第九章-建筑物震害的工程控制

第十章

建筑物震害的工程控制

第一節(jié)建筑抗震設(shè)計概述

第二節(jié)中、日、美三國建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范簡介（見P231－P246）

第三節(jié)抗震概念設(shè)計第四節(jié)隔震與減震

9/17/20231第一節(jié)建筑抗震設(shè)計概述一、抗震設(shè)計的目的與目標(biāo)

二、抗震設(shè)計準(zhǔn)則三、抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)四、抗震設(shè)計方法9/17/20232一、抗震設(shè)計的目的與目標(biāo)抗震設(shè)計的目的：減輕結(jié)構(gòu)的地震破壞，避免人員傷亡，減少經(jīng)濟(jì)損失，同時使地震時不可缺少的緊急活動得以維持和進(jìn)行?？拐鹪O(shè)計的目標(biāo)：滿足經(jīng)濟(jì)與安全之間的合理平衡：E＝收益－投資－可能的損失＝最大收益：工程建成后的直接與間接收獲；投資：興建工程的資金及維護(hù)資金；損失：人身傷亡，物質(zhì)財產(chǎn)的直接損失，及間接損失，以及政治、社會、經(jīng)濟(jì)影響等。假若不考慮非結(jié)構(gòu)損失，則上式可近似改寫為：C＝工程造價＋修復(fù)費(fèi)＝最小式中，C為結(jié)構(gòu)抗震總費(fèi)用。

9/17/20233一、抗震設(shè)計的目的與目標(biāo)（續(xù)一）由于震害與修復(fù)費(fèi)是隨機(jī)變量，因此總費(fèi)用也是一個隨機(jī)變量，故式(9-2)需采用概率方法計算。一般取數(shù)學(xué)期望，即

E[C]=工程造價＋E[修復(fù)費(fèi)]

9/17/20234二、抗震設(shè)計準(zhǔn)則抗震設(shè)計基本準(zhǔn)則：“小震不壞，中震可修，大震不倒”。設(shè)計結(jié)構(gòu)，必須滿足三個主要準(zhǔn)則：（1）結(jié)構(gòu)在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，在發(fā)生超越概率63.2%的地震動時(常遇地震)，應(yīng)無任何損失。（2）結(jié)構(gòu)在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，在發(fā)生超越概率10%的地震動時(少遇地震)，允許非結(jié)構(gòu)構(gòu)件受到破壞，但必須保證主要構(gòu)件不受明顯損壞，使得結(jié)構(gòu)稍加修復(fù)后仍能繼續(xù)工作。（3）結(jié)構(gòu)在設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi)，在發(fā)生超越概率2~3%的地震動時(罕遇地震)，應(yīng)不倒塌。9/17/20235二、抗震設(shè)計準(zhǔn)則(續(xù)二)為滿足結(jié)構(gòu)抗震的三個準(zhǔn)則，抗震設(shè)計應(yīng)分別進(jìn)行三個水準(zhǔn)的抗震驗(yàn)算:第一水準(zhǔn):進(jìn)行小震下結(jié)構(gòu)允許彈性變形驗(yàn)算；第二水準(zhǔn):進(jìn)行中震下結(jié)構(gòu)承載能力驗(yàn)算；第三水準(zhǔn):進(jìn)行大震下結(jié)構(gòu)彈塑性極限變形驗(yàn)算。

9/17/20236二、抗震設(shè)計準(zhǔn)則(續(xù)三)與某一烈度超越概率相對應(yīng)的重現(xiàn)期RT可按下式計算：

式中PT為時間T內(nèi)該地震烈度的超越概率。一般結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期為50年，小震是平均50年一遇的地震；中震是平均475年一遇的地震；大震是平均1624－2475年一遇的地震。

9/17/20237三、抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性，可將結(jié)構(gòu)分為三大類：

重要結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)如遭受破壞，會造成重大經(jīng)濟(jì)損失或嚴(yán)重的社會后果；次要結(jié)構(gòu)：如結(jié)構(gòu)破壞，不易造成人員傷亡和較大的經(jīng)濟(jì)損失；一般結(jié)構(gòu)：除了上述的大量普通結(jié)構(gòu)。一般結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期通常為50年；重要結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期通常大于50年；次要結(jié)構(gòu)的設(shè)計基準(zhǔn)期通常小于50年9/17/20238四、抗震設(shè)計方法結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計計算方法可以分為以下幾種：1、靜力法：把地震作用當(dāng)作等效的靜力荷載進(jìn)行抗震計算；2、反應(yīng)譜法：利用振型分解原理和反應(yīng)普理論進(jìn)行結(jié)構(gòu)最大地震反應(yīng)分析；3、動力分析法：選定輸入地震波，對結(jié)構(gòu)的運(yùn)動平衡微分方程進(jìn)行數(shù)值積分，求得結(jié)構(gòu)在整個地震時程作用下的地震反應(yīng)9/17/20239第二節(jié)中、日、美三國建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范簡介（見P231－P246）

9/17/202310第三節(jié)抗震概念設(shè)計什麼是概念設(shè)計？在著手進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時，著眼于結(jié)構(gòu)的總體地震反應(yīng)，靈活運(yùn)用抗震設(shè)計準(zhǔn)則，既注意總體布置上的大原則，又考慮關(guān)鍵部分的細(xì)節(jié)，從而全面、合理地解決結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中的基本問題。9/17/202311第三節(jié)抗震概念設(shè)計（續(xù)一）一、結(jié)構(gòu)形式的選擇1、

結(jié)構(gòu)體型指結(jié)構(gòu)的外型。實(shí)際震害表明，結(jié)構(gòu)體型對結(jié)構(gòu)抗震有顯著的影響。體型簡單，對抗震有利；體型復(fù)雜，對抗震不利。2、結(jié)構(gòu)規(guī)則性指結(jié)構(gòu)剛度，質(zhì)量的均衡性與對稱性。結(jié)構(gòu)體型復(fù)雜，必定不規(guī)則。但結(jié)構(gòu)體型簡單，并不等同于結(jié)構(gòu)規(guī)則。結(jié)構(gòu)規(guī)則有利于抗震，不規(guī)則不利于抗震。

9/17/202312第三節(jié)抗震概念設(shè)計（續(xù)二）二、抗震結(jié)構(gòu)概念1、總體屈服機(jī)制2、剛度與延性均衡3、強(qiáng)度均勻4、多道抗震防線5、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計6、避開場地卓越周期區(qū)

9/17/202313二、抗震結(jié)構(gòu)概念1、總體屈服機(jī)制從經(jīng)濟(jì)合理的觀點(diǎn)出發(fā)，在強(qiáng)烈的地震作用下應(yīng)允許結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)工作。通過結(jié)構(gòu)某些構(gòu)件屈服所產(chǎn)生的塑性變形來消耗地震能量，從而達(dá)到抗震的目的。結(jié)構(gòu)的屈服機(jī)制有兩種（見圖8.12）局部機(jī)制（簡稱L機(jī)制）總體機(jī)制（簡稱T機(jī)制）比較兩種機(jī)制可發(fā)現(xiàn)：T機(jī)制的抗震性能優(yōu)于L機(jī)制。（1）L機(jī)制耗能構(gòu)件少，T機(jī)制耗能構(gòu)件多；（2）L機(jī)制對構(gòu)件的延性要求高，T機(jī)制對構(gòu)件的延性要求低。

9/17/202314二、抗震結(jié)構(gòu)概念（續(xù)一）2、剛度與延性均衡試驗(yàn)和實(shí)踐都證明，框架結(jié)構(gòu)具有良好的延性性能。但是，純框架剛度差，在地震作用下結(jié)構(gòu)變形較大，可能造成非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（如隔墻、門、窗等）的破壞，從而需要大量的修復(fù)費(fèi)。為提高框架結(jié)構(gòu)的剛度，常設(shè)剪力墻、支撐等加勁構(gòu)件。這些加勁構(gòu)件剛度大，但延性較差，一旦破壞，幾乎喪失承載力。因此，注意加勁結(jié)構(gòu)剛度與延性的均衡十分重要。砌體結(jié)構(gòu)剛度大，但延性差。為提高其延性，常加設(shè)鋼筋混凝土構(gòu)造柱。構(gòu)造柱連同圈梁，實(shí)際形成一個弱的框架。9/17/202315二、抗震結(jié)構(gòu)概念（續(xù)二）3、強(qiáng)度均勻強(qiáng)度均勻指結(jié)構(gòu)在平面和立面上的承載力均勻一致。圖8.15是一個平面上強(qiáng)度不均勻的鋼支撐框架結(jié)構(gòu)，在1978年日本宮城縣地震中遭到破壞。該結(jié)構(gòu)在同一方向上有兩榀框架設(shè)有支撐，而有一榀框架未設(shè)支撐。因支撐框架剛度大，一開始大部分荷載由它來承擔(dān)。而一旦支撐破壞，內(nèi)力重新分配，非支撐框架的受力迅速增大，超過其設(shè)計承載能力，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。結(jié)構(gòu)在立面上強(qiáng)度均勻，可以避免結(jié)構(gòu)彈塑性反應(yīng)集中。如果結(jié)構(gòu)某一樓層的強(qiáng)度相對較小，則在地震作用下，這一層首先屈服，同時通過該層塑性變形的發(fā)展，使其它樓層不繼續(xù)屈服。這樣結(jié)構(gòu)塑性變形集中在一層，很容易使該層發(fā)生破壞，從而導(dǎo)致整個結(jié)構(gòu)的破壞。9/17/202316二、抗震結(jié)構(gòu)概念（續(xù)三）4、多道抗震防線結(jié)構(gòu)多道抗震防線的概念，一是要求結(jié)構(gòu)具有較高的靜不定次數(shù)；二是要求結(jié)構(gòu)在延性變形階段具有良好的吸能能力；三是要求結(jié)構(gòu)中盡量具備多重抗側(cè)力體系。一般說來，結(jié)構(gòu)靜不定次數(shù)越高，對結(jié)構(gòu)抗震越有利，但這不是充分條件。一些薄弱部位的塑性變形集中可能造成結(jié)構(gòu)局部屈服機(jī)制的形成，從而導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的嚴(yán)重破壞甚至倒塌。因此，需要在結(jié)構(gòu)的適當(dāng)部位設(shè)置一系列有利的屈服區(qū)，使這些不危及整體結(jié)構(gòu)安全的部位在地震時率先形成塑性鉸；同時，通過保證各鉸的屈服轉(zhuǎn)動能力，使結(jié)構(gòu)所吸收地地震能量耗散在整個結(jié)構(gòu)平面和高度上。通過設(shè)置人工塑性鉸和阻尼耗能裝置，會更有利于結(jié)構(gòu)發(fā)揮良好的抗震性能。9/17/202317二、抗震結(jié)構(gòu)概念（續(xù)四）5、強(qiáng)節(jié)點(diǎn)設(shè)計在1978年日本的一次地震中，鋼結(jié)構(gòu)建筑的破壞，絕大多數(shù)是由連接破壞造成的。鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)過早破壞，也會使結(jié)構(gòu)不能充分發(fā)揮作用，使結(jié)構(gòu)達(dá)不到原定抗震能力。提高節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計強(qiáng)度，加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的抗震構(gòu)造措施，對各類建筑結(jié)構(gòu)、橋梁結(jié)構(gòu)等都有十分重要的意義。9/17/202318二、抗震結(jié)構(gòu)概念（續(xù)五）6、避開場地卓越周期區(qū)結(jié)構(gòu)對于不規(guī)則地震波的反應(yīng)是類共振反應(yīng)而不會發(fā)生共振反應(yīng)。即使如此，當(dāng)?shù)卣饎拥淖吭街芷谂c結(jié)構(gòu)物的周期相接近時，也會使結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重破壞。由于地震動受發(fā)震機(jī)制、震級、距離、場地等多種因素的復(fù)雜影響，具有較強(qiáng)的不確定性。因此，試圖在設(shè)計階段就使結(jié)構(gòu)自振周期完全避開地震動的卓越周期是不太現(xiàn)實(shí)的。但是，如果注意到場地的卓越周期對地震動卓越周期有強(qiáng)烈影響，還是可以在一定程度上防止結(jié)構(gòu)在地震時發(fā)生強(qiáng)烈的共振反應(yīng)。9/17/202319第四節(jié)隔震與減震一、概述二、基底隔震三、懸掛隔震四、耗能減震五、沖擊減震六、吸振減震七、主動控制減震

9/17/202320一、概述地震引起結(jié)構(gòu)振動的全過程是：由震源產(chǎn)生地震動，通過傳播途徑傳遞到結(jié)構(gòu)上，從而引起結(jié)構(gòu)的振動反應(yīng)。通過在不同部分采取振動控制措施，就成為不同的積極的抗震方法。

9/17/202321一、概述（續(xù)一）震源傳播途徑結(jié)構(gòu)反應(yīng)消震隔震被動減震主動減震基底隔震懸掛隔震耗能減震沖擊減震吸振減振9/17/202322一、概述（續(xù)二）1、消震通過減弱震源振動強(qiáng)度達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動的方法。2、隔震通過某種裝置，將地震動與結(jié)構(gòu)隔開，減弱或改變地震動對結(jié)構(gòu)作用的強(qiáng)度或方式，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。隔震方法：基底隔震懸掛隔震3、被動減震通過采用一定的措施或附加子結(jié)構(gòu)，吸收或消耗地震傳遞給主結(jié)構(gòu)的能量，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。被動減震方法：耗能減震沖擊減震吸震減震4、主動減震根據(jù)結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，通過自動控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)，主動給結(jié)構(gòu)施加控制力，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動的目的。9/17/202323一、概述（續(xù)三）兩大類減震方法：

（1）被動控制方法。這種方法無外部能源供給，也稱無源控制技術(shù)。包括隔震技術(shù)和被動減震技術(shù)。（2）主動控制方法。這種方法有外部能源供給，也稱有源控制技術(shù)。

與傳統(tǒng)的消極抗震方法相比，減震方法優(yōu)點(diǎn)：

（1）減小地震作用，降低結(jié)構(gòu)造價，提高結(jié)構(gòu)抗震可靠度。隔震方法能夠控制傳到結(jié)構(gòu)上的地震力，克服確定荷載的困難。（2）減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形，保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不破壞，減小震后維修費(fèi)用，對現(xiàn)代建筑，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的造價占總造價的80％以上。

（3）隔震、減震裝置的更換或維修比更換、維修結(jié)構(gòu)構(gòu)件方便、經(jīng)濟(jì)。（4）精密加工設(shè)備、核工業(yè)設(shè)備等結(jié)構(gòu)物，只能用隔震、減震的方法滿足嚴(yán)格的抗震要求9/17/202324二、基底隔震1、原理

基底隔震是在結(jié)構(gòu)物地面以上部分的底部設(shè)置隔震層，限制地震動向結(jié)構(gòu)物的傳遞?；赘粽穑?/p>