第四章建筑抗震設計本章將全面介紹建筑物抗震設計的基本概念和關鍵技術。從地震作用的特點和基本設計原則開始,詳細闡述地震動的性質(zhì)及其影響因素。然后分析建筑物抗震性能指標,并介紹靜力彈性分析、動力彈性分析和非線性分析等建筑抗震設計的基本方法。最后,探討建筑構(gòu)造上的抗震措施和結(jié)構(gòu)抗震性能的評估。thbytrtehtt4.1概述1地震作用的基本特點地震作用是建筑抗震設計關注的核心,其不可預測性、隨機性和破壞性是建筑結(jié)構(gòu)設計和評估的關鍵因素。2建筑物抗震設計的基本原則建筑物抗震設計應以保護人員生命安全為出發(fā)點,兼顧經(jīng)濟性和使用功能,采用適當?shù)目拐鸩呗浴?抗震設計的關鍵內(nèi)容本章將詳細介紹地震動特性分析、建筑物抗震性能指標、抗震設計方法以及構(gòu)造措施等抗震設計的核心內(nèi)容。4.1.1地震作用的基本特點不可預測性地震發(fā)生的時間、地點和強度都無法精確預測,這給建筑抗震設計帶來了巨大挑戰(zhàn)。隨機性地震加速度時程呈現(xiàn)強烈的隨機性和不規(guī)則性,難以用確定性的方法進行分析。破壞性地震作用可導致建筑結(jié)構(gòu)出現(xiàn)嚴重損壞,甚至引發(fā)倒塌,威脅人員生命安全。4.1.2建筑物抗震設計的基本原則1生命安全第一以保護人員生命安全為首要目標,確保在地震作用下建筑結(jié)構(gòu)不發(fā)生崩塌。2經(jīng)濟合理在保證安全性的前提下,采取經(jīng)濟可行的抗震措施,兼顧建筑物的使用功能。3系統(tǒng)完整建筑抗震設計應從整體上考慮結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、基礎等各個方面的協(xié)調(diào)配合。建筑物抗震設計的基本原則是以保護人員生命安全為首要目標,兼顧經(jīng)濟性和使用功能。設計時應采取全面系統(tǒng)的抗震策略,從結(jié)構(gòu)、構(gòu)造、基礎等多個方面協(xié)調(diào)配合,確保建筑物在地震作用下能夠安全可靠地抵抗破壞。4.2地震動的特征1時程特性地震動具有不可預測的時間歷程及隨機性強烈的加速度時程。2頻譜特性地震動的頻譜特征決定了對不同建筑物的影響程度。3影響因素地震動受震源特征、傳播介質(zhì)及場地條件等多方面因素影響。地震動是建筑物抗震設計的核心輸入,其復雜多變的時程特性、豐富多樣的頻譜特性以及受多種因素影響的特點,是設計時需要深入研究的重要內(nèi)容。4.2.1地震動的時程特性不規(guī)則波動地震動加速度時程呈現(xiàn)強烈的不規(guī)則性和隨機性,難以描述為確定的數(shù)學函數(shù)。持續(xù)時間長大地震的持續(xù)時間可長達數(shù)十秒到數(shù)分鐘,給建筑物帶來持續(xù)的動力效應。多個沖擊波地震動通常由多個沖擊波構(gòu)成,給建筑物加載復雜的動力響應。4.2.2地震動的頻譜特性1頻率成分地震動包含廣泛的頻率成分,從低頻長周期到高頻短周期。2頻響特征不同建筑物對應不同的振動特性,會被特定頻率的地震動激發(fā)。3頻譜分布地震動頻譜隨地震強度和場地條件而變化,體現(xiàn)了地震動的復雜性。地震動的頻譜特性是建筑物抗震設計的重要依據(jù)。地震動包含了廣泛的頻率成分,不同建筑物會因其自身振動特性而被特定頻率的地震動激發(fā)。地震動頻譜的分布特點更是受震源、傳播路徑和場地條件等多方面因素的影響,體現(xiàn)了地震動的復雜動力特性。4.2.3地震動的影響因素1震源特征地震震源深度、震級等特征會影響地震動的頻率成分和時程特性。2傳播介質(zhì)地震波在不同地質(zhì)條件下的傳播過程會改變其特征。3場地條件軟質(zhì)地基對地震動產(chǎn)生放大效應,增大破壞性。地震動的特征受到多方面因素的影響,包括震源自身的地震規(guī)模和深度、地震波在傳播過程中遇到的地質(zhì)條件,以及場地土壤特性等。這些因素會共同決定地震動的頻率分布、加速度時程和能量特點,從而影響到建筑物的動力響應和破壞程度。了解這些影響因素對于準確預測地震動特征和開展針對性的抗震設計至關重要。4.3建筑物的抗震性能指標1剛度指標建筑物的抗震剛度能有效限制地震作用引起的變形,確保結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。2強度指標構(gòu)件必須具備足夠的抗剪、抗彎、抗壓等承載能力,以承受地震荷載。3變形指標建筑物在地震作用下的位移、層間位移等變形應控制在允許范圍內(nèi)。4耗能指標結(jié)構(gòu)應通過塑性變形等方式消耗地震能量,避免脆性破壞。4.3.1剛度指標抗震剛度建筑物的抗震剛度越高,越能有效限制地震作用引起的位移和變形,確保結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。層間位移控制通過合理的剛度分配,可以有效控制建筑物各層的相對位移,避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和局部破壞。振動特性分析準確分析建筑物的固有周期和振型,有利于確定合理的抗震剛度設計目標。4.3.2強度指標1抗剪強度構(gòu)件必須具備足夠的抗剪承載能力，抵抗地震力引起的剪切破壞。2抗彎強度結(jié)構(gòu)構(gòu)件應有足夠的抗彎承載能力，承受地震作用下的彎矩載荷。3抗壓強度壓縮構(gòu)件必須具備足夠的抗壓承載能力，避免發(fā)生壓潰破壞。建筑物的抗震強度指標是評判其抗震安全性的關鍵指標之一。設計時應確保各類構(gòu)件，如梁柱等，具備足夠的抗剪、抗彎和抗壓承載能力，能夠可靠抵抗地震作用下的內(nèi)力和應力。這是確保建筑物整體抗震性能的基礎。4.3.3變形指標1位移控制建筑物的整體位移應控制在合理范圍內(nèi)。2層間位移控制相鄰層之間的相對位移應控制在允許標準內(nèi)。3變形協(xié)調(diào)上部結(jié)構(gòu)與下部基礎的變形應相互協(xié)調(diào)配合。建筑物在地震作用下的變形控制是抗震設計的關鍵指標。需要控制建筑物整體的位移幅度,同時還要確保相鄰層之間的相對位移在安全范圍內(nèi),上部結(jié)構(gòu)與下部基礎之間的變形也要相互協(xié)調(diào)。這樣可以有效避免結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和局部破壞,確保建筑物在地震作用下的安全性。4.3.4耗能指標1塑性變形建筑物應通過構(gòu)件的可控塑性變形來消耗地震能量,避免脆性破壞。2耗能機制合理設計梁柱等構(gòu)件的抗震性能,利用材料的塑性性能來吸收和耗散地震能量。3耗能性能指標建筑物的總能量耗散能力是評估其抗震性能的重要指標之一。4.4建筑物抗震設計的基本方法1靜力彈性分析法采用簡化的等效靜力作用來模擬地震作用,通過彈性分析計算內(nèi)力和變形。2動力彈性分析法采用地震動時程分析或反應譜分析,充分考慮建筑物的動力特性。3非線性分析法采用塑性分析方法,考慮建筑結(jié)構(gòu)的非線性行為,更準確預測抗震性能。4.4.1靜力彈性分析法1簡化作用以等效靜力作用代替地震動作用2彈性分析采用線性彈性分析法計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形3快速高效計算過程簡單,能夠快速得到設計結(jié)果靜力彈性分析法是一種相對簡單的建筑抗震設計方法。它將復雜的地震動作用簡化為等效的靜力作用,通過線性彈性分析計算結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形。這種方法計算過程簡單快速,常用于初步設計階段。但由于忽略了建筑物的動力特性,其預測結(jié)果也相對粗略,不能充分反映實際地震響應。因此在正式設計中需要采用更精細的動力分析方法。4.4.2動力彈性分析法精確地震作用動力分析采用實際地震動時程或反應譜,能更準確模擬地震動特性。動力特性考慮分析方法充分考慮建筑物的固有周期、振動模態(tài)等動力性能。精細計算過程動力分析通過復雜的數(shù)值積分過程得到精細的結(jié)構(gòu)響應結(jié)果。動力彈性分析法是一種更加精細的建筑抗震設計方法。它采用實際的地震動時程或反應譜作為輸入,并充分考慮建筑物的固有動力特性,通過復雜的數(shù)值積分過程得到更準確的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和變形響應。這種方法可以更好地模擬地震作用下建筑物的實際行為,是抗震設計中的主要分析手段之一。4.4.3非線性分析法1考慮塑性行為采用非線性分析方法,可以充分模擬結(jié)構(gòu)在地震作用下的塑性變形。2反映實際響應相比線性分析,非線性分析可以更準確預測建筑物的實際抗震性能。3計算過程復雜非線性分析涉及復雜的數(shù)學模型和繁瑣的計算步驟,計算量較大。相比于簡單的靜力彈性分析和動力彈性分析,非線性分析法能夠更全面地反映建筑物在地震作用下的實際響應行為。它可以考慮結(jié)構(gòu)材料的塑性變形特性,準確預測地震作用下的破壞模式和承載能力。但這種分析方法計算過程較為復雜,需要大量的數(shù)值計算和迭代步驟。因此在實際設計中通常采用適當?shù)暮喕侄?以提高計算效率。4.5建筑物抗震構(gòu)造措施1平面布置建筑物平面應簡單規(guī)則,盡量對稱分布，避免復雜不規(guī)則形狀。2立面布置建筑物各層高度應協(xié)調(diào)一致,突出部分應嚴格控制。3結(jié)構(gòu)體系采用剛度和強度均衡的抗震結(jié)構(gòu)體系,如框架-剪力墻結(jié)構(gòu)。建筑物的抗震性能除了依賴于計算分析,還需要在構(gòu)造上采取相應的措施。平面布置、立面布置和結(jié)構(gòu)體系的合理設計,對于提高建筑物的整體抗震性能至關重要。通過簡單規(guī)則的平面形狀、統(tǒng)一的層高尺度,以及剛度和強度協(xié)調(diào)的結(jié)構(gòu)體系,可以增強建筑物的整體抗震性能。4.5.1平面布置簡單規(guī)則建筑物平面應盡量設計成簡單規(guī)則的形狀,如正方形、矩形等,避免復雜不規(guī)則的布局。對稱分布建筑物的柱子、梁、墻等主要構(gòu)件應盡量對稱分布,使建筑物整體平面構(gòu)成均衡穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)體系。減少扭轉(zhuǎn)平面布置應盡量避免中心不重合、剛度不一致等引起的扭轉(zhuǎn)效應,減少局部受力不均勻。4.5.2立面布置1層高協(xié)調(diào)各層高度應盡量統(tǒng)一,避免層高差異過大。2突出控制建筑物突出部分的高度應嚴格控制。3平順過渡上下部分之間應采取平順過渡的方式。建筑物的立面布置也是提高其整體抗震性能的重要因素。首先要保證各層的層高基本一致,避免突兀的高低差異,使結(jié)構(gòu)整體受力更加均勻。對于建筑物的突出部分,如塔樓等,還需要嚴格控制其高度,避免過大的不規(guī)則變形。同時在上下部分的連接處應采取平順過渡的方式,確保結(jié)構(gòu)整體的整體性和剛度協(xié)調(diào)。4.5.3結(jié)構(gòu)體系1框架結(jié)構(gòu)采用剛性框架作為主要承重結(jié)構(gòu),可有效分散地震作用,提供良好的塑性變形能力。2剪力墻結(jié)構(gòu)采用高強度的剪力墻作為主要抗震構(gòu)件,可大幅提升建筑物的整體剛度和強度。3框架-剪力墻結(jié)構(gòu)結(jié)合剛性框架和剪力墻的優(yōu)點,形成剛度和強度協(xié)調(diào)的復合抗震體系。4.5.4構(gòu)件設計受力合理確保各構(gòu)件的受力分布合理,避免出現(xiàn)應力集中或不均勻的情況。抗壓承載針對壓力作用進行充分設計,確保承載力滿足抗震需求。抗剪設計針對剪力作用進行專門設計,提高構(gòu)件的抗剪強度和剛度。4.5.5基礎設計1深埋基礎采用深埋基礎可有效減小地震作用對基礎的影響,提高抗震穩(wěn)定性。2剛性連接基礎與上部結(jié)構(gòu)采用剛性連接,確保基礎與上部整體協(xié)調(diào)工作。3抗傾覆設計針對傾覆效應進行專門設計,增加基礎的抗傾覆能力。4.6結(jié)構(gòu)抗震性能評估1抗震性能指標包括剛度、強度、變形和耗能等指標2抗震性能分級根據(jù)指標水平劃分不同等級3抗震性能驗證通過分析計算或試驗驗證滿足要求建筑物的抗震性能評估是確保其安全性和可靠性的關鍵內(nèi)容。主要包括對剛度、強度、變形和能量耗散等指標的綜合考核,并根據(jù)指標水平劃分不同的性能等級。在設計階段需要通過分析計算或試驗驗證,確保建筑物的抗震性能達到相應的要求。只有經(jīng)過系統(tǒng)的抗震性能評估,才能確保建筑物在地震作用下能夠安全可靠地使用。4.6.1抗震性能指標1剛度指標評估建筑物整體和局部的抗側(cè)力能力2強度指標檢查構(gòu)件抗拉剪壓的承載能力3變形指標控制建筑物在地震作用下的位移和傾斜4耗能指標評估結(jié)構(gòu)在地震作用下的能量消耗能力建筑物的抗震性能評估主要通過以下4個關鍵指標進行考核:剛度指標、強度指標、變形指標和耗能指標。剛度指標反映建筑物整體及局部抵抗側(cè)向作用的能力,強度指標則檢查構(gòu)件在拉剪壓作用下的承載能力。變形指標限制建筑物在地震作用下的位移和傾斜,耗能指標則評估結(jié)構(gòu)在地震中的能量消耗能力。通過這些綜合指標,可以全面評估建筑物的抗震性