抗震设计

震源：断层形成的地方，即大量释放能量的地方。

震源不是一个点，而有一定的范围和深度。

▲震中：震源正上方的地面位置。

▲震中距：地面某处至震中的水平距离
▲震源深度：震源至地面的垂直距离。

▲等震线：地面上破坏程度相同或相近的点连成的曲线。

（1）浅源地震：震源深度在70 km以内，一年中全世界所有地震释放能量的约85%来自浅源地震。

（2）中源地震：震源深度在70-300 km，一年中全世界所有地震释放能量的约12%来自中源地震。

（3）深源地震：震源深度超过300 km，一年中全世界所有地震释放能量的约3%来自中源地震。

地震波
地震产生的地壳运动（振动）以波的形式从震源向各个方向传播并释放能量，这种波称为地震波。

地震波包含：体波和面波
1 体波：在地球内部传播的波。

体波包含：纵波和横波。

▲纵波：在传播过程中，介质质点的振动方向与波的前进方向一致，故又称为压缩波或疏密波。

特点：周期短，振幅小。

▲横波：在传播过程中，介质质点的振动方向与波的前进方向垂直，故又称为剪切波。

特点：周期较长，振幅较大。

根据弹性理论，纵波的传播速度大约为横波的1.67倍，说明纵波的传播速度快，因此也把纵波叫初波（P波），横波叫次波（S波）。

2 面波：只限于在地面附近传播的波，也就是体波经过地层界面多次反射形成的次生波。

面波包含：瑞雷波（R波）和洛夫波（L波）。

特点：周期长，振幅大，只在地表附近传播，比体波衰减慢，能传播到很远的地方。

▲瑞雷波：传播时，质点在波的传播方向和地面法线组成的平面内（XZ）做椭圆形运动，而在与XZ平面垂直的水平方向（Y）没有振动，质点在地面上呈滚动形式。

▲洛夫波：传播时，质点只在与传播方向相垂直的水平方向（Y）运动，在地面上呈蛇形运动形式。

从实际地震时记录到的地震波可以看出，首先达到的是纵波（初波、P波），接着是横波（次波、S波），面波达到的最晚。

一般情况下，当横波或面波达到时，振幅增大，地面振动最猛烈，造成的危害也最大。

▲震级是表示一次地震本身强弱程度或大小的尺度，也是表示一次地震释放能量的多少，是一个衡量地震强度的指标。

一次地震只有一个震级。

▲目前，国际上比较通用的是里氏震级，即地震震级为
式中A是标准地震仪（周期0.8s，阻尼系数0.8，放大倍数2800倍的地震仪）在距震中100km处记录的以微米（1微米=10-6m）为单位的最大水平地动位移（单振幅）。

▲震级与震源释放能量的大小有关。

震级每差一级，地震释放的能量将相差32倍。

▲地震按震级大小分为：
（1）微震：小于2级，人感觉不到，只有仪器才能记录下来。

（2）有感地震：2-4级，人能感觉到。

（3）破坏性地震：5级以上地震，能够引起不同程度破坏。

（4）强烈地震或大震：7级以上地震。

（5）特大地震：8级以上地震。

为评定地震烈度，需要建立一个标准，这个标准就是地震烈度表。

它以描述震害宏观现象为主，即根据建筑物的破坏程度、地貌变化特征、地震时人的感觉、家具的动作反应等进行区分。

▪日本采用8个等级的地震烈度表。

▪一些欧洲国家采用10度划分的地震烈度表。

▪我国和世界上大多数国家都采用12度划分的地震烈度表。

一次地震的震级只有一个，但距离震中不同的地点，地震的影响不同，地震烈度就不同。

震级与震中烈度的关系：
粗略估算方法：震级减1后乘1.5即为震中烈度。

影响地震烈度的因素：
▪描述地震的主要特性的三个要素：
▪地震的幅值：是运动的加速度、速度或位移的最大值。

目前采用最多的地震幅值是地面运动最大加速度幅值。

它可以描述地面震动的强弱程度，且与震害有着密切关系。

▪地震动频谱特性：是指地震动对具有不同自振周期的结构的反应特性，通常可以用反应谱、功率谱和傅里叶谱来表示。

而反应谱是工程中最常用的形式，已成为工程结构抗震设计的基础。

▪地震动的持时特性：在相同的地面运动最大加速度作用下，当强震的持续时间长，则该地点的地震烈度高，结构物的破坏重，反之亦然。

一基本术语
▪抗震设防烈度：按国家规定的权限作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。

▪抗震设防标准：衡量抗震设防要求的尺度，由抗震设防烈度和建筑使用功能的重要性确定。

▪地震作用：地面运动发生时在上部结构质点处产生的惯性力，包括水平地震作用和竖向地震作用。

▪设计地震的参数：抗震设计用的加速度（速度、位移）时程曲线、加速度反应谱和峰值加速度。

▪设计基本地震加速度：50年设计基准期超越概率10%的地震加速度的设计取值。

▪设计特征周期：抗震设计用的地震影响系数曲线中，反映地震震级、震中距和场地类别等因素的下降段起始点对应的周期值。

▪抗震措施：除地震使用计算和抗力计算以外的抗震设计内容，包括抗震构造措施。

▪抗震构造措施：根据抗震概念设计原则，一般不需要计算而对结构和非结构各部分必须采取的各种细部要求。

▪建筑所在地区遭受的地震影响，应采取相应抗震设防烈度的设计基本地震加速度和设计特征周期或规定的设计地震动参数来表征。

而建筑的设计特征周期应根据其所在地的设计地震分组和场地类别来确定。

▪《抗震规范》用设计地震分组来体现震级和震中距的影响，建筑工程的设计地震分
为三组
三建筑的分类
1、根据建筑物使用功能的重要性，按其地震破坏产生的后果，将建筑物分为四类：
▪甲类——特别重要，破坏会产生严重后果
▪乙类——地震时使用功能不能中断，如城市生命线工程及救灾需要的建筑
▪丙类——除甲、乙、丁类以外的建筑（一般工业与民用建筑）
▪丁类——次要建筑
2 各类建筑的设防标准：
▪甲类建筑：
地震作用：应高于本地区抗震设防烈度的要求，其值应按批准的地震安全性评价结果确定。

抗震措施：在6～8度时，设防烈度应提高一度；
在9度时，要求应比9度设防烈度更高。

▪乙类建筑：
地震作用：符合本地区抗震设防烈度
抗震措施：在6～8度时，设防烈度应提高一度；
在9度时，要求应比9度设防烈度更高。

▪丙类建筑：地震作用：取与本地区相同设防烈度
抗震措施：取与本地区相同设防烈度
▪丁类建筑：
地震作用：与本地区设防烈度相同
抗震措施：取本地区设防烈度降低一度要求
五抗震设防的目标
在遭受低于本地区设防的多遇地震影响时，建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用(小震不坏)。

在遭受本地区规定的设防烈度的地震影响时，建筑物可能有一定损坏，但不致危及人民生命和生产设备的安全，经一般修理或不需修理仍可继续使用(中震可修)。

在遭受高于本地区设防烈度的预估罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命的严重破坏(大震不倒)。

六两阶段抗震设计方法
《规范》规定以两阶段设计方法来实现抗震设防目标：
第一阶段：建筑结构在多遇地震作用下抗震承载能力的验算（隐含着设防烈度地震作用下的变形验算），保证小震不坏，中震可修。

第二阶段：通过对罕遇地震烈度地震作用下结构薄弱部位弹塑性变形验算，并采取相应的构造措施，保证大震不倒
2.1选择对抗震有利的场地、地段和地基。

1、选择对抗震有利地段的原则要求
▪选择建筑场地时，应根据工程需要，掌握地震活动情况、工程地质和地震地质的有关资料，对抗震有利、不利和危险地段作出综合评价。

▪有利地段：。

包括稳定基岩，坚硬土，开阔、平坦、密实、均匀的中硬土等。

▪危险地段：指地震时可能发生崩塌、滑坡、地陷、地裂、泥石流等地段，及震中烈度为8度以上的发震断裂带在地震时可能发生地表错位的地段。

▪《规范》3.3.1：对不利的地段，应提出避开要求；当无法避开时应采取有效措施；
不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑。

2 选择有利于抗震的场地
为减少地面运动通过建筑场地和地基传给上部结构的地震能量，应采用下列方法：▪（1）选择薄的场地覆盖层。

▪（2）选择坚实的场地土。

▪（3）将建筑物的地震周期与地震动的卓越周期错开，避免共振。

▪（4）采用基础隔震或消能减震措施
《规范》3.3.4：地基和基础设计应符合下列要求：
1、同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上；
2、同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基；（可设沉降缝，成为两个单元）
3、地基为软弱粘性土、液化土、新近填土或严重不均匀时，应估计地震时地基不均匀沉降或其他不利影响，并采取相应措施。

2.2 设计有利的房屋体形，
进行合理结构布置
抗震规范》3.4.1
建筑设计应符合抗震概念设计的要求，不应采用严重不规则的设计方案。

3.4.2
建筑及其抗侧力结构的平面布置宜规则、对称，并应具有良好的整体性；建筑的立面和竖向剖面宜规则，结构的侧向刚度宜均匀变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自下而上逐渐减少，避免抗侧力结构的侧向刚度和承载力突变。

《规范》3.4.2
1、扭转不规则：楼层的最大弹性水平位移（或层间位移），大于该楼层两端弹性水平位移（或层间位移）平均值的1.2倍。

2、凹凸不规则：结构平面凹进的一侧尺寸，大于相应投影方向总尺寸的30%。

3、楼板局部不连续：楼板的尺寸和平面刚度急剧变化。

例如：开洞面积大于该楼层面积的30%，或较大的楼层错层，或有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%。

竖向不规则的类型
侧向刚度不规则：该层的侧向刚度小于相邻上一层的70%，或小于其上相邻三个楼层侧向刚度平均值的80%；除顶层外，局部收进的水平向尺寸大于相邻下一层的25%。

竖向抗侧力构件不连续：竖向抗侧力构件（柱、抗震墙、抗震支撑）的内力由水平转换构件（梁、桁架）向下传递。

楼层承载力突变：抗侧力结构的层间受剪承载力小于相邻上一楼层的80%。

▪防震缝的合理设置
变形缝包括：伸缩缝、沉降缝、防震缝，对于抗震设防烈度为6度以上的房屋，伸缩缝、沉降缝均应符合防震缝的要求，即在抗震区，三种缝统称为防震缝。

高层建筑一般通过调整平面形状和尺寸，并在构造上以及施工时采取一些措施，不设防震缝。

当需要设置防震缝时，防震缝的最小缝宽应符合下列规定：
《规范》6.1.4
（1）框架房屋，当高度不超过15m，可采用70mm；当高度超过15m，6度、7度、8度、9度相应每增高5m、4m、3m 、2m，宜加宽20mm；
（2）框架—抗震墙房屋的防震缝宽，可采用（1）数值的70%；抗震墙房屋可采用（1）数值的50%，且不宜小于70mm。

（3）防震缝两侧结构体系不同时，宜按需要较宽防震缝的结构类型和较低房屋高度确定缝宽。

▪合理的抗震结构布置
（1）平面布置力求对称
若为非对称结构，因质心与刚心不重合，远离刚心的构件，由于侧移量很大，所分担的水平地震剪力就大，容易出现超出其允许抗力和变形极限而发生严重破坏，甚至导致结构因一侧构件失效而倒塌。

（2）竖向布置力求均匀
结构竖向布置的关键：尽可能使竖向刚度、强度均匀变化，避免出现薄弱层，并应尽可能降低房屋的重心
▪抗震结构体系的确定
结构体系应符合下列各项要求
《规范》3.5.2
①应具有明确的计算见简图和合理的地震作用传递途径。

②应避免因部分结构或构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力。

③应具备必要的抗震承载力，良好的变形能力和消耗地震能量的能力。

④对可能出现的薄弱部位，应采取措施提高抗震能力。

2.3 选择合理的结构材料
从抗震角度考虑，作为一种好的结构材料，其结构材料应具备：
①延性系数高（如钢结构）
②强度/重力比值大（如轻质高强材料）
③匀质性好
④正交各向同性（变形相同）
⑤构件的连接具有整体性、连续性和较好的延性，并能发挥材料的全部强度。

按照上述标准，常见结构类型，按其抗震性能的优劣排序为：
钢结构型钢混凝土结构混凝土—钢组合结构现浇钢筋混凝土结构预应力混凝土结构装配式钢筋混凝土结构配筋砌体结构砌体结构
对常用结构材料的质量要求
1 钢筋
▪采用中强钢筋，延伸率不小于4%～6%。

▪钢筋的屈服强度实测值与强度标准值的比值不应大于1.3。

▪钢筋的抗拉强度实测值与屈服强度实测值的比值不应小于1.25 。

▪不能使用冷加工钢筋
▪应检测钢筋的应变老化脆裂、可焊性、低温抗脆裂。

普通钢筋宜优先采用延性、韧性和可焊性较好的钢筋；普通钢筋的强度等级，纵向受力钢筋宜选用HRB400级和HRB335级热轧钢筋，箍筋宜选用HRB335、HRB400和HPB400级热轧钢筋。

2 混凝土
▪混凝土的强度等级，对于框支梁、框支柱及抗震等级为一级的框架梁、柱、节点核心区，不应低于C30；构造柱、芯柱、圈梁及其他各类构件不应低于C20。

▪混凝土结构的混凝土强度等级，9度时不宜超过C60，8度时不宜超过C70。

3 型钢
▪足够的延性。

▪力学性能的一致性。

▪好的切口延性
▪无分层现象
▪对片状撕裂的抵抗能力。

▪良好的可焊性和合格的冲击韧性。

钢结构的钢材宜采用Q235等级B、C、D的碳素结构钢及Q345等级B、C、D、E的低合金高强度结构钢；当有可靠依据时，也可采用其他钢种和钢号。

2.4 提高结构抗震性能的措施
1 设置多道抗震防线
一抗震结构体系，应有若干个延性较好的分体系组成，并由延性较好的结构构件连接起来协同工作。

如：框架—抗震墙体系是由延性框架和抗震墙两个系统组成；双肢或多肢抗震墙体系由若干个单肢墙分系统组成。

多道抗震防线的必要性：
多道抗震防线对抗震结构是必要的，当第一道防线的抗侧力构件在强烈地震袭击下遭到破坏后，后备的第二道至第三道防线的抗侧力构件立即接替，抵挡住后续的地震动的冲击，可保证建筑物最低限度的安全，免于倒塌
第一道防线的构件选择
原则：应优先选择不负担或少负担重力荷载的竖向支撑或填充墙，或选用轴压比值较小的抗震墙、实体筒体之类构件，作为第一道抗震防线的抗侧力构件。

一般情况，不宜采用轴压比很大的框架柱兼作第一道防线的抗侧力构件。

如因条件有限，只能采用单一的框架体系，框架就成为整个体系中唯一的抗侧力构件，此时应采用“强柱弱梁”型延性框架。

（即梁为第一道，柱为第二道） 结构体系的多道设防
框架——抗震墙结构
抗震墙：第一道防线
框架：第二道防线
单层厂房
柱间支撑：第一道防线
柱：第二道防线
▪结构构件的多道设防
强柱弱梁”型延性框架
梁：第一道防线
柱：第二道防线
超静定结构构件中
赘余构件：第一道防线
2 提高结构延性
延性：结构承载能力无明显降低的前提下，结构产生非弹性变形的能力。

有四个方面的含义：（把延性的概念体现到具体的指标上）
①总体延性：用结构的“顶点侧移比”或结构的“平均侧移比”表达。

②楼层延性：以一个楼层的层间侧移比表达。

③构件延性：指整个结构中某一构件（如一榀框架或一片墙体）的延性。

④杆件延性：指一个构件中某一杆件（框架的梁、柱，墙中的连梁或墙肢）的延性。

提高结构延性的原则：
①在结构竖向：重点提高可能出现塑性变形集中的相对柔弱楼层的构件延性。

②在结构平面：着重提高房屋周边转角处、平面突变处及复杂平面各翼相接处的构件延性。

③对多道抗震防线的抗侧力体系，着重提高第一道防线中构件的延性。

④在同一构件中，着重提高关键杆件的延性。

⑤同一杆件中，着重提高延性的部位应是预期构件首先屈服的部位。

3 采用减震方法
▪提高结构阻尼。

▪采用高延性构件。

▪采用隔震和消能减震措施。

4 优选耗能构件
▪弯曲耗能优于剪切耗能
▪弯曲耗能优于轴变耗能
2.5 加强结构整体性，控制结构变形
1 控制结构变形
结构变形：
层间位移（影响非结构构件的破坏）顶点位移（影响防震缝宽度、结构总体稳定以及小震时人的感觉）
2 确保结构整体性
结构类型的选择和施工两方面保证结构的连续性；保证抗震结构构件之间的连续可靠和具有较好的延性；；采取措施，以抵抗地震时可能出现的地基不均匀沉陷。