《建筑结构抗震设计》课后习题全解(王社良版)

第一章 绪 论 1 1 地震按其成因分为哪几种类型 按其震源的深浅又分为哪几种类型 构造地震 火山地震 陷落地震和诱发地震 深浅 构造地震可分为浅源地震 d300km 1 2 什么是地震波 地震波包含了哪几种波 各种地震波各自的传播特点是什么 对地面和建筑物的影响如何 地震波 地震引起的振动以波的形式从震源向各个方向传播并释放能量 是一 种弹性波 分为体波 地球内部传播 面波 地球表面传播 体波 分为纵波 p 波 在传播过程中 其介质质点的振动方向与波的前进 方向一致 特点是 周期短 振幅小 影响 它使地面发生上下振动 破坏性较弱 橫波 s 波 在传播过程中 其介质质点的振动方向与波的前进方向垂直 特点是 周期长 振幅大 影响 它使地面发生前后 左右抖动 破坏性较强 面波 分为洛夫波 L 波 传播时将质点在与波前进方向相垂直的水平方向 上作蛇形运动 影响 其波长大 振幅强 只能沿地表面传播 是造成建筑物 强烈破坏的主要因素 地震波的传播速度 纵波 横波 面波 橫波 面波 地面震动猛烈 破坏作用大 地震波在传播过程中能量衰减 地面振动减弱 破坏作用逐渐减轻 地震波是指从震源产生向四外辐射的弹性波 地震发生时 震源区的介质发生 急速的破裂和运动 这种扰动构成一个波源 由于地球介质的连续性 这种波 动就向地球内部及表层各处传播开去 形成了连续介质中的弹性波 1 3 什么地震震级 什么是地震烈度和基本烈度 什么是抗震设防烈度 地震震级 表示地震本身强度或大小的一种度量指标 地震烈度 指某一地区 的地面和各类建筑物遭受一次地震影响的强弱程度 基本烈度 在一定时期内 一般指 50 年 某地区可能遭遇到的超越某一概率的最大地震烈度 抗震 设防烈度 就是指指地面及房屋等建筑物受地震破坏的程度 1 4 什么是多遇地震和罕遇地震 多遇地震一般指小震 50 年可能遭遇的超越概率为 63 的地震烈度值 罕遇地震一般指大震 50 年超越概率 2 3 的地震烈度 1 5 什么是地震 地震作用 震源 震中距 烈度 震级 震中 地震 指因地球内部缓慢积累的能量突然释放而引起的地球表层的振动 震源 地球内部断层错动并辐射地震波的部位 震中距 地面某处至震中的水平距离 震中 震源在地面上的投影点 震级 表示一次地震本身强弱程度和大小的尺度 它以地震释放的能量为尺度 根据地震仪记录到的地震波确定 地震强度由震级和烈度来反映 地震烈度 某一地区地面和各类建筑物遭受一次地震影响的强弱程度 是衡量 地震后引起后果的一种标度 地震烈度与震级 一次地震 表示地震大小的震级只有一个 由于同一次地震对不同地点的影响不一样 随着距离震中的远近会出现多种不 同的烈度 地震作用 地震引起的作用于建筑物上的动荷载 1 6 建筑的抗震设防类别分为哪几类 分类的作用是什么 根据建筑使用功能的重要性 按其受地震破坏时产生的后果 抗震规范 将建 筑分为甲乙丙丁四类 甲类建筑 重大建筑工程和遭遇地震破坏时可能发生严重次生灾害的建筑 乙类建筑 地震时使用功能不能中断或需尽快恢复的建筑 丙类建筑 除甲乙丁类以外的一般建筑 丁类建筑 抗震次要建筑 1 7 什么是建筑抗震概念设计 它主要包括哪几方面内容 指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想 进行建筑和结构的总体 布置并确定细部构造的过程 注意场地选择和地基基础设计 把握建筑结构的规则性 选 择合理抗震结构体系 合理利用结构延性重视非结构延性 确保材料和施工质量 1 8 在建筑抗震设计中 是如何实现 三水准 设防要求的 抗震设防的 三水准 即 不震不坏 中震可修 大震不倒 这一抗震 设防目标亦为我国 抗震规范 所采纳 三水准设防的设防要求 第一水准 在遭受低于本地区规定的设防烈度的地震影响时 建筑物一般不受 损坏或不需要修理仍可继续使用 第二水准 在遭受本地区规定的设防烈度的地震影响时 建筑物 包括结构和 非结构构件 可能有一定损坏 但不致危及人民生命和生产设备的安全 经一 般修理或不需要修理仍可继续使用 第三水准 在遭受高于本地区设防烈度的预估罕遇地震影响时 建筑物不致倒 塌或发生危及生命的严重破坏 两阶段设计方法 第一阶段设计 是在方案布置符合抗震设计原则的前提 下 按基本烈度相应的众值烈度 相当于小震 的地震动参数 用弹性反应谱 法求得结构在弹性状态下的地震作用效应 然后与其它荷载效应按一定的组合 原则进行组合 对构件截面进行抗震设计或验算 以保证必要的强度 再验算 在小震作用下结构的弹性变形 这一阶段设计 用以满足第一水准的抗震设防 要求 第二阶段设计 在大震 罕遇地震 作用下 验算结构薄弱部位的弹塑 性变形 对特别重要的建筑和地震时易倒塌的结构除进行第一阶段的设计外 还要按第三水准烈度 大震 的地震动参数进行薄弱层 部位 的弹塑性变形 验算 并采取相应的构造措施 以满足第三水准的设防要求 大震不倒 第二章 场地 地基和基础 2 1场地土的分类计划分 场地土是指建筑场地范围内的地基十 其组成和坚硬程度不同 对建筑物震害 的影响也不同 一般地分为坚硬土或岩石 中硬土 中软土 软弱土 2 2 简述天然地基基础抗震验算的一般原则 哪些建筑可不进行地基及基础的抗震承载 力验算 1 砌体房屋 2 地基主要受力层范围内不存在软弱粘性土层的下列建筑 1 一般的单层厂房和单层空旷房屋 2 不超过 8层且高度在 25m 以下的一般民用框架房屋 3 基础荷载与 2 项相当的多层框架厂房 3 规范规定可不进行上部结构抗震验算的建筑 2 3 怎样确定地基土的抗震承载力 天然地基地震作用下的承载力验算 采用 拟静力法 规范规定 基础底面平均压力和边缘最大压力应符合下式要求 式中 p 基础底面平均压力 kPa pmax 基础底面边缘最大压力 kPa faE 地基土抗震允许承载力 高宽比大于 4 的高层建筑 在地震作用下基础底面不宜出现拉应力 其它建 筑 基础底面与地基土之间零应力区面积不应超过基础底面面积的 15 2 4 什么是场地土的液化 怎样判别 影响液化的因素有哪些 抗液化措施 液化对建筑物有 哪些危害 地下水位以下的饱和砂土或粉土在强烈地震的作用下 其土颗粒之间将产生相 对位移 从而使土的颗粒结构有变密的趋势 这时 若孔隙水在短时间内不能 排走而受到挤压 则交将使孔隙水压力急剧上升 其结果使砂土颗粒局部或全 部处于悬浮状态 土体的抗剪强度等于零 形成如 液体 一样的现象 这种 现象称为场地土的液化 aEfp2 1max aEfp 处于地下水位以下的饱和砂土和粉土的土颗粒结构受到地震作用时将趋于密 实 使空隙水压力急剧上升 而在地震作用的短暂时间内 这种急剧上升的空 隙水压力来不及消散 使有效压力减小 当有效压力完全消失时 土颗粒处于 悬浮状态之中 这时 土体完全失去抗剪强度而显示出近于液体的特性 这种 现象称为液化 液化的宏观标志是在地表出现喷砂冒水 影响场地土液化的主要因素 土层的地质年代和组成 土层的相对密度 土层的埋深和地下水位的深度 地震烈度和地震持续时间 抗液化措施 使处理后土层的标准贯入锤击数实测值大于相应的临界值 选择合适的地基埋深 调整基础底面积 减少基础偏心 加强基础的整体性和 刚度 增强上部结构整体刚度和均匀对称性 合理设置沉降缝 管道穿过建筑 处采用柔性接头 危害 地面开裂下沉使建筑物产生过度下沉或整体倾斜 不均匀沉降引起建筑物上部结构破坏 使梁板等构 件及其节点破坏 使整体开裂和建筑物体型变化处开裂 2 5 液化判别和处理的一般原则 对存在饱和砂土和粉土 不含黄土 的地基 除 6 度外 应进行液化判别 对 6 度区一般情况下可不进行判别和处理 但对液化敏感的乙类建筑可按 7 度 的要求进行判别和处理 7 9 度时 乙类建筑可按本地区抗震设防烈度的要 求进行判 别和处理 存在液化土层的地基 应根据建筑的抗震设防类别 地基的液化等级结合具 体情况采取相应的措施 为了减少判别场地土液化的勘察工作量 饱和砂土液化的判别可分为两步进 行 即初步判别和标准贯入试验判别 经初步判别定为不液化或不考虑液化影 响的场地土 原则上可不进行标准贯入试验的判别 初步判别主要是根据以地质年代 粘粒含量 地下水位及上覆非液化土层厚 度等作为判断条件 标准贯入试验判别则是根据现场的试验结果来确定 即利 用专门的标准贯入试验设备并按照规定的试验方法在现场进行试验 当地面下 15m 或 20m 深度范围内的实测标准贯入锤击数 N63 5 未经杆长修正 小于液化 判别标准贯入锤击数的临界值 Ncr时 应判别为可液化土 否则即为不液化土 液化判别标准贯入锤击数的临界值 Ncr应按照规定的公式计算 2 6 等效剪切波速 若计算深度范围内有多层土层 则根据计算深度范围内各 土层剪切波速加权平均得到的土层剪切波速即为等效剪切波速 2 7 地基土抗震承载力 地基土抗震承载力 其中 a 为地基土的 抗震承载力调整系数 fa 为深宽修正后的地基承载力特征值 2 8 场地覆盖层厚度 我国 建筑抗震设计规范 GB50011 2001 定义 一 般情况下 可取地面到剪切波速大于 500m s 的坚硬土层或岩层顶的距离 2 9 什么是土层等效剪切波速 其作用是什么 如何计算 1 反映各土层的综合刚度 其值可根据地震波通过计算深度范围内各土层的总 时间等于该波通过同一计算深度的单一折算土层所需的时间求得 2 反映各土 层的综合刚度 3 根据地震波通过计算深度范围内的各土层的总时间等于该波 通过同一计算深度的单一折算土层所需的时间求得 2 10 场地的卓越周期 确定卓越周期的意义 地表震动频度 周期关系曲线上频度最大值对应的周期称为场地的卓越周期 意义 在建筑 抗震设计中 应使建筑物的自振周期避开场地的卓越周期 以避免发生共振现象 自振周期和卓越周期 Tg对结构的震害有什么影响 简答题 结构的自振周期顾名思义是反映结构的动力特性 与结构的质量及刚度有关 具体对单自由度就只有一个周期 而对于多自由度就有同模型中采用的自由度 相同的周期个数 周期最大的为基本周期 设计用的主要参考数据 而卓越周期是 在地震影响系数曲线中 水平段与下降段交点的横坐标 反映 了地震震级 震源机制 包括震源深度 震中距等地震本身方面的影响 同时 也反映了场地的特性 如软弱土层的厚度 类型等场地类别 第三章结构地震反应分析与抗震验算 3 1 地震作用的概念 特点和影响因素 定义 地震释放的能量 以地震波的形式向四周扩散 地震波到达地面后引 起地面运动 使地面原来处于静止的建筑物受到动力作用而产生强烈振动 在 振动过程中作用在结构上的惯性力就是地震作用 以前称为地震荷载 特点 1 不是直接作用在结构上 属于间接作用 2 不仅取决于地震烈度 设计地震分组和场地类别等地震特性 还与结构 的动力特性 自振周期 阻尼等 密切相关 影响因素 震中距离 震源深度 震级 地震时间 地形 地质 房屋结构 人口密度 天气等等 3 2 什么是加速度反应谱曲线 定义 单自由度体系在给定地震动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 性质 加速度反应谱曲线为一多峰点曲线 当阻尼比为 0时 加速度反方谱 的谱值最大 峰点突出 阻尼比越大 反应越小 曲线越平滑 结构周期的规 律 对于加速度反应谱 当结构周期小于某个值时幅值随周期急剧增大 大于 某个值时 快速下降 3 3 什么是等效总重力荷载 Geq 怎样确定 所谓等效总重力荷载 对于多质点体系来说 就是总重力荷载代表值乘以等效 质量系数 0 85 Geq 85 0 112 niiniiiiiGH 根据对大量结构采用直接动力法分析结果的统计 c 的大小与结构的基本周 期及场地条件有关 当结构周期小于 0 75s时 此系数可近似取为 0 85 显然 对于单质点体系 此系数取 1 在使用底部剪力法计算地震作用的结构的基本周 期一般都小于 0 75s 所以 抗震规范 即规定 c 取 0 85 结构等效总重力荷载 确定如 Gep 0 85 Gi 3 4 重力荷载代表值 结构抗震设计时的基本代表值 是结构自重 永久荷载 和有关可变荷载的组合值之和 3 5 简述确定水平地震作用的振型分解反应谱法的主要步骤 1 计算多自由度结构的自振周期及相应振型 2 求出对应于每一振型的最大 地震作用 同一振型中各质点地震作用将同时达到最大值 3 求出每一振型 相应的地震作用效应 4 将这些效应进行组合 以求得结构的地震作用效应 3 6 考虑竖向地震力 设防烈度为 8 度和 9 度区的大跨结构 长悬臂结构 以及 设防烈度为 9 度区的高层建筑 3 7 鞭梢效应 对突出屋面的屋顶间 女儿墙 烟囱等质量和刚度突然变小的 部分 地震作用效应会增大 第四章 建筑抗震概念设计 4 1 何谓 抗震概念设计 概念设计 与计算设计有何不同 答 指根据地震灾害和工程经验等所形成的基本设计原则和设计思想 进行建筑和结构总体 布置并确定细部构造的过程 与计算设计的不同 计算设计是通过地震作用的取值进行 结构的抗震验算 而概念设计强调 在工程设计一开始 就应该把握好能量输入 房屋 体型 结构体系 刚度分布 构件延性等几个主要方面 从根本上消除建筑中的抗震薄 弱环节 概念设计需要辅以必要的计算设计 4 2砼框架体系结构抗震设计中如何考虑填充墙的影响 使结构抗侧移刚度增大 自振周期减短 从而作用于整个建筑上的水平地震 力增大 增加的幅度可达 30 50 改变了结构的抗震剪力分布状况 由于砌体填充墙参与抗震 分担了很大一 部他分水平地震剪力 反而使框架所承担的楼层地震剪力减小 由于砌体填充墙具有较大的抗侧移刚度 限制了框架的变形 从而减小了整 个结构的抗震侧移幅值 相对于框架而言 砌体填充墙具有很大的初期刚度 建筑物遭受地震前几个 较大加速度脉冲时 填充墙承担了大部分地震力 并用它自身的变形及墙面裂 缝的出现和开展 消耗输入建筑物的地震能量 所以 砌体填充墙在这里充当 了第一道抗震防线的主力构件 使框架退居为第二道防线 第五章 多层和高层钢筋混凝土结构 5 1 框架结构的侧移计算包括哪几个方面 结构布置及构件截面尺寸确定 计算简图 荷载计算 重力荷载代表值计算 水平 地震 作用计算 内力计算 竖向 水平向 内力组合 截面强度计 算 变形验算 构造措施等 5 2 框架结构抗震设计的基本原则是什么 钢筋混凝土框架结构宜对称布置 钢筋混凝土框架的梁 柱构件应避免剪切破坏 构件弯曲破坏形成的极限剪 力应小于构件斜截面的极限剪力 即强剪弱弯 钢筋混凝土框架的梁 柱构件之间应设置成 强柱弱梁 梁柱节点的承载力宜大于梁 柱构件的承载力 即 强节点弱构件 5 3 结构破坏机制 总体机制 楼层机制 强柱弱梁 原则 框架柱端的抗弯承载力大于框架梁的抗弯承载力 要使梁 端首先屈服形成塑性铰消耗地震能量 而柱在较长时间里 基本处于弹性状态 调整方法 人为地将同一节点处柱端在地震作用组合下的弯矩设计 值调整为略大于梁端的弯矩设计值或抗弯能力 强剪弱弯 原则 框架梁和柱的抗剪承载力大于抗弯承载力 防止地震时构 件在受弯屈服前发生剪切破坏 调整方法 人为地将同一杆件在地震作用组合下的剪力设计值调整 为略大于按杆端弯矩设计值及梁上荷载反算出的剪力值 强节点强锚固原则 使节点有足够的承载能力 5 4 简述框架节点抗震设计的基本原则 节点的承载力不应低于其连接构件的承载力 多遇地震时节点应在弹性范围内工作 罕遇地震时节点承载力的降低不得危及竖向荷载的传递 梁柱纵筋在节点区内应有可靠的锚固 节点配筋不应使施工过分困难 5 5 简述钢筋混凝土结构房屋的震害情况 答 1 共振效应引起的震害 2 结构布置不合理引起的震害 3 柱 梁和节点的震害 4 填充墙的震害 5 抗震墙的震害 第六章 多层砌体房屋 6 1 多层砌体结构房屋的计算简图如何选取 地震作用如何确定 层间地震 剪力在墙体间如何分配 计算简图的选取 在建筑物两个主轴方向分别计算水平地震作用并进行抗震验算 满足前面规定的结构布置要求的多层砌体结构 在地震作用下的变形形式以 层间剪切变形为主 各楼层的重量集中到楼 屋盖标高处 以防震缝所划分的结构单元作为计算 单元 各楼层重量包含楼 屋盖自重 活荷载组合值 上 下个半层的墙体 构造 柱重量之和 固定端位置 基础埋置浅时 取基础顶面 埋置深时 取室外地坪下 0 5m处 当设有整体刚度很大的全地下室时 取地下室顶板顶处 当地下室整体刚度较 小或为半地下室时 取为地下室室内地坪处 此时 地下室也算作一层楼面 地震作用的确定 结构底部总水平地震作用的标准值 Fek 1Geq 考虑到多层砌体结构房屋中纵向或横向承重墙体的数量较多 房屋的侧移 刚度很大 因而其纵向和横向基本周期较短 一般均不超过 0 25s 所以 抗 震规范 规定 对于多层砌体结构房屋确定水平地震作用时 地震影响系数均 取其最大值 即 max 水平地震作用 EKnkkiiFGH 1 eqkGmax 楼层地震剪力 突出屋面的屋顶间 女儿墙 烟囱等 地震作用应乘以地震 FVniji 增大系数 3 层间地震剪力 在墙体间的分配 i 层间地震剪力是作用在整个房屋某一楼层上的剪力 首先要把它分配到同一 楼层的各道墙上去 进而再把每道墙上的地震剪力分配到同一道墙的某一墙段 上 横向水平地震作用下层间剪力分配 横向水平地震作用由该验算方向横墙单独承受 第 i层层间水平地震剪力为 Vi 按三种情况分配到该层第 m 道横墙上 纵向水平地震作用下层间剪力分配 计算方法同横墙 由于纵向墙体的间距较小 水平刚度较大 往往可按纵墙净 截面面积与全部纵墙总净截面面积的比值 Aim Ai进行分配 6 2 多层砌体结构房屋的抗震构造措施包括哪些方面 6 2 1 多层砖房的抗震构造措施 1 设置钢筋混凝土构造柱 2 设置钢筋混凝土圈梁 3 楼盖 屋盖构件具有足够的搭接长度和可靠的连接 4 横墙较少砖房的有关规定与加强措施 5 墙体之间的连接 6 加强楼梯间的整体性 7 采用同一类型的基础 6 2 2 多层砌块房屋的抗震构造措施 一 设置钢筋混凝土芯柱 1 芯柱设置部位及数量 混凝土小砌块房屋应按下表要求设置钢筋混凝土芯柱 对医院 教学楼等横 墙较少的房屋 应根据房屋增加一层后的层数按下表要求设置芯柱 2 芯柱截面尺寸 混凝土强度等级和配筋 1 混凝土小砌块房屋芯柱截面尺寸不宜小于 120mm 120mm 2 芯柱混凝土强度等级 不应低于 C20 3 芯柱竖向钢筋应贯通墙身且与圈梁连接 插筋不应小于 1 12 7 度时超过五层 8 度时超过四层和 9 度时 插筋不应小于 1 14 4 芯柱应伸入室外地面下 500mm 或与埋深小于 500mm 的基础圈梁相连 5 为提高墙体抗震受剪承载力而设置的芯柱 宜在墙体内均匀布置 最大 净距不宜大于 2m 二 砌块房屋中替代芯柱的钢筋混凝土构造柱 1 截面与配筋 构造柱最小截面可采用 190 190mm 纵向钢筋宜采用 4 12 箍筋间距不宜大于 250mm 且在柱上下端宜适当加密 7 度时超过五层 8 度 时超过四层和九度时 构造柱纵向钢筋宜采用 4 14 箍筋间距不应大于 200mm 外墙转角的构造柱可适当加大截面及配筋 2 构造柱与墙体的连接 构造柱与墙体连接处应砌成马牙槎 与构造柱相邻的砌块孔洞 6 度时宜填 实 7 度时应填实 8 度时应填实并插筋 沿墙高每隔 600mm应设拉结钢筋网片 每边深入墙内不宜小于 1m 3 构造柱与圈梁的连接 构造柱与圈梁连接处 构造柱的纵筋应穿过圈梁 保证构造柱纵筋上下贯通 4 构造柱的基础 构造柱可不单独设置基础 但应深入室外地面下 500mm 或与埋深小于 500mm 的基础圈梁相连 三 设置钢筋混凝土圈梁 砌块房屋均应设置现浇钢筋混凝土圈梁 圈梁截面尺寸 混凝土强度等 级和配筋应符合下列要求 1 圈梁宽度不应小于 190mm 2 配筋不应小于 4 12 箍筋间距不应大于 200mm 并按下表设置 四 砌块墙体的拉结 砌块房屋墙体交接处或芯柱与墙体连接处应设置拉结钢筋网片 网片可采用 钢筋点焊而成 沿墙高每隔 600mm设置 每边深入墙内不宜小于 1m 五 设置钢筋混凝土带 6 度时 7层 7 度时超过 5层 8 度时超过 4层 在底层和顶层的窗台标高处 沿纵横墙应设置通长的水平现浇钢筋混凝土带 其截面高度不小与 60mm 纵筋 不小于 2 20 并应有分布拉结筋 其混凝土强度等级不低于 C20 六 其它构造措施 与多层砖房相应要求相同