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第11章 钢筋混凝土构件的抗震设计（第1页）

　　11。1建筑物抗震的基本概念

　　我国地处世界上两个最活跃的地震带，东濒太平洋地震带，西部和西南部是欧亚地震带所经过的地区，是世界上多地震国家之一。历史上曾发生多次特大的破坏性地震，如1927年的古浪地震、1933年的叠溪地震、1976年的唐山地震和2008年的汶川地震等，造成了极为严重的损失。我国地震灾害较严重的原因是：1地震活动带几乎遍布全国，无法集中力量作重点设防；2我国强震的重演周期长，易引起麻痹；3不少地震发生在人口稠密的城镇地区；4我国虽然较早地制定了抗震设计规范，但曾以为地震烈度为6度的地区可以不设防，而最近几十年中，在6度地区却发生了多次大地震。因此对建筑物的抗震设计应加以特别重视。

　　关于钢筋混凝土结构构件的抗震设计，不同的设计规范给出了相应的规定，如《建筑抗震设计规范》（gb50011—2001）、《水工建筑物抗震设计规范》（dl5073—2000）等，这里主要介绍水利系统的《水工混凝土结构设计规范》（sl191—2008）有关钢筋混凝土结构构件抗震设计的规定，对电力系统的《水工混凝土结构设计规范》（dlt5057—2009）在抗震设计规定方面和sl191—2008的区别也给予了必要的说明。

　　首先简要介绍抗震设计的一些基本概念。

　　11。1。1地震作用和地震作用效应

　　在地震过程中地面的运动方向是随机的，通常水平方向的加速度大于垂直方向的加速度。地震观测资料表明，经受强烈地震过程的地面加速度是相当大的，如1940年eicentro地震记录的地面加速度峰值为0。33g，1971年sanfrancisco地震在pacoima水坝坝址测得的地面加速度峰值超过1。0g，2008年汶川地震在紫坪铺坝坝顶测得的加速度峰值为2。0g，坝底地面加速度峰值为0。6g。

　　由地震动施加于结构上的动态作用称为地震作用，包括水平地震作用和竖向地震作用。地震作用引起的结构内力（剪力、弯矩、轴力、扭矩等）、位移（线位移、角位移）、裂缝开展等动态效应称为地震作用效应。结构在地震中损坏的程度不仅取决于地震作用效应及与其他荷载效应组合的大小，更取决于结构的承载能力和变形能力。

　　11。1。2场地

　　场地是指工程群体的所在地。每一个场地具有相似的反应谱特征，它相当于厂区、居民小区和自然村的区域范围或有不小于1。0km2的平面面积。

　　11。1。3震级与烈度

　　震级是按照地震本身强度而定的等级标度，用以说明某次地震的大小，用符号m表示。震级的大小表明某次地震释放能量的大小。目前国际上比较通用的是里氏震级。它以标准地震仪在距震中100km处记录下来的最大水平地动位移a（即振幅，以mm计）的对数值来表示该次地震的震级，其表达式如下

　　一次地震只有一个震级。一般，小于2级的地震称之为无感地震或微震；2级到5级地震称之为有感地震；5级以上的地震为破坏性地震；7级以上的地震称为强烈地震；8级以上的地震称为特大地震；至今记录到世界上最大的地震是1960年发生在智利的8。7级地震。

　　烈度i是指某一地区感受到的地面加速度及建筑物损坏程度的强弱。对应于一次地震，震级虽然只有一个，但由于各地区距震源远近不同，地质情况及建筑物条件不同，所感受的烈度是不同的。一般离震中愈近，烈度愈大，震中区的烈度最大，称为“震中烈度”。我国目前采用1～12度烈度表。烈度大小是根据人的感觉、家具的振动、房屋和构筑物的破坏情况及地表现象分级的。以砖混房屋或砖木房屋的震害为例，当烈度为6度时结构有损坏；7度时结构轻度破坏，经小修或不需修理可继续使用；8度时结构中等破坏，需要修理才可使用；9度时结构严重破坏，局部倒塌；10度时，房屋大多数倒塌；11度时，房屋普遍倒塌；12度时，地面剧烈变化，山河改观。

　　图11-1烈度i的概率分布曲线与三种烈度之间的关系

　　对某一地区，50年期限内，一般场地条件下，可能遭遇超越概率为10%的地震烈度称为该地区的基本烈度i0。1990年，国家地震局采用地震危险性概率分析方法，考虑各地的地质、地形条件和历史地震情况等，吸收中长期地震预报的研究成果，编制了《中国地震烈度区划图》（1990）。对房屋建筑及中小型水利工程，基本烈度i0就采用《中国地震烈度区划图》上所标示的烈度值；对重大的水利工程，基本烈度i0应通过专门的场地地震危险性评价工作确定。

　　每一地区在一定期限内实际发生的烈度是随机的。根据我国华北、西北和西南地区地震发生概率的统计分析，烈度i的概率分布大体如图11-1所示。其中概率密度函数曲线峰值对应的烈度称为众值烈度，其50年内超越概率约为63。2%；50年超越概率为2%～3%的烈度称为罕遇烈度，基本烈度i0的50年超越概率为10%。众值烈度比基本烈度约低1。55度，罕遇烈度比基本烈度高1度左右。

　　在建筑物设计中实际采用的地震烈度称为设计烈度。对于一般工程，抗震设计烈度就取为该地区的基本烈度，对特别重大的工程和可能引起严重次生灾害的工程建筑，其设计烈度常按基本烈度提高1度采用，如水工建筑物中的1级壅水建筑物的设计烈度可较基本烈度提高1度。

　　相应于众值烈度的地震一般可视作该地区的“小震”，相应于基本烈度的地震可视作该地区的“中震”，相应于罕遇烈度的地震即为该地区的“大震”。

　　11。1。4地震动峰值加速度和设计地震加速度

　　在有关抗震设计的规范中，对于中小型工程和房屋建筑，一般均规定可以以设计烈度为依据采用拟静力法、底部剪力法等进行抗震设计，但对于重大工程（包括高度大于60～80m的高层建筑）和可能引起严重次生灾害的工程则必须进行专门的地震危险性分析，即直接进行动力分析。

　　直接进行动力分析，就要用到地震动参数，它包括地震加速度（速度、位移）时程曲线、加速度反应谱和峰值加速度，其中最主要的是地震时的地面（或基岩）峰值加速度。所谓峰值加速度，就是地震动过程中地表质点运动加速度的最大绝对值。

　　在设计中，实际采用的加速度最大绝对值称为设计地震加速度，它由专门的地震危险性分析按规定的设防概率水准所确定，一般情况下取为与设计烈度相对应的地震动峰值加速度。《水工建筑物抗震设计规范》（dl5073—2000）给出了设计烈度和水平向设计地震加速度代表值ah的对应关系，见表11-1。竖向设计地震加速度的代表值av应取水平向设计地震加速度代表值的23。

　　表11-1设计烈度和水平向设计地震加速度代表值的对应关系

　　注g为重力加速度，g=9。81ms2。

　　11。1。5反应谱

　　地震反应谱是现阶段计算地震作用的基础，通过反应谱可把随时程变化的地震作用转化为最大的等效静力。所谓地震反应谱，是指在给定的地震加速度作用期间内，单质点弹性体系的最大位移反应、最大速度反应或最大加速度反应随质点自振周期变化的曲线。对于不同的地震加速度记录，反应谱不相同；对于同一地震加速度记录但结构的阻尼不同，反应谱值也不相同。利用反应谱的目的是要预测结构将来可能遭遇的最大地震作用，所以用某一次地震的加速度记录所算得的反应谱作为设计依据是不可靠的。为了满足工程设计需要，就应将由大量强震加速度记录所算得的反应谱，按照影响反应谱曲线形状的因素进行分类，并按每种分类进行统计分析，求出最有代表性的曲线作为设计依据，这种曲线称为设计反应谱。

　　图11-2为《水工建筑物抗震设计规范》（dl5073—2000）所采用的设计反应谱，图11-2中的β称为动力系数，或称放大系数，它是质点加速度峰值amax和地面水平地震加速度代表值ah的比值，即

　　；t为结构的自振周期；βmax为设计加速度反应谱最大值的代表值；tg为不同类别场地的特征周期，它相当于地震波的主震周期，βmax和tg可分别由表11-2和表11-3查得。设计反应谱下限值的代表值βmin应不小于βmax的20%；当设计烈度不大于8度且基本自振周期大于1。0s的结构，特征周期tg宜延长0。05s。

　　图11-2《水工建筑物抗震设计规范》（dl5073—2000）采用的设计反应谱

　　表11-2设计反应谱最大值的代表值βmax