土建结构抗震现状分析及研究.docx

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土建结构抗震现状分析及研究

毕业设计（论文）

函授站：

专业：

姓名：

学号：

指导教师：

北京交通大学远程与继续教育学院

2018年9月

毕业设计（论文）承诺书与版权使用授权书

本人所呈交的毕业论文是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果。

除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。

与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

本毕业论文是本人在读期间所完成的学业的组成部分，同意学校将本论文的部分或全部内容编入有关书籍、数据库保存，并向有关学术部门和国家相关教育主管部门呈交复印件、电子文档，允许采用复制、印刷等方式将论文文本提供给读者查阅和借阅。

论文作者签名：

_______________________年_______月______日

指导教师签名：

________________________年_______月______日

北京交通大学

毕业设计（论文）成绩评议

年级

层次

专业

姓名

题目

指

导

教

师

评

阅

意

见

成绩评定：

指导教师：

年月日

答

辩

小

组

意

见

答辩小组负责人：

年月日

北京交通大学

毕业设计（论文）任务书

本任务书下达给：

2011级人力资源管理专业学生郭超

设计（论文）题目：

某企业培训研究

一、毕业设计（论文）基本内容

二、基本要求

三、重点研究的问题

四、主要技术指标

。

五、其他要说明的问题

下达任务日期：

年月日

要求完成日期：

年月日

指导教师：

开题报告

题目：

学生姓名：

学号：

年月日

一、文献综述

填写说明：

指根据论文题目查阅参考文献，通过文献的阅读写清该课题内容的国内外研究与应用现状、基本研究方法、当前存在的问题、发展动向，进而引出开展本设计（论文）研究的内容、意义、必要性和价值等（页面大小可以根据字数多少调整）。

请删除填写说明

二、选题的目的和意义

三、研究方案（框架）

填写说明：

写明研究所用的理论基础、研究方法、研究步骤、预期成果（效果）等。

（页面大小可以根据字数多少调整）请删除填写说明

四、进度计划

五、指导教师意见

填写说明：

查阅资料是否全面，提出的研究方案和计划进度是否可行，还有什么需要注意和改进的方面，是否同意按学生提出的计划进行等。

请删除填写说明

指导教师：

年月日

中期报告

题目：

学生姓名：

学号：

一、进展情况

二、指导教师意见

指导教师：

年月日

结题验收

一、完成日期

二、完成质量

三、存在问题

四、结论

指导教师：

年月日

摘要

由于地震破坏威力巨大且难以预测，成为当前人类面临的巨大自然灾害之一。

地面建筑由于与大地直接相关，因此成为地震灾害的直接威胁对象。

思考如何确保地震作用下的建筑安全是当前土木工程领域研究的热点问题。

本文以土建类建筑为主要研究对象，首先对于当前应用较为成熟的结构抗震理论现状进行了研究与阐述，在此基础上通过总结以汶川、玉树地震为代表的不同结构类型建筑地震震害现状，就主要震害现象产生的原因进行了研究分析，最后针对不同结构类型提出了有针对性的土建结构抗震措施。

对于从概念上把握土建结构抗震设计与施工具有较好的参考意义。

关键词：

土建结构；抗震；震害现状；措施

ABSTRACT

ABSTRACT:

Asaresultoftheearthquakedamageofpowerfulanddifficulttopredict,becomeoneofthegreatestnaturaldisastersfacedbyhumanbeingsatpresent.Thebuildingsonthegroundasdirectlyrelatedtotheearth,thusbecomingadirectthreatobjectofearthquakedisaster.Howtoensurethesafetyofbuildingsunderearthquakeactionisthecurrenthotresearchtopicinthefieldofcivilengineering.Inthispaper,thecivilengineeringconstructionasthemainresearchobject,firstforthematureapplicationofthestructuralseismictheorypresentsituationtocarryontheresearchanddiscussion,onthebasisofthesummaryofdifferenttypesofbuildingsinWenchuan,Yushuearthquakeastherepresentativeoftheearthquakesituation,thereasonisthemainearthquakedamagephenomenonareanalyzed,finally,accordingtothedifferentstructuretypesareproposedinviewofcivilengineeringstructureseismicfortificationmeasures.Tograspthegoodreferencefordesignandconstructionofseismicstructurefromtheconcept.

KEYWORDS：

Civilengineeringstructure; seismic damage; presentsituation; measures

目录

摘要x

ABSTRACTxi

1绪论1

1.1研究背景及意义1

1.2国内外研究现状1

1.3本文主要研究框架4

2.结构抗震理论现状5

2.1地震作用的基本特征5

2.2结构抗震设计方法5

2.2.1静力法5

2.2.2反应谱法6

2.2.3基于反应谱和构造保证延性的设计方法6

2.3结构抗震能力的主要影响因素7

2.3.1建筑结构的场地选择7

2.3.2建筑结构的设计8

2.3.3建筑结构的原材料8

2.3.4建筑结构的施工质量8

3.土建结构地震震害现状9

3.1砌体结构震害现状9

3.2框架结构震害现状10

3.3剪力墙结构震害现状11

3.4框架一剪力墙结构震害现状12

4.土建结构抗震措施研究14

4.1砌体结构抗震措施14

4.2框架结构抗震措施15

4.3剪力墙结构的抗震措施16

4.4框架一剪力墙结构抗震措施16

5结论18

参考文献19

1绪论

1.1研究背景及意义

地震是一种突发式的自然灾害，强地震在瞬时就可以造成山崩地裂、河流改道、房屋倒塌、桥梁塌陷、堤坝溃决、给人民生命财产造成严重的危害。

地震引起的建筑物和工程设施的破坏以及由此引发的次生灾害，是导致人员伤亡和经济损失的重要原因。

据统计，地球上平均每年发生震级为8级以上、震中烈度11度以上的毁灭性地震2次；震级为7级以上、震中烈度为9度以上的大地震约20次；震级在2.5级以上的有感地震在15万次以上。

地震造成的人员伤亡及经济损失异常巨大，给社会经济及人们的心里带来了巨大的负面效应，使人们无法承受。

建筑结构抗震性能是确保建筑安全的重要方面，同时当前土木工程领域的重要研究问题。

经过近一百多年来的经验累积及相关理论的发展，目前对于常见建筑结构抗震问题已经能够做到很好的解决，但是由于当前设计与施工水平的差异，导致在地震作用下出现的建筑震害问题仍然十分严重。

为了最大程度的防止和减少建筑物和构筑物由于地震而造成的破坏，研究切实可行的建筑抗震方法并运用于现代建筑结构中去，使其在未来可能发生的地震作用下保持其设计的性能，对于确保人民生命财产的安全具有重要意义。

1.2国内外研究现状

经过100多年的科学研究和工程实践，结构的抗震设计通过相关学者的经验累积与理论升华经历了以下几个发展阶段：

（1）刚性设计：

这种设计是要大大增加结构刚度，使其与基础成为一个刚性整体。

在这种设计概念的指导下，结构的高度、跨度和复杂性都受到严格的限制。

（2）柔性设计：

与“刚性结构体系”设计相反，“柔性结构体系”设计是减小结构的刚度，这样虽然可以有效的减少作用在结构上的地震强度，但是在大震作用下会由于结构变形过大而导致结构破坏，甚至倒塌；在小震及中震作用下，又会由于刚度过低而很难满足结构的正常使用要求。

（3）延性设计：

这是目前采用较为普遍的设计概念，即适当控制结构的刚度分布，使结构构件在地震时进入非弹性变形状态，以消耗地震能量，保证结构不倒塌。

这种结构设计中，所有结构构件集两种功能为一体，即要保证结构的正常使用功能，又要能够在地震发生时具有抗震功能。

（4）结构控制设计：

以上的各种设计功能都是通过调整结构构件本身的刚度来抵御地震作用的，而结构控制则是通过在结构上设置控制机构，由控制机构和结构共同来抵御外地震作用。

（5）基于性能的抗震设计：

现代地震灾害引起巨大经济损失的新特点，引起了世界各国抗震工程界对现有抗震设计思想和方法进行深刻的反思，人们意识到必须从以往只重视结构安全，向全面注重结构的性能、安全、经济等诸多方面发展。

同时，高新技术的发展和人类生活质量的提高，使业主和使用者对建筑结构有了越来越多的性能要求，比如安全性、舒适性、经济性和易维护性等；建筑结构技术的飞速进步以及新的建筑材料、结构体系、设计方法的进一步发展，使得许多不同的建筑目标性能得以实现，因此有必要从性能的观点对现有抗震设计思想和方法进行反思，于是在上世纪90年代初美国科学家提出了基于性能的设计思想（PBSD）。

基于性能的抗震设计思想使得设计出的结构在未来地震作用下能够维持所要求的性能水平，结构的性能目标（应力水平、荷载、位移、极限状态、目标损伤指标）不被超越。

PBSD实现了结构性能水准、地震设防水准和结构性能目标的具体化，使得抗震设计从宏观定性的目标具体量化到多重目标的过渡，设计者可以针对不同设防烈度、场地条件及建筑的重要性采用不同的性能目标和抗震措施。

基于性能的抗震设计思想是建筑结构抗震设计的一个重要发展，代表着未来结构抗震设计的发展方向。

从上述各阶段关于结构抗震设计的发展可以看出，伴随着人们对于建筑遭受地震震害特点的分析，越来越注重于通过结构设计中的概念设计进而进行整体结构的抗震设计。

从以往的以提高建筑整体刚度来抵御地震作用，逐渐转变为通过对于结构构件及关键节点的加强或者释放，来达到吸收地震能量，减少地震人们生命财产的威胁。

近年来，相关学者通过试验与理论分析，对于土建结构抗震提出了一些抗震设计方法。

主动控制结构抗震设计：

主动控制的抗震效果较好，但由于需要通过外部作动器向结构输入控制能量，因此经济费用高；目前在中国，研究主要以理论分析、数据模拟为主，研究内容主要分为主动控制算法和主动控制装置两块，常用的主动控制装置有主动控制调谐质量控制系统、主动控制调谐质量阻尼控制系统、主动锚索控制系统、主动支撑系统等，比如，应用于高层建筑结构控制中的组合抗震消能支撑杆系，这种带有调谐质量阻尼器的结构，与高层结构主体相互连接，当结构承受地震作用时，能够通过这种耗能支撑显著吸收结构地震能量，降低结构层间位移。

基础隔震与被动控制设计均利用附属结构或设备，以此改变结构的整体模态，特别是模态阻尼，实现主结构的抗震效果。

由于基础隔震与被动控制设计不需要外部能源，比较易于在工程上实现，因此理论研究与工程应用较为广泛。

但由于采用附属结构的基础隔震与被动控制技术，它是在原主体功能结构设计完成后，需对其某种动力反应加以限制时而设计附属控制结构的，没有将结构的功能体系与控制体系作为一个整体进行一体化设计，因此在工程应用上有局限性。

1.3本文主要研究框架

2.结构抗震理论现状

2.1地震作用的基本特征

（1）振动破坏

地震波是震源地释放的一种能量，它是以弹性波形式向外传播。

地震波造成的地面振动，通过基础传到地面以上，导致建筑物的振动。

通常来说，建筑是按静力条件进行设计和建造的，很少考虑振动影响。

在振动作用下，有一定的弹性振动限度，当地震造成的振动强度超过这个极限时，会造成不可恢复的破坏。

（2）地基失效引起的破坏

在强烈振动作用下，会使地基部位的松散粉、细砂层发生液化，从而地基失去承载能力。

根据建筑抗震规范2010版的说明：

多遇地震为50年超越概率约为63%;抗震设防烈度为50年超越概率约为10%的地震烈度;罕遇地震为50年超越概率为2%-3%。

第3.10.3条条文说明：

多遇地震的理论重现期为50年，设防地震为475年，罕遇地震的7度约为1600年，9度约为2400年。

本文主要研究的是罕遇地震7度烈度下的建筑抗震情况。

2.2结构抗震设计方法

2.2.1静力法

静力法产生于20世纪初期，是最早的结构抗震设计方法。

上世纪初前后在日本浓尾、美国旧金山和意大利Messing的几次大地震中，人们注意到由地震产生的水平惯性力对结构的破坏作用，提出把地震作用看成是作用在建筑物上的一个总水平力，该水平力取为建筑物总重量乘以一个经验性的地震系数。

意大利都灵大学应用力学教授Panetti建议，一层建筑物设计地震水平力为上部结构重量的1110,2层和3层取上部重量的1/2。

这是最早的将水平地震作用定量化的建筑抗震设计方法。

日本关东大地震后，1924年日本的“都市建筑规范”首次增设的抗震设计规定，取地震系数为0.10。

1927年美国UBC规范第一版也采用静力法，地震系数也是取0.1。

用现在的结构抗震知识来考察，静力法没有考虑结构的动力效应，即认为结构在地震作用下，随地基作整体水平刚体移动，其运动加速度等于地面运动加速度，由此产生的水平惯性力（即建筑物重量与地震系数的乘积）沿建筑物高度均匀分布。

考虑到不同地区地震强度的差别，设计中取用的地面运动加速度按不同地震烈度分区给出。

2.2.2反应谱法

根据结构动力学的观点，地震作用下结构的动力效应，即结构上质点的地震反应加速度不同于地面运动加速度，而是与结构的自震周期和阻尼比有关。

采用动力学的方法可以求得不同周期单自由度弹性体系质点的加速度反应。

以结构的地震加速度反应为纵坐标，以体系的自震周期为横坐标，所得到的关系曲线称为地震加速度反应谱，以此来计算地震作用引起的结构上的水平惯性力显然更为合理，这即是反应谱法。

对于多自由度体系，可以采用振型分解法来确定地震作用。

反应谱法的发展与地震地面运动的记录直接相关。

1923年，美国研制出第一台强震地震地面运动记录仪，并在随后的几十年间成功的记录到许多强震记录，其中包括1940年的Elcentro和1952年的Taft等多条著名的强震地面运动记录。

1943年Biot发表了用实际地震记录求得的加速度反应谱。

20世纪50—70年代，以美国的Housner,Newmark和Clough为代表的一批学者在此基础上又进行了大量的研究工作，对结构动力学和结构工程学的发展做出了重要贡献，奠定了现代反应谱法抗震设计的理论基础。

然而，静力法和早期的反应谱法都是以惯性力的形式来反映地震作用，并按弹性方法来计算结构的地震作用效应。

当遭遇超过设防烈度的地震作用时，结构将进入弹塑性状态，这种方法显然无法应用。

同时，在由静力法向反应谱法过渡的过程中，人们发现短周期结构的加速度谱值比静力法中的地震系数大1倍以上。

这使得地震工程师无法解释以前按静力法设计的建筑物如何能够经受得住强烈地震的作用。

2.2.3基于反应谱和构造保证延性的设计方法

为解决由静力法向反应谱法的过渡问题，以美国UBC规范为代表，’通过地震作用降低系数R将由反应谱法得到的加速度反应值a二降低到与静力法中的水平地震相当的设计地震加速度。

地震作用降低系数R对延性较差的结构取值较小，对延性较好的结构取值较高。

尽管最初利用地震作用降低系数R将加速度反应降下来的做法只是经验性的，但人们己经意识到应根据结构延性性质的不同取用不同的地震作用降低系数。

这是考虑结构延性对结构抗震能力贡献的最早形式，然而对延性重要性的认识却经历了一个长期的过程。

在确定和研究地震作用降低系数的过程中，Housner和Newmark分别从两个角度提出了各自的看法。

Housner认为考虑地震作用降低系数的原因有：

每一次地震中可能包括若干次大小不等的较大反应，较小的反应可能出现多次，而较大的地震反应可能只出现一次;此外，某些地震峰值反应的时间可能很短，震害表明这种脉冲式地震作用带来的震害相对较小。

基于这一观点，形成了现在考虑地震重现期的抗震设防目标。

随着研究的深入，Newmark认识到结构的非弹性变形能力可使结构在具有较小的屈服承载力的情况下经受更大的地震作用。

由于结构进入非弹性状态即意味着结构出现损伤和遭受一定程度的破坏，基于这一观点，形成了现在的基于损伤的抗震设计方法，并促使人们对结构的非弹性地震反应的研究。

而进一步采用能量观点对此进行研究的结果，则形成现在的基于能量的抗震设计方法。

然而由于对结构进行非弹性地震反应分析的困难，因此只能根据震害经验采取必要的构造措施来保证结构自身的非弹性变形能力，以适应和满足结构的非弹性地震反应需求。

而在结构的抗震设计中仍是采用小震下按弹性反应谱计算的地震作用来确定结构的必要承载力。

与考虑地震重现期的抗震设防目标相结合，基于反应谱和构造保证延性的设计方法曾一度成为各国抗震设计规范的主要方法。

应该说这种设计方法是在对结构的非弹性地震反应尚无法准确预知的情况下的一种以承载力设计为主的方法。

2.3结构抗震能力的主要影响因素

2.3.1建筑结构的场地选择

地震对建筑物的破坏，情况各异，其中之一则为建筑过程场地选择不当造成的，比如地震时由于山崖崩塌、地层陷落、断层错动、河岸滑坡等地面严重变形所造成的建筑物坍塌。

针对此种情况，在选择建筑场地时，首先要详细勘察地形、地质，选择对抗震有利的地段。

2.3.2建筑结构的设计

在建筑结构的抗震设计中，要确保结构平面布置时结构的刚心和质心相重合，以避免或减小地震所产生的扭转效应；平面布置不规则的建筑结构，要注意偏离结构刚心远端抗震墙或框架柱承载力的验算。

此外，建筑立面应尽量避免头重脚轻，尽可能降低结构重心；出屋面建筑部分要确保高度适当，不要过高，以减小地震带来的鞭梢效应的影响。

2.3.3建筑结构的原材料

地震对建筑结构的破坏作用与建筑结构的质量大小成正比。

也就是说。

在相关条件一致的情况下，建筑结构质量越大，地震产生的破坏作用越大；反之，则震害越小。

因此，在建筑结构中的墙体、隔断、框架、围护墙、楼板及屋而构件中，我们往往采用能显著改善抗震性能的轻质材料，诸如硅酸盐砌块、多孔砖、加气混凝土板、陶粒混凝土、瓦楞铁空心塑料板材等。

2.3.4建筑结构的施工质量

施工质量是影响结构抗震能力的一个不容忽视的重要因素，它对建筑结构的影响是极其深远的。

在整个施工过程中，任何一个环节，如施工所造成的截面几何特征、材料性能的变动；混凝土浇筑质量、砂浆强度、延性构造措施等的变动；诸如此类的施工质量问题，都可能对建筑结构的抗震性能造成重要影响。

3.土建结构地震震害现状

3.1砌体结构震害现状

新中国成立以后，随着经济建设的发展，砌体结构得到迅速发展。

使用范围也从过去的建造低矮民房，逐步发展到应用于多层住宅、办公楼、中小型单层工业厂房等工业民用建筑。

据不完全统计，从20世纪80年代初至今，我国主要大中城市建造的多层砌体结构房屋高达70亿一80亿平方米。

由此看来，砌体结构是在我国广泛应用的一种重要的结构形式。

《78规范》在修订时，已开始要求在砌体墙中设置构造柱和圈梁，以更大限度地保证结构的整体性和安全性。

2008年汶川大地震和2010年青海玉树地震的震害调查发现，在多数村镇地区，大量自建砌体结构房屋未按规范要求设置构造柱和圈梁，在地震中破坏严重，造成严重的经济损失。

在我国大多数村镇地区，房屋一般为砖砌墙体平房，屋面采用木屋架。

这是由于木材可以就地取材，砌体使用较少，结构的造价相对较低。

但是这种结构的砌体墙和砌体柱强度往往都不高。

在地震作用下，对于开间较小的房屋，往往墙体局部破坏，引起屋架下坠、屋面塌落。

在地震强烈的地区，开间大一些的砖-木结构平房，由于墙体抗震能力很差，房屋可能完全倒塌，引起伤亡。

在汶川地震灾区，多层砌体结构房屋是受损最为普遍的结构形式。

除农村民居以外，在城镇中倒塌或破坏严重的住宅、办公楼、学校、医院……等房屋也多属于此类结构。

由于这类建筑数量较多，而且都处在城市和镇集人口集中的区域，其破坏和倒塌造成了大量的人员伤亡，影响很大。

这类结构在地震区数量较多，震害也较为严重。

多层砌体结构的主要震害特征是：

墙体的破坏，主要是由于墙体的抗剪承载力不足，在地震作用下砖墙首先出现斜向交叉裂缝。

随着地面运动的加剧，墙体破坏加重，直至丧失承受竖向荷载的能力；纵横墙的连接破坏，主要是墙体间连接薄弱，表现为内外墙交接面产生竖向裂缝；墙体刚度变化和应力集中的部位，如楼梯间、墙角等墙体易破坏。

从震害分析来看，多层砌体房屋产生震害的原因多为：

结构抗震体系单薄、未设置构造柱或者未设置圈梁、预制楼板未拉结。

由此看来，如何合理设置构造柱和圈梁、从而保证结构的整体性和侧向承载力是砖混结构抗震设计的关键。

从宏观的角度看，砌体结构房屋的震害存在以下规律：

对于刚性楼盖的房屋而言，往往上层破坏轻、下层破坏重;而柔性楼盖房屋，往往上层破坏重、下层破坏轻；横墙承重房屋的震害比纵墙承重房屋的震害要轻；坚实地基上的房屋震害比软弱地基和非均匀地基上的房屋震害轻；预制楼板结构比现浇楼板结构破坏重；房屋两端、转角、楼梯间、附属结构往往震害较重。

3.2框架结构震害现状

框架结构是近年来兴建的办公楼、商场、公共建筑等多采用的结构形式。

这些框架结构中，有些未设剪力墙而为纯框架结构。

由于这些房屋多为轻型框架，底柱截面不大，且都没有剪力墙或斜杆的支撑，故抗侧力性能较差。

框架结构梁的破坏形态可能是弯曲破坏，也可能是剪切破坏。

梁弯曲破坏有三种形态：

少筋破坏、超筋破坏和适筋破坏。

少筋梁的纵向钢筋屈服后，很快被拉断而发生断裂破坏，称为少筋破坏;超筋梁在受拉纵筋屈服前，受压区混凝土被压碎而发生破坏，称为超筋破坏;适筋破坏主要体现在受弯裂缝伸长且宽度加大，截面混凝土受压区高度逐渐减小，截面产生塑性转动，直到受压区混凝土压碎。

。

梁的剪切破坏多是由于剪切承载力不足，出现剪切斜裂缝，在弯曲屈服之前梁构件沿斜裂缝剪断而破坏。

为了防止因剪切承载力不足产生的脆性破坏，设计梁构件时要遵循强剪弱弯的设计思想，即截面抗剪承载力大于抗弯承载力。

在实际震害调查中发现，框架结构的破坏情况多为：

（1）框架梁柱节点的破坏

框架结构遭受地震作用时，受力最大的是底层的梁柱框架节点，尤其是处于侧边的节点。

纵向受力钢筋在节点外侧弯折锚固，地震时受拉伸直从而造成保护层局部裂缝、破碎和剥落。

（2）柱端破坏

框架柱的两端，尤其