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思考题：

何谓抗震概念设计？

参考文献

刘明.建筑结构抗震.北京：

中国建筑工业出版社

丰定国，王社良.抗震结构设计.武汉：

武汉工业大学出版社，2001

建筑抗震设计规范（GB50011—2010）.北京：

中国建筑工业出版社，2010

教案附页

§

地震是一种自然现象。

据统计，地球每年平均发生500万次左右的地震，其中，5级以上的强烈地震约1000次左右。

如果强烈地震发生在人类聚居区，就可能造成地震灾害。

为了抵御与减轻地震灾害，有必要进行工程结构的抗震分析与抗震设计。

1.1.1地震可以划分为诱发地震和天然地震两大类。

诱发地震主要是由于人工爆破、矿山开采及重大工程活动（如兴建水库）所引发的地震，诱发地震一般不太强烈，仅有个别情况（如水库地震）会造成严重的地震灾害。

天然地震包括构造地震与火山地震。

前者由地壳构造运动所产生，后者则由火山爆发所引起。

比较而言，构造地震发生数量大（占地震发生总数约90%）、影响范围广，是地震工程的主要研究对象。

对于构造地震，可以从宏观背景和局部机制两个层次上解释其成因。

从宏观背景上考察，地球内部由三个圈层构成：

地壳、地幔与地核。

通常认为：

地球最外层是由一些巨大的板块所组成（图1-1），板块向下延伸的深度大约为70至100km。

由于地幔物质的对流，这些板块一直在缓慢地相互运动。

板块的构造运动，是构造地震产生的根本原因。

从局部机制上分析，地球板块在运动过程中，板块之间的相互作用力会使地壳中的岩层发生变形（图1—2（b））。

当这种变形积聚到超过岩石所能承受的程度时，该处岩体就会发生突然断裂或错动（图1-2（c）），从而引起地震。

图1-1板块分布图

（a）岩层的原始状态（b）受力发生弯曲（c）岩层破裂发生振动

图1-2岩层的变形与破裂

地球内部断层错动并引起周围介质振动的部位称为震源。

震源正上方的地面位置叫震中。

地面某处至震中的水平距离叫做震中距。

1.1.2地震波

地震时，地下岩体断裂、错动并产生振动。

振动以波的形式从震源向外传播，就形成了地震波，其中，在地球内部传播的波称为体波，而沿地球表面传播的波叫做面波。

体波有纵波和横波两种形式。

纵波是由震源向外传递的压缩波，其介质质点的运动方向与波的前进方向一致（图1-3（a））。

纵波一般周期较短、振幅较小，在地面引起上下颠簸运动。

横波是由震源向外传递的剪切波，其质点的运动方向与波的前进方向相垂直（图1-3（b））。

横波一般周期较长，振幅较大，引起地面水平方向的运动。

面波主要有瑞雷波和乐夫波两种形式。

瑞雷波传播时，质点在波的前进方向与地表法向组成的平面内作逆向的椭圆运动（图1-4（a））。

这种运动形式被认为是形成地面晃动的主要原因。

乐夫波传播时，质点在与波的前进方向相垂直的水平方向运动（图1-4（b）），在地面上表现为蛇形运动。

面波周期长，振幅大。

由于面波比体波衰减慢，故能传播到很远的地方。

图1-4面波质点振动方式

（a）瑞雷波质点振动（b）乐甫波质点振动

地震波的传播速度，以纵波最快、横波次之，面波最慢。

所以，在地震发生的中心地区人们的感觉是，先上下颠簸，后左右摇晃。

当横波或面波到达时，地面振动最为猛烈，产生的破坏作用也较大。

在离震中较远的地方，由于地震波在传播过程中能量逐渐衰减，地面振动减弱，破坏作用也逐渐减轻。

1.1.3地震动

由地震波传播所引发的地面振动，通常称为地震动。

其中，在震中区附近的地震动称为近场地震动。

对于近场地震动，人们一般通过记录地面运动的加速度来了解地震动的特征。

对加速度记录进行积分，可以得到地面运动的速度与位移（图1-5）。

一般说来，地震动空间上具有3个平动方向的分量，3个转动方向的分量。

图1-5地面运动的加速度、速度、位移

从前面对于地震波的介绍可知，地面上任一点的振动过程实际上包括了各种类型地震波的综合作用。

因此，地震动记录的最明显表征是其不规则性。

从工程应用角度考察，可以采用有限的几个要素反映不规则的地震波。

例如，通过最大振幅，可以定量反映地震动的强度特性；

通过对地震动记录的频谱分析，可以揭示地震动的周期分布特征；

通过对强震持续时间的定义和测量，可以考察地震动循环作用程度的强弱。

地震动的峰值（最大振幅）、频谱和持续时间，通常称为地震动的三要素。

工程结构的地震破坏，与地震动三要素密切相关。

1.2.1地震震级

地震震级是表示地震大小的一种度量。

其数值是根据地震仪记录到的地震波图确定的。

根据我国现用仪器，近震（震中距小于1000km）震级M按下式计算：

M=logA+R（Δ）（1-1）

式中A——记录图上量得的以um为单位的最大水平位移；

R（Δ）——依震中距Δ而变化的起算函数。

震级M与震源释放能量E（单位为尔格）之间的关系为：

logE=1.5M+11.8（1-2）

上式表示的震级通常又称为里氏震级。

式（1-2）表明，震级每增加一级，地震所释放出的能量约增加30倍。

大于2.5级的浅震，在震中附近地区的人就有感觉，叫做有感地震；

5级以上的地震，会造成明显的破坏，叫做破坏性地震。

世界上已记录到的最大地震的震级为8.9级。

1.2.2地震烈度

地震烈度是指某一区域内的地表和各类建筑物遭受一次地震影响的平均强弱程度。

一次地震，表示地震大小的震级只有一个。

然而，由于同一次地震对不同地点的影响不一样，随着距离震中的远近变化，会出现多种不同的地震烈度。

一般来说，距离震中近，地震烈度就高；

距离震中越远，地震烈度也越低。

为评定地震烈度而建立起来的标准叫做地震烈度。

不同国家所规定的地震烈度表往往是不同的，我国规定的地震烈度表见本书附录A。

对应于一次地震，在受到影响的区域内，可以按照地震烈度表中的标准对一些有代表性的地点评定出地震烈度。

具有相同烈度的各个地点的外包络线，称为等烈度线（图1-6）。

等烈度线（或称等震线）的形状与发震断裂取向、地形、土质等条件有关，多数近似呈椭圆形。

一般情况下，等烈度线的度数随震中距的增大而递减，但有时由于局部地形或地质的影响，也会在某一烈度区内出现小块高一度或低一度的异常区（称为烈度异常）。

利用历史地震的等烈度线资料，可以针对不同地区建立宏观的地震烈度衰减规律关系式。

图1-6唐山地震等烈度线

震中区的地震烈度称为震中烈度。

依据震级粗略地估算震中烈度的方法是：

震级减1后乘1.5，即为震中烈度。

即

M=1+2/3I。

（1-3）

式中，I。

为震中烈度。

1.2.3基本烈度与地震区划

基本烈度是指一个地区在一定时期（我国取50年）内在一般场地条件下按一定概率（我国取10%）可能遭遇到的最大地震烈度。

它是一个地区进行抗震设防的依据。

依据地质构造资料、历史地震规律、强震观测资料，采用地震危险性分析的方法，可以计算给出每一地区在未来一定时限内关于某一烈度（或地震动加速度值）的超越概率，从而，可以将国土划分为不同基本烈度所覆盖的区域。

这一工作称为地震区划。

随着研究工作的深入，地震区划已经可以给出地震动参数（如地震动的幅值）区划结果。

1.3.1中国地震背景

对世界范围内的强烈地震的统计分析表明，全球地震主要集中在两个大的地震构造系范围内。

其一是环太平洋地震构造系，集中了全世界地震总数的75%；

其二是位于北纬20°

~50°

之间的大陆地震构造系，集中了全球大陆地震的90%。

图1-7是全球重大地震的一个统计结果。

我国位于世界两大地震构造系的交汇区域，历史上就是地震多发的国家之一。

据统计，公元前1177年至1976年，我国共发生4.7级以上强震三千一百余次。

1900年至1980年间，我国发生6级以上强震606次，8级以上地震8次，地震中共死亡约146.8万人，约占全球地震死亡人数的一半。

惨重的地震灾害，给人类带来了不幸，也为后人抵御地震、考察地震灾害提供了大量的资料。

1.3.2地震的破坏作用

对历史地震的考察与分析表明，地震的破坏作用主要表现为三种形式：

地表破坏、建筑物的破坏、次生灾害。

1．地表破坏及其影响

地表破坏主要表现为地裂缝、地面下沉、喷水冒砂和滑坡等形式。

地裂缝分为构造性地裂缝和重力式地裂缝两类。

前者是地震断层错动后在地表形成的痕迹。

裂缝带长可延伸几公里到几十公里，带宽达数十厘米到数米。

后者是由于地表土质不匀及受地貌影响所形成，其规模较前者为小。

当地裂缝穿过建筑物时，会造成结构开裂直至建筑物倒塌。

地面下沉多发生在软土分布地区和矿业采空区。

地面的不均匀沉陷易引起建筑物的破坏甚至倒塌。

在地面下水位较高的地区，地震波的作用会使地下水压急剧增高，从而导致地下水经地裂缝或其它通道喷出地面。

当地表土层含有砂层或粉土层时，会造成砂土液化甚至出现喷水冒砂现象，液化可以造成建筑物倾斜与倒塌、埋地管网的大面积破坏。

在河岸、山崖、丘陵地区，地震时极易诱发滑坡。

地震时的大滑坡可以切断交通通道，冲毁房屋和桥梁、堵塞河流。

2．建筑物的破坏

建筑物的破坏可以因前述地表破坏引起，在性质上属于静力破坏。

更常见的建筑物破坏是由于地震地面运动的动力作用所引起，在性质上属于动力破坏。

我国历史地震资料表明，90%左右的建筑物的破坏是地表运动所导致的动力破坏作用所引起。

因此，结构物动力破坏机制的分析，是结构抗震研究的重点和结构抗震设计的基础。

建筑物的动力破坏主要表现为主体结构强度不足所形成的破坏和结构丧失整体性两类破坏形式。

其中，强度破坏主要是因为结构承重构件的抗剪、抗弯、抗压等强度不足而形成。

例如，墙体裂缝、钢筋混凝土构件开裂或酥裂等。

结构构件发生强度破坏前后，结构物一般进入弹塑性变形阶段。

在这一阶段，结构物在强烈振动作用下会因为延性不足、节点连接失效、主要承重构件失稳等原因而丧失整体性，从而造成局部或整个结构的倒塌。

3．次生灾害

地震时，水坝、煤气管道、供电线路的破坏，以及易燃、易爆、有毒物质容器的破坏，均可造成水灾、火灾、空气污染等次生灾害。

例如，1995年的日本阪神大地震，震后火灾多达500余处，震中区木结构房屋几乎全部烧毁。

此外，地震引起的海啸，也会对海边建筑物造成巨大的破坏。

1．4．1抗震设防的目的和要求

工程抗震设防的基本目的是在一定的经济条件下，最大限度地限制和减轻建筑物的地震破坏，保障人民生命财产的安全。

为了实现这一目的，近年来，许多国家的抗震设计规范都趋向于以“小震不坏、中震可修、大震不倒”作为建筑抗震设计的基本准则。

我国对小震、中震、大震规定了具体的超越概率水准。

根据对我国几个主要地震区的地震危险性分析结果，认为我国地震烈度I的概率分布基本上符合于极值III型分布，其概率密度函数的基本形式为：

式中，k——形状参数，取决于一个地区的地震背景的复杂性；

——地震烈度上限值，取

=12;

——烈度概率密度曲线上峰值所对应的强度。

地震烈度概率密度函数曲线的基本形状示如图1-8，其具体形状参数取决于设定的分析年限和具体地点。

从概率意义上说，小震就是发生机会较多的地震。

根据分析，当分析年限取为50年时，上述概率密度曲线的峰值烈度所对应的被超越概率为63.2%，因此，可以将这一峰值烈度定义为小震烈度，又称多遇地震烈度。

而全国地震区划图所规定的各地的基本烈度，可取为中震对应的烈度。

它在50年内的超越概率一般为10%。

大震是罕遇的地震，它所对应的地震烈度在50年内超越概率2%左右，这个烈度又可称为罕遇地震烈度。

通过对我国45个城镇的地震危险性分析结果的统计分析得到：

基本烈度较多遇烈度约高1.55度，而较罕遇烈度约低1度（图1-8）。

对应于前述设计准则，我国建筑抗震设计规范（GB50011-2001）明确提出了三个水准的抗震设防要求：

第一水准：

当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时，建筑物一般不受损坏或不需修理仍可继续使用；

第二水准：

当遭受相当于本地区设防烈度的地震影响时，建筑物可能损坏，但经一般修理即可恢复正常使用；

第三水准：

当遭受高于本地区设防烈度的罕遇地震影响时，建筑物不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏。

在一般情况下，上述设防烈度采用基本烈度，但对进行过抗震设防区划工作并经主管部门批准的城市，按批准的抗震设防区划确立设防烈度或设计地震动参数。

我国建筑抗震设计规范（GB50011-2001）对我国主要城镇中心地区的抗震设防烈度、设计地震加速度值给出了具体规定（附录B）。

在这些规定中，还同时指出了所在城镇的设计地震分组，这主要是为了反映潜在震源远近的影响。

一般而言，潜在震源远，地震时传来的地震波长周期分量较显著。

为反映这一影响，对各城镇在规定抗震设防烈度、抗震设计地震动加速度值的同时，还给出了设计地震分组。

这一划分使对地震作用的计算更为细致。

我国采取6度起设防的方针。

根据这一方针，我国地震设防区面积约占国土面积的百分之六十。

1.4.2抗震设防要求

在进行建筑抗震设计时，原则上应满足上述三水准的抗震设防要求。

在具体做法上，我国建筑抗震设计规范采用了简化的两阶段设计方法。

第一阶段设计：

按多遇地震烈度对应的地震作用效应和其它荷载效应的组合验算结构构件的承载能力和结构的弹性变形。

第二阶段设计：

按罕遇地震烈度对应的地震作用效应验算结构的弹塑性变形。

第一阶段的设计，保证了第一水准的强度要求和变形要求。

第二阶段的设计，则旨在保证结构满足第三水准的抗震设防要求，如何保证第二水准的抗震设防要求，尚在研究之中。

目前一般认为，良好的抗震构造措施有助于第二水准要求的实现。

1.4.3建筑物重要性分类与设防标准

对于不同使用性质的建筑物，地震破坏所造成后果的严重性是不一样的。

因此，对于不同用途建筑物的抗震设防，不宜采用同一标准，而应根据其破坏后果加以区别对待。

为此，我国建筑抗震设计规范将建筑物按其用途的重要性分为四类：

甲类建筑：

指重大建筑工程和地震时可能发生严重次生灾害的建筑。

这类建筑的破坏会导致严重的后果，其确定须经国家规定的批准权限予以批准；

乙类建筑：

指地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑。

例如抗震城市中生命线工程的核心建筑。

城市生命线工程一般包括供水、供气、供电、交通、通讯、消防、医疗救护等系统。

丙类建筑：

指一般建筑，包括除甲、乙、丁类建筑以外的一般工业与民用建筑,如普通工业厂房、居民住宅、商业建筑等。

丁类建筑：

指次要建筑，包括一般的仓库，人员较少的辅助建筑物等。

对各类建筑抗震设防标准的具体规定为：

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，当抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求。

乙类建筑，地震作用应符合本地区抗震设防烈度的要求；

抗震措施，一般情况下，当抗震设防烈度为6～8度时，应符合本地区抗震设防烈度提高一度的要求，当为9度时，应符合比9度抗震设防更高的要求；

地基基础的抗震措施，应符合有关规定。

对较小的乙类建筑，当其结构改用抗震性能较好的结构类型时，应允许仍按本地区抗震设防烈度的要求采取抗震措施。

丙类建筑，地震作用和抗震措施均应符合本地区抗震设防烈度的要求。

丁类建筑，一般情况下，地震作用仍应符合本地区抗震设防烈度的要求；

抗震措施应允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低，但抗震设防烈度为6度时不应降低。

一般说来，建筑抗震设计包括三个层次的内容与要求：

概念设计、抗震计算与构造措施。

概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则；

抗震计算为建筑抗震设计提供定量手段；

构造措施则可以在保证结构整体性、加强局部薄弱环节等意义上保证抗震计算结果的有效性。

抗震设计上述三个层次的内容是一个不可割裂的整体，忽略任何一部分，都可能造成抗震设计的失败。

关于抗震计算与抗震构造措施我们准备在后续各章中逐步深入论述。

这里，先讨论抗震概念设计的问题。

建筑抗震设计在总体上要求把握的基本原则可以概括为：

注意场地选择，把握建筑体型，利用结构延性，设置多道防线，重视非结构因素。

1．5．1注意场地选择

建筑场地的地质条件与地形地貌对建筑物震害有显著影响。

这已为大量的震害实例所证实。

从建筑抗震概念设计的角度考察，首先应注意建筑场地的选择。

简单地说，地震区的建筑宜选择有利地段、避开不利地段、不在危险地段建设。

各类地段划分原则见表1-3。

表1-3有利、不利和危险地段的划分

地段类别

地质、地形、地貌

有利地段

稳定基岩、坚硬土，开阔、平坦、密实、均匀的中硬土等

不利地段

软弱土、液化土，条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非岩质的陡坡，河岸和边坡边缘，平面分布上成因、岩性、状态明显不均匀的土层（如故河道、疏散的断层破碎带、暗埋的塘浜沟谷及半填半挖地基）等

危险地段

地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发震断裂带上可能发生地表位错的部位

当确实需要在不利地段或危险地段建筑工程时，应遵循建筑抗震设计的有关要求进行详细的场地评价并采取必要的抗震措施。

1．5．2把握建筑体型

建筑物平、立面布置的基本原则是：

对称、规则、质量与刚度变化均匀。

结构对称有利于减轻结构的地震扭转效应。

而形状规则的建筑物，在地震时结构各部分的振动易于协调一致，应力集中现象较少，因而有利于抗震。

质量与刚度变化均匀有两方面的含义：

其一是在结构平面方向应尽量使结构刚度中心与质量中心相一致，否则，扭转效应将使远离刚度中心的构件产生较严重的震害；

其二是沿结构高度方向结构质量与刚度不宜有悬殊的变化，竖向抗侧力构件的截面尺寸和材料强度宜自上而下逐渐减小。

地震震害实例和大量理论分析均表明：

结构刚度有突然削弱的薄弱层，在地震中会造成变形集中，从而加速结构的倒塌破坏过程。

而在结构上部刚度较小时，会形成地震反应的“鞭梢效应”，即变形在结构顶部集中的现象。

表1-4和表1-5分别列举了平面不规则和竖向不规则的建筑类型。

对于因建筑或工艺要求形成的体型复杂的结构物，可以设置抗震缝，将结构物分成规则的结构单元。

但对高层建筑，要注意使设缝后形成的结构单元的自振周期避开场地土的卓越周期。

对于不宜设置抗震缝的体型复杂的建筑，则应进行较精细的结构抗震分析。

表1-4平面不规则的类型

不规则类型

定义

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

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%

楼板局部不连续

楼板的尺寸和平面刚度急剧变化,例如有效楼板宽度小于该层楼板典型宽度的50%，或开洞面积大于该层楼面面积的30%，或较大的楼层错层。

表1-5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、桁架等）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%

1．5．3利用结构延性

仅利用结构的弹性性能抗御强烈地震是不明智的。

正确的做法是同时利用结构弹塑性阶段的性能，通过结构一定限度内的塑性变形来消耗地震时输入结构的能量。

设某一结构的外力、最大位移的关系如图1-9所示。

图中Δy为屈服变形，Δe为对应外力pe的弹性变形，Δp为对应2点的弹塑性变形，Δu为结构变形极限，py为结构屈服强度。

若仅按弹性设计结构，则对相应于三角形045面积的地震输入能量，要求结构至少具有pe的抗力才可保证结构不破坏。

在多数情况下，这将是很不经济的。

而若利用弹塑性变形，则只需要求结构具有抗力py，同时，允许结构达到变形Δp。

此时，由于面积A与面积B相等，结构所吸收的能量可保持与前一方案一致，从而使结构可以承受同样的地震作用。

显然，py比pe小得多。

这样，便降低了结构截面尺寸，因之降低了造价。

ee由于允许结构出现一定的弹塑变形所造成的损害，可以从限制设计变形处于可修的范围之内及地震发生是偶然事件两方面得到补偿。

不仅如此，如果把图1-9中的0-1-4看作是脆性材料的变形过程结构，而将图中0-1-2-3年作是延性材料结构的变形过程，则脆性结构在点4将破坏，而延性结构可以工作到3点才破坏。

由此可见，脆性结构尽管抗力很大，但吸收地震能量的能力并不强，而延性结构却因可以吸收更多地震输入能量而有利于抗御结构倒塌的发生。

在设计中，可以通过各种各样的构造措施和耗能手段来增强结构与构件的延性。

例如，对于钢筋混凝土结构，可以采用强剪弱弯、强节点弱构件的设计策略促使梁以弯曲形式产生较大变形；

对于砌体结构，可以采用墙体配筋、构造柱~圈梁体系等措施增加结构的延性。

1．5．4设置多道防线

在建筑抗震设计中，有意识地使结构具有多道抗震防线，是抗震概念设计的一个重要组成部分。

多道抗震防线的概念可以从图1-10的解释中得到基本认识。

在图1-10（a）中，强梁弱柱型的框架结构在底层柱的上下端出现塑性铰，或单肢剪力墙结构在底部出现屈服变形，将迅速导致结构的倒塌。

而在图1-10（b）中，强柱弱梁型的框架结构或双肢剪力墙加连系梁的结构，则需要全部梁端出现塑性铰并迫使结构底部也出现屈服变形时，结构才会破坏。

显然，后者至少存在两道抗震防线，一是从弹性到部分梁（或连系梁）出现塑性铰，二是从梁塑性铰发生较大转动到柱根（或剪力墙底部）破坏。

在两道防线之间，大量地震输入能量被结构的弹塑性变形所消耗。

在建筑抗震设计中，可以利用多种手段实现设置多道防线的目的。

例如：

采用超静定结构、有目的地设置人工塑性铰、利用框架的填充墙、设置耗能元件或耗能装置等等。

但在各种灵活多样的设计手法中应该共同注意的原则是：

1.不同的设防阶段应使结构周期有明显差别，以利避免共振；

2.最后一道防线要具备一定的强度和足够的变形潜力。

1．5．5注意非结构因素

非结构因素含义较为宽泛，其中最主要的是非结构构件的处理。

非结构构件的存在，会影响主体结构的动力特性（如结构阻尼、结构振动周期等）。

同时，一些非结构构件（如玻璃幕墙、吊顶、室内设备等）在地震中往往会先期破坏。

因此，在结构抗震概念设计中，应特别注意非结构构件与主体结构之间要有可靠的连接或锚固。

同时，对可能对主体结构振动造成影响的非结构构件，如围护墙、隔墙等，应注意分析或估计其对主体结构可能带来的影响，并采取相应的抗震措施。