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第一章概述
地震是极其频繁的,全球每年7级以上的大地震大约有十几次,8级以上大震大约1~2次。强烈地震会引起地震区的地面剧烈颠簸和摇动,往往造成建筑物和设施的破坏,为减轻或避免这些破坏,需要对地震及结构抗震性能进行深入研究。本章主要针对地震基本知识如地震成因、烈度、震级、抗震设防。
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●1.1地震的类型
按地震的成因、震源深度、人的感觉不同类型进行地震分类,初步了解地震。
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●1.2地震波及地面地面运动主要特性
地震是以波的形式传播到地面,引起地面运动,从而引起房屋的振动,因此地震波及地面运动主要特性对结构抗震性能有重要的影响,本节主要介绍地震波特点类型以及地震动的三要素。
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●1.3地震常用术语、震级与烈度
通过震中、震中距、震级、地震烈度等地震术语学习进一步了解地震,其中地震烈度是抗震设计主要依据。
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●1.4地震震害
目前调查研究地震震害的现状,分析震害规律,总结人们预防地震和减轻地震灾害的经验,是抗震设防、保证人民财产安全的有效途径。本章通过地表破坏、结构工程破坏以及次生灾害来分析地震灾害。
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●1.5工程抗震设防目标
采用科学合理抗震设防标准是抗震设计的关键问题。本节主要介绍三水准设防,两阶段设计方法,建筑物的抗震设防分类。
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第二章建筑结构抗震概念设计
建筑结构抗震概念设计
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●2.1建筑场地的选择
主要介绍场地对地震破坏的影响,明确在结构抗震设计时如何选何有利的场地类型。
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●2.2结构平面布置及规则性判定
主要讲解结构平面和立面不规则对结构震灾的影响,介绍其判定方法,给出相应的解决方案。
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●2.3结构多道抗震防线
结构多道抗震防线的意义及含义,结构抗震设计时如何实现多道抗震防线。
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第三章场地与地基基础抗震设计
场地与地基基础抗震设计
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●3.1建筑场地
主要介绍场地剪切波速及场地覆盖层厚度的确定,通过相应的条件确定场地类型。对地震破坏的影响,明确在结构抗震设计时如何选何有利的场地类型。
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●3.2砂土液化、判定及抗液化措施
介绍了砂土液化的定义,给出了砂土液化的判定方法,包括初判和细判,在此基础上介绍了砂土液化指数。
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●3.3地基与基础抗震验算
主要讲解地基和基础抗震验算的基本要求及方法。
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第四章结构地震反应分析与抗震验算
地震释放的能量是以地震波的形式向四周扩散,当地震波到达地面后引起地面产生加速度运动并强迫建筑(构筑)物产生相应的加速度,这时,相当于有一个与加速度方向相反的惯性力作用在建筑物上。地震震动使工程结构产生内力与变形的动态反应通常称为结构的地震反应。工程结构的地震反应大小取决于地震震动和工程结构的情况。本章将从地震震动和工程结构两个方面阐释结构地震反应分析与抗震验算相关知识。
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●4.1概述
“地震作用”、“结构地震反应”是结构地震反应分析的重要概念。如何描述地震作用,更准确地计算结构地震反应是结构抗震设计的重要课题,人们对此理解也经历了三个不同的理论发展阶段。
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●4.2单自由度体系的水平地震反应分析
结构的地震反应分析,需要求解一个动力学问题。单自由度体系地震反应是地震反应分析的动力学基础,我们将从单自由度体系运动方程、单自由度体系自由振动、单自由度体系受迫振动逐步阐释它的原理。
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●4.3单自由度体系的水平地震作用及其反应谱
按照抗震安全性这一设计目的,我们不需要通过求解动力微分运动方程求出整个地震过程中结构反应的变化值,只需要求出结构反应的最大值。反应谱概念恰好解决了这一问题。
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●4.4多自由度体系的水平地震反应分析
建筑结构和体形的差异是的结构很少可以简化为单自由度体系。而多自由度体系运动特性可以基于单自由度体系深入探讨,我们依然从多自由度体系运动方程、多自由度体系自由振动、多自由度体系受迫振动逐步阐释它的原理。
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●4.5多自由度体系的水平地震作用及效应计算
由于地震作用的复杂性和地震作用发生强度的不确定性,以及建筑结构体型的复杂性等,结构地震反应分析起来相当复杂。所以我们在分析中应在符合结构地震反应特点和规律的基础上给予尽量的简化。在动力学分析的基础上,诞生了振型分解反应谱法和底部剪力法等简化分析方法。
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●4.6水平地震作用下扭转耦联的计算
工程思维善于在确保安全的前提下,采用简化手段和近似方法来解析复杂工程技术问题。底部剪力法和基于SRSS的振型分解反应谱法可以用来解析多数结构问题,但必须注意其主要适用于计算规则结构的地震作用效应。实际上,世界是复杂而多样的,建筑结构亦是如此,对于创新建筑美学或满足建筑功能需要的复杂空间结构体系,如何考虑其“不规则性”所带来的地震作用特性诸如扭转效应、多向地震输入等等,这是工程师们所需面对的挑战和亟待解决的问题。本节内容主要讲解考虑结构扭转时地震作用如何确定?也即水平地震作用下平动-扭转耦联的计算。
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●4.7多自由度体系自振周期的计算
乔治亚理工学院Emkin教授早在1998年的一次演讲中提到“结构工程师对计算机的滥用是一个清楚而现实的危险”,所以,手撕力学和结构是一名结构工程师的基本素养。当采用底部剪力法进行结构抗震计算,只需知道结构的基本周期。但如果采用特征方程计算结构基本周期,则不仅耗时耗力还耗电,那有没有一些上手快、精度高、计算量小的近似方法呢?答案当然是有的。本节内容就主要讲解如何优雅地手撕结构自振周期,也即多自由度体系自振周期的计算,下面介绍几种近似算法。
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●4.8结构竖向地震作用的计算
根据地震波的传播机理,地震中P波传播较S波快,所以发生地震时一般先感觉到上下颠簸(竖向地震),当其有所衰减时水平摇晃(水平地震)随之而来,两者的最强震感通常不在同一时刻。但对于有些结构来说,竖向地震也可能带来严重破坏,不容小觑,因此,本节内容主要讲解哪些结构需要考虑竖向地震作用,以及如何计算结构的竖向地震作用。
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●4.9结构的时程分析方法
地震动的作用是一个震动过程而非施加于结构的一个等效静力,当结构在强烈地震下进入塑性阶段时,用反应谱方法计算不可能得到真正的地震反应。时程分析法,是由0时刻开始对结构运动微分方程进行逐步积分,从而真实反映求出地震过程中各时刻结构的地震反应值。
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●4.10建筑结构抗震验算及地震作用一般规定
“小震不坏,中震可修,大震不倒”的抗震设防目标,是通过三水准设防、二阶段抗震设计来实现的。为开展两阶段抗震设计,需要对设计内容和方法做以基本规定,并对多遇和罕遇地震下结构抗震验算提出要求。
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第五章砌体结构和底框架砌体结构的抗震设计
应用第四章结构地震反应分析与抗震验算理论对砌体结构进行抗震设计。
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●5.1砌体结构和底框架砌体结构房屋的典型震害分析
主要针对砌体房屋倒塌、墙体破坏、附属物破坏的震害现象分析砌体震害原因。
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●5.2砌体结构房屋抗震设计的基本要求
合理的建筑和结构布置,并控制房屋总高度和总层数,对砌体结构大震不倒起着关键作用。
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●5.3砌体结构房屋的抗震验算
砌体结构的地震作用计算和砌体墙体的抗震验算。
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●5.4砌体结构房屋抗震构造措施
砌体结构房屋的构造措施是保证砌体结构抗震性能的重要措施,特别是构造柱和圈梁以及构件之間的连接。
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第六章钢筋混凝土框架结构抗震设计
钢筋混凝土框架结构是常见的建筑结构形式,在工业和民用建筑中应用广泛。本章重点介绍了钢筋混凝土框架结构的震害分析、框架结构抗震设计中结构布置和设计原则、框架结构的抗震设计步骤和要点、框架结构抗震构造措施等。
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●6.1框架结构典型震害及分析
钢筋混凝土框架结构是指由钢筋混凝土梁和柱等构件组成承重骨架并承受抗侧力作用的结构。框架结构可以使建筑平面布置更灵活更自由,但其抗侧移刚度相对较小,地震作用下会产生较大变形,震害特点鲜明,主要包括框架柱、框架梁、梁柱节点及填充墙的震害。
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●6.2框架结构抗震设计一般规定
本节主要介绍抗震等级和结构布置原则。
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●6.3框架结构的抗震设计
本节主要介绍框架结构的抗震设计步骤和要点。
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●6.4框架结构柱、梁、节点抗震设计
本节主要介绍框架柱、梁、节点抗震设计原则。
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●6.5框架结构抗震构造措施
本节主要介绍框架结构抗震构造措施。
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第七章多高层钢结构抗震设计
钢材的优点决定其建造的建筑物具有轻质高强、塑性变形能力强等特点,在大变形下仍不致倒塌,从而保证结构的安全性。这种自身具备良好抗震性能的结构形式的抗震设计应该注意哪些问题?本章会为大家详述。
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●7.1多层及高层钢结构的典型震害分析及抗震设计基本要求
根据震害调查,一些多层及高层钢结构房屋,即使在设计时并未考虑抗震,在强震作用下仍具有较强的承载力能力。总体来说,在同等场地、烈度条件下,钢结构房屋的震害较钢筋混凝土结构房屋的震害要轻。钢结构在地震中的破坏主要包括节点破坏、梁柱支撑构件等破坏形式。
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●7.2多层及高层钢结构的抗震设计验算
在获得钢结构地震作用内力后,我们可以开展结构抗震设计验算。包括变形和构件截面承载力的验算两个方面。
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●7.3多层及高层钢结构抗震构造措施
抗震构造措施是实现抗震设防目标的重要步骤,在完成钢结构抗震设计验算后,本节将明确多层及高层钢结构的抗震构造措施具体要求。
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第八章隔震与耗能减震结构设计
隔震与耗能减震结构设计
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●8.1减震的概述和分类
对建筑结构来说,地震安全非常重要,隔震减震十分可靠!传统的建筑抗震手段,聚焦于增大结构的强度(防止受力破坏)、刚度(控制变形)和延性(保障大震安全),是一种“硬碰硬”的做法,但这种“正面硬刚”的做法存在一大缺陷,那就是结构一旦设计建造完成,便不具备自我调节的能力,所以只能抵御设计预期之内的地震风险。因此,更合理的抗震手段是另辟蹊径,采用“以柔克刚”的思路,对结构采取减震控制。本节内容主要讲解减震的概述与分类。
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●8.2隔震结构设计
地震实在太无常,隔震胜在柔克刚。本节内容主要讲解隔震结构设计,具体包括隔震结构的原理、产品类型、设计方法和工程案例。
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●8.3消能减震结构设计
面对未知的地震,如果给建筑加装保险丝,让其在地震时首当其冲工作耗能,那么主体结构的安全性将大大提高,这就是建筑消能减震的初心。本节内容主要讲解消能减震结构设计,具体包括消能减震结构的原理、产品类型、设计方法和工程案例。