建筑结构抗震设计第2章 场地、地基和基础
《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（d<60km）、中源地震(60 –300km)，深源地震(>300km)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。
场地地基基础抗震
第2章场地、地基和基础抗震2.1概述场地：工程群体的所在地，其在平面上大体相当于厂区、居民点、自然村或不小于1.0km2的区域范围。
地震作用下，场地下的土层，双重作用。
地震波传播介质，将地震动传给结构物；结构物的地基，具有一定强度和稳定性。
建筑物的震害按照破坏性质可以分成两大类：一类震害是由上部结构振动破坏引起的;一类建筑物的震害是由地基失效引起的.地面振动可使地基土丧失稳定，发生砂土液化或软土震地面振动可使地基土丧失稳定发生砂土液化或软土震陷，引起结构倾斜倒塌。
历史震害资料表明，建筑物震害还与场地的地质条件有关。
2.2.1局部地形的影响震害表明：局部孤突地形对地震有放大作用，震害加重。
1920年宁夏海原地震位于渭河河谷的姚庄烈度为7度2.2工程地质条件对震害的影响1920年宁夏海原地震，位于渭河河谷的姚庄烈度为7度，相距2km的牛家庄，坐落在100m的黄土山嘴上，烈度9度。
1975年辽宁海城地震中，高差58m的两个测点，地面加速度相差1.84倍。
1994年云南昭通地震，芦家湾山梁长150m，顶部宽15m。
一端高60m，一端高50m，中烈度为8度间呈鞍较高端部的最大加速度0.632g, （9度）鞍部为0.257g （7度），较低端部为0.431g （8度）。
烈度为9度烈度为7度高突地形地震反应的总体趋势：1.高突地形距离基准面的高度愈大，高处的反应愈大；2.离陡坎和边坡顶部边缘的距离大，反应相对减小；3在同样地形条件下土质结构的反应比岩质结构大；3.在同样地形条件下，土质结构的反应比岩质结构大；4.高突地形顶面愈开阔，远离边缘的中心部位的反应明显减小;5.边坡愈陡，其顶部的放大效应相应加大。
对条状突出的山嘴、高耸孤立的山丘、非岩石的陡坡、河岸和边坡边缘等不利地段，对设计地震动参数产生的放大作用（增大系数）。
局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数6.11<+=ξαλλ---局部突出地形顶部的地震影响系数的放大系数α---局部突出地形地震动参数的增大幅度，见表2.1ξ---附加调整系数H1L L 0.30.61.0ξ5.2/1<H L 5/5.21<≤H L5/1≥H L 2.2.2局部地质构造的影响断裂分为发震断裂和非发震断裂：（1）发震断裂：具有潜在地震活动的断裂，多与地震活动有关，地震时,发震断层可能出现很大的错动,建筑物严重破坏。
建筑抗震设计-第2章-场地、地基与基础
中硬 土
中软
500≥ vs >250 250≥ vs >140
中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂， fak>200的粘性土和粉土，坚硬黄土
稍密的砾、粗、中砂，除松散外的细、粉砂， fak
土
≤200的粘性土和粉土， fak ≥130的填土 ，可塑黄土
软弱 vs ≤140
淤泥和淤泥质土，松散的砂，新近沉积的粘性土和粉土，
1、液化判别和处理的一般原则：
建
筑 抗 震 设
1）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。
计
2）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
上覆非液化土层厚度du=5.5m
db=2m
其下为砂土，地下水位深度
dw=6m
为dw=6m.基础埋深db=2m,该
场地为8度区。确定是否考
建
虑液化影响。
筑 解：按土层液化判别图确定
抗 震
du=5.5m
设
dw=6m
du (m)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
1
2
须进一步判别区
计
3
需要考虑液化影响。
抗
会加重。
震 • 在软弱地基上，建筑物的破坏有时是结构破坏所造成
设
，有时是由于沙土液化、软土震陷和地基不均匀沉降
计
等造成的地基失效所致。
• 就地面建筑物总的破坏现象来说，在软弱地基上的比 坚硬地基上的要严重。
• 场地土的刚性一般用土的剪切波速表示。
2.场地与地基
• 土层越厚，震害越严重
等效剪切波速
• 当土层物理力学指标明显不同时（分层）， 可采用等效剪切波速
• 等效剪切波速以剪切波在地面至计算深度 各层土中的传播的时间不变的原则，来定 义的土层平均剪切波速：
•
t d i / vsi vse d 0 / t
液化指数
• 对存在液化土层的地基，应探明各液化土层的深度和厚度， 按下式计算每个钻孔的液化指数：
n－在判别深度范围内每一个钻孔标准贯入试验点的总数；
Ni、Ncri－分别为i点标准贯入锤击数的实测值和临界值，当实测值大于临界 值时应取临界值的数值；
di－i点所代表的土层厚度(m)可采用与该标准贯入试验点相邻的上、下两标 准贯入试验点深度差的一半，但上界不高于地下水位深度，下界不深于液化 深度； Wi－i土层单位土层厚度的层位影响权函数值(单位为m-1 )。当该层中点深 度不大于5m时应采用10,等于20m时应采用零值，5～20m 时应按线性内 插法取值。
• 当饱和土标准贯人锤击数（未经杆长修 正）小于或等于液化判别标准贯入锤击 数临界值时，应判为液化土。 • 当有成熟经验时，尚可采用其他判别方 法。
标准贯入锤击数基准值
标准贯入试验的实质是对土的密实度作出评价，由此间接地评 判土层液化的可能性。
N cr N 0 ln 0.6d s 1.5 0.1d w 3 / c
• 地下水位深度：地下水位越深，越不易液化
• 地震烈度和持时：烈度越高，持时越长，越容易 液化
2.地基土的液化判别
• 饱和砂土和饱和粉土(不含黄土)的液化判别和 地基处理，6度时，一般情况下可不进行判别 和处理,但对液化沉陷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。 • 二阶段判别法: • 初步判别法:根据土层的地质年代、土的组成、 覆盖层厚度和地下水位的深度等定性判别不液 化土. • 第二步判别，采用标准贯入度法。若标贯击数 小于临界击数，需进一步确定液化指数，选择 抗液化措施。
建筑结构抗震设计课后习题答案
《建筑结构抗震设计》课后习题解答第1章绪论1、震级和烈度有什么区别和联系？震级是表示地震大小的一种度量，只跟地震释放能量的多少有关，而烈度则表示某一区域的地表和建筑物受一次地震影响的平均强烈的程度。
烈度不仅跟震级有关，同时还跟震源深度、距离震中的远近以及地震波通过的介质条件等多种因素有关。
一次地震只有一个震级，但不同的地点有不同的烈度。
2.如何考虑不同类型建筑的抗震设防？规范将建筑物按其用途分为四类：甲类（特殊设防类）、乙类（重点设防类）、丙类（标准设防类）、丁类（适度设防类）。
1）标准设防类，应按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用，达到在遭遇高于当地抗震设防烈度的预估罕遇地震影响时不致倒塌或发生危及生命安全的严重破坏的抗震设防目标。
2）重点设防类，应按高于本地区抗震设防烈度一度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施；地基基础的抗震措施，应符合有关规定。
同时，应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。
3）特殊设防类，应按高于本地区抗震设防烈度提高一度的要求加强其抗震措施；但抗震设防烈度为9度时应按比9度更高的要求采取抗震措施。
同时，应按批准的地震安全性评价的结果且高于本地区抗震设防烈度的要求确定其地震作用。
4）适度设防类，允许比本地区抗震设防烈度的要求适当降低其抗震措施，但抗震设防烈度湖度时不应降低。
一般情况下，仍应按本地区抗震设防烈度确定其地震作用。
3.怎样理解小震、中震与大震？小震就是发生机会较多的地震，50年年限，被超越概率为63.2%；中震，10%；大震是罕遇的地震，2%。
4、概念设计、抗震计算、构造措施三者之间的关系？建筑抗震设计包括三个层次：概念设计、抗震计算、构造措施。
概念设计在总体上把握抗震设计的基本原则；抗震计算为建筑抗震设计提供定量手段；构造措施则可以在保证结构整体性、加强局部薄弱环节等意义上保证抗震计算结果的有效性。
他们是一个不可割裂的整体。
建筑结构抗震设计课后习题答案李国强
y
设防烈度为 8 度和 9 度区的大跨度屋盖结构，长悬臂结构，烟囱及类似高耸结构和设防烈度为 9 度区的高 层建筑，应考虑竖向地震作用。 12、为什么抗震设计截面承载力可以提高？ 地震作用时间很短，快速加载时，材料强度会有所提高。 进行结构抗震设计时，对结构构件承载力加以调整（提高），主要考虑下列因素： ⑴动力荷载下材料强度比静力荷载下高； ⑵地震是偶然作用，结构的抗震可靠度要求可比承受其他荷载的可靠度要求低。 3
G E = D k + ∑ψ i Lk
。
5、什么是地震系数和地震影响系数？它们有什么关系?
F=m
g x
m g g
S T) aa( x = 中 k =
g x
m ax
g
—地震系数，通过地震系数可将地震动振幅对地震反应谱的影响分离出来，是确定地
较大的放大，因此场地固有周期 T 也将是地面运动的主要周期，称之为地震动的卓越周期。 2、为什么地基的抗震承载力大于静承载力？ 地震作用下只考虑地基土的弹性变形而不考虑永久变形。地震作用仅是附加于原有静荷载上的一种动力作 用，并且作用时间短，只能使土层产生弹性变形而来不及发生永久变形，其结果是地震作用下的地基变形 要比相同静荷载下的地基变形小得多。因此，从地基变形的角度来说，地震作用下地基土的承载力要比静 荷载下的静承载力大。另外这是考虑了地基土在有限次循环动力作用下强度一般较静强度提高和在地震作 用下结构可靠度容许有一定程度降低这两个因素。 3、影响土层液化的主要因素是什么？ 1
第 5 章 钢混结构抗震 1、什么是刚度中心？什么是质量中心？应如何处理好二者的关系？ 刚心就是指结构抗侧力构件的中心，也就是各构件的刚度乘以距离除以总的刚度； 质心就是指结构各构件质量的中心； 质心和刚心离的越近越好，最好是重合，否则会产生比较大的扭转反应。因为地震引起的惯性力作用 在楼层平面的质量中心，而楼层平面的抗力则作用在其刚度中心，二者的作用线不重合时就会产生扭矩， 其值等于二者作用线之间的距离乘以楼层惯性力的值。 2、总水平地震作用在结构中如何分配？其中用到哪些假定？ 根据各柱或各榀抗侧力平面结构的抗侧刚度进行地震作用引起的层剪力的分配。假定地震沿结构平面的 两个主轴方向作用于结构； 假定楼层屋盖在其平面内的刚度为无穷大。 3、多高层钢筋混凝土结构抗震等级划分的依据是什么？有何意义？ 根据烈度、结构类型和房屋高度将抗震等级划分为四级，一级最高。划分的目的是控制钢筋混凝土的等 级及用量，造成不必要的浪费和不足。 4、为什么要限制框架柱的轴压比？ 当 n 较小时，为大偏心受压构件，呈延性破坏；当 n 较大时，为小偏心受压构件，受压边砼先达到极限 压应变，呈脆性破坏。并且当轴压比较大时，箍筋对延性的影响变小，为保证地震时柱的延性，故限之。 5、抗震设计为什么要满足“强柱弱梁”、“强剪弱弯”、“强节点弱杆件”的原则？如何满足这些原 则？ P133~ 4
抗震第2章-场地、地基和基础
9.5/1701.05/130
v i1 si
抗震第2章-场地、地基和基础
第二章 场地与地基
例：已知某建筑场地的钻孔 土层资料如表所示，试确定 该建筑场地的类别。
解：
（1）确定地面下20m表层 土的场地土类型
层底深度(m) 土层厚度(m) 土的名称
9.5
9.5
砂
37.8
28.3
淤泥质粘土
43.6
5.8
比较而言，软弱场地上的建筑物震害一般重 于坚硬场地。
抗震第2章-场地、地基和基础
第二章 场地与地基
场地的地震效应 地震波
场地 （放大器，滤波器）
软弱地基 坚硬地基
以长周期为主。 以短周期为主。
当建筑的自振周期与场地的周期相近时，振动会放大，
使破坏更大，相反则小。 共振效应
抗震第2章-场地、地基和基础
第二章
场地、地基和基础
§2．1 场地
场地: 是指工程群体所在地，具有相似的反应谱特征， 其范围大体相当于厂区、居民点和自然村或不小于１ ｋｍ２的平面面积。
工程地质条件对地震破坏的影响很大。
地段类别 有利地段 不利地段
危险地段
地质、地形、地貌
稳定基岩，坚硬土，开阔、平坦、密实、均匀的中硬土等
软弱土，液化土，条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非 岩质的陡坡，河岸和边坡的边缘，平面分布上成因、岩性、 状态明显不均匀的土层（如故河道、疏松的断破裂带、暗 埋的塘浜沟谷和半填半挖地基）等
第二章 场地与地基
场地土类型的划分
抗震规范将建筑场地划分成四个类别：坚硬、中 硬、中软及软弱。考虑因素为：场地土的坚硬程度 和土层的组成。
土层的坚硬程度可用剪切波的传播速度来确定（ 根据波在坚硬物体中的传播速度大于软弱物体中的 传播速度）。
抗震结构设计 场地地基基础
例：已知某建筑场地的钻孔 土层资料如表所示，试确定 该建筑场地的类别。
解：
（1）确定地面下20m表层土 的场地土类型
vse d0 / t
d0 n di
v i1 si
20
9.5 /170 10.5 /130
146.3577m/s
层底深度(m) 土层厚度(m) 土的名称
9.5
9.5
砂
37.8
28.3
场地的卓越周期：指的是引起建筑场地振动最显著的某条或 某类地震波的一个谐波分量的周期，该周期与场地覆土厚度 及土的剪切波速有关。对同一个场地而言，不同类型的地震 波会得出不同的卓越周期。
场地的特征周期：是指抗震设计用的地震影响系数曲线中， 反应地震震级、震中距和场地类型等因素的下降段起始点所 对应的周期值，简称特征周期。 几点说明：
一般地段 不属于有利、不利和危险地段
不利地段 危险地段
软弱土，液化土，条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非 岩质的陡坡，河岸和边坡的边缘，平面分布上成因、岩性、 状态明显不均匀的土层（如故河道、疏松的断破裂带、暗 埋的塘浜沟谷和半填半挖地基）等
地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发 震断裂带上可能发生地表错位的部位
由多层土组成的厚度很大的沉积层，当深部传来的剪切波通 过它向地面传播时就会发生多次反射，由于波的叠加而增强，使 长周期的波尤为卓越。巨厚冲积层上低加速度的远震，可以使自 振周期较长的高层建筑物遭受破坏的主要原因就是共振。
卓越周期的实质是波的共振，即当地震波的振动周期与地表 岩土体的自振周期相同时，由于共振作用而使地表振动加强。
土层的等效剪切波速（4.1.5条）
vse d0 / t
n
t di / vsi i 1
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表2.3 建筑场地的钻孔地质资料
土层底部深度(m)
岩土名称
土层厚度(m) 土层剪切波速(m/s)
1.5
杂填土
1.5
180
3.5
粉土
2.0
240
7.5
细砂
4.0
310
15.5
砾砂
8.0
520
【解】 (1)确定覆盖层厚度
因为地表下7.5m以下土层的vs=520 m/s>500 m/s，故场地 覆盖层厚度d0v=7.5m。
土的类型
岩土名称和性状
岩石
坚硬、较硬且完整的岩石
坚硬土或软质岩 破碎和较破碎的岩石或软和较软的岩石，密实的碎石土 石
中硬土
中密、稍密的碎石土，密实、中密的砾、粗、中砂，
fak>150的黏性土和粉土，坚硬黄土
中软土
稍密的砾、粗、中砂，除松散外的细、粉砂，fak≤150 的黏性土和粉土，fak >130的填土，可塑黄土
di——计算深度范围内第i土层的厚度(m)； vsi——计算深度范围内第i土层的剪切波速(m/s)； n——计算深度范围内土层的分层数。
当无实测剪切波速时，可根据岩土名称和性状按表2.1划分场地土 的类型，再利用当地经验在表2.1的剪切波速范围内估计各土层的 剪切波速。
表2.1 土的类型划分和剪切波速范围
建筑结构抗震设计第2章 场地、地基 和基础
本章知识点
➢ 1、场地 ➢ 2、天然地基与基础的抗震验算 ➢ 3、液化土与软土地基
§2.1 场地
场地：建造建筑物的地方（大）。 地基：建筑物范围内（小）。
2.1.1 场地的地震动效应 场地的地震动作用是指由于强烈地面运动引起地面设施振动而 产生的破坏作用。 建筑物震害除与地震类型、结构类型等有关外，还与其下卧层 的构成、场地土覆盖层厚度密切相关，不同场地上的建筑震害 差异十分明显。一般认为，土质愈软，覆盖层愈厚，建筑物震 害愈严重，反之愈轻。
岩石的剪切波速或
场地类别
土的等效剪切波速
(m/s)
I0
I1
Ⅱ
Ⅲ
Ⅳ
vs>800
0
800≥vs>500
0
500≥vse >250
<5
250≥vse >150
<3
vse≤150
<3
注：表中vs系岩石的剪切波速。
≥5
3~50
>50
3~15
15~80
>80
【例2.1】已知某建筑场地的钻孔地质资料如表2.3所示，试判 定该建筑场地类别。
(2)计算等效剪切波速
因为场地覆盖层厚度小于20m，所以取土层计算深度d0＝7.5m，
按式(2.1)和式(2.2)有：
ti n1(di/vs)i1 1.58 2 2 0 .04 3 4 0 .01 0 0 .02(s)96
v s ed 0 /t 7 .5 /0 .02 29 .4 5 ( m / 6 s ) 3
对于场地土类型的划分，应根据常规勘探资料，按其等效剪切波
速vse或参照一般土性状描述来分类,其中vse应按下式计算：
vse d0 t
(2.1)
n
t (d i vsi ) i 1
(2.2)
式中：vse——土层等效剪切波速(m/s)； d0——计算深度(m)，取覆盖层厚度和20m二者的较小值； t——剪切波在地面至计算深度之间的传播时间；
对场地覆盖层厚度的定义：（1）绝对厚度，即从地表到地下基岩 面的距离，也就是基岩的埋深；（2）相对厚度，即定义两相邻土
层剪切波速比vs下/vs上大于某一定值的埋深为覆盖层厚度。
2.1.3 建筑场地类别
按照表层土的剪切波速和场地覆盖层厚度两个因素，将建筑场地分 为Ⅰ～Ⅳ四种类别，见表2.2所示：
表2.2 各类建筑场地的覆盖层厚度(m)
表2.4 地基抗震承载力调整系数
岩土名称和性状
ζa
岩石，密实的碎石土，密实的砾、粗、中砂，fak ≥300kPa的黏性土和粉土
1.5
中密、稍密的碎石土，中密和稍密的砾、粗、中砂，密实和中密的细、粉砂， 150kPa≤fak <300kPa的黏性土和粉土，坚硬黄土
1.3
稍密的细、粉砂，100 kPa≤fak <150kPa的黏性土和粉土，可塑黄土
2）可不进行天然地基及基础的抗震承载力验算的建筑：
① 《抗震规范》规定可不进行上部结构抗震验算的建筑； ② 地基主要受力层范围内不存在软弱黏性土层的下列建筑： a.一般的单层厂房和单层空旷房屋； b.砌体房屋； c.不超过8层且高度在24m以下的一般民用框架和框架-抗震墙房屋； d.基础荷载与c项相当的多层框架厂房和多层混凝土抗震墙房屋。
2.2.2 天可较静力承 载力有所降低。
2）动荷载作用下的土动力强度比静力强度有所提高。
地基抗震承载力设计值采用静力承载力设计值乘以调整系数，故地 基抗承载力应按下式计算：
faE a fa
（2.3）
式中：faE——调整后的地基抗震承载力； ζa——地基抗震承载力调整系数，应按表2.4采用； fa——深宽修正后的地基承载力特征值，应按现行国家标准 《建筑地基基础设计规范》 （GB50007）采用。
查表2.2，vse位于250～500之间，且d0v＞5m，故该建筑场地类
别属于Ⅱ类。
§2.2 天然地基与基础的抗震验算
2.2.1 地基基础抗震设计的一般要求 1）地基和基础的抗震设计应符合下列要求： ① 同一结构单元的基础不宜设置在性质截然不同的地基上。 ② 同一结构单元不宜部分采用天然地基部分采用桩基；当采用不同 基础类型或基础埋深显著不同时，应根据地震时两部分地基基础的 沉降差异，在基础、上部结构的相关部位采取相应措施。 ③ 地基为软弱黏性土、液化土、新近填土或严重不均匀土时，应根 据地震时地基不均匀沉降和其他不利影响，采取相应的措施。
软弱土
淤泥和淤泥质土，松散的砂，新近沉积的黏性土和粉土，
fak≤130的填土，流塑黄土
土层剪切波速范围 (m/s)
vs >800 800≥vs>500
500≥vs>250
250≥vs >150
vs≤150
注：fak为由载荷试验等方法得到的地基承载力特征值(kPa)；vs为岩土剪切波速。
2）场地覆盖层厚度
解释： 类共振现象 u 场地覆盖土层的自振周期（固有周期、卓越周期）。 u 覆盖土层将地震波中同周期的分量放大。 u 当建筑物的固有周期与卓越周期相近时，结构的地震反应 将增大。
2.1.2 场地土类型及场地覆盖层厚度 1）场地土类型 场地条件对建筑震害的主要影响因素是：1.场地土的刚度
2.场地覆盖层厚度