与抗震知识
1.1 地震的成因与分类
地壳(平均30km厚) 地球的内部构造:由地壳、地幔、地核三部分组成。其中地幔为塑流状,地核约9000大气压,1000℃;地核为3000
地幔(2900km厚)万大气压,4000~5000℃,其自转速度
比地壳快,约一年快一度。
地震按其成因可分为三类:1)火山地震,2)陷落地震,3)构造地震。前两者影响范围只是局部、破坏也小得多,因此现在一般地震皆指构造地震。构造地震是由于地球自转与公转时受各种天体外力影响和内部物质不规则运动与温
图1 地球内部构造示意图度变化影响,使地壳受到内部物质的不
规则的冲击,而组成地壳的岩层是由很多板块的非均匀质体构成的,因此在某个地方容易产生挤压而应力集中。当其能量积聚到一定程度,使地壳强度不能承受时,就会产生局部地壳断裂而突变释放能量,并以波的形式向四周扩散,此时就相应产生了地震。
1.2 地震的危害
1)地震波传到基础使建筑物、构筑物摇晃、破坏、倒塌;
2)砂土液化、软土震陷使建造在其上的建筑物、构筑物破坏、倒塌; 3)地面位移、断裂、错动造成破坏(主要产生在震中附近); 4)山坡、河岸滑坡破坏;
5)造成次生灾害(火灾、泄毒、爆炸、污染、疾病等); 6)装饰与设备破坏。
1.3 若干名词解释
1)震级:是衡量一次地震释放能量大小的等级。每差一级,能量差32倍。
2)烈度:指地震时在一定地点震动的强烈程度。它是一个加速度的概念,每差一度,
加速度差一倍。
3)基本烈度:在设计基准期50年内,超越概率为10%的地震烈度(为中国地震区划
图中表示的烈度)。
4)多遇地震烈度:设计基准期50年内,超越概率为63.2%的地震烈度(又称众值烈度)。 5)罕遇地震烈度:设计基准期50年内,超越概率为2~3%的地震烈度(又称大震烈度)。 6)设防烈度:抗震设计中所采用的烈度(由国家建筑抗震设防分类标准中规定的建筑
类别确定)。
7) 概率:若随机事件发生次数与试验次数之比常在一常数附近摆动,这常数即为此随
机事件的概率。
8) 超越概率:在一定地区和时间范围内,发生的地震烈度I, 超过给定的地震烈度i的
概率。
1.4 建筑抗震设防分类标准
1)按建筑的重要程度与地震破坏后的影响程度分成四类:
即甲、乙、丙、丁四类。
2)抗震设防标准分为四种:
①地震作用与抗震措施都比烈度提高一度——甲类;
②地震作用按基本烈度,抗震措施提高一度(9°时适当提高)——乙类; ③地震作用与抗震措施都按基本烈度——丙类; ④比基本烈度低一度采取抗震措施——丁类。 3)设防目标的三个水准 水 准 第一水准 第二水准 第三水准 地震烈度 众值烈度 基本烈度 大震烈度 设防目标 小震不坏 中震可修 大震不倒 50年超越概率 63.2% 10% 2~3% 重现期 50年 475年 2000年 相对烈度 低1.55度 基本烈度 高约1.0度
4)两阶段设计
第一阶段:强度验算(按弹性变形验算),采用第一水准地震动参数计算结构效应,
按<统一标准>规定进行截面设计,满足第一水准强度可靠度要求;同时采取相应抗震构造措施,保证一定的延性以满足第二水准要求。
第二阶段:弹塑性变形验算,采用第三水准地震动参数计算结构的弹塑性层间位移
角<规范限值>,并采取构造措施,满足防倒塌设计要求
。
2 结构抗震概念设计
2.1 何谓概念设计 常规设计 概念设计 数值的 概念的 抽象的 直观的 孤立的 系统的 局部的 整体的 定量设计 定性设计
抗震概念设计是不着眼于抽象的计算模型、计算方法、计算数值、计算结果,而是着眼于结构总体地震反应,从地震时的破坏机制、破坏过程出发,去调整结构设计方案的整体布局,以达到从根本上提高结构整体抗震性能的目的。其中包括:合理选址、合理布局、合理选型、平面规则、竖向连续、变化均衡、避免突变、减少响应、提高延性、消除薄弱、多道设防等方面。
2.2 为何建筑结构抗震要强调概念设计 1)由于地震影响的复杂性和不确定性
地震在时间、空间、量级上的不确定性与不可预测性造成设计无法将作用力精
确量化。因此很难保证定量设计的可靠性。
2)目前计算方法存在的局限性
地震三要素(峰值加速度、频谱组成、持续时间)在反应谱法中无法全面反应; 反应谱法假定的简化造成的局限性;
时程分析法采取输入地震波的适用性、可靠性等等; 种种事实说明目前的设计计算方法的近似性。 3)地基与结构的复杂性
各种地基基础土对地震的响应差别很大,而且不均衡。各种不同型式的结构动
力计算的近似性,造成计算模型的误差。因此造成常规定量设计结果的可靠性成问题,为此我们必须更加强调概念设计。
2.3 抗震概念设计的几个出发点及其具体对策 1)规范结构布局
由于反应谱法采用的假定为一质量串模型,要求我们的设计平面应该规则、对
称、简单、平整,而且竖向应该连续、对中、上小下大、变化均衡,否则会偏离方法的假定,造成计算误差。
2)减少地震影响
我们知道抗震规范中规定的水平地震作用为: FEK=α1 Geq
其中:α1为相应于结构基本自振周期的水平地震影响系数; Geq为结构等效总重力荷载。 由上可知,若要减少地震作用,α就要设法降低后两项之值。因此尽量减少自重可减少地震作用。另外从地ζ=0.01震影响系数曲线图可知,延长结构自ζ=0.03ζ=0.05振周期、增加结构阻尼比都可减少地
震响应。由此可知结构做得越刚,地震作用越大。而结构阻尼比:钢筋混凝土为0.05左右,钢结构为0.02~0.03T(s)左右,若要增加就要设置外加阻尼器0与阻尼垫。
图2 地震影响系数曲线 3)避免突然破坏
结构突然破坏常由下列原因造成的:
①脆性破坏,②结构仅一次设防,③联接失效。 因此我们可采取下列对策去避免:
①增加结构延性,尽量使结构不要剪切、受压破坏,而要使它弯曲破坏,因后者破
坏有个过程,有预兆,而且破坏耗能大得多。
②增加多道防线,如将静定结构改为超静定结构,将平面结构改为空间结构,增加
超静定次数、增加支撑体系、加圈梁抗震柱等等。
③增加联接设计的安全度,将活动铰改为固定铰,将铰接改为固接,将平面联接改
为空间联接等等。
4)防止整体倒塌
整体倒塌常由下列原因造成的:
①地基失效,②竖向承重构件破坏,③联接破坏,④屋盖倒塌。