第十二章建筑抗震設(shè)計基本知識
  第一節(jié)概述
  一、名詞術(shù)語含義
  1.地震。由于地下巖層構(gòu)造狀態(tài)突然破裂、或由于局部巖層塌落、火山噴發(fā)、核爆炸等原因產(chǎn)生振動,并以波的形式傳到地面引起地面顛簸和搖晃,這種地面運動就叫做地震。在建筑抗震設(shè)計中所指的地震是由于巖層構(gòu)造狀態(tài)突然發(fā)生破裂引起的地震
  2.震級。是衡量一次地震大小的等級。用符號M表示,一般稱為里氏震級。
  M=2~4的地震為有感地震。
  M>5的地震,對建筑物有不同程度的破壞,,
  M>7的地震,稱為強(qiáng)烈地震或大地震。
  3.地震烈度。指地震時某一地區(qū)地面和各類建筑物遭受一次地震影響的強(qiáng)弱程度。
  4.多遇地震烈度。設(shè)計基準(zhǔn)期50年內(nèi),超越概率為63.2%的地震烈度。
  5.基本烈度。指中國地震烈度區(qū)劃圖標(biāo)明的地震烈度。1990年頒布的地震烈度區(qū)劃圖標(biāo)明的基本烈度為50年限期內(nèi),一般場地條件下,可能遭遇超越概率為10%的地震烈度。
  6.罕遇地震烈度。設(shè)計基準(zhǔn)期內(nèi),超越概率為2%-3%的地震烈度。
  7.抗震設(shè)防烈度。按國家規(guī)定的權(quán)限批準(zhǔn),作為一個地區(qū)抗震設(shè)防依據(jù)的地震烈度,一般情況可采用中國地震烈度區(qū)劃圖標(biāo)明的基本烈度。
  8.地震作用。地震作用是地震動影響結(jié)構(gòu)后,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的動態(tài)反應(yīng)(如速度,加速度,變形)。地震作用不是直接的外力作用,而是結(jié)構(gòu)在地震時的動力反應(yīng),是一種間接作用,過去曾稱為地震荷載,它與重力荷載的性質(zhì)是不同的。地震作用的大小是與地震動的性質(zhì)和工程結(jié)構(gòu)的動力特性有關(guān);地震作用分為水平地震作用、豎向地震作用和扭轉(zhuǎn)地震作用。
  9.超越概率。一定地區(qū)范圍和時間范圍內(nèi),發(fā)生的地震烈度超過給定地震烈度的概率。
  10.抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn):衡量抗震設(shè)防要求的尺度,由抗震設(shè)防烈度和建筑使用功能的重要性確定。
  11.設(shè)計地震動參數(shù):抗震設(shè)計用的地層加速度(速度、位移)時程曲線,加速度反應(yīng)譜和峰值加速度。
  12.設(shè)計基本地震加速度:50年設(shè)計基準(zhǔn)期超越概率10%的地震加速度的設(shè)計值。13.建筑抗震概念設(shè)計:根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗等所形成的基本設(shè)計原則和設(shè)計思想,
進(jìn)行建筑和結(jié)構(gòu)總體布置,并確定細(xì)部構(gòu)造的過程。
  14.抗震措施:除地震作用計算和抗力計算以外的抗震設(shè)計內(nèi)容,包括抗震構(gòu)造措施。
  15.抗震構(gòu)造措施:根據(jù)抗震概念設(shè)計原則,一般不需計算而對結(jié)構(gòu)和非結(jié)構(gòu)各部分必須采取的各種細(xì)部要求�! 《⒔ㄖ拐鹪O(shè)防分類與設(shè)防目標(biāo)
  (一)建筑物抗震設(shè)防類別
  從安全與經(jīng)濟(jì)兩個方面綜合考慮,根據(jù)建筑物在地震發(fā)生后在政治、經(jīng)濟(jì)和社會影響大小分為四類:
  1.甲類建筑
  甲類建筑應(yīng)屆于重大建筑工程和地震時可能發(fā)生嚴(yán)重次生災(zāi)害的建筑。對于甲類建筑必須經(jīng)國家規(guī)定的批準(zhǔn)權(quán)限批準(zhǔn)。
  2.乙類建筑
  國家重點抗震城市的生命線工程的建筑或其他重要建筑。這類建筑主要是使用功能不能中斷或需要盡快恢復(fù)及地震破壞會造成社會重大影響和國民經(jīng)濟(jì)重大損失的建筑。包括:醫(yī)療、廣播、通訊、交通、供水、供電、供氣、消防、糧食等等。這類建筑地震作用按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度計算;抗震措施;當(dāng)設(shè)防烈度為6~8度時,應(yīng)提高一度設(shè)計;當(dāng)為9度時應(yīng)比9度設(shè)防時更高的抗震措施。
  3.丙類建筑
  甲、乙、丁類以外的建筑,為大量的一般工業(yè)與民用建筑,抗震設(shè)計和抗震措施均按當(dāng)?shù)氐脑O(shè)防烈度考慮。
  4.丁類建筑
  次要建筑,一般指地震破壞或倒塌不易造成人員傷亡和較大經(jīng)濟(jì)損失的建筑。如儲存價值低的物品或人員活動少的單層倉庫建筑�?拐鹩嬎惆串�(dāng)?shù)氐脑O(shè)防烈度,抗震措施則降低一度考慮,6度時不應(yīng)降低。
  (二)抗震設(shè)防目標(biāo)
  抗震設(shè)計要達(dá)到的目標(biāo)是在不同頻數(shù)和強(qiáng)度的地震時,要求建筑具有不同的抵抗能力,對一般較小的地震,發(fā)生的可能性大,故又稱多遇地震,這時要求結(jié)構(gòu)不受損壞,在技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都可以做到;而對于罕遇的強(qiáng)烈地震,由于發(fā)生的可能性小,但地震作用大,在此強(qiáng)震作用下要保證結(jié)構(gòu)完全不損壞,技術(shù)難度,經(jīng)濟(jì)投入也大,是不合算的,這時若允許有所損壞,但不倒塌,則將是經(jīng)濟(jì)合理的。我國抗震規(guī)范根據(jù)這些原則提出了“三個水準(zhǔn)”的抗震設(shè)防目標(biāo)。
  第一水準(zhǔn):當(dāng)遭受低于本地區(qū)設(shè)防烈度的多遇地震影響時,一般不受損壞或不需修理仍可繼續(xù)使用
  第二水準(zhǔn):當(dāng)遭受本地區(qū)設(shè)防烈度的地震影響時,可能損壞。經(jīng)一般修理或不需修理仍可繼續(xù)使用
  第三水準(zhǔn):當(dāng)遭受到高于本地區(qū)設(shè)防烈度的罕遇地震(大震)時,建筑不致倒塌或危及生命財產(chǎn)的嚴(yán)重破壞。
  通常將其概括為:“小震不壞.中震可修、大震不倒”。
在抗震設(shè)計時,為滿足上述三水準(zhǔn)的目標(biāo)采用兩個階段設(shè)計法。
  第一階段設(shè)計:按小震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)的基本組合驗算結(jié)構(gòu)構(gòu)件的承載能力,以及在小震作用下驗算結(jié)構(gòu)的彈性變形。滿足第一水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)。又滿足第二水準(zhǔn)的設(shè)防要求(損壞可修)。對大多數(shù)的結(jié)構(gòu),可只進(jìn)行第一階段設(shè)計,而通過概念設(shè)計和抗震構(gòu)造措施來滿足第三水準(zhǔn)的迓遷要求。
  第二階段設(shè)計是彈塑性變形驗算,對特殊要求的建筑和地震時易倒塌的結(jié)構(gòu),除進(jìn)行第一階段設(shè)計外,還要按大震作用時進(jìn)行薄弱部位的彈塑性層間變形驗算和采取相應(yīng)的構(gòu)造措施,實現(xiàn)第三水準(zhǔn)的設(shè)防要求。
  上面提到的小震、基本烈度、大震之間的大致關(guān)系為:
  小震比基本烈度低1.55度:
  大震比基本烈度高1度左右�! ∪�、抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)
  抗震設(shè)防烈度為6度及以上地區(qū)的建筑,必須進(jìn)抗震設(shè)計,我國現(xiàn)行《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(CB500ll一2001)(以下簡稱《抗震規(guī)范》)適用于抗震設(shè)防烈度為6,7、8和9度地區(qū)建筑的抗震設(shè)計和隔震、消能減震設(shè)計。大于9度地區(qū)的建筑,其抗震設(shè)計應(yīng)按有關(guān)專門規(guī)定進(jìn)行抗震設(shè)計。
建筑抗震設(shè)計包括:地震作用,抗震承載力計算和采取抗震構(gòu)造措施,以達(dá)到抗震效果�?拐鹪O(shè)計首先要確定設(shè)防烈度,一般取基本烈度。
各抗震設(shè)防類別建筑的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)符合下列要求:
  (一)甲類建筑,地震作用應(yīng)高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求,其值應(yīng)按批準(zhǔn)的地震安全性評價結(jié)果確定,抗震措施,當(dāng)抗震設(shè)防烈度為6—8度時,應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求,當(dāng)為9度時,應(yīng)符合比9度抗震設(shè)防更高的要求。
  (二)乙類建筑,地震作用應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求;抗震措施,一般情況下,當(dāng)抗震設(shè)防烈度為6-8度時,應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求,當(dāng)為9度時,應(yīng)符合比9度抗震設(shè)防更高的要求;地基基礎(chǔ)的抗震措施,應(yīng)符合有關(guān)規(guī)定。
對較小的乙類建筑,當(dāng)其結(jié)構(gòu)改用抗震性能較好的結(jié)構(gòu)類型時,應(yīng)允許仍按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求采取抗震措施。
  (三)丙類建筑,地震作用和抗震措施均應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求。
  (四)丁類建筑,一般情況下,地震作用仍應(yīng)符合本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求;抗震措施應(yīng)允許比本地區(qū)抗震設(shè)防烈度的要求適當(dāng)降低,但抗震設(shè)防烈度為6度時不應(yīng)降低。
  (五)抗震設(shè)防烈度為6度時,除《抗震規(guī)范》有具體規(guī)定外,對乙、丙、丁類建筑可不進(jìn)行地震作用計算。
  四、抗震設(shè)計的基本要求
  (一)選擇對抗震有利的場地、地基和基礎(chǔ)
1.應(yīng)根據(jù)工程需要掌握地震活動情況、工程地質(zhì)和地震地質(zhì)的有關(guān)資料,對抗震有利、不利和危險地段作出綜合評價。應(yīng)選擇有利地段;避開不利地段。當(dāng)無法避開時應(yīng)采取有效措施。
有利地段是指:堅硬土或開闊平坦密實均勻邊中硬土地段。
不利地段是指:軟弱土、液化土、條狀突出的山嘴、高聳孤立的山丘、非巖質(zhì)的陡坡、河岸和邊坡邊緣、故河道、斷層破碎帶等。
危險地段是指:地震時可能發(fā)生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及發(fā)震斷裂帶上可能發(fā)生地表錯位的部位等地段。對甲、乙、丙類建筑不應(yīng)建在危匿地段。
2.同一結(jié)構(gòu)單元不宜設(shè)置在性質(zhì)截然不同的地基土上;也不宜部分采用天然地基、部分采用樁基。當(dāng)?shù)鼗熊浫躔ば酝�、液化土、新近填土或�?yán)重不均勻土層時應(yīng)估計地震時地基不均勻沉降或其他不利影響,并采取相應(yīng)措施。
  (二)建筑設(shè)計和建筑結(jié)構(gòu)的規(guī)則性
1.建筑設(shè)計應(yīng)符合抗震概念設(shè)計的要求,不應(yīng)采用嚴(yán)重不規(guī)則的設(shè)計方案。

注:①高層建筑(10層及10層以下)的平面宜簡單、規(guī)則、對稱、減少偏心;
  ②高層建筑的平面長度L不宜過長,突山部分長度l不宜過大;L、l等值宜滿足圖12—1及表12—2的要求。
注:高層建筑當(dāng)結(jié)構(gòu)上部樓層收進(jìn)部位到室外地面的高度與房屋高度之比大于0.2時,上部樓層收進(jìn)后的水平尺寸不宜小于下部樓層水平尺寸的0.75倍[圖12—2(a)、(b)]
  當(dāng)上部結(jié)構(gòu)樓層相對于下部樓層外挑時,下部樓層的水平尺寸B不宜小于上部樓層水平尺寸D1的0.9倍,且水平外挑尺寸d不宜大于4m[圖12—2(c)、(d)]。

  3.不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu),應(yīng)按下列要求進(jìn)行水平地震作用計算和內(nèi)力調(diào)整,并應(yīng)對薄弱部位采取有效的抗震構(gòu)造措施:
  (1)平面不規(guī)則而豎向規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu),應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計算模型,并應(yīng)符合下列要求:
  1)扭轉(zhuǎn)不規(guī)則時,應(yīng)計及扭轉(zhuǎn)影響,且樓層豎向構(gòu)件最大的彈性水平位移和層間位 移分別不宜大于樓層兩端彈性水平位移和層問位移平均值的1.5倍;
  2)凹凸不規(guī)則或樓板局部不連續(xù)時,應(yīng)采用符合樓板平面內(nèi)實際剛度變化的計算模 型,當(dāng)平面不對稱時尚應(yīng)計及扭轉(zhuǎn)影響。
  (2)平面規(guī)則而豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu),應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)計算模型,其薄弱層的地震剪力應(yīng)乘以1.15的增大系數(shù),應(yīng)按《抗震規(guī)范》有關(guān)規(guī)定進(jìn)行彈塑性變形分析,并應(yīng)符 合下列要求:
  1)豎向抗側(cè)力構(gòu)件不連續(xù)時,該構(gòu)件傳遞給水平轉(zhuǎn)換構(gòu)件的地震內(nèi)力應(yīng)乘以1.25~ 1.5的增大系數(shù);
  2)樓層承載力突變時,薄弱層抗側(cè)力結(jié)構(gòu)的受剪承載力不應(yīng)小于相鄰上一樓層的 65%。
  (3)平面不規(guī)則且豎向不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu),應(yīng)同時符合本條(1)、(2)款的要求。
  4.砌體結(jié)構(gòu)和單層工業(yè)廠房的平畫不規(guī)則性和豎向不規(guī)則性,應(yīng)分別符合《抗震規(guī)范》有關(guān)章節(jié)的規(guī)定。
  5.體型復(fù)雜、平立面特別不規(guī)則的建筑結(jié)構(gòu),可按實際需要在適當(dāng)部位設(shè)置防震縫,形成多個較規(guī)則的抗側(cè)力結(jié)構(gòu)單元。
  6.防震縫應(yīng)根據(jù)抗震設(shè)防烈度—結(jié)構(gòu)材料種類,結(jié)構(gòu)類型、結(jié)構(gòu)單元的高度和高差情況,留有足夠的寬度,其兩側(cè)的上部結(jié)構(gòu)應(yīng)完全分開。
  當(dāng)設(shè)置伸縮縫和沉降縫時,其寬度應(yīng)符合防震縫的要求.