《建筑物的抗震分析》课件

建筑物的抗震分析结构内过设计建筑物的抗震分析是土木工程与安全的核心容，通科学的抗震进确保建筑物在地震作用下的安全性随着城市化程的加快和建筑高度的不为现设计环节断增加，抗震分析已成代建筑中不可或缺的重要课统绍础识实设计本程将系介地震基知、建筑震害例、抗震原理、分析方法应帮习论实践以及工程用，助学者全面掌握建筑抗震分析的理与课程内容概览1地震基础知识与震害分析动数历涵盖地震原理、参以及史重大震害案例研究2抗震设计原理与方法设计标设标结构选择优包括目、防准、体系与布局化3分析理论与工程应用弹软应规发塑性分析、件用、范展及典型工程案例4前沿技术与发展趋势设计减术发性能化、震控制技以及未来展方向地震基本原理地震成因机制震级与烈度地震波类型块动层动级释纵横地震主要由板运和断活引起震表示地震放能量的大小，是地震地震波包括波（P波）、波（S波）壳积应过时绝则传较当地中累的力超岩石强度，的对量度烈度表示地震对地面建和面波P波播速度最快但破坏力发释响传较较会生突然的断裂和位移，放出巨大筑物影和破坏的程度，同一次地震在小，S波播慢但破坏力大，面波在这弹传的能量些能量以性波的形式向四不同地点的烈度可能不同地表播造成主要破坏传周播，形成地震地震动参数峰值加速度值动标响结构峰地面加速度（PGA）是地震强度的重要指，直接影的响应设计数地震和地震力的确定通常以重力加速度的倍表示反应谱分析应谱动频谱设计地震反反映了地震的特性和能量分布，是抗震中确定结构结构响应异显地震作用的重要工具不同周期的地震差著持续时间续时间响结构积损伤劳续时间地震持影的累和疲破坏强震持越长，结构进阶积损伤严入塑性段的可能性越大，累也越重世界重要地震实例年唐山大地震年日本东日本大震灾19762011级级伤纪伤惨级级发啸虽啸震

7.8，造成24万余人亡，是20世世界上亡最重的地震之震

9.0，引巨大海然建筑物抗震性能良好，但海造成了调查为设计规损动种护设计发一震害中国抗震范的制定提供了重要依据巨大失，推了多灾防理念的展123年台湾集集地震1999级级软严震

7.3，造成2400余人死亡震害特点包括弱地基上建筑物重动湾设计规订破坏，推了台地区抗震范的重大修建筑物震害分析整体倒塌局部坍塌材料损坏载发构楼层发开护层剥钢建筑物完全失去承能力，生整体建筑物某些件或生破坏，但包括混凝土裂、保落、筋发设结构结构虽结构倒塌多生在抗震防不足、整体仍能保持稳定常见于薄弱外露断裂等然不会立即危及质层构载响体系不合理或施工量差的建筑中破坏或局部件承力不足安全，但会影耐久性和使用功能震害典型案例框架结构柱端破坏顶弯发弯框架柱根部和部是矩最大的部位，容易生曲破坏层结构现开现1976年唐山地震中，多框架普遍出柱端裂象梁柱节点失效连节复杂内结构关键梁柱接点承受的力作用，是框架的部位节导个别设计点破坏会致整框架体系失效，需要特加强薄弱层破坏楼层刚载显楼层时当某一的度或承力明小于其他，地震作用下层导层间结构容易形成薄弱，致位移集中和倒塌震害典型案例钢筋混凝土结构剪切破坏粘结滑移构发钢间结导钢短柱或剪跨比小的件易生脆性剪切破筋与混凝土之的粘失效致筋滑预设计构载刚剧响结坏，破坏突然且无兆，是抗震中需要移，使件承力和度急下降，影12构避免的破坏模式的整体性能疲劳损伤压弯破坏43复钢发轴弯构压反地震作用下，筋和混凝土材料生疲在力和矩共同作用下，件受区混凝劳损伤导构载渐压钢，致件承力和延性逐退化土碎或受拉筋屈服，是框架柱的主要破坏模式震害典型案例钢结构与砌体结构钢结构震害特点砌体结构震害特点钢结构韧焊节连环结构发具有良好的延性和性，但接点和接部位是薄弱砌体延性差，抗拉和抗剪能力低，在地震作用下容易生脆节发现焊缝开问题动钢结构墙开倾1995年阪神地震中大量裂，推了性破坏体裂、整体覆和局部坍塌是主要震害形式连术进接技的改约墙载脱伤现无束砌体在面外荷作用下稳定性差，容易落人代钢复载发劳别应结构过构约材在反荷作用下可能生低周疲破坏，特是在力集砌体需要通圈梁、造柱等束措施提高整体性钢虽较中部位高强度材然强度高，但延性相对差现代建筑抗震要求生命安全员设计标1保障人生命安全是抗震的首要目功能保护2重要建筑需保持基本功能财产保护3减经济损响少失和社会影多道防线4护建立冗余度和多重保机制抗震设计三目标小震不坏应弹状态现损仅轻在多遇地震作用下，建筑物保持性工作，不出坏或有损继续这结构够弹载刚微坏，正常使用要求具有足的性承力和度中震可修设现损经过在防地震作用下，建筑物可能出一定程度的坏，但修理后继续许结构进阶损仍可使用允入塑性段，但需控制坏程度大震不倒虽现较损应在罕遇地震作用下，建筑物可能出重坏，但不倒塌或发严这设计线生危及生命的重破坏是抗震的底要求抗震设防类别与标准设类别类设实防建筑型防要求典型例设类别设电军特殊防特重要建筑高于本地区核站、事挥防要求指中心设类设重点防重要建筑按本地区防医院、学校、场要求提高大型体育标设类设办楼准防一般建筑按本地区防住宅、公要求设类许储库适度防次要建筑允适当降低藏室、车要求抗震设防区划度度67基本烈度中等烈度应值进计应值进设计对峰加速度

0.05g，一般建筑可不行抗震算对峰加速度

0.10g-

0.15g，需行抗震度度89较高烈度高烈度应值较严应值设计对峰加速度

0.20g-

0.30g，抗震要求格对峰加速度

0.40g，抗震要求很高地质与地形影响山地地形顶动应显山和山脊地区地震放大效明，建筑物受到的地震作用可能比平地增大

1.5-2倍河谷地形软积层较产动场现河谷地区弱沉厚，容易生地震放大和地液化象基岩出露坚动较为场条硬基岩地区地震相对小，建筑抗震最有利的地件沉积覆盖层软动显厚土覆盖地区地震著放大，需采取特殊的抗震措施场地类型与地基土壤Ⅰ类场地Ⅱ类场地坚硬土或岩石，等效剪切波速大于动响为中硬土，等效剪切波速250-500m/s，500m/s，地震影最小，抗震最动为场条地震有一定放大，一般地件有利Ⅲ类场地Ⅳ类场地软软中土，等效剪切波速140-250m/s，弱土，等效剪切波速小于140m/s，动显别设动严地震放大明，需要特注意抗震地震放大重，抗震最不利计建筑平面设计及抗震平面规则性刚度中心与质量中心应规则称刚质应建筑平面尽量、对，避建筑的度中心与量中心尽复杂状规则较免的凹凸形的平面量重合，避免大的偏心距当过时产布置有利于地震力的均匀分布，偏心距大，地震作用会生减扭转应复杂显扭转应导结构少效L形、T形等著的效，致破应过设缝规平面通置防震分割成坏则单元薄弱层控制显开间悬过避免在平面布置中形成明的薄弱部位，如大、大挑等通合构结构协调理的件布置和加强措施，确保的整体工作建筑立面与体型控制高宽比限制体型突变控制重心分布宽应进应建筑的高比控制在避免建筑立面突然收建筑重心尽量居中且规许围内过范允范，高或外挑，防止形成薄弱沿高度均匀分布，避免过细层变时应头轻的建筑在地震作用当确需化，重脚的配重方式发倾过渐变过顶设备下容易生覆破坏通渡或加强措部用房等附加重结构条别虑不同体系有不同的施来改善受力件量需特考其抗震影宽值响高比限防震缝的设置防震缝的作用缝宽计算与构造缝复杂个简单规则结构单缝宽应设结构类防震将的建筑分割成若干相对的元，避防震的度根据建筑高度、防烈度和型确定，一般邻动异产碰层缝宽免相部分因力特性差而生相互撞不小于70mm高建筑的防震度需要更大缝还释温变异内结构缝应从础顶开设贯缝侧结构应防震能放度形和沉降差引起的力，提高的适防震基面始置，通建筑全高两的应开连性和安全性完全分，不得有任何接结构布局优化刚度均匀分布结构连续性多道防线侧构应内结构竖线线抗力件在平面均匀分布，确保在水平和向都具有良好建立多道抗震防，当第一道防刚变横纵侧连续传径楼时续线载避免度突向和向的抗的性，避免力路中断失效，后防仍能承担荷构应协调应够够过设计结构储力件配置，形成良好的空板具有足的整体性，能有效通冗余度提高的安全间传递备工作体系和分配地震力结构体系分类结构结构墙结构墙结构钢结构结构种类种结构围抗震体系包括框架、剪力、框架-剪力、、砌体等多型每体系都有其特定的受力特点、适用范和抗震性选择结构设计关键决能合适的体系是抗震的策之一框架结构抗震分析承重体系特点结构组竖载间开框架由梁、柱成骨架承受向和水平荷具有空灵优刚较侧变较敞、布置活的点，但整体度相对小，向形大剪切变形控制结构发变层间框架在水平地震力作用下主要生剪切型形，位移标过构设墙角是重要的控制指需通增大件截面或增剪力来控变制形延性设计要求结构应弯节构框架遵循强柱弱梁、强剪弱、强点弱件的延性设计则变原，确保在强震下具有良好的塑性形能力剪力墙结构抗震分析1高承载能力墙内刚载剪力具有很大的平面度和承力，能有效抵抗水平地震层力，适用于高建筑2剪跨比影响墙关墙发剪力的破坏模式与剪跨比密切相剪跨比小的体易生墙发弯剪切破坏，剪跨比大的体易生曲破坏3延性设计过构墙发弯通合理配筋和造措施，使剪力在大震下能生延性的曲破坏，避免脆性的剪切破坏框架剪力墙结构抗震分析-协同工作适用范围墙层层框架和剪力共同承担水平地适用于10-30的高建筑，变协调优势应层结构震力，两者形，互是目前用最广泛的高体系优势补分担机制体系结墙优既墙合框架和剪力的点，剪力承担大部分水平力，框间灵竖载有框架的空活性，又有剪架主要承担向荷并提供冗墙侧刚力的抗度余度2314钢结构抗震分析连接节点设计节钢结构关键证够点是的部位，需保足的强度和延性屈服机制控制过设计铰通合理确保梁端先于柱端屈服，形成梁机制塑性铰分布铰应节处过现塑性在梁端形成，避免在柱子和点早出钢结构优韧结构别节设计问题够发挥具有良的延性和性，是理想的抗震材料但需要特注意点和整体稳定性，确保在大震下能其良好变的塑性形能力砌体结构抗震性能材料特性限制破坏模式分析结构墙开砌体材料抗拉强度低，延性差，砌体的典型震害包括体发倾约在地震作用下容易生脆性破裂、整体覆和局部坍塌无浆质墙坏砂强度和砌筑量对抗震束砌体在面外地震力作用下稳响显严脱员伤性能影著，需要格控制施定性差，容易落造成人质工量亡适用范围限制结构应慎层现结砌体在强烈地震区重使用，一般限制在低建筑代砌体构过约需通配筋、束等措施提高抗震性能地震力作用模型质量分布影响振型参与系数等效静力方法质响结构响应个组规则层建筑物的量分布直接影地震力的大的地震由多振型合而成，对于的中低建筑，可采用等效静质较楼层导简为载进小和分布量大的承受的地震第一振型通常起主作用高振型的影力法将地震作用化静力荷行分较应响层较为显这种简单实力也大，需要相增强其抗震能力在高建筑中著，不能忽略析方法用，但有一定的适围质导结构产扭转动数结构用范限制量偏心会致生振，使振型参与系反映了各振型对地震边缘构设计时响应贡献结构件承受更大的地震作用，的程度，是抗震分析中的重要等效静力法的基本假定是以第一振应虑数为进动扭转予以考参型主行振，忽略了高振型和应响效的影地震荷载计算方法时程分析法1最精确的方法，适用于重要建筑反应谱法2虑个响围考多振型的影，适用范广振型分解法3应谱基于反的多振型分析方法底部剪力法4规则层等效静力法，适用于中低建筑反应谱分析法反应谱概念应谱单响应地震反描述了自由度体系在地震作用下的最大与自关振周期的系多振型组合组响应结构总采用CQC或SRSS方法合各振型的，得到的体地响应震方法局限性时结构弹为无法反映地震的程特性，不能分析的塑性行和倒塌过程时程分析法地震波输入选择场条记录为输组与地件相符的地震波作入，通常需要3以上的地进结震波行分析，确保果的可靠性动力计算过数值积结构动计结构通分方法求解的运方程，逐步算在地震作用下响应历的程结果分析获结构时内响应评结得各刻的位移、速度、加速度和力，可以全面估构的抗震性能适用范围别规则进弹层特适用于重要建筑、不建筑和需要行塑性分析的高建筑弹性与弹塑性分析比较类阶计复杂分析型适用段材料模型分析精度算度弹线弹较性分析小震、中性适中低震弹极弹较塑性分大震、塑性高很高析震应场规设计评专项论证用合常性能估科研分析弹塑性静力分析（法）Pushover性能评估追踪破坏过程线损伤评结施加侧向荷载基于推覆曲和模式估载结构达标构识别环节建立分析模型逐步增加荷直至到目的抗震性能，薄弱并结构单调递侧发个进议在上施加增的向荷位移或生倒塌，追踪整破坏提出改建结构线载拟响载过过记录构建立的非性分析模型，定，模地震作用的影荷程分析程中各件的义构弹构关铰现顺发过材料和件的塑性本分布可采用倒三角形、均匀分布塑性出序和展程应结构系模型能准确反映的几或其他合理的分布形式何特征和材料性能动力弹塑性分析真实地震波往复荷载效应倒塌全过程实际记录虑复载结结构从弹阶采用地震或人考地震往荷对可以分析性为输构积损伤应终过工合成地震波作的累效，能段到最倒塌的全够动够拟构复载为概入，能反映地震的模件在反荷程，基于倒塌率的频谱续时间刚设计特性和持对作用下的强度和度退抗震提供依据结构响应响的影化常用抗震分析软件现开专业软结构软专设计代抗震分析离不件的支持SAP2000和ETABS是建筑分析的主流件，PERFORM-3D门用于性能化抗震开则线软复杂弹OpenSees是源的地震工程分析平台，ABAQUS和MSC Marc是通用的非性有限元件，适用于的塑性分析结构非线性分析建模材料本构关系构件单元模型义钢纤维单铰单准确定混凝土、筋等材料采用元、塑性元或应应变关单拟构线的力-系，包括强分布塑性元模件的非软滞为单类化、化和回特性材料模性行不同元型适用于选择响结型的直接影分析果的不同的分析目的和精度要求准确性损伤区域仿真过铰损伤拟构损伤结构通塑性、因子等方法模件的和失效，准确反映渐进过在地震作用下的破坏程弹塑性分析流程ABAQUS几何建模环结构维义构间在CAE境中建立的三几何模型，定各件的截面尺寸和空关简计位置系合理的几何化有助于提高算效率材料与边界条件义钢数设边条关数应定混凝土和筋的材料参，置界件和接触系材料参试验数规值基于据或范推荐确定荷载与求解载载选择数线施加重力荷和地震荷，合适的求解器和步长控制参非性关敛问题分析需要注收性和稳定性后处理分析应损伤结绘变图应图过动显提取位移、力、等果，制形和力云通画示观观结构过可以直察的破坏程抗震分析应用OpenSees节点单元定义材料模型选择义结构节标单选择构在OpenSees中定点坐和合适的材料本模型，如连关结构节义元接系，建立的拓扑模型Concrete

02、Steel02等，定材料参约条实际结构数点自由度和束件需要根据OpenSees提供了丰富的材料模型设库种复杂线特点合理定，适用于各的非性分析结果可视化地震波输入记录结过过输利用recorder命令分析果，通通timeSeries和pattern命令入地处进时时虑维后理工具如MATLAB或Python行震加速度程，可以同考多地震数处图绘内选择调结据理和形制，生成位移、力作用地震波的和整对分析果时线响程曲影很大性能化抗震设计性能目标设定标明确不同地震水准下的性能目，如立即使用、生命安全、防止倒塌等性能评估分析线评结构实际现采用非性分析方法估在不同地震作用下的性能表设计方案优化评结调设计数满预标根据性能估果整参，确保足期的性能目设计结构实为发传统载设计过标够性能化抗震以的真性能出点，突破了基于承力的理念通明确的性能目和精确的分析方法，能更好结构损伤状态地控制在地震中的程度和功能基于倒塌概率的设计方法1%2%10%倒塌概率限值最大可接受概率分析不确定性规结构内概议概为虑概评变异ASCE范要求在50年的倒塌率不FEMA P695建的最大可接受倒塌率考模型不确定性，倒塌率估的系过数约为超1%2%10%概设计设计发过概结构险这种虑动结基于倒塌率的方法代表了抗震的最新展方向，通率分析方法量化的倒塌风方法考了地震的随机性和构响应为设计的不确定性，抗震提供了更加科学的依据结构减震控制技术隔震技术原理消能减震技术过结构设结构减过结构设结构通在底部置隔震装置，延长自振周期，小地震作通在中置阻尼器等消能装置，增加阻尼，消耗地震胶变滞约用隔震橡支座是最常用的隔震装置，具有良好的水平形能能量常用的阻尼器包括粘阻尼器、摩擦阻尼器、屈曲束支竖载力和向承能力撑等统够输结构减显减术变结构隔震系能将入到上部的地震能量少60%-80%，消能震技可以在不改基本体系的前提下提高抗震性结构别既著提高的抗震安全性能，特适用于有建筑的抗震加固新型结构抗震技术钢板剪力墙钢为侧构优钢墙场够变发采用薄板作抗力件，具有良的延性和耗能能力板剪力在屈服后形成拉力，能承受很大的塑性形而不生脆性破坏新型连接节点发扩连节这连够铰护节过展了翼式、盖板式等新型梁柱接形式，改善点的受力性能些接方式能确保塑性在梁端形成，保柱子和点不早破坏预应力技术应用预应结构复结预应术应结构够动复减残变力混凝土具有良好的抗裂性能和恢力特性无粘力技的用使得在地震后能自位，少余形国内外抗震设计规范规称国家/地区范名特色与重点最新版本设计设中国建筑抗震基于烈度的2010年版规范GB50011防体系（2016年修订）设计美国ASCE7-22性能化理2022年版进念先级设订日本建築基準法多防体系2020年修完善欧统欧标订洲Eurocode8一的洲2023年修版准规范发展趋势性能化设计从传统载设计设计转变关结构实际现的承力向性能化，更加注的性能表功能可恢复调结构复减时间复强在地震后的功能恢能力，少停机和修成本韧性设计结构韧变难提高在高烈度地震区的性和形能力，防止灾性破坏国际协调际间术标协调进术发加强国的技交流与准，促抗震技的全球化展典型工程案例高层框架剪力墙结-构1工程概况层办楼总墙结构设场某30公，高度120米，采用框架-剪力体系防烈度8度，类别为类规则显变地Ⅱ建筑平面，立面无明突2结构设计要点墙电楼间竖载剪力布置在梯井、梯等部位，框架主要承担向荷采用高强度混钢构载凝土和高强筋，提高件承力和延性3弹塑性分析过程软细输组进动弹采用PERFORM-3D件建立精化模型，入三地震波行力塑性分结构满设析分析表明足大震不倒的防要求4关键技术措施钢构设滞过优在薄弱部位采用型混凝土件，置粘阻尼器提高耗能能力通化配构筋和造措施确保良好的抗震性能工程案例高烈度区住宅小区项目背景结构方案选择分析结果评估设栋墙结构墙时显层间为位于9度防区的住宅小区，包含多采用剪力体系，体厚度适当程分析示最大位移角层楼险关键满规值构18住宅由于地震风高，采用加厚，配筋率提高在部位采用1/180，足范限要求主要件严设计标护约边缘构墙弹轻损伤状态了格的抗震准和多重保措束件，提高体的延性和承在大震下保持性或微，财产载规设结构施，确保居民生命安全力底部加强区高度按范要求整体性能良好置工程案例隔震消能建筑实践隔震支座安装阻尼器设置监测系统铅胶为刚结构关键设滞结结构监测统实时监测采用芯橡支座作隔震装置，水平在部位置粘阻尼器，增加安装健康系，建筑的竖载选构数数动响应统传度小，向承力大支座的型和布置阻尼比阻尼器的阻尼系和速度指力特性和地震系包括加速度满层变协调过优减传数设备需要足隔震的形要求，确保地需要通化分析确定，平衡震效果和感器、位移感器和据采集时经济震的安全性性。