地震工程学
Earthquake Engineering
李英民
博士、教授
?65121430
?liyingmin@cta.cq.cn
地震工程学
? 1 地震工程学概述 ?
? 2 地震学基础知识 ?
? 3 工程地震 ——地震作用与灾害 ?
? 4 结构地震反应分析 ?
? 5 工程抗震与结构抗震设计 ?
? 6 几个专题 ?
1 地震工程学概述
1.1 地震灾害简述 ?
1.2 地震工程学的发展概况 ?
1.3 地震工程学的研究内容 ?
1.4 地震工程学的特点 ?
1.5 地震工程学与相关学科的关系 ?
back
1.1 地震灾害简述
?地球与地震并存
?地震灾害严重 ?
?地震灾害频仍 ?
?抗震防灾是有效的
back
地震灾害严重
?世界地震灾害严重
?简况
?世界十大自然灾害（据联合国,1947-1980）
热带气旋（飓风、台风）、地震、洪涝、雷暴与龙卷风、
雪暴、火山爆发、热浪、雪崩、滑坡、潮汐与海啸
?中国是受灾最严重的国家之一
?灾重：地震（ 7/17次 5万人,4/4次 20万人）
?分布广
?成灾比率高
back
地震灾害频仍
?灾害日趋频繁
?产生自然灾害的直接原因 ——自然现象
?产生自然灾害的结构原因 ——―社会”本身的弱点
?灾情日趋严重
?城市“黑洞”现象日益加剧
?生命线系统的脆弱
?近年来的五大自然灾害
?火山爆发、地震、风灾、陨石袭击、温室效应
back
?静力阶段
?反应谱阶段
?动力阶段
1.2 地震工程学的发展概况
back
?地震动
地震地质背景、强震观测、地震动特性、地震动
模拟、震害分析
?工程结构地震反应
抗震试验、理论分析
?抗震减灾理论
抗震设计理论、结构振动控制理论、地震危险性
分析、震害预测理论、防灾规划、灾害控制理论
1.3 地震工程学的研究内容
back
Input?System?Output
1.4 地震工程学的特点
? 研究基础 ——强震观测、震害经验与
试验研究
? 研究重点 ——地震作用
? 研究热点 ——结构非线性与复杂地震
动输入
? 发展方向 ——广泛应用概率论、控制
论、规划论
back
? 地震工程学与地震学
? 地震工程学与土木工程
? 地震工程学与社会学
1.5 地震工程学与相关学科的关系
back
2 地震学基础知识
2.1 地球内部构造 ?
2.2 板块构造运动 ?
2.3 地震成因和类型 ?
2.4 几个有关名词 ?
2.5 地震分布 ?
2.6 地震观测与度量 ?
2.7 地震波动理论 ?
back
2.1 地球内部构造
? 几何形状与尺寸
? 内部构造
– M面和 G面
– 三大圈层
? 物理性质
比重、温度、压力,etc
back
2.2 板块构造运动
? 板块构造运动学说
? 六大板块
– 欧亚大陆板块
– 太平洋板块
– 美洲板块
– 非洲板块
– 印澳板块
– 南极板块
back
2.3 地震成因和类型
? 地震成因
– 宏观背景 ——板块构造运动
– 局部机制 ——断层说（弹性回跳说、粘滑说）
? 地震类型
– 按成因 （ 构造 EQ、火山 EQ、陷落 EQ、诱发 EQ）
– 按发震位置（板边 EQ、板内 EQ）
– 按震源深度（ 浅源 EQ、中源 EQ、深源 EQ）
– 按地震序列（主震余震型、震群型、单发型）
back
2.4 几个有关名词
? 震源
? 震中
? 震源深度
back
? 震源距
? 震中距
2.5 地震分布
? 世界地震带
– 环太平洋地震带
– 欧亚地震带
? 中国地震环境
– 地震构造运动背景
– 10个地震区
– 中国地震的基本特征
back
世界地震带
? 环太平洋地震带
? 欧亚地震带
2.6 地震观测与度量
? 地震观测
? 地震度量
back
2.7 地震波动理论
? 地震波类型
– 体波（运动特点、对结构作用）
? 纵波 ——压缩波 ——P波
? 横波 ——剪切波 ——S波
– 面波
? 瑞雷波 ——R波
? 乐夫波 ——L波
? 地震波动理论
back
3 工程地震（地震作用）
? 3.1 地震动观测 ?
? 3.2 震级与烈度 ?
? 3.3 地震地面运动特性 ?
? 3.4 地震地面运动模拟 ?
? 3.5 地震灾害 ?
back
3.1 地震动观测
? 地震动观测仪器
? 强震观测台网
? 强震观测的现状
? 强震观测记录的作用
back
地震动观测仪器
? 两种仪器 ——地震仪与强震仪
仪器 使用者 地震强弱 运转方式 记录速 度 放大倍 数 记录量 记录内容 设置地 点 通频带 目的
地震仪 地震工 作者 弱震 连续 慢 高 位移 到时差,初相 基岩 窄、低频 震源、介质,传播规律
强震仪 抗震工 作者 强震 自动触发 快 低 加速度 全过程 场地,结构 宽、高低频 地震动、结构 振动特性
拾震器 放大器 记录器
mx’’+cx’+kx=-mxg’’ x’’+2EWx’+W2x=-xg’’
? 二者不同点
? 二者共同点
–运动方程 ——用拾震器的位移表示地面运动
back
强震观测台网
? 地震动衰减台阵
布设方式,线状布设在发震断层辐射线上
目的,地震动衰减规律、地震传播效应
举例,美国加州
布设方式,布设在某区域内（上百公里）
目的,巨大地区的地震动资料、场地影响
举例,美国阿拉斯加
布设方式,布设在潜在发震断层附近
目的,近场地震动、震源机制
举例,美国圣安德列斯断层台阵
back
布设方式,布设在建筑物不同高度处
目的,结构地震反应
举例,北京饭店、天津医院
布设方式,布设在几十至几百米
目的,地震动的空间相关性
举例,台湾 SMART-1,SMART-2
布设方式,布设在地表及地下几十 -200米处
目的,地震动随深度的变化、土结相互作用
举例,日本
? 区域地震动台阵
? 断层地震动台阵
? 结构地震动台阵
? 地震动差动台阵
? 地下地震动台阵
强震观测的现状
? 始于 1932年美国
? 1933年获得首次记录（美国长滩地震）
? 60年代以前，以结构为主
? 60年代以后，加强了地表和近地表地震动的观测
? 1985年，全世界供布设 7000台，日美各 3000台
? 全世界已取得可用记录达上万条
? 世界最大峰值加速度记录 2.3g（加拿大）
? 中国最大地震动记录 0.54g（云南）
back
强震观测记录的作用
? 是地震工程学赖以发展的数据基础
? 是研究地震动特性的数据基础
? 是推动地震力理论发展的重要因素
– 几乎每一次关于地震动特性认识的提高和地震力理论的
变革其根本原因都可归结为对强震观测记录的深入分析
? 是结构地震反应分析的输入形式
? 是推动结构抗震理论进入反应谱阶段和向动力阶段
过渡的重要因素
back
3.2 震级与烈度
? 震级
? 烈度
back
地震震级
? 含义 ——一次地震释放能量大小的度量
? 多种震级定义
– 里氏震级 （ 1935） ML=logA-logA0——近震
? Wood Anderson地震仪、震中距 R=100km、最大水平地面位移
– 面波震级（ 1939） MS=logA-logA0——远震、浅源
– 体波震级 （ 1945） Mb=log(A/T)max-Q(R,h)——远震
– 短周期体波震级（ 1963） mb
– 矩震级 （ 1977） MW=2/3logM0-10.7,(地震矩 M0)
? 存在问题及未来方向
back
地震烈度
? 定义
? 评价指标
? 地震烈度表
? 性质
? 理解分歧
? 影响因素及规律
? 关于取消烈度
back
地震对地表及工程结构影响
的强弱程度人的感觉物体反应
结构破坏
自然现象
–多指标的综合性
–分等级的宏观性
–以后果表示原因的间接性–侧重点差异
–地震学：地震破坏后果
–抗震：地震作用强弱
–烈度与地震动参数关系
烈度影响因素及规律
? 烈度影响因素
– 震源 M
– 传播途径与震中距 R
– 场地条件 S
– 其它
? 烈度衰减规律
– 震级与震中烈度的衰减关系
I0=f(M,h) ex,M=0.58I0+1.5
– 烈度衰减关系 I=f(I0,R,S)
? 圆形等震线
? 椭圆形等震线 back
震源位错引起的地基变形
震源体释放的振动能量
破裂传播方向 ——多普勒效应
地质构造的不均匀性
传播距离的远近
方位
场地土 ——基岩低，软土高
断层 ——发震 ~高，非发震 ~？
局部地形 ——鞭梢效应
关于取消烈度
? 争论与原因
– 烈度具有多指标的综合性，与单一地震动参数本身就不
具有良好对应关系
– 依照烈度进行抗震设计，在反应谱理论中容易引起概念
上的混淆
– 烈度是分等级的，地震作用成倍数关系
– 烈度具有以后果表示原因的间接性，是“危害性”而非
“危险性”，抗震设防则恰恰以后者为依据
back烈度作为地震破坏程度的一个度量是
合适的，但却不适宜于衡量地震作用
? 我国的做法
–取消烈度作为抗震设防依据，采用地震分区作为抗震设防
依据，设计时直接采用地震动参数
3.3 地震地面运动特性
back
? 幅值特性
? 频谱特性
? 持时特性
? 空间相关性
- 2, 5
- 1, 5
- 0, 5
0, 5
1, 5
2, 5
0 5 10 15 20 25 30 35 40
t ( s )
a(
t)
(
m
/s
2
)
Y=a(t)sin(wt+Q)
幅值特性
back
? 幅值 ——某种物理量（如加速度、速度、位移中的任何一种）
的最大值或某种意义下的等代值
? 多种定义
? 峰值
? 有效峰值
? 持续加速度
? 等反应谱有效加速度
? 概率有效峰值
? 静力等效加速度
? 简要评价
? 等效简谐振幅
? 平均振幅
? Arias强度
? 均方根加速度
? 谱强度
多种幅值定义
back
- 2, 5
- 1, 5
- 0, 5
0, 5
1, 5
2, 5
0 5 10 15 20 25 30 35 40
t ( s )
a
(
t
)
(
m
/
s
2
)
频谱特性
? 三种谱表述方法
? 简要评价
back
三种谱表述方法
? 傅立叶谱
? 功率谱
? 反应谱
back
傅立叶谱
y(t)=sigma{Aisin(Wit+Qi)}
- 2, 5
- 1, 5
- 0, 5
0, 5
1, 5
2, 5
0 5 10 15 20 25 30 35 40
t ( s )
a(
t)
(
m
/s
2
)
Wi
Ai WiQi
傅立叶变换
back
反应谱
? 单自由度弹性体系的地震反应
? 反应谱的定义
? 反应谱的性质
? 反应谱的种类
? 反应谱的影响因素及规律
back
单自由度弹性体系的地震反应
? 单自由度弹性体系
? 运动微分方程
– 受力分析
? 恢复力 ——虎克定律
? 阻尼力 ——瑞雷阻尼
? 惯性力 ——牛顿第二定律
– 方程建立 ——达朗贝尔原理
? m(x’’+x’’g)+cx’+kx=0
? mx’’ +cx’+kx= -mx’’g
? x’’ +2ewx’+w2x=-x’’g
? 运动微分方程的解答
m
k c
x’’g(t)x’’g(t)
m(x’’+x’’g)
cx’
kx
back
运动微分方程的解答
? 通解（自由振动）
– x(t)=e-ewt(A0coswdt+B0sinwdt)
– wd=wsqrt(1-e2),A0=x(0),B0=[x’(0)+ewx(0)]/wd
? 特解（强迫振动） ——Duhamel 积分
– x(t)= -1/wdJ0-t{x’’g(T)e-ew(t-T)sinwd(t-T)dT}
? 全解 =通解 +特解 ~ ~特解
– x(t)= -1/wdJ0-t{x’’g(T)e-ew(t-T)sinwd(t-T)dT}
– x’(t)= -J0-t{x’’g(T)e-ew(t-T)coswd(t-T)dT} + ew/wdJ0-t{x’’g(T)e-ew(t-T)sinwd(t-T)dT}
– x’’(t)+x’’g(t)= -2ewx’(t)-w2x(t)
? 最大反应及简化
– Sa=|x’’(t)+x’’g(t)|max,Sv=|x’(t) |max,Sd=|x(t) |max
– 三点近似,Sa = w |J0-t{x’’g(T)e-ew(t-T)sinwd(t-T)dT}|max = w Sv = w2 Sd
x’’ +2eWx’+W2x=-x’’g
back
特解（强迫振动）
? 输入过程的离散化 ——微脉冲 -x’’g(T)dT
– dx(t)=e-ew(t-T)[A0coswd(t-T)+B0sinwd(t-T)]
? 冲量作用
– 前后位移为 0,A0=x(T)=0
? 动量定律,x’(T)=-x’’g(T)dT
– B0=[x’(T)+ewx(T)]/wd=-x’’g(T)dT/wd
? 解答
– dx(t)= -x’’g(T)e-ew(t-T)sinwd(t-T)/wddT
– x(t)= -1/wdJ0-t{x’’g(T)e-ew(t-T)sinwd(t-T)dT}
back
dTT
反应谱的定义
? 单自由度弹性体系在给定地震作用下某种反应
量的最大值与体系自振周期之间的关系曲线
back
Sa(e,T1)
Sv(e,T1)
Sd(e,T1)
x’’g(t)
Duhamel 积分
s(t)= f(x’’g,e,T1)
Maxe
T1
e
Ti
Sa(e,Ti)
Sv(e,Ti)
Sd(e,Ti)
Duhamel 积分
s(t)= f(x’’g,e,Ti)
Max
T
Sy
T1 Ti
反应谱的性质
? 结构反应特点
– 低频（长周期）系统（ <=0.1Hz）
? Sd?PGD
– 中频（中等周期）系统
? 放大作用
– 高频（短周期）系统（ >=10Hz）
? Sa?PGA
? 反应谱性质
– 反应谱由中频段的放大区和两
端的极限区三部分构成
– 伪谱的性质
? Sa=wSv=w2Sd
back
T
高频 中频 低频
动力放大系数
Ba=Sa/PGA
Bv=Sv/PGV
Bd=Sd/PGD
反应谱的种类
? 真谱和伪谱
? 弹性谱和弹塑性谱
? 归一化反应谱 ——放大系数谱
? 平均反应谱与设计反应谱
? 其他
back
反应谱的影响因素及规律
? 地震动方面
– 震级
? 震级越大，长周期成分越丰富，反应谱峰点周期越后移
– 震中距
? 震级越大，长周期成分越丰富，反应谱峰点周期越后移
– 场地
? 场地越软，峰值越大，反应谱峰点周期越后移
? 结构方面
– 阻尼比
? 阻尼比越大，反应越小，曲线越平滑
– 结构周期
? 三段特性 back
持时特性
? 一般特征
? 多种定义
? 简要评价
back
- 2, 5
- 1, 5
- 0, 5
0, 5
1, 5
2, 5
0 5 10 15 20 25 30 35 40
t ( s )
a
(t
)
(m
/s
2
)
地震动的空间相关性
? 问题的由来
? 相关性类别
? 相关性描述
? 简要评价
back
问题的由来
? 建筑结构
– 扭转问题
– 大底盘
– 深基础
? 生命线工程
– 扭转问题
– 大跨度
– 空间伸展
back
相关性类别
? 同一地点多维地震动分量之间的相关性
– 水平与水平
– 竖向与水平
? 不同地点地震动的相关性 ——空间相关性
– 不同地理位置之间地震动的相关性
– 同一地理位置不同深度处地震动的相关性
back
相关性描述
? 信号角度
– 相关函数矩阵
? 工程应用角度
– 幅值特性
– 频谱特性
– 持时特性
back
3.4 地震地面运动模拟
? 问题的提出
? 地震动随机模型
? 地震波反演技术
back
3.5 地震灾害
? 地表破坏
? 结构物破坏
? 几个震害实例
back
4 结构地震反应分析
? 4.1 结构地震反应分析方法的发展
? 4.2 抗震结构模型化 ?
? 4.3 地震动输入
? 4.4 结构地震反应分析方法
back
back
4.2 抗震结构模型化
? 地震中的结构行为
? 抗震结构动力分析模型 ?
? 结构构件动力性能及其模型化 ?
? 结构阻尼特性及其模型化
back
抗震结构动力分析模型
? 层模型
– 层间剪切模型
– 层间弯曲模型
– 层间剪弯模型
– 刚片模型
? 杆系模型
– 平面杆系模型
– 空间杆系模型
? 有限元模型
? 几点说明
– 分析目的与模型
– 结构行为与模型
? 线性结构
? 非线性结构
结构构件动力性能及其模型化
? 试验
? 混凝土构件
– 梁
– 柱
– 节点
– 抗震墙
? 钢构件
– 梁
– 柱
? 砌体构件
? 几点说明
– 分析目的与模型
– 结构行为与模型
? 线性结构
? 非线性结构
back
4 建筑抗震设计原则和基本要求
? 4.1 建筑抗震设防目标与标准
? 4.2 概念设计与基本要求
back
4.1 建筑抗震设防目标与标准
? 抗震设防及其思想
? 设防依据
? 设防目标及其实现
? 建筑类别与设防标准
back
抗震设防及其思想
? 抗震设防
– 对建筑物进行抗震设计并采取抗震措施
? 指导思想
– 预防为主
– 减轻结构震害
– 避免人员伤亡
– 减少经济损失
– 使地震时不可缺少的紧急活动得以维持和进行
? 趋势
– 使用寿命期内对不同频度和强度的地震具有不
同的抵抗能力
back
设防依据 ——抗震设防烈度
? 定义：按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设
防依据发地震烈度
? 确定：必须按国家规定的权限审批、颁发的文件
（图件）确定
– 一般情况下，可采用中国地震烈度区划图的地震基本烈度
度（或与本规范设计地震基本加速度值对应的烈度值）
– 对做过抗震防灾规划的城市，可按批准的抗震设防区划
（抗震设防烈度或设计地震动参数）进行抗震设防
? 设防范围
– 6-9度 back
设防目标及其实现
? 三水准要求
back
水准 涵义 要 求
第一水
准
小震
不坏
当遭受低于本地区设防烈度的多遇地
震影响时，一般不受损坏或不需修理
仍可继续使用
第二水
准
中震
可修
当遭受相当于本地区抗震设防烈度的
地震影响时，可能损坏，经一般修理
或不需修理仍可继续使用
第三水
准
大震
不倒
当遭受高于本地区抗震设防烈度的预
估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发
生危及生命的严重破坏
? 两阶段设计
三水准地震作用的标定
? 基本假定
– 地震强度呈极值分布
– 烈度符合极值 III型
back
地震影响 50年超
越概率
地震重
现期
多遇地震对应的烈度 —
—众值烈度
小震
63.2% 50年
设防烈度
中震 10% 475年
罕遇地震对应的烈度
大震 2-3%
1642-
2475年
? 计算
– F(I)=exp[-(12-I)k/(12-Im)k],RT=-T/ln(1-F(I)))
I
f(I)
Im I0 Is
? 一般关系
–烈度,Im=I0-1.55,Is<=I0+1
–加速度,PGAm=PGA0*1/3,PGAs=PGAm*(4-6)
两阶段设计
back
阶
段 目 标 烈 度
地震
作用
性质
受力状态 作用效应组合
第一
阶段
小震不坏
（隐含中
震可修）
罕遇地震作
用对应的烈
度（大震）
可变
作用
弹性（部
分弹塑性）
承载力验算采用基本组合 (多层、
高层钢筋混凝土房屋层间弹性
位移计算，采用短期效应组合，
即作用分项系数均取 1.0)
第二
阶段 大震不倒
罕遇地震作
用对应的烈
度（大震）
偶然
作用 弹塑性
部分建筑物的层间弹塑性位移
验算，采刚短期效应组合，即
怍用分项系数均取 1.0
说明：
? 第一阶段为弹性分析，包括截面设计和变形计算；
?大部分建筑的第二阶段设计主要由概念设计和构造措施来保证。
建筑类别与设防标准
back
4.2 概念设计与基本要求
? 概念设计
? 抗震设计的基本要求
back
概念设计
? 意义
–,计算设计”很难有效控制结构的薄弱环节，不能完全解
决问题
? 地震作用的不确定性
? 结构计算假定与实际情况的差异（计算模型、材料、阻尼变化等）
– 经验总结、定性判断
? 含义
– 在进行结构设计时，首先着眼于结构的总体地震反应，按
照结构的破坏机制和破坏过程，灵活运用抗震设计准则，
全面合理地解决结构设计中的基本问题，既注意总体布置
上的大原则，又顾及到关键部位的细节，从根本上提高结
构的抗震能力；有时需要运用工程判断解决或处理具体问
题。
back
抗震设计的基本要求
? 地震影响
? 结构分析（新增）
? 建筑物的体型
? 场地和地基
? 抗震结构体系
? 非结构构件
? 材料与施工
back
6
地震影响
? 设计地震
– 设计近震
– 设计远震
? 设计基本地震加速度
? 地震分区
back
7 8 9
建筑物的体型
? 平面布置
– 规则、对称，整体性好
– 平面不规则类型
? A 扭转不规则
? B 凹凸不规则
? C 楼板局部不连续
? 立面布置
– 规则、避免刚度和强度突变
– 立面不规则类型
? A 侧向刚度不规则（柔软层）
? B 竖向抗侧力构件不连续
? C 承载力突变（薄弱层）
back
考虑扭转
楼板模型
空间模型，地震剪力放大
空间模型
水平支撑构件内力放大
限制最小承载力
场地和地基
? 场地选择
– 选择有利地段
– 避开不利地段，无法避免时应采取有效措施
– 不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑
? I类场地时，抗震构造措施
– （新规范）甲、乙类建筑按设防烈度采取
– （甲、乙、）丙类建筑可按设防烈度降低一度采取（ 6度不降）
? 地基、基础设计
– 同一结构单元基础不宜设置在性质截然不同的地基上
– 同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基
– 地基较差时，应考虑不均匀沉降等不利影响
back
抗震结构体系
? 结构体系
? 结构构件
? 构件连接
back
结构体系
? 体系选择
– 考虑因素：设防类别、烈度、高度、场地、地基、材料、
施工等
? 要求
– 具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径
– 宜有 多道抗震防线
– 应具备必要的抗震承载力、良好的变形能力和耗能能力
– 宜具有合理的刚度和承载力分布
back
多道抗震防线
? 第一道防线的选择
– 应优先选择不承受重力荷载的构件
– 不宜选择轴压比大的框架柱
? 结构体系的多道设防
– 框架 -抗震墙结构：抗震墙为第一道，框架为第二道
– 填充墙框架结构：填充墙为第一道，框架为第二道
– 单层厂房：柱间支撑为
? 结构构件的多道设防
– 联肢墙：连梁为第一道，墙肢为第二道
– 延性框架：梁为第一道，柱为第二道
– 超静定结构：赘余构件为第一道
back
结构构件
? 避免脆性破坏（剪切、失稳、砼压溃、钢筋拔出）
? 不同结构有不同要求
– 砌体结构：设构造柱、芯柱、圈梁；配筋砌体
– 砼结构：合理选择尺寸和配筋，避免剪切破坏先于弯
曲破坏、砼的压溃先于钢筋屈服、钢筋锚固粘结先于
构件破坏
– 预应力砼结构：抗侧力构件配置足够的非预应力钢筋
– 钢结构：避免局部或整体失稳
back
构件连接
? 节点破坏不应先于其连接的构件
? 预埋件的锚固破坏不应先于连接件
? 装配式结构的连接应能保证结构整体性
? 预应力砼构件的预应力钢筋应在间谍核心区外
锚固
back
非结构构件
? 附属构件（女儿墙、雨蓬等）
– 加强整体性及与主体结构有可靠连接
? 非结构墙体（围护墙、隔墙等）
– 应考虑对结构抗震的不利影响
? 装饰贴面、幕墙
– 可靠连接
back
5 场地、地基和基础
? 5.1 场地
? 5.2 地基、基础
back
5.1 场地
? 场地 ——工程结构所在地, 大体相当于一个
厂区, 居民点或自然村的范围
? 场地的双重作用
– 确定地震作用, 场地选择是建筑结构抗震设计中
十分有效, 可靠而经济的措施
? 场地类别
? 存在的问题及解决方法
back
场地类别
? 定义
– 为适应抗震设计选定设计反应谱和抗震措施的需要,
对建设场地所作的类别区分 。
? 分类指标
– 指标一 ——场地土类型
– 指标二 ——覆盖层厚度
? 场地覆盖层厚度 ——由地面至剪切波速大于 500m/s的土层或
坚硬土顶面的距离；用于场地类别划分或场地反应计算 。
? 四类场地
back
场地土类型
? 场地土
– 场地范围内的地基土, 场地表层土的简称 。 指地面以下
15m且不超过场地覆盖层厚度以内的各层土 。
? 场地土类型
– 定义：为确定场地类别而对场地土刚度所作的类型划分
– 两种划分方法：基本划分法 ——定量指标 （ 剪切波速 ）
近似划分法 ——定性指标 （ 岩土状态 ）
– 四类,坚硬, 中硬, 中软, 软弱
剪切波速 >500 250-500 140-250 <140 m/s
岩土状态 密实 中密 粗密 松散
back
场地类别的划分
back
场地覆盖
层厚度 (m)
场地土类型
0 3 9 80
坚硬
中硬
中软
软弱 III
III
IV
5.2 地基、基础
? 地基在地震中的双重作用
– 地基是地震波的传播介质, 有滤波, 放
大, 减震等作用
– 地基是建筑物的支承, 可能失效, 变形
（ 液化, 震陷, 滑移, 不均匀沉陷等 ）
? 地基震害
? 地基基础抗震验算
? 地基液化
? 地基抗震措施
back
地基震害
? 特点有二
– 一般地, 大量地基具有较好的抗震能力, 震害较少
? 原因在于
– 一般天然地基在静力作用下具有相当大的安全储备, 地基承载能力在长期
自重作用下有所提高
– 地震时, 荷载增大, 但短时效应使其承载能力也有提高
– 不同基础类型, 震害差异明显
? 桩基比筏基好, 深基比浅基好, 条基比独基好
? 仍应注意以下类型的不利地基
– 液化地基 ——地基失效, 不均匀沉陷, 滑坡等 （ 7-9度, 6度不考虑
液化 ）
– 软土地基 ——震陷, 不均匀沉陷等 （ 7-9度； 8,9度明显 ）
– 严重不均匀地基 ——不均匀沉陷等 （ 6-9度 ）
– 新填土及其它不稳定地基 ——不均匀沉陷, 滑移等 （ 7-9度 ）
back
地基基础抗震验算
? 天然地基及基础 可不进行抗震验算的范围
（ 注意从震害角度说明原因 ）
? 验算内容 ——竖向承载力验算 （ 通常认为：
基础抗水平地震作用能力足够 ）
back
可不进行抗震验算的范围
? 6度时
– 所有建筑 （ 甲类建筑和 Ⅳ 类场地上的较高建筑除外 ）
? 7-9度时
– 砌体房屋, 底层框架 —抗震墙房屋, 多层内框架砌
体房屋；
– 非软弱地基上的一般单层厂房, 单层空旷房屋, 多
层民用框架及与其基础荷载相当的多层框架厂房
– 高度不超过 100m的烟囱
? 可不进行上部结构抗震验算的建筑
back
地基基础竖向承载力验算
? 表达式：
back
sE
sE
f.p
fp
21m a x ?
?
? 式中
– p,pmax分别为按多遇地震作用效应和其它荷载效
应基本组合计算的基础底面平均压力和边缘最大压
力设计值
– fsE为地基土抗震承载力设计值
sssE ff ??
? fs ——地基静承载力设计值，按现行地基规范取值
（已经经过基础深宽修正），
?ζs——调整系数
s
d
us
ud
sus
dud
s
sEs KKPPKP KPPP ????
通常,ζs自岩石到土层分别取为 1.5-1.0
地基液化
? 定义
back
液化 ——地震引
起饱和砂土和粉
土颗粒趋于紧密，
孔隙水压力增大，
有效压力减小，
土体由固态变为
液态的现象。
? 液化震害
喷水冒砂
开裂下沉
地下构筑物上浮
滑坡等
? 液化条件及影响因素
? 液化地基的评价
? 液化地基的处理
地基液化条件及影响因素
? 最低烈度和地震持续时间 （ 正 ）
– 最低烈度 6度 （ M=5）
– 最大震中距 D最大 =0.82*10^[0.862*(M-5)],如 M=7.3,D=100km
? 液化土层埋深和地下水位深度 （ 反 ）
– 最大地下水位深度：一般不超过 3m,3-4m较少, 5 m还未见
– 最大液化土层埋深
? 土层土粒组成与密实程度 （ 反 ）
– 可液化土的类型与状态：无粘性的砾砂, 粗砂, 细砂, 粉砂,
少粘性的粉土
? 土层地质年代 （ 反 ）
back
液化地基的评价
? 初步判别
? 标贯判别
– N63.5<Ncr
– N63.5——标贯锤击数实测值
– Ncr——标贯锤击数临界值
back
cwscr ddNN ?3)](1.09.0[0 ???
N0 ——标贯锤击数基准值
ds——标贯深度
pc——粘粒含量百分率 (>=3)
液化地基的初步判别
? 地质年代
– 年代愈老, 土固结程度, 密实度, 结构性愈好 （ 第四纪晚更新世 Q3）
? 粉土粘粒 （ 粒径 <0.005mm） 含量
– 含量愈高愈不液化 （ 7度 10%,8度 13%,9度 16%）
? 覆土厚度
– 覆土厚度愈大愈不液化
? 地下水位
– 地下水位愈深愈不液化
? 剪切波速
du>d0+db-2
dw>d0+db-3
du+dw>1.5d0+2db-4.5
d0——液化特征深度 (m)
db——基础埋深 (m)（ >=2m）
du——覆土厚度 (m)
dw——地下水位深度 (m)
back
液化地基的处理
? 液化场地危害性分析
– 衡量指标 ——液化指数 ILE
– 液化指数 ILE的计算
back
? 液化等级
–轻微（ 0-5）、中等（ 5-15）和严重（ >15）
? 抗液化措施
–探明液化土层的深度与厚度，计算液化指数 ILE，按 ILE
划分液化等级，然后根据建筑物重要性、液化等级采用
相应的抗液化措施
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地基抗震措施
? 抗液化措施
? 软土地基抗震措施
? 抗震陷措施
? 严重不均匀地基的抗震措施
? 地基稳定措施
back
抗液化措施
? 措施的选择原则
– 根据建筑物重要性,
液化等级采用相应的
抗液化措施
建筑类
别
液化等级
轻微 中等 严重
甲 特殊考虑，但不得低于乙类
乙 B或 C A或 B+C A
丙 C或 D C或其它更高
要求的措施
A或 B+C
丁 D D C或其它经
济措施
–A 全部消除液化沉陷的地基措施
–B 部分消除液化沉陷的地基措施
–C 基础和上部结构处理
–D 可不采取措施
back
? 抗液化措施的要求
–规范给出了相应的要
求和方法
–软土地基抗震措施的选择原则
?软土地基 ——（不存在严格定义，通常指）淤泥、淤泥质土、冲填
土、杂填土及地基承载力标准值小于 80（ 7度）,100（ 8度）,120
（ 9度） kPa的粘性土、粉土等软土层
?6度时可不考虑软土地基震陷；
?静力设计中严格控制基础底面压力，未经处理的软土层一般不宜作
为持力层；
?可不考虑震陷影响的条件。
软土地基抗震措施
back
?基本消除震陷的地基措施：桩基础、深基
础、加深基础或换土（软土层浅且薄）
?减少震陷的地基措施：挖除部分软土层
（加深基础或换土）、降低承载力取值
（ 0.8）
?基础和上部结构的构造措施：选择合适的
基础埋深、减轻荷载（材料、基础上填土、
设置零层楼板）、调整基础底面积减小偏心、
加强基础整体性和刚性（筏基、圈梁等）、
增加上部结构的整体性和竖向刚度、管道问
题。
抗震陷措施
back
back
严重不均匀地基的抗震措施
?指：故河道、暗藏沟坑边缘地带、边坡地
的半挖半填地段、局部的或不均匀的液化土
层、其它成因、岩性或状态明显不均匀的地
层
?措施：首先建议避开，不能避开时采取适
当措施，如：沉降缝、桩基础或深基础等
back
地基稳定措施
?河岸边坡、故河道边缘地带等。地基加固、
抗滑桩等。
6 建筑结构抗震验算
? 6.1 地震作用计算
? 6.2 结构抗震验算
back
6.1 地震作用计算
? 一般说明和计算原则
? 基本计算数据
? 水平地震作用的计算
? 竖向地震作用的计算
back
一般说明和计算原则
? 影响设计地震作用的因素
? 设计地震作用的方向
? 地震作用的计算范围和原则
? 地震作用的计算方法及其适用范围
? 计算模型
back
影响设计地震作用的因素
? 地震动特性方面
– 抗震设防烈度
– 设计近远震
– 场地类别
? 结构特性方面
– 结构自振周期
– 建筑质量（重力荷载）
– 结构阻尼比（材料）
back
设计地震作用的方向
? 设计地震作用的方向
– 水平（两个）
– 竖向（一个）
? 结构效应的方向
– 平动（两个水平、一个竖向）
– 扭转（竖轴）
back
地震作用的计算范围和原则
? 计算范围
– 水平地震作用
back
? 6度区
–（除甲类建筑和 IV类场地
上的较高房屋外）可不算
? 7-9度区
–（除可不进行上部结构抗
震验算的房屋外）均算
?8,9度大跨度结构和长悬臂
结构
?9度的高层建筑
? 水平地震作用的计算原则
– 竖向地震作用
– 一般正交布置抗侧力构件的结构，可沿纵横主轴方向分别计算
– 斜交布置抗侧力构件的结构，宜按平行于抗侧力构件方向计算
– 质量和刚度明显不均匀、不对称的结构，应考虑水平地震作用的扭转影响
地震作用的计算方法及其适用范围
back
计算模型 ——集中质量模型
? 多高层房屋
– 无扭转
– 有扭转
? 单层厂房
– 横向
– 纵向
back
基本计算数据
? 重力荷载代表值
? 结构自振周期
? 设计反应谱
back
重力荷载代表值
? 重力荷载代表值
– 永久荷载（建筑结构构配件自重）标准值 +可变荷
载（雪、灰、楼面活荷载）组合值
back
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永久荷载标准值
组合值系数
可变荷载标准值
结构自振周期
? 理论计算方法 ——Jacobi法
? 近似计算方法
– 能量法
– 折算质量法
– 顶点位移法
– 矩阵迭代法
? 经验方法
back
设计反应谱
? 水平地震影响系数
back
? 水平地震影响系数曲线
–水平地震影响系数曲线
GkGgP G AP G ASgmmSF aa ?? ?????????
–水平地震影响系数最大值
T(s)
α
αmax
0.45αmax
0 0.1 Tg（特征周期） 3.0
α=(Tg/T)0.9 αmax
>=0.2 αmax
场地类别 I II III IV
近震 0.20 0.30 0.40 0.65
远震 0.25 0.40 0.55 0.85
烈度 6 7 8 9
多遇地震 18 36 72 144
罕遇地震 ---- 225 405 630
烈度 6 7 8 9
多遇地震 0.04 0.08 0.16 0.32
罕遇地震 ---- 0.50 0.90 1.40
水平地震作用的计算
? 多自由度弹性体系的地震反应
? 三种计算方法
? 楼层水平地震剪力的分配
? 扭转问题
? 地基 —结构动力相互作用
back
三种计算方法
? 振型分解反应谱法
? 底部剪力法
? 时程分析法
back
多自由度弹性体系的地震反应
? 运动微分方程
? 运动微分方程的解答
back
运动微分方程
? 质点受力分析
back
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? 体系运动微分方程
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运动微分方程的解答（一）
? 无阻尼自由振动
back
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? 振型的性质
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? 运动微分方程的解答
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运动微分方程的解答（二）
back
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运动微分方程的解答（三）
back
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振型分解反应谱法
? 振型分解法
back
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? 振型分解反应谱法
?? 2jSS
计算振型 计算地震影响系数和振型参与系数
计算振型地震作用 计算振型地震效应
振型组合
底部剪力法
? 计算方法
– 底部剪力的计算
– 地震作用沿高度的分配
back
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–顶部附加地震作用
–突出屋面小建筑物
? 适用条件
–满足下列条件
–高度 <=40m
–剪切变形为主
– m,k分布均匀
–近似于 SDOF
底部剪力
? Geq——结构等效重力荷载代表值
– SDOF,Geq=G1
– MDOF,Geq=Sum(Gi)*0.85 back
Fji
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时程分析法
? 基本概念
? 适用范围
– 特别不规则建筑
– 甲类建筑
– 超高层建筑
back
楼层水平地震剪力的分配
? 现浇和装配整体式混凝土楼屋盖等刚性楼盖建
筑，宜按 抗侧力构件等效刚度 的比例分配
? 木楼屋盖等柔性楼盖建筑，宜按抗侧力构件从
属面积上重力荷载代表值的比例分配
? 普通预制板的装配式混凝土楼屋盖等半刚性楼
盖建筑，可取上述两种分配结果的平均值
? 考虑空间作用、楼盖变形、墙体弹塑性变形和
扭转的影响时，可按各有关规定对上述分配结
果作适当调整
back
竖向地震作用的计算
? 高层房屋（ 9度）
– 地震作用标准值
back
Fvi
Hi
Fvi
FEvk
– 楼屋盖的竖向地震作用效应分配
?按各构件承受的重力荷载代表值的比例分配
? 平板型网架屋盖和跨度大于 24m的屋架（ 8,9度）
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? 长悬臂和其它大跨结构（ 8,9度）
ivi GF ??
)2.0,1.0( ?? ?? ivi GF
6.2 结构抗震验算
? 一般规定
? 地震作用下的作用效应组合
? 截面抗震验算
? 抗震变形验算
back
结构抗震验算的一般规定
? 验算范围
– 除 6度建筑（ IV类场地上的较高层除外）和规定可
不进行验算的结构外，均应验算
? 验算内容
– 截面抗震验算
– 抗震变形验算
? 多遇地震作用下的弹性变形验算 ——非结构构件的破坏
? 罕遇地震作用下的弹塑性变形验算 ——抗倒塌
back
地震作用下的作用效应组合
back
组合类型 地震作用 用途
多遇地震作用下作用效应的基本组合 多遇地震 截面抗震验算
多遇地震作用下短期效应 多遇地震 弹性变形验算
罕遇地震作用下短期效应 罕遇地震 弹塑性变形验算
kwwwvkEvEvhkEhEhEGG wCECECGCS ????? ????
hkEhs ECS ?
hkEhs ECS ????
截面抗震验算
back
RERS ??
内力基本组合设计值
承载力设计值
承载力调整系数
抗震变形验算
? 弹性变形验算
– 目的：防止非结构构件出现过重破坏
– 范围：框架、框架 —抗震墙、框支抗震墙多高层钢筋砼房屋
– 表达式：
back
? ? hu ee ??? ?
弹性层间位移
弹性层间位移角限值
层高
? 薄弱层弹塑性变形验算
– 目的：防止倒塌或严重破坏
– 范围,
– 薄弱层弹塑性变形计算方法
– 薄弱层位置的确定：
– 表达式：
? ? hpp ?? ?
弹塑性层间位移
弹塑性层间位移角限值
薄弱层弹塑性变形验算的结构范围
? 应验算结构
– 8度 III,IV类场地和 9度时，高大单层钢筋砼柱厂房横向排架
– 甲类建筑,9度时乙类建筑中的钢筋砼和钢结构
– 7-9度时 楼层屈服强度系数 小于 0.5的钢筋砼框架结构
– 隔震和消能减震结构
– 高层钢结构
? 宜验算结构
– 超高和竖向不规则高层建筑结构
– 7度 III,IV类场地和 8度时，乙类建筑中的钢筋砼和钢结构
– 板柱 —抗震墙结构和底部框架砖房
back
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y V
V
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薄弱层弹塑性变形计算方法
? 简化方法
– 适用范围
? 不超过 12层且层刚度无突变的钢筋砼框架
? 不超过 20层且层刚度无突变的钢框架
? 单层钢筋砼柱厂房
– 方法
back
epp uu ??? ?
? 静力弹塑性方法和弹塑性时程分析法
7 几种建筑结构的抗震设计
? 7.1 多层和高层钢筋混凝土结构房屋
? 7.2 多层砌体结构房屋和底部框架、内框架房屋
? 7.3 钢结构房屋
? 7.4 单层钢筋混凝土柱和砖柱厂房
? 7.5 单层空旷房屋
? 7.6 土、木、石结构房屋
? 7.7 隔震和消能减震房屋
back
7.1 多层和高层钢筋混凝土结构房屋
back
一般要求
计算模型
荷载分析
内力计算
截面设计
构造要求
变形验算
结构布置
7.2 多层砌体结构房屋和底部框架、内框架房屋
? 一般说明
? 结构布置
? 计算要点
? 构造措施
back
一般说明
? 适用范围
– 多层砌体结构房屋
? 多层砖房（ 普通粘土砖、粘土空心砖 ）
? 多层砌块房屋（ 混凝土小型空心砌块 ）
– 底部框架 —抗震墙房屋（ 底层或底部两层 ）
– 内框架房屋（ 多排柱 ）
? 材料强度
? 施工要求
back
结构布置
back
? 房屋总高度和总层数限值
? 多层砌体房屋的最大高宽比
? 结构体系与抗震结构布置
– 多层砌体房屋 （承重方案、墙体布置、防震缝、楼梯间、挑檐等）
– 底部框架 —抗震墙房屋 （墙体布置、基础等）
? 抗震横墙最大间距
? 房屋砌体墙段的局部尺寸限值
计算要点
? 多层砌体结构房屋
? 底部框架 -抗震墙房屋
? 内框架房屋
back
多层砌体结构房屋计算要点
? 计算方法
? 楼层水平地震剪力在各抗侧力墙体间的分配
– 墙体侧移刚度和侧移柔度
– 地震剪力在墙体上的分配
? 砌体结构抗震承载力验算
back
计算方法
? 水平地震作用 ——底部剪力法
? 只进行多遇地震作用下的抗震承载力验算
? 不算基本周期，直接取地震影响系数最大值，
且不考虑顶部附加地震作用
? 只作墙体抗剪验算，不作墙体整体弯曲验算
? 按横向和纵向分别计算
? 一般可只选择承载面积较大或竖向压力较小
的墙段验算
back
墙体侧移刚度和侧移柔度
? 墙体在水平力作用下的侧移
– =剪切变形 +弯曲变形
? 计算原则
– 一般考虑
? h/b<1,K只考虑剪切变形影响
? 1<=h/b<=4,K同时考虑剪切变形和弯曲变形影响
? h/b>1,K只考虑弯曲变形影响
– 几点概念
? 同一点、同一方向的侧移刚度与侧移柔度总成倒数
? 同一水平面上刚度可以叠加
? 同一竖面上柔度可以叠加
back
地震剪力在墙体上的分配
? 横向楼层地震剪力分配
– 从楼层剪力分配到墙片
? 刚性楼盖 ——按横墙抗侧力等效刚度（水平截面积）分配
? 柔性楼盖 ——按横墙从属面积重力荷载代表值分配
? 半刚性楼盖 ——取上述两种结果平均值
– 从墙片分配到墙肢
? 按墙肢抗侧力等效刚度分配
? 纵向楼层地震剪力分配
– 从楼层剪力分配到墙片
? 按纵墙抗侧力等效刚度（水平截面积）分配
– 从墙片分配到墙肢
? 按墙肢抗侧力等效刚度分配
back
砌体结构抗震承载力验算
? 砌体抗震抗剪强度设计值
back
? 墙体抗震抗剪承载力验算
– 无筋粘土砖、多孔砖墙体
– 水平配筋粘土砖、多孔砖墙体
– 混凝土小型空心砌块
vNvE ff ??
沿阶梯形截面破
坏的抗震抗剪
强度设计值 砌体强度的正应
力影响系数
非抗震设计的
砌体抗震间
强度设计值
REvE AfV ??
? ? REvysvE AffV ?????
? ?? ? REcsyctvE AfAfAfV ??05.03.0 ???
构造措施
? 多层砌体结构房屋
– 多层砖房
– 多层砌块房屋
? 底部框架 —抗震墙房屋
? 内框架房屋
back
7.3 单层钢筋混凝土柱和砖柱厂房
back
Earthquake Engineering
李英民
博士、教授
?65121430
?liyingmin@cta.cq.cn
地震工程学
? 1 地震工程学概述 ?
? 2 地震学基础知识 ?
? 3 工程地震 ——地震作用与灾害 ?
? 4 结构地震反应分析 ?
? 5 工程抗震与结构抗震设计 ?
? 6 几个专题 ?
1 地震工程学概述
1.1 地震灾害简述 ?
1.2 地震工程学的发展概况 ?
1.3 地震工程学的研究内容 ?
1.4 地震工程学的特点 ?
1.5 地震工程学与相关学科的关系 ?
back
1.1 地震灾害简述
?地球与地震并存
?地震灾害严重 ?
?地震灾害频仍 ?
?抗震防灾是有效的
back
地震灾害严重
?世界地震灾害严重
?简况
?世界十大自然灾害（据联合国,1947-1980）
热带气旋（飓风、台风）、地震、洪涝、雷暴与龙卷风、
雪暴、火山爆发、热浪、雪崩、滑坡、潮汐与海啸
?中国是受灾最严重的国家之一
?灾重：地震（ 7/17次 5万人,4/4次 20万人）
?分布广
?成灾比率高
back
地震灾害频仍
?灾害日趋频繁
?产生自然灾害的直接原因 ——自然现象
?产生自然灾害的结构原因 ——―社会”本身的弱点
?灾情日趋严重
?城市“黑洞”现象日益加剧
?生命线系统的脆弱
?近年来的五大自然灾害
?火山爆发、地震、风灾、陨石袭击、温室效应
back
?静力阶段
?反应谱阶段
?动力阶段
1.2 地震工程学的发展概况
back
?地震动
地震地质背景、强震观测、地震动特性、地震动
模拟、震害分析
?工程结构地震反应
抗震试验、理论分析
?抗震减灾理论
抗震设计理论、结构振动控制理论、地震危险性
分析、震害预测理论、防灾规划、灾害控制理论
1.3 地震工程学的研究内容
back
Input?System?Output
1.4 地震工程学的特点
? 研究基础 ——强震观测、震害经验与
试验研究
? 研究重点 ——地震作用
? 研究热点 ——结构非线性与复杂地震
动输入
? 发展方向 ——广泛应用概率论、控制
论、规划论
back
? 地震工程学与地震学
? 地震工程学与土木工程
? 地震工程学与社会学
1.5 地震工程学与相关学科的关系
back
2 地震学基础知识
2.1 地球内部构造 ?
2.2 板块构造运动 ?
2.3 地震成因和类型 ?
2.4 几个有关名词 ?
2.5 地震分布 ?
2.6 地震观测与度量 ?
2.7 地震波动理论 ?
back
2.1 地球内部构造
? 几何形状与尺寸
? 内部构造
– M面和 G面
– 三大圈层
? 物理性质
比重、温度、压力,etc
back
2.2 板块构造运动
? 板块构造运动学说
? 六大板块
– 欧亚大陆板块
– 太平洋板块
– 美洲板块
– 非洲板块
– 印澳板块
– 南极板块
back
2.3 地震成因和类型
? 地震成因
– 宏观背景 ——板块构造运动
– 局部机制 ——断层说（弹性回跳说、粘滑说）
? 地震类型
– 按成因 （ 构造 EQ、火山 EQ、陷落 EQ、诱发 EQ）
– 按发震位置（板边 EQ、板内 EQ）
– 按震源深度（ 浅源 EQ、中源 EQ、深源 EQ）
– 按地震序列（主震余震型、震群型、单发型）
back
2.4 几个有关名词
? 震源
? 震中
? 震源深度
back
? 震源距
? 震中距
2.5 地震分布
? 世界地震带
– 环太平洋地震带
– 欧亚地震带
? 中国地震环境
– 地震构造运动背景
– 10个地震区
– 中国地震的基本特征
back
世界地震带
? 环太平洋地震带
? 欧亚地震带
2.6 地震观测与度量
? 地震观测
? 地震度量
back
2.7 地震波动理论
? 地震波类型
– 体波（运动特点、对结构作用）
? 纵波 ——压缩波 ——P波
? 横波 ——剪切波 ——S波
– 面波
? 瑞雷波 ——R波
? 乐夫波 ——L波
? 地震波动理论
back
3 工程地震（地震作用）
? 3.1 地震动观测 ?
? 3.2 震级与烈度 ?
? 3.3 地震地面运动特性 ?
? 3.4 地震地面运动模拟 ?
? 3.5 地震灾害 ?
back
3.1 地震动观测
? 地震动观测仪器
? 强震观测台网
? 强震观测的现状
? 强震观测记录的作用
back
地震动观测仪器
? 两种仪器 ——地震仪与强震仪
仪器 使用者 地震强弱 运转方式 记录速 度 放大倍 数 记录量 记录内容 设置地 点 通频带 目的
地震仪 地震工 作者 弱震 连续 慢 高 位移 到时差,初相 基岩 窄、低频 震源、介质,传播规律
强震仪 抗震工 作者 强震 自动触发 快 低 加速度 全过程 场地,结构 宽、高低频 地震动、结构 振动特性
拾震器 放大器 记录器
mx’’+cx’+kx=-mxg’’ x’’+2EWx’+W2x=-xg’’
? 二者不同点
? 二者共同点
–运动方程 ——用拾震器的位移表示地面运动
back
强震观测台网
? 地震动衰减台阵
布设方式,线状布设在发震断层辐射线上
目的,地震动衰减规律、地震传播效应
举例,美国加州
布设方式,布设在某区域内（上百公里）
目的,巨大地区的地震动资料、场地影响
举例,美国阿拉斯加
布设方式,布设在潜在发震断层附近
目的,近场地震动、震源机制
举例,美国圣安德列斯断层台阵
back
布设方式,布设在建筑物不同高度处
目的,结构地震反应
举例,北京饭店、天津医院
布设方式,布设在几十至几百米
目的,地震动的空间相关性
举例,台湾 SMART-1,SMART-2
布设方式,布设在地表及地下几十 -200米处
目的,地震动随深度的变化、土结相互作用
举例,日本
? 区域地震动台阵
? 断层地震动台阵
? 结构地震动台阵
? 地震动差动台阵
? 地下地震动台阵
强震观测的现状
? 始于 1932年美国
? 1933年获得首次记录（美国长滩地震）
? 60年代以前，以结构为主
? 60年代以后，加强了地表和近地表地震动的观测
? 1985年，全世界供布设 7000台，日美各 3000台
? 全世界已取得可用记录达上万条
? 世界最大峰值加速度记录 2.3g（加拿大）
? 中国最大地震动记录 0.54g（云南）
back
强震观测记录的作用
? 是地震工程学赖以发展的数据基础
? 是研究地震动特性的数据基础
? 是推动地震力理论发展的重要因素
– 几乎每一次关于地震动特性认识的提高和地震力理论的
变革其根本原因都可归结为对强震观测记录的深入分析
? 是结构地震反应分析的输入形式
? 是推动结构抗震理论进入反应谱阶段和向动力阶段
过渡的重要因素
back
3.2 震级与烈度
? 震级
? 烈度
back
地震震级
? 含义 ——一次地震释放能量大小的度量
? 多种震级定义
– 里氏震级 （ 1935） ML=logA-logA0——近震
? Wood Anderson地震仪、震中距 R=100km、最大水平地面位移
– 面波震级（ 1939） MS=logA-logA0——远震、浅源
– 体波震级 （ 1945） Mb=log(A/T)max-Q(R,h)——远震
– 短周期体波震级（ 1963） mb
– 矩震级 （ 1977） MW=2/3logM0-10.7,(地震矩 M0)
? 存在问题及未来方向
back
地震烈度
? 定义
? 评价指标
? 地震烈度表
? 性质
? 理解分歧
? 影响因素及规律
? 关于取消烈度
back
地震对地表及工程结构影响
的强弱程度人的感觉物体反应
结构破坏
自然现象
–多指标的综合性
–分等级的宏观性
–以后果表示原因的间接性–侧重点差异
–地震学：地震破坏后果
–抗震：地震作用强弱
–烈度与地震动参数关系
烈度影响因素及规律
? 烈度影响因素
– 震源 M
– 传播途径与震中距 R
– 场地条件 S
– 其它
? 烈度衰减规律
– 震级与震中烈度的衰减关系
I0=f(M,h) ex,M=0.58I0+1.5
– 烈度衰减关系 I=f(I0,R,S)
? 圆形等震线
? 椭圆形等震线 back
震源位错引起的地基变形
震源体释放的振动能量
破裂传播方向 ——多普勒效应
地质构造的不均匀性
传播距离的远近
方位
场地土 ——基岩低，软土高
断层 ——发震 ~高，非发震 ~？
局部地形 ——鞭梢效应
关于取消烈度
? 争论与原因
– 烈度具有多指标的综合性，与单一地震动参数本身就不
具有良好对应关系
– 依照烈度进行抗震设计，在反应谱理论中容易引起概念
上的混淆
– 烈度是分等级的，地震作用成倍数关系
– 烈度具有以后果表示原因的间接性，是“危害性”而非
“危险性”，抗震设防则恰恰以后者为依据
back烈度作为地震破坏程度的一个度量是
合适的，但却不适宜于衡量地震作用
? 我国的做法
–取消烈度作为抗震设防依据，采用地震分区作为抗震设防
依据，设计时直接采用地震动参数
3.3 地震地面运动特性
back
? 幅值特性
? 频谱特性
? 持时特性
? 空间相关性
- 2, 5
- 1, 5
- 0, 5
0, 5
1, 5
2, 5
0 5 10 15 20 25 30 35 40
t ( s )
a(
t)
(
m
/s
2
)
Y=a(t)sin(wt+Q)
幅值特性
back
? 幅值 ——某种物理量（如加速度、速度、位移中的任何一种）
的最大值或某种意义下的等代值
? 多种定义
? 峰值
? 有效峰值
? 持续加速度
? 等反应谱有效加速度
? 概率有效峰值
? 静力等效加速度
? 简要评价
? 等效简谐振幅
? 平均振幅
? Arias强度
? 均方根加速度
? 谱强度
多种幅值定义
back
- 2, 5
- 1, 5
- 0, 5
0, 5
1, 5
2, 5
0 5 10 15 20 25 30 35 40
t ( s )
a
(
t
)
(
m
/
s
2
)
频谱特性
? 三种谱表述方法
? 简要评价
back
三种谱表述方法
? 傅立叶谱
? 功率谱
? 反应谱
back
傅立叶谱
y(t)=sigma{Aisin(Wit+Qi)}
- 2, 5
- 1, 5
- 0, 5
0, 5
1, 5
2, 5
0 5 10 15 20 25 30 35 40
t ( s )
a(
t)
(
m
/s
2
)
Wi
Ai WiQi
傅立叶变换
back
反应谱
? 单自由度弹性体系的地震反应
? 反应谱的定义
? 反应谱的性质
? 反应谱的种类
? 反应谱的影响因素及规律
back
单自由度弹性体系的地震反应
? 单自由度弹性体系
? 运动微分方程
– 受力分析
? 恢复力 ——虎克定律
? 阻尼力 ——瑞雷阻尼
? 惯性力 ——牛顿第二定律
– 方程建立 ——达朗贝尔原理
? m(x’’+x’’g)+cx’+kx=0
? mx’’ +cx’+kx= -mx’’g
? x’’ +2ewx’+w2x=-x’’g
? 运动微分方程的解答
m
k c
x’’g(t)x’’g(t)
m(x’’+x’’g)
cx’
kx
back
运动微分方程的解答
? 通解（自由振动）
– x(t)=e-ewt(A0coswdt+B0sinwdt)
– wd=wsqrt(1-e2),A0=x(0),B0=[x’(0)+ewx(0)]/wd
? 特解（强迫振动） ——Duhamel 积分
– x(t)= -1/wdJ0-t{x’’g(T)e-ew(t-T)sinwd(t-T)dT}
? 全解 =通解 +特解 ~ ~特解
– x(t)= -1/wdJ0-t{x’’g(T)e-ew(t-T)sinwd(t-T)dT}
– x’(t)= -J0-t{x’’g(T)e-ew(t-T)coswd(t-T)dT} + ew/wdJ0-t{x’’g(T)e-ew(t-T)sinwd(t-T)dT}
– x’’(t)+x’’g(t)= -2ewx’(t)-w2x(t)
? 最大反应及简化
– Sa=|x’’(t)+x’’g(t)|max,Sv=|x’(t) |max,Sd=|x(t) |max
– 三点近似,Sa = w |J0-t{x’’g(T)e-ew(t-T)sinwd(t-T)dT}|max = w Sv = w2 Sd
x’’ +2eWx’+W2x=-x’’g
back
特解（强迫振动）
? 输入过程的离散化 ——微脉冲 -x’’g(T)dT
– dx(t)=e-ew(t-T)[A0coswd(t-T)+B0sinwd(t-T)]
? 冲量作用
– 前后位移为 0,A0=x(T)=0
? 动量定律,x’(T)=-x’’g(T)dT
– B0=[x’(T)+ewx(T)]/wd=-x’’g(T)dT/wd
? 解答
– dx(t)= -x’’g(T)e-ew(t-T)sinwd(t-T)/wddT
– x(t)= -1/wdJ0-t{x’’g(T)e-ew(t-T)sinwd(t-T)dT}
back
dTT
反应谱的定义
? 单自由度弹性体系在给定地震作用下某种反应
量的最大值与体系自振周期之间的关系曲线
back
Sa(e,T1)
Sv(e,T1)
Sd(e,T1)
x’’g(t)
Duhamel 积分
s(t)= f(x’’g,e,T1)
Maxe
T1
e
Ti
Sa(e,Ti)
Sv(e,Ti)
Sd(e,Ti)
Duhamel 积分
s(t)= f(x’’g,e,Ti)
Max
T
Sy
T1 Ti
反应谱的性质
? 结构反应特点
– 低频（长周期）系统（ <=0.1Hz）
? Sd?PGD
– 中频（中等周期）系统
? 放大作用
– 高频（短周期）系统（ >=10Hz）
? Sa?PGA
? 反应谱性质
– 反应谱由中频段的放大区和两
端的极限区三部分构成
– 伪谱的性质
? Sa=wSv=w2Sd
back
T
高频 中频 低频
动力放大系数
Ba=Sa/PGA
Bv=Sv/PGV
Bd=Sd/PGD
反应谱的种类
? 真谱和伪谱
? 弹性谱和弹塑性谱
? 归一化反应谱 ——放大系数谱
? 平均反应谱与设计反应谱
? 其他
back
反应谱的影响因素及规律
? 地震动方面
– 震级
? 震级越大，长周期成分越丰富，反应谱峰点周期越后移
– 震中距
? 震级越大，长周期成分越丰富，反应谱峰点周期越后移
– 场地
? 场地越软，峰值越大，反应谱峰点周期越后移
? 结构方面
– 阻尼比
? 阻尼比越大，反应越小，曲线越平滑
– 结构周期
? 三段特性 back
持时特性
? 一般特征
? 多种定义
? 简要评价
back
- 2, 5
- 1, 5
- 0, 5
0, 5
1, 5
2, 5
0 5 10 15 20 25 30 35 40
t ( s )
a
(t
)
(m
/s
2
)
地震动的空间相关性
? 问题的由来
? 相关性类别
? 相关性描述
? 简要评价
back
问题的由来
? 建筑结构
– 扭转问题
– 大底盘
– 深基础
? 生命线工程
– 扭转问题
– 大跨度
– 空间伸展
back
相关性类别
? 同一地点多维地震动分量之间的相关性
– 水平与水平
– 竖向与水平
? 不同地点地震动的相关性 ——空间相关性
– 不同地理位置之间地震动的相关性
– 同一地理位置不同深度处地震动的相关性
back
相关性描述
? 信号角度
– 相关函数矩阵
? 工程应用角度
– 幅值特性
– 频谱特性
– 持时特性
back
3.4 地震地面运动模拟
? 问题的提出
? 地震动随机模型
? 地震波反演技术
back
3.5 地震灾害
? 地表破坏
? 结构物破坏
? 几个震害实例
back
4 结构地震反应分析
? 4.1 结构地震反应分析方法的发展
? 4.2 抗震结构模型化 ?
? 4.3 地震动输入
? 4.4 结构地震反应分析方法
back
back
4.2 抗震结构模型化
? 地震中的结构行为
? 抗震结构动力分析模型 ?
? 结构构件动力性能及其模型化 ?
? 结构阻尼特性及其模型化
back
抗震结构动力分析模型
? 层模型
– 层间剪切模型
– 层间弯曲模型
– 层间剪弯模型
– 刚片模型
? 杆系模型
– 平面杆系模型
– 空间杆系模型
? 有限元模型
? 几点说明
– 分析目的与模型
– 结构行为与模型
? 线性结构
? 非线性结构
结构构件动力性能及其模型化
? 试验
? 混凝土构件
– 梁
– 柱
– 节点
– 抗震墙
? 钢构件
– 梁
– 柱
? 砌体构件
? 几点说明
– 分析目的与模型
– 结构行为与模型
? 线性结构
? 非线性结构
back
4 建筑抗震设计原则和基本要求
? 4.1 建筑抗震设防目标与标准
? 4.2 概念设计与基本要求
back
4.1 建筑抗震设防目标与标准
? 抗震设防及其思想
? 设防依据
? 设防目标及其实现
? 建筑类别与设防标准
back
抗震设防及其思想
? 抗震设防
– 对建筑物进行抗震设计并采取抗震措施
? 指导思想
– 预防为主
– 减轻结构震害
– 避免人员伤亡
– 减少经济损失
– 使地震时不可缺少的紧急活动得以维持和进行
? 趋势
– 使用寿命期内对不同频度和强度的地震具有不
同的抵抗能力
back
设防依据 ——抗震设防烈度
? 定义：按国家规定的权限批准作为一个地区抗震设
防依据发地震烈度
? 确定：必须按国家规定的权限审批、颁发的文件
（图件）确定
– 一般情况下，可采用中国地震烈度区划图的地震基本烈度
度（或与本规范设计地震基本加速度值对应的烈度值）
– 对做过抗震防灾规划的城市，可按批准的抗震设防区划
（抗震设防烈度或设计地震动参数）进行抗震设防
? 设防范围
– 6-9度 back
设防目标及其实现
? 三水准要求
back
水准 涵义 要 求
第一水
准
小震
不坏
当遭受低于本地区设防烈度的多遇地
震影响时，一般不受损坏或不需修理
仍可继续使用
第二水
准
中震
可修
当遭受相当于本地区抗震设防烈度的
地震影响时，可能损坏，经一般修理
或不需修理仍可继续使用
第三水
准
大震
不倒
当遭受高于本地区抗震设防烈度的预
估的罕遇地震影响时，不致倒塌或发
生危及生命的严重破坏
? 两阶段设计
三水准地震作用的标定
? 基本假定
– 地震强度呈极值分布
– 烈度符合极值 III型
back
地震影响 50年超
越概率
地震重
现期
多遇地震对应的烈度 —
—众值烈度
小震
63.2% 50年
设防烈度
中震 10% 475年
罕遇地震对应的烈度
大震 2-3%
1642-
2475年
? 计算
– F(I)=exp[-(12-I)k/(12-Im)k],RT=-T/ln(1-F(I)))
I
f(I)
Im I0 Is
? 一般关系
–烈度,Im=I0-1.55,Is<=I0+1
–加速度,PGAm=PGA0*1/3,PGAs=PGAm*(4-6)
两阶段设计
back
阶
段 目 标 烈 度
地震
作用
性质
受力状态 作用效应组合
第一
阶段
小震不坏
（隐含中
震可修）
罕遇地震作
用对应的烈
度（大震）
可变
作用
弹性（部
分弹塑性）
承载力验算采用基本组合 (多层、
高层钢筋混凝土房屋层间弹性
位移计算，采用短期效应组合，
即作用分项系数均取 1.0)
第二
阶段 大震不倒
罕遇地震作
用对应的烈
度（大震）
偶然
作用 弹塑性
部分建筑物的层间弹塑性位移
验算，采刚短期效应组合，即
怍用分项系数均取 1.0
说明：
? 第一阶段为弹性分析，包括截面设计和变形计算；
?大部分建筑的第二阶段设计主要由概念设计和构造措施来保证。
建筑类别与设防标准
back
4.2 概念设计与基本要求
? 概念设计
? 抗震设计的基本要求
back
概念设计
? 意义
–,计算设计”很难有效控制结构的薄弱环节，不能完全解
决问题
? 地震作用的不确定性
? 结构计算假定与实际情况的差异（计算模型、材料、阻尼变化等）
– 经验总结、定性判断
? 含义
– 在进行结构设计时，首先着眼于结构的总体地震反应，按
照结构的破坏机制和破坏过程，灵活运用抗震设计准则，
全面合理地解决结构设计中的基本问题，既注意总体布置
上的大原则，又顾及到关键部位的细节，从根本上提高结
构的抗震能力；有时需要运用工程判断解决或处理具体问
题。
back
抗震设计的基本要求
? 地震影响
? 结构分析（新增）
? 建筑物的体型
? 场地和地基
? 抗震结构体系
? 非结构构件
? 材料与施工
back
6
地震影响
? 设计地震
– 设计近震
– 设计远震
? 设计基本地震加速度
? 地震分区
back
7 8 9
建筑物的体型
? 平面布置
– 规则、对称，整体性好
– 平面不规则类型
? A 扭转不规则
? B 凹凸不规则
? C 楼板局部不连续
? 立面布置
– 规则、避免刚度和强度突变
– 立面不规则类型
? A 侧向刚度不规则（柔软层）
? B 竖向抗侧力构件不连续
? C 承载力突变（薄弱层）
back
考虑扭转
楼板模型
空间模型，地震剪力放大
空间模型
水平支撑构件内力放大
限制最小承载力
场地和地基
? 场地选择
– 选择有利地段
– 避开不利地段，无法避免时应采取有效措施
– 不应在危险地段建造甲、乙、丙类建筑
? I类场地时，抗震构造措施
– （新规范）甲、乙类建筑按设防烈度采取
– （甲、乙、）丙类建筑可按设防烈度降低一度采取（ 6度不降）
? 地基、基础设计
– 同一结构单元基础不宜设置在性质截然不同的地基上
– 同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基
– 地基较差时，应考虑不均匀沉降等不利影响
back
抗震结构体系
? 结构体系
? 结构构件
? 构件连接
back
结构体系
? 体系选择
– 考虑因素：设防类别、烈度、高度、场地、地基、材料、
施工等
? 要求
– 具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径
– 宜有 多道抗震防线
– 应具备必要的抗震承载力、良好的变形能力和耗能能力
– 宜具有合理的刚度和承载力分布
back
多道抗震防线
? 第一道防线的选择
– 应优先选择不承受重力荷载的构件
– 不宜选择轴压比大的框架柱
? 结构体系的多道设防
– 框架 -抗震墙结构：抗震墙为第一道，框架为第二道
– 填充墙框架结构：填充墙为第一道，框架为第二道
– 单层厂房：柱间支撑为
? 结构构件的多道设防
– 联肢墙：连梁为第一道，墙肢为第二道
– 延性框架：梁为第一道，柱为第二道
– 超静定结构：赘余构件为第一道
back
结构构件
? 避免脆性破坏（剪切、失稳、砼压溃、钢筋拔出）
? 不同结构有不同要求
– 砌体结构：设构造柱、芯柱、圈梁；配筋砌体
– 砼结构：合理选择尺寸和配筋，避免剪切破坏先于弯
曲破坏、砼的压溃先于钢筋屈服、钢筋锚固粘结先于
构件破坏
– 预应力砼结构：抗侧力构件配置足够的非预应力钢筋
– 钢结构：避免局部或整体失稳
back
构件连接
? 节点破坏不应先于其连接的构件
? 预埋件的锚固破坏不应先于连接件
? 装配式结构的连接应能保证结构整体性
? 预应力砼构件的预应力钢筋应在间谍核心区外
锚固
back
非结构构件
? 附属构件（女儿墙、雨蓬等）
– 加强整体性及与主体结构有可靠连接
? 非结构墙体（围护墙、隔墙等）
– 应考虑对结构抗震的不利影响
? 装饰贴面、幕墙
– 可靠连接
back
5 场地、地基和基础
? 5.1 场地
? 5.2 地基、基础
back
5.1 场地
? 场地 ——工程结构所在地, 大体相当于一个
厂区, 居民点或自然村的范围
? 场地的双重作用
– 确定地震作用, 场地选择是建筑结构抗震设计中
十分有效, 可靠而经济的措施
? 场地类别
? 存在的问题及解决方法
back
场地类别
? 定义
– 为适应抗震设计选定设计反应谱和抗震措施的需要,
对建设场地所作的类别区分 。
? 分类指标
– 指标一 ——场地土类型
– 指标二 ——覆盖层厚度
? 场地覆盖层厚度 ——由地面至剪切波速大于 500m/s的土层或
坚硬土顶面的距离；用于场地类别划分或场地反应计算 。
? 四类场地
back
场地土类型
? 场地土
– 场地范围内的地基土, 场地表层土的简称 。 指地面以下
15m且不超过场地覆盖层厚度以内的各层土 。
? 场地土类型
– 定义：为确定场地类别而对场地土刚度所作的类型划分
– 两种划分方法：基本划分法 ——定量指标 （ 剪切波速 ）
近似划分法 ——定性指标 （ 岩土状态 ）
– 四类,坚硬, 中硬, 中软, 软弱
剪切波速 >500 250-500 140-250 <140 m/s
岩土状态 密实 中密 粗密 松散
back
场地类别的划分
back
场地覆盖
层厚度 (m)
场地土类型
0 3 9 80
坚硬
中硬
中软
软弱 III
III
IV
5.2 地基、基础
? 地基在地震中的双重作用
– 地基是地震波的传播介质, 有滤波, 放
大, 减震等作用
– 地基是建筑物的支承, 可能失效, 变形
（ 液化, 震陷, 滑移, 不均匀沉陷等 ）
? 地基震害
? 地基基础抗震验算
? 地基液化
? 地基抗震措施
back
地基震害
? 特点有二
– 一般地, 大量地基具有较好的抗震能力, 震害较少
? 原因在于
– 一般天然地基在静力作用下具有相当大的安全储备, 地基承载能力在长期
自重作用下有所提高
– 地震时, 荷载增大, 但短时效应使其承载能力也有提高
– 不同基础类型, 震害差异明显
? 桩基比筏基好, 深基比浅基好, 条基比独基好
? 仍应注意以下类型的不利地基
– 液化地基 ——地基失效, 不均匀沉陷, 滑坡等 （ 7-9度, 6度不考虑
液化 ）
– 软土地基 ——震陷, 不均匀沉陷等 （ 7-9度； 8,9度明显 ）
– 严重不均匀地基 ——不均匀沉陷等 （ 6-9度 ）
– 新填土及其它不稳定地基 ——不均匀沉陷, 滑移等 （ 7-9度 ）
back
地基基础抗震验算
? 天然地基及基础 可不进行抗震验算的范围
（ 注意从震害角度说明原因 ）
? 验算内容 ——竖向承载力验算 （ 通常认为：
基础抗水平地震作用能力足够 ）
back
可不进行抗震验算的范围
? 6度时
– 所有建筑 （ 甲类建筑和 Ⅳ 类场地上的较高建筑除外 ）
? 7-9度时
– 砌体房屋, 底层框架 —抗震墙房屋, 多层内框架砌
体房屋；
– 非软弱地基上的一般单层厂房, 单层空旷房屋, 多
层民用框架及与其基础荷载相当的多层框架厂房
– 高度不超过 100m的烟囱
? 可不进行上部结构抗震验算的建筑
back
地基基础竖向承载力验算
? 表达式：
back
sE
sE
f.p
fp
21m a x ?
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? 式中
– p,pmax分别为按多遇地震作用效应和其它荷载效
应基本组合计算的基础底面平均压力和边缘最大压
力设计值
– fsE为地基土抗震承载力设计值
sssE ff ??
? fs ——地基静承载力设计值，按现行地基规范取值
（已经经过基础深宽修正），
?ζs——调整系数
s
d
us
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s
sEs KKPPKP KPPP ????
通常,ζs自岩石到土层分别取为 1.5-1.0
地基液化
? 定义
back
液化 ——地震引
起饱和砂土和粉
土颗粒趋于紧密，
孔隙水压力增大，
有效压力减小，
土体由固态变为
液态的现象。
? 液化震害
喷水冒砂
开裂下沉
地下构筑物上浮
滑坡等
? 液化条件及影响因素
? 液化地基的评价
? 液化地基的处理
地基液化条件及影响因素
? 最低烈度和地震持续时间 （ 正 ）
– 最低烈度 6度 （ M=5）
– 最大震中距 D最大 =0.82*10^[0.862*(M-5)],如 M=7.3,D=100km
? 液化土层埋深和地下水位深度 （ 反 ）
– 最大地下水位深度：一般不超过 3m,3-4m较少, 5 m还未见
– 最大液化土层埋深
? 土层土粒组成与密实程度 （ 反 ）
– 可液化土的类型与状态：无粘性的砾砂, 粗砂, 细砂, 粉砂,
少粘性的粉土
? 土层地质年代 （ 反 ）
back
液化地基的评价
? 初步判别
? 标贯判别
– N63.5<Ncr
– N63.5——标贯锤击数实测值
– Ncr——标贯锤击数临界值
back
cwscr ddNN ?3)](1.09.0[0 ???
N0 ——标贯锤击数基准值
ds——标贯深度
pc——粘粒含量百分率 (>=3)
液化地基的初步判别
? 地质年代
– 年代愈老, 土固结程度, 密实度, 结构性愈好 （ 第四纪晚更新世 Q3）
? 粉土粘粒 （ 粒径 <0.005mm） 含量
– 含量愈高愈不液化 （ 7度 10%,8度 13%,9度 16%）
? 覆土厚度
– 覆土厚度愈大愈不液化
? 地下水位
– 地下水位愈深愈不液化
? 剪切波速
du>d0+db-2
dw>d0+db-3
du+dw>1.5d0+2db-4.5
d0——液化特征深度 (m)
db——基础埋深 (m)（ >=2m）
du——覆土厚度 (m)
dw——地下水位深度 (m)
back
液化地基的处理
? 液化场地危害性分析
– 衡量指标 ——液化指数 ILE
– 液化指数 ILE的计算
back
? 液化等级
–轻微（ 0-5）、中等（ 5-15）和严重（ >15）
? 抗液化措施
–探明液化土层的深度与厚度，计算液化指数 ILE，按 ILE
划分液化等级，然后根据建筑物重要性、液化等级采用
相应的抗液化措施
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地基抗震措施
? 抗液化措施
? 软土地基抗震措施
? 抗震陷措施
? 严重不均匀地基的抗震措施
? 地基稳定措施
back
抗液化措施
? 措施的选择原则
– 根据建筑物重要性,
液化等级采用相应的
抗液化措施
建筑类
别
液化等级
轻微 中等 严重
甲 特殊考虑，但不得低于乙类
乙 B或 C A或 B+C A
丙 C或 D C或其它更高
要求的措施
A或 B+C
丁 D D C或其它经
济措施
–A 全部消除液化沉陷的地基措施
–B 部分消除液化沉陷的地基措施
–C 基础和上部结构处理
–D 可不采取措施
back
? 抗液化措施的要求
–规范给出了相应的要
求和方法
–软土地基抗震措施的选择原则
?软土地基 ——（不存在严格定义，通常指）淤泥、淤泥质土、冲填
土、杂填土及地基承载力标准值小于 80（ 7度）,100（ 8度）,120
（ 9度） kPa的粘性土、粉土等软土层
?6度时可不考虑软土地基震陷；
?静力设计中严格控制基础底面压力，未经处理的软土层一般不宜作
为持力层；
?可不考虑震陷影响的条件。
软土地基抗震措施
back
?基本消除震陷的地基措施：桩基础、深基
础、加深基础或换土（软土层浅且薄）
?减少震陷的地基措施：挖除部分软土层
（加深基础或换土）、降低承载力取值
（ 0.8）
?基础和上部结构的构造措施：选择合适的
基础埋深、减轻荷载（材料、基础上填土、
设置零层楼板）、调整基础底面积减小偏心、
加强基础整体性和刚性（筏基、圈梁等）、
增加上部结构的整体性和竖向刚度、管道问
题。
抗震陷措施
back
back
严重不均匀地基的抗震措施
?指：故河道、暗藏沟坑边缘地带、边坡地
的半挖半填地段、局部的或不均匀的液化土
层、其它成因、岩性或状态明显不均匀的地
层
?措施：首先建议避开，不能避开时采取适
当措施，如：沉降缝、桩基础或深基础等
back
地基稳定措施
?河岸边坡、故河道边缘地带等。地基加固、
抗滑桩等。
6 建筑结构抗震验算
? 6.1 地震作用计算
? 6.2 结构抗震验算
back
6.1 地震作用计算
? 一般说明和计算原则
? 基本计算数据
? 水平地震作用的计算
? 竖向地震作用的计算
back
一般说明和计算原则
? 影响设计地震作用的因素
? 设计地震作用的方向
? 地震作用的计算范围和原则
? 地震作用的计算方法及其适用范围
? 计算模型
back
影响设计地震作用的因素
? 地震动特性方面
– 抗震设防烈度
– 设计近远震
– 场地类别
? 结构特性方面
– 结构自振周期
– 建筑质量（重力荷载）
– 结构阻尼比（材料）
back
设计地震作用的方向
? 设计地震作用的方向
– 水平（两个）
– 竖向（一个）
? 结构效应的方向
– 平动（两个水平、一个竖向）
– 扭转（竖轴）
back
地震作用的计算范围和原则
? 计算范围
– 水平地震作用
back
? 6度区
–（除甲类建筑和 IV类场地
上的较高房屋外）可不算
? 7-9度区
–（除可不进行上部结构抗
震验算的房屋外）均算
?8,9度大跨度结构和长悬臂
结构
?9度的高层建筑
? 水平地震作用的计算原则
– 竖向地震作用
– 一般正交布置抗侧力构件的结构，可沿纵横主轴方向分别计算
– 斜交布置抗侧力构件的结构，宜按平行于抗侧力构件方向计算
– 质量和刚度明显不均匀、不对称的结构，应考虑水平地震作用的扭转影响
地震作用的计算方法及其适用范围
back
计算模型 ——集中质量模型
? 多高层房屋
– 无扭转
– 有扭转
? 单层厂房
– 横向
– 纵向
back
基本计算数据
? 重力荷载代表值
? 结构自振周期
? 设计反应谱
back
重力荷载代表值
? 重力荷载代表值
– 永久荷载（建筑结构构配件自重）标准值 +可变荷
载（雪、灰、楼面活荷载）组合值
back
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永久荷载标准值
组合值系数
可变荷载标准值
结构自振周期
? 理论计算方法 ——Jacobi法
? 近似计算方法
– 能量法
– 折算质量法
– 顶点位移法
– 矩阵迭代法
? 经验方法
back
设计反应谱
? 水平地震影响系数
back
? 水平地震影响系数曲线
–水平地震影响系数曲线
GkGgP G AP G ASgmmSF aa ?? ?????????
–水平地震影响系数最大值
T(s)
α
αmax
0.45αmax
0 0.1 Tg（特征周期） 3.0
α=(Tg/T)0.9 αmax
>=0.2 αmax
场地类别 I II III IV
近震 0.20 0.30 0.40 0.65
远震 0.25 0.40 0.55 0.85
烈度 6 7 8 9
多遇地震 18 36 72 144
罕遇地震 ---- 225 405 630
烈度 6 7 8 9
多遇地震 0.04 0.08 0.16 0.32
罕遇地震 ---- 0.50 0.90 1.40
水平地震作用的计算
? 多自由度弹性体系的地震反应
? 三种计算方法
? 楼层水平地震剪力的分配
? 扭转问题
? 地基 —结构动力相互作用
back
三种计算方法
? 振型分解反应谱法
? 底部剪力法
? 时程分析法
back
多自由度弹性体系的地震反应
? 运动微分方程
? 运动微分方程的解答
back
运动微分方程
? 质点受力分析
back
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运动微分方程的解答（一）
? 无阻尼自由振动
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? 振型的性质
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? 运动微分方程的解答
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运动微分方程的解答（二）
back
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运动微分方程的解答（三）
back
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振型分解反应谱法
? 振型分解法
back
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? 振型分解反应谱法
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计算振型 计算地震影响系数和振型参与系数
计算振型地震作用 计算振型地震效应
振型组合
底部剪力法
? 计算方法
– 底部剪力的计算
– 地震作用沿高度的分配
back
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–顶部附加地震作用
–突出屋面小建筑物
? 适用条件
–满足下列条件
–高度 <=40m
–剪切变形为主
– m,k分布均匀
–近似于 SDOF
底部剪力
? Geq——结构等效重力荷载代表值
– SDOF,Geq=G1
– MDOF,Geq=Sum(Gi)*0.85 back
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时程分析法
? 基本概念
? 适用范围
– 特别不规则建筑
– 甲类建筑
– 超高层建筑
back
楼层水平地震剪力的分配
? 现浇和装配整体式混凝土楼屋盖等刚性楼盖建
筑，宜按 抗侧力构件等效刚度 的比例分配
? 木楼屋盖等柔性楼盖建筑，宜按抗侧力构件从
属面积上重力荷载代表值的比例分配
? 普通预制板的装配式混凝土楼屋盖等半刚性楼
盖建筑，可取上述两种分配结果的平均值
? 考虑空间作用、楼盖变形、墙体弹塑性变形和
扭转的影响时，可按各有关规定对上述分配结
果作适当调整
back
竖向地震作用的计算
? 高层房屋（ 9度）
– 地震作用标准值
back
Fvi
Hi
Fvi
FEvk
– 楼屋盖的竖向地震作用效应分配
?按各构件承受的重力荷载代表值的比例分配
? 平板型网架屋盖和跨度大于 24m的屋架（ 8,9度）
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? 长悬臂和其它大跨结构（ 8,9度）
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6.2 结构抗震验算
? 一般规定
? 地震作用下的作用效应组合
? 截面抗震验算
? 抗震变形验算
back
结构抗震验算的一般规定
? 验算范围
– 除 6度建筑（ IV类场地上的较高层除外）和规定可
不进行验算的结构外，均应验算
? 验算内容
– 截面抗震验算
– 抗震变形验算
? 多遇地震作用下的弹性变形验算 ——非结构构件的破坏
? 罕遇地震作用下的弹塑性变形验算 ——抗倒塌
back
地震作用下的作用效应组合
back
组合类型 地震作用 用途
多遇地震作用下作用效应的基本组合 多遇地震 截面抗震验算
多遇地震作用下短期效应 多遇地震 弹性变形验算
罕遇地震作用下短期效应 罕遇地震 弹塑性变形验算
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hkEhs ECS ?
hkEhs ECS ????
截面抗震验算
back
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内力基本组合设计值
承载力设计值
承载力调整系数
抗震变形验算
? 弹性变形验算
– 目的：防止非结构构件出现过重破坏
– 范围：框架、框架 —抗震墙、框支抗震墙多高层钢筋砼房屋
– 表达式：
back
? ? hu ee ??? ?
弹性层间位移
弹性层间位移角限值
层高
? 薄弱层弹塑性变形验算
– 目的：防止倒塌或严重破坏
– 范围,
– 薄弱层弹塑性变形计算方法
– 薄弱层位置的确定：
– 表达式：
? ? hpp ?? ?
弹塑性层间位移
弹塑性层间位移角限值
薄弱层弹塑性变形验算的结构范围
? 应验算结构
– 8度 III,IV类场地和 9度时，高大单层钢筋砼柱厂房横向排架
– 甲类建筑,9度时乙类建筑中的钢筋砼和钢结构
– 7-9度时 楼层屈服强度系数 小于 0.5的钢筋砼框架结构
– 隔震和消能减震结构
– 高层钢结构
? 宜验算结构
– 超高和竖向不规则高层建筑结构
– 7度 III,IV类场地和 8度时，乙类建筑中的钢筋砼和钢结构
– 板柱 —抗震墙结构和底部框架砖房
back
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薄弱层弹塑性变形计算方法
? 简化方法
– 适用范围
? 不超过 12层且层刚度无突变的钢筋砼框架
? 不超过 20层且层刚度无突变的钢框架
? 单层钢筋砼柱厂房
– 方法
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? 静力弹塑性方法和弹塑性时程分析法
7 几种建筑结构的抗震设计
? 7.1 多层和高层钢筋混凝土结构房屋
? 7.2 多层砌体结构房屋和底部框架、内框架房屋
? 7.3 钢结构房屋
? 7.4 单层钢筋混凝土柱和砖柱厂房
? 7.5 单层空旷房屋
? 7.6 土、木、石结构房屋
? 7.7 隔震和消能减震房屋
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7.1 多层和高层钢筋混凝土结构房屋
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一般要求
计算模型
荷载分析
内力计算
截面设计
构造要求
变形验算
结构布置
7.2 多层砌体结构房屋和底部框架、内框架房屋
? 一般说明
? 结构布置
? 计算要点
? 构造措施
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一般说明
? 适用范围
– 多层砌体结构房屋
? 多层砖房（ 普通粘土砖、粘土空心砖 ）
? 多层砌块房屋（ 混凝土小型空心砌块 ）
– 底部框架 —抗震墙房屋（ 底层或底部两层 ）
– 内框架房屋（ 多排柱 ）
? 材料强度
? 施工要求
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结构布置
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? 房屋总高度和总层数限值
? 多层砌体房屋的最大高宽比
? 结构体系与抗震结构布置
– 多层砌体房屋 （承重方案、墙体布置、防震缝、楼梯间、挑檐等）
– 底部框架 —抗震墙房屋 （墙体布置、基础等）
? 抗震横墙最大间距
? 房屋砌体墙段的局部尺寸限值
计算要点
? 多层砌体结构房屋
? 底部框架 -抗震墙房屋
? 内框架房屋
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多层砌体结构房屋计算要点
? 计算方法
? 楼层水平地震剪力在各抗侧力墙体间的分配
– 墙体侧移刚度和侧移柔度
– 地震剪力在墙体上的分配
? 砌体结构抗震承载力验算
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计算方法
? 水平地震作用 ——底部剪力法
? 只进行多遇地震作用下的抗震承载力验算
? 不算基本周期，直接取地震影响系数最大值，
且不考虑顶部附加地震作用
? 只作墙体抗剪验算，不作墙体整体弯曲验算
? 按横向和纵向分别计算
? 一般可只选择承载面积较大或竖向压力较小
的墙段验算
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墙体侧移刚度和侧移柔度
? 墙体在水平力作用下的侧移
– =剪切变形 +弯曲变形
? 计算原则
– 一般考虑
? h/b<1,K只考虑剪切变形影响
? 1<=h/b<=4,K同时考虑剪切变形和弯曲变形影响
? h/b>1,K只考虑弯曲变形影响
– 几点概念
? 同一点、同一方向的侧移刚度与侧移柔度总成倒数
? 同一水平面上刚度可以叠加
? 同一竖面上柔度可以叠加
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地震剪力在墙体上的分配
? 横向楼层地震剪力分配
– 从楼层剪力分配到墙片
? 刚性楼盖 ——按横墙抗侧力等效刚度（水平截面积）分配
? 柔性楼盖 ——按横墙从属面积重力荷载代表值分配
? 半刚性楼盖 ——取上述两种结果平均值
– 从墙片分配到墙肢
? 按墙肢抗侧力等效刚度分配
? 纵向楼层地震剪力分配
– 从楼层剪力分配到墙片
? 按纵墙抗侧力等效刚度（水平截面积）分配
– 从墙片分配到墙肢
? 按墙肢抗侧力等效刚度分配
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砌体结构抗震承载力验算
? 砌体抗震抗剪强度设计值
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? 墙体抗震抗剪承载力验算
– 无筋粘土砖、多孔砖墙体
– 水平配筋粘土砖、多孔砖墙体
– 混凝土小型空心砌块
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沿阶梯形截面破
坏的抗震抗剪
强度设计值 砌体强度的正应
力影响系数
非抗震设计的
砌体抗震间
强度设计值
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? ? REvysvE AffV ?????
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构造措施
? 多层砌体结构房屋
– 多层砖房
– 多层砌块房屋
? 底部框架 —抗震墙房屋
? 内框架房屋
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7.3 单层钢筋混凝土柱和砖柱厂房
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