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1、第三章 工程结构抗震概论3.1 地震安全性评价3.2 地震区划3.3 工程结构抗震设防原则3.4 抗震设计极限状态概念3.5 结构抗震设计基本参数3.6 结构抗震设计原则3.1 地震安全性评价n设计建于地震区的工程时，希望具体了解此工程在其使用寿命内可能遭遇到的地震动强弱及其它特性，以便合理进行设计。n由于迄今地震的发生和地震动的特性都不能精确地预测，所以必须在概率含义上推测工程可能受到的地震威胁或危险，即地震安全性评价。n地震安全性评价工作的目的是为了给各项工程，包括重大工程等提供科学、合理的抗震设计地震动参数。n具体地讲，地震安全性评价是指对具体建设工程场址及其周围地区的地震地质条件、地球
2、物理环境、地震活动规律、现代地形变及应力场等方面进行研究的基础上，采用地震危险性分析方法，科学地给出相应的工程规划或设计所需要的有关抗震设防要求的地震动参数和基础资料。n其主要内容包括地震烈度复核、地震危险性分析、设计地震动参数确定、地震小区划、场地及其周围的地震地质稳定性评价和震害预测等。n地震小区划是指在城市或工程场区范围内，反映局部工程地震条件下地震破坏作用差异的地震安全性评价成果。该成果是城市和工程场区编制土地利用规划、制定防震减灾对策的基础资料，也是城市和工程场区内新建工程项目确定抗震设防要求的依据。n地震小区划包括地震动小区划和地震地质灾害小区划。这些研究成果不仅依赖于对场地和区域
3、地震与地质环境条件的研究；更重要的是必须建立在对场区范围内局部工程地震条件的详细勘探与测试的基础上。n地震动小区划应包括加速度峰值和反应谱小区划。n地震地质灾害小区划应包括砂土液化、软土震陷、地震断层、地震滑坡等内容。n对某一特定场地进行的地震安全性评价，不仅要给出特定场地强烈地震动的特性，而且要给出遭遇这种预期地震的概率。特定桥址场地遭遇预期地震的概率，可以用地震超越概率或地震重复周期来表示。这就引出地震安全性评价中的以下两个常用概念：一、地震超越概率n所谓地震超越概率，是指一定场地在未来一定时间内遭遇到大于或等于给定地震特征值（如给定震级、烈度、地震动加速度峰值等）的地震的概率，常以年超越
4、概率或设计基准期超越概率表示。三种烈度关系示意图n某地区的地震烈度是一个概率事件，分布函数可用极值III型表示。n假设某一场地超过给定值的未来地震的发生概率为均匀Poisson过程，则场地在t年内发生n 次大于或等于给定值I 的地震概率为：式中，(I)为大于或等于给定值I 的地震年平均发生率。exp是以自然对数e为底的指数函数。n根据上式，可分别得到特定场地未来遭遇到大于或等于给定值I 的地震的年超越概率和设计基准期超越概率：二、地震重复周期n地震重复周期是指一定场地大于或等于给定地震特征值的地震重复出现的平均时间间隔。n地震重复周期T 与年平均发生率(I)互为倒数关系：n地震重复周期与设计基
5、准期超越概率之间存在以下的相互对应关系：3.2 地震区划n工程抗震设防首先要进行地震安全性评价，合理估计不同地区可能遭受的地震破坏作用；首先要确定不同地区遭遇一定超越概率的地震的基本烈度或地震动参数，以此作为抗震设防的依据。地震区划就是对各地区的地震危险性作出估计，并将其结果以区划图的形式表示出来。n我国的地震区划已发展到第四代。20 世纪50 年代，我国曾编制过地震基本烈度区划图。该图采用了两条原则：（1）曾经发生过地震的地区，同样强度的地震将来还可能 重演；（2）地质特点相同的地区，地震活动性亦可能相同。该图 首次反映了我国地震烈度分布的基本面貌，但没有赋予 明确的时间概念。n20 世纪7
6、0 年代，国家地震局编制了第二代的地震烈度区划图。该图应用当时对地震活动性和地震地质等方面的研究成果，先进行地震危险区划，对未来百年内可能发生地震的地点和强度进行预测，然后在此基础上完成地震烈度区划，对未来百年内遭遇的最大烈度分布进行预测，并以1:300 万比例尺地震基本烈度区划图的形式将预测结果描绘出来。n根据该图的编制标准，地震基本烈度的含义是：100 年内，在平均土质条件下，场地可能遭遇的最高地震烈度。n1992 年6 月公布施行了我国第三代地震区划图中国地震烈度区划图（1990）。第三代地震区划图采用地震危险性概率分析方法给出以概率形式表达的所在地区的地震烈度区划或其他地震参数。n第三
7、代地震区划图上所标示的地震烈度值，系指在50 年期限内，在一般场地条件下，可能遭遇超越概率为10%的烈度值。该烈度值称为地震基本烈度。n2001 年国家地震局完成了第四代地震区划图的编制。n与第三代地震区划图相比，第四代地震区划图仍采用概率分析的方法，但采用了国际上普遍流行的按照地震动参数编制区划图的技术，并采用了双参数（地震动加速度和地震动反应谱特征周期）的表述方式。n第四代地震区划图于2001 年8 月1 日正式施行。n地震反应谱：在给定的地震加速度作用期间内，单质点体系的最大位移反应、速度反应和加速度反应随质点自振周期变化的曲线。用来计算在地震作用下结构的内力和变形。n反应谱特征周期：与
8、设计反应谱曲线下降段起点对应的周期，单位为秒。结构抗震设计时，使建筑物自振周期避免和它相同或相近，以免引起共振。云南省为例n国家地震局正在进行第五代地震区划图的编制。n新一代地震区划图编制的基本原则首先考虑将抗倒塌地震动参数作为编图的基准，保证抗倒塌水准的地震动参数的科学性和合理性。n与前几代地震区划图相比，第五代地震区划图除了科学性与精确度提高之外，还将体现“以人为本”的理念。n必须注意的是地震区划图上所标示的地震基本烈度值，可能与结构抗震设计中采用的抗震设防烈度值，并不完全一致。n结构抗震设计中所采用的抗震设防烈度，系指按国家批准权限审定作为一个地区抗震设防依据的地震烈度，一般情况下可采用
9、地震基本烈度；对做过地震小区划的地区，可采用抗震主管部门批准使用的地震参数，如设计地震动参数，设计反应谱曲线等。3.3 工程结构抗震设防原则 预防为主的指导方针 抗震设防标准 多级抗震设防思想一、预防为主的指导方针n我国现行的抗震设计规范均在总则第1 条开宗明义地提出，抗震工作应贯彻“预防为主”的方针。n地震工作包括震前的抗震防灾，震时的应急处理，震后的抢险救灾和恢复重建。震前的抗震防灾又包括地震的预测预报、新建工程的抗震设防、现有工程的抗震加固，以及城市抗震防灾规划的编制与实施等。这是减轻地震灾害的对策系统。预防为主的方针，就是要把工作重点放在震前的抗震防灾上，并且，“从预测到预防，以预防为
10、主”。n我国的地震区分布广，震中分散，以致不易捕捉地震发生的地点。地震发生的时间与强度，目前也尚未达到能准确预报的水平。n即使到了能准确预报地震（地点、时间和震级）的时候，如果不能做好抗震防灾的各项预防措施，各类工程结构、尤其是城市生命线工程没有抗震能力，一旦中强地震发生在城市及其周围地区，则仍会造成重大的损失。n贯彻“预防为主”方针，做好震前抗震防灾的各项预防工作，是减轻地震灾害最有效的战略决策。n工程结构抗震防灾的目标是减轻结构的地震破坏，保障人民生命财产的安全，减少经济损失。n这意味着，抗震设防的要求很大程度上依赖于经济政策和技术水平，既要使震前用于抗震设防的经济投入不超过我国当前的经济
11、能力，又要使地震中经过抗震设计的工程结构的破坏程度限制在人们可以承受的范围内。二、抗震设防标准n通常情况下，建设工程从选址到使用寿期内的防震措施可分为三个阶段：抗震设计、保证施工质量与合理的维护保养。n其中，抗震设计是至关重要的龙头环节。抗震设计要遵从一定的标准，这就是抗震设防标准。它包括抗震设防目标、工程设防类别、设防地震和场地选择等内容。n抗震设防标准是科学性和政策性（或社会性）的结合。n科学性就是要严格按照现行的有关规范要求进行工程场地地震安全性评价工作，使得评价结果较好地符合实际，具有较好的可重复性。n政策性则要考虑到工程类型、重要程度、投资强度风险程度等。n我国属于发展中国家，财力物
12、力有限，国家总的防灾政策决定了抗震设防标准不宜过高。随着科学技术的进步和国民经济的发展，以及人们防灾意识的加强，抗震设防标准在逐渐提高。a）抗震设防标准工程设防类别n根据工程结构遭遇地震破坏后可能产生的经济损失和社会影响程度，以及在抗震救灾中的作用，对其所做的抗震重要性类别划分。n一般分四类，也有的行业工程分为二类或三类。b)抗震设防标准设防地震n针对不同重要性类别的工程，采用特定安全水准的地震作用强度为设防依据。n这个特定安全水准的地震作用强度，常以一定概率水平下的地震烈度或地震动参数来表达。n在现行的多种抗震设计规范中称为“设防烈度”，有的规范（水工、水运）称为“设计烈度”，也有称为“设防
13、地震”或“设计地震”的。c)抗震设防标准抗震设防目标n工程结构通过抗震设计所要达到的宏观防震目标。设防目标同设计方法有关。建筑物抗震三级设防目标：小震不坏、中震可修、大震不倒。n桥梁抗震两级设防目标：E1地震作用下，各类桥梁不坏；E2地震作用下，A类桥梁可修，B、C类桥梁不倒。d)抗震设防标准场地选择n在地震区选择建设场地时，宜选择有利地段，避开不利地段，当无法避开时应采取适当的抗震措施。n这是经济合理的抗震设防前提，往往比其他抗震措施的作用还大。因为地震对建设工程的破坏，除地震动引起工程结构的破坏外，还有场地条件的因素，诸如地震引起的地表错动与地裂，地基土的不均匀沉陷，滑坡和粉、砂土液化等。
14、n对有利，不利和危险地段的划分，应按地震活动性、构造活动性，边坡稳定性和场地地基条件等进行综合评定。三、多级抗震设防思想n上面介绍的工程结构的抗震设防标准中的设防地震，是从概率意义上描述的，它也可以从确定意义上来描述。n从确定意义上来描述这一基本原则，首先需要规定两个或三个地震动水准，常称之小震和大震，或小震、中震和大震。n小震指的是对工程建设地点而言经常发生的;n中震是指在工程的使用年限内仅偶然发生的（E1地震）;n大震则指在使用年限内发生概率极小的地震（E2地震）。n小震、中震和大震，也称为多遇地震、偶遇地震和罕遇地震。n通常以50 年为基准期，把基准期内超越概率63%的地震（重复周期约为
15、50 年）定义为小震，超越概率10%的地震（重复周期约为475 年）定义为中震，超越概率2%3%的地震（重复周期分别约为2475 年和1642 年）定义为大震。n与这三个地震动水平相应的抗震设防目标是：在小震作用下，结构物不需修理，仍可正常使用；在中震作用下，结构物无重大损坏，经修复后仍可继续使用；在大震作用下，结构物可能产生重大破坏，但不致倒塌。这种抗震设防思想，即所谓的“小震不坏，中震可修，大震不倒”的三级设防标准。n多级抗震设防的思想最早是在核电站抗震设计中提出的，以后逐渐在其他重大工程（如近海平台、高压贮液设备、生命线工程等）中也被采用。n国内外现行的结构抗震设计规范中，多有采用这种抗
16、震设防思想的，如日本、美国现行的桥梁抗震设计规范等。n长期以来，结构抗震设防的基本目标是避免结构倒塌破坏，其它的设防目标则被隐含地认为自动满足，并没有一个特定的程序用于评估结构设计是否满足这些设防目标。n从最近十几年国内外发生的几次都市地震的震害经验中，人们认识到，过去的结构抗震设防思想存在一定缺陷，尤其对城市生命线工程的抗震设防问题。n由此产生了一种新的抗震设防思想基于性能的抗震设计（performance basedseismic design）。性能设计思想目前已被广泛认为是未来结构抗震设计规范发展的基本思想。3.4 抗震设计极限状态概念n对结构静力设计而言，极限状态指一个结构或结构的一
17、部分达到一个使它不适合使用的特殊状态。两类极限状态：即正常使用极限状态和承载能力极限状态。n对结构抗震设计而言，由于作为结构外部作用的地震动性质不同于静力荷载，因此抗震设计的极限状态概念与静力设计的极限状态概念不尽相同。n从结构抗震设计的发展看，采用分级抗震设防原则是必然趋势。以下从分级抗震设防思想出发，定义结构抗震设计中的极限状态概念。正常使用极限状态：n该极限状态与静力设计中使用的概念基本一致。n混凝土结构达到正常使用极限状态时，可能会出现较多的裂缝，但裂缝宽度应受到限制，钢筋不会发生明显屈服，混凝土保护层不出现剥落。结构一般不受损坏或不需修理仍可继续使用。n结构处于正常使用极限状态时，结
18、构基本上保持弹性状态。有限损坏极限状态：n该极限状态主要是用于控制结构的破坏程度。n混凝土结构达到有限损坏极限状态时，钢筋发生明显屈服，导致较宽的裂缝，混凝土保护层可能剥落，但不应出现箍筋断裂或纵向钢筋的屈曲现象，而且塑性铰区域的核心混凝土无须更换。结构经表面修复或不需修理仍可继续使用。n有限损坏极限状态给出了能经济地修复的破坏与不能修复或不能经济地修复的破坏之间的界限。免倒塌极限状态：n该极限状态是为了确保结构不会发生倒塌或危及生命的严重破坏。n结构抗震设计的基本目标是防止结构在预期的地震作用下倒塌破坏。混凝土结构达到免倒塌极限状态时，结构可能大量损坏，修复可能是不经济的，或者在技术上是不可
19、行的。结构处于免倒塌极限状态时，结构的侧向抗力早已不足于抵抗地震作用，而且由于结构破坏，侧向抗力已经明显下降。n此时结构保持不倒的关键是其非弹性变形能力。3.5 结构抗震设计基本参数工程结构的刚度、强度和延性，是结构抗震设计的三个基本参数。1刚度u刚度：单位变形条件下，结构或构件在变形方向所施加的力的大小。这个量值将荷载或作用力与结构的变形联系起来。u刚度和材料特性及截面特性相关：用力弯折直径和长度相等的实心钢管和木头，哪个费劲？用力弯折长度相等而直径不等的实心钢管，哪个费劲？力的不同导致刚度叫法的不同：n抗弯刚度：产生单位曲率所需要的弯矩。n抗剪刚度：发生单位剪切变形需要的剪力。n抗扭刚度：
20、发生单位扭转角所需要的扭矩。n抗推刚度：发生单位水平位移所需要的推力。n刚度有短期刚度和长期刚度之分，一般情况下，混凝土结构梁截面的抗弯刚度是不断变化的，随着时间增长而不断减小，试验表明一般在3年后趋于稳定。原因：混凝土结构的收缩徐变、钢筋的应力松弛造成截面有效截面减小，刚度降低。n预应力可以提高构件刚度的主要原因：预应力使混凝土构件处于线弹性状态，不开裂。u为了正确可靠地计算结构在地震侧向力作用下的变形，进而控制其变形，必须估算出结构的实际刚度。对结构刚度的估计值将直接影响到对结构地震反应位移的预期值。u桥梁抗震设计中，过去常常使用全截面刚度代替开裂截面刚度，因为全截面刚度大于开裂截面刚度，
21、人为低估了结构的地震反应位移，导致地震中出现落梁震害的严重后果。2强度n要保证工程结构在预期的地震作用下免遭破坏，结构必须具有足够的强度，以抵抗结构在其弹性地震反应时所产生的地震内力效应。n强度：材料在外力作下抵抗永久变形和断裂的能力。按外力作用的性质不同，主要有抗拉强度、抗压强度、抗弯强度等。抗压强度-材料承受压力的能力。抗拉强度-材料承受拉力的能力。抗弯强度-材料对致弯外力的承受能力。抗剪强度-材料承受剪切力的能力。n对于发生概率很低的地震，如475 年一遇的地震（通常对应设计地震水平），结构为抵抗其激起的弹性地震力，需要相当高的强度。对于一般性工程结构，如果确实这样做的话，意味着经济上的
22、极大浪费。n因此实际在设计时，强度通常只取对应弹性地震力的一小部分，如15%到25%，并依靠结构的非弹性变形能力，使结构在地震中得以幸存。3延性n为了把严重的破坏降低到最低限度，并确保带有适度抗倒能力的工程结构免于倒塌，当大地震迫使结构产生大变形时（这些变形可能远远超出了弹性范围），结构必须仍能维持其大部分初始强度。n结构、构件或材料用于抵抗其在非弹性反应范围内的变形的能力，通常用延性这个术语来描述。n延性是位于地震区的工程结构所必须具备的一个无比重要的特性。延性好的结构，构件或构件在达到屈服或最大承载能力状态后仍能吸收一定量的能量，能避免脆性破坏的发生。3.6 结构抗震设计原则n合理的抗震设
23、计，要求设计出来的结构，在强度、刚度和延性等指标上有最佳的组合，使结构能够经济地实现抗震设防的目标。n要达到这个要求，就需要设计工程师深入了解对结构地震反应有重要影响的基本因素，并具有丰富的经验和创造力，而不仅仅只是按规范的规定执行。抗震设计应尽可能遵循如下一些基本原则，这些原则基于历次的工程结构震害教训和当前公认的理论认识。主要包括：（1）场地选择（2）体系的整体性和规则性（3）结构和构件的强度与延性的均衡（4）能力设计原则（5）多道抗震防线一、场地选择n除了根据地震安全性分析尽量选择比较安全的场址之外，还要考虑一个地区内的场地选择。n选择的基本原则：避开地震时可能发生地基失效的松软场地，选
24、择坚硬场地。基岩、坚实的碎石类地基、硬粘土地基都是理想的场地；饱和松散粉细砂、人工填土、极软的粘土地基、不稳定的坡地及其影响可及的场地都是危险地区。n在地基稳定的条件下，还可以考虑结构与地基的振动特性，力求避免共振影响；在软弱地基上，设计时要注意基础的整体性，防止地震引起的动态的和永久的不均匀变形。二、体系的整体性和规则性n结构的整体性要好。对于桥梁结构，上部结构应尽可能设计成连续的。整体性可防止结构构件及非结构构件在地震时被震散掉落，同时它也是结构发挥空间作用的基本条件。n无论是在平面或立面上，结构的布置都要力求使几何尺寸、质量、刚度要均匀、对称、规整，避免突然变化。三、结构和构件的强度与延
25、性的均衡n强度与延性是决定结构抗震能力的两个重要参数。只重视强度而忽视延性绝对不是良好的抗震设计。应当在设计强度和延性水平之间取得适当的均衡。n结构具有的延性水平越高，相应的设计地震力可以取得越小，结构所需的强度也越低；反过来，结构具有的强度越高，结构所需具备的延性水平则越低。n选择的延性水平将直接影响到结构的地震破坏程度。结构延性的发挥意味着结构在设计地震动作用下将经历若干次反复的弹塑性变形循环，结构将出现一定程度的破坏。结构经历的非弹性变形越大，其破坏程度也越高。四、能力设计原则n传统的静力设计思想认为，理想的设计是使结构各构件都具有近似相等的安全度，即结构中不要存在局部的薄弱环节。但由于结构各构件的重要性程度并不相同，实际上即使是对于静力设计而言，等安全度设计思想并不合适，对于抗震设计更是存在严重的缺陷。n能力设计思想强调强度安全度差异，即在不同构件（延性构件和能力保护构件不适宜发生非弹性变形的构件统称为能力保护构件）和不同破坏模式（延性破坏和脆性破坏模式）之间确立不同的强度安全度。通过强度安全度差异，确保结构在大地震下以延性形式反应，不发生脆性破坏模式。五、多道抗震防线n工程结构具有多道抵抗地震侧向力的体系，在强地震动过程中，一道防线破坏后尚有第二道防线可以支承结构，避免倒塌。n超静定结构优于同种类型的静定结构。