第三講地震地面運(yùn)動(dòng)特性及設(shè)計(jì)地震動(dòng)

1、橋梁抗風(fēng)與抗震李宏偉E-mail：塔里木大學(xué)水建學(xué)院土木系第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性地震地面運(yùn)動(dòng)（地震動(dòng)）特性基巖地震動(dòng)橋梁場(chǎng)地地震動(dòng)橋梁設(shè)計(jì)地震動(dòng)非一致地震輸入橋梁工程抗震設(shè)計(jì)計(jì)算方法第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性一、地震地面運(yùn)動(dòng)特性 地震動(dòng)是地震和結(jié)構(gòu)抗震之間的橋梁，又是結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防的依據(jù)。p地震動(dòng)與常用荷載區(qū)別區(qū)別 表現(xiàn)形式：運(yùn)動(dòng)力； 可變性：迅速變化的隨機(jī)振動(dòng)靜力（橫載、活載） 作用方向：隨機(jī)（水平、豎向、扭轉(zhuǎn)）-豎向； 作用位置：？第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性p地震動(dòng)三要素三要素振幅頻譜 振幅-頻率 關(guān)系曲線(xiàn)持續(xù)時(shí)間第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性 頻譜分析頻譜分析地震加速度時(shí)程

2、及其功率譜和反應(yīng)譜第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性 地震動(dòng)加速度記錄：地震動(dòng)加速度記錄：第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性 強(qiáng)震動(dòng)記錄強(qiáng)震動(dòng)記錄用強(qiáng)震加速儀，簡(jiǎn)稱(chēng)強(qiáng)震儀記錄的不同地震的強(qiáng)震記錄第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性p地震動(dòng)特性的影響因素震源傳播介質(zhì)與途徑局部場(chǎng)地條件目前已經(jīng)可以對(duì)地震動(dòng)進(jìn)行合理的估計(jì)：地震危險(xiǎn)性分析-基巖地震動(dòng)-場(chǎng)地地震動(dòng)第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性二、基巖地震動(dòng)p決定因素 震源機(jī)制 傳播介質(zhì)與途徑 地震重現(xiàn)期（50年P(guān)=10%T=475年） 大地震，強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)影響范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，大地震，強(qiáng)地面運(yùn)動(dòng)影響范圍大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，地震記錄的長(zhǎng)周期成份較為豐富。地震記錄的長(zhǎng)周期成

3、份較為豐富。 第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性p震源機(jī)制（地震發(fā)生的物理過(guò)程） 用震源參數(shù)震源參數(shù)描述 斷層面的走向、傾向、傾角、斷層兩盤(pán)的錯(cuò)動(dòng)方向、幅度、震源層長(zhǎng)度等。斷層破裂方向影響：下游比上游的峰值加速度大第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性 地形放大效應(yīng)地形放大效應(yīng) 地形可能會(huì)對(duì)局部地面運(yùn)動(dòng)有很大的影響。陡峭山脊對(duì)基巖加速度起放大和過(guò)濾作用。第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性p地震危險(xiǎn)性分析 地震危險(xiǎn)性（Hazard） 某一場(chǎng)地（或某一區(qū)域、地區(qū)、國(guó)家）在一定時(shí)期內(nèi)可能遭受到的最大地震破壞影響，可以用地震烈度或地面運(yùn)動(dòng)參數(shù)來(lái)表示。概率方法 查明工程場(chǎng)地周?chē)卣瓠h(huán)境和地震活動(dòng)性； 判定并劃分出潛在震源的位置、規(guī)模和地

4、震活動(dòng)頻度，給出可能的震源模式，確定各潛在震源的發(fā)震頻率； 根據(jù)地震動(dòng)衰減規(guī)律和地震危險(xiǎn)性分析的概率模型，計(jì)算出場(chǎng)地不同地震動(dòng)參數(shù)的概率曲線(xiàn)，給出不同概率水準(zhǔn)下的地震動(dòng)參數(shù)峰值，得到基巖的地震反應(yīng)譜，以及地震持續(xù)時(shí)間。第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性三、橋梁場(chǎng)地地震動(dòng)p局部地質(zhì)條件對(duì)地震動(dòng)參數(shù)的影響第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性p場(chǎng)地土層地震反應(yīng)分析 計(jì)算模型 一維剪切模型：覆蓋在基巖上的一系列完全理想的已知層厚、土特性的水平成層模型。（水平成層、橫向不均勻性較小的場(chǎng)地） 二維、三維模型：存在局部地形等影響、橫向不均勻性較大場(chǎng)地。第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性p場(chǎng)地土層地震反應(yīng)分析 基巖地

5、震輸入： 基巖地震加速度反應(yīng)譜（危險(xiǎn)性分析獲得）經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化處理后，得出目標(biāo)反應(yīng)譜基巖加速度時(shí)程 抗震設(shè)計(jì)用地震動(dòng)參數(shù)： 各土層地震加速度時(shí)程地表地震加速度反應(yīng)譜設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜設(shè)計(jì)用地震加速時(shí)程第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性p工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)報(bào)告 規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)：工程場(chǎng)地地震安全性評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范（GB17741-2005） 地震安全性評(píng)價(jià)工作的結(jié)果，經(jīng)授權(quán)的評(píng)審結(jié)地震安全性評(píng)價(jià)工作的結(jié)果，經(jīng)授權(quán)的評(píng)審結(jié)構(gòu)審定通過(guò)后，具有法定效力。構(gòu)審定通過(guò)后，具有法定效力。第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性四、橋梁設(shè)計(jì)地震動(dòng)p地震加速度反應(yīng)譜記錄加速度反應(yīng)譜標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性 設(shè)計(jì)反應(yīng)譜（阻尼比設(shè)計(jì)反應(yīng)譜（阻尼

6、比5%）第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性 規(guī)范反應(yīng)譜曲線(xiàn)規(guī)范反應(yīng)譜曲線(xiàn)第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性 規(guī)范反應(yīng)譜（城市規(guī)范）規(guī)范反應(yīng)譜（城市規(guī)范）Smax=2.25ClCsCdA第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性 規(guī)范反應(yīng)譜（城市規(guī)范）規(guī)范反應(yīng)譜（城市規(guī)范）第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性 規(guī)范反應(yīng)譜（城市規(guī)范）規(guī)范反應(yīng)譜（城市規(guī)范）第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性 規(guī)范反應(yīng)譜（城市規(guī)范）規(guī)范反應(yīng)譜（城市規(guī)范）第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性 規(guī)范反應(yīng)譜（城市規(guī)范）規(guī)范反應(yīng)譜（城市規(guī)范）第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性p地震加速度時(shí)程直接利用強(qiáng)震記錄 （地震加速度峰值、場(chǎng)地條件、持續(xù)時(shí)間）采用人工地震加速度時(shí)程 （根據(jù)地震安評(píng)報(bào)告選用；規(guī)范設(shè)計(jì)反應(yīng)

7、譜擬合）規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化地震加速度時(shí)程 （日本規(guī)范提供了18組地震時(shí)程記錄）一般要選取多組地震加速度時(shí)程以供比較分析。美國(guó)AASHTO規(guī)范規(guī)定為5組。中國(guó)規(guī)范，3組或7組。第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性p地震動(dòng)輸入方式地震動(dòng)輸入方式 89公路抗震規(guī)范：公路抗震規(guī)范： 縱向或橫向地震力驗(yàn)算分別進(jìn)行，不考慮正交地震力的合成。 懸臂結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮豎向地震作用。第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性p08橋梁抗震細(xì)則：橋梁抗震細(xì)則： 一般情況下，公路橋梁公路橋梁可只考慮水平向地震作用，直直線(xiàn)橋線(xiàn)橋可分別考慮順橋向X和橫橋向Y的地震作用。 抗震設(shè)防烈度為8度和9

8、度時(shí)的拱式結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)懸臂橋梁結(jié)構(gòu)和大跨度結(jié)構(gòu)，以及豎向作用引起的地震效應(yīng)很重要時(shí)，應(yīng)同時(shí)考慮順橋向X、橫橋向Y和豎向Z的地震作用。 時(shí)程分析法： 應(yīng)同時(shí)輸入三個(gè)方向分量的一組地震動(dòng)時(shí)程計(jì)算地震作用效應(yīng)。第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性p11城市橋梁抗震規(guī)范：城市橋梁抗震規(guī)范： 一般情況下，城市橋梁城市橋梁可只考慮水平向地震作用，直直線(xiàn)橋線(xiàn)橋可分別考慮順橋向X和橫橋向Y的地震作用。 抗震設(shè)防烈度為8度和9度時(shí)的拱式結(jié)構(gòu)、長(zhǎng)懸臂橋梁結(jié)構(gòu)和大跨度結(jié)構(gòu)，以及豎向作用引起的地震效應(yīng)很重要時(shí)，應(yīng)考慮豎向地震作用考慮豎向地震作用。第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性曲線(xiàn)橋梁 宜分別沿相鄰兩橋墩連線(xiàn)方向和垂直于連線(xiàn)方向進(jìn)行多方向地

9、震輸入，以確定最不利地震水平輸入方向。第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性五、非一致地震輸入p規(guī)定 橋梁長(zhǎng)度很長(zhǎng)，或各支撐點(diǎn)位于顯著不同的場(chǎng)地上，應(yīng)考慮地面運(yùn)動(dòng)的空間變化性，進(jìn)行不一致輸入。p規(guī)范 歐洲規(guī)范：當(dāng)存在地質(zhì)不連續(xù)或明顯的不同地貌特征，或橋長(zhǎng)大于600m時(shí)，要考慮地震運(yùn)動(dòng)的空間變化性。第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性p橋梁墩臺(tái)具有深基礎(chǔ)時(shí)（如樁基）：第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性p多點(diǎn)不同輸入與行波效應(yīng)p多點(diǎn)地震動(dòng)的選?。憾帱c(diǎn)地震動(dòng)的選?。?強(qiáng)地震記錄 人工加速度時(shí)程（一維模型？二維模型？）第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性p二維場(chǎng)地地震反應(yīng)分析 蘇通大橋主橋場(chǎng)地地震反應(yīng)計(jì)算的有限元模型 （覆蓋

10、土層深度：260306m，土層水平長(zhǎng)度：5243m） 第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性不同場(chǎng)地模型、不同地震輸入下、各墩位處地表加速度時(shí)程峰值如下：第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性不同場(chǎng)地模型不同地震輸入下北主塔處反應(yīng)譜 第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性場(chǎng)地橋梁整體有限元模型課程作業(yè)課程作業(yè)橋梁總體布置為20m+60m+20m的連續(xù)剛構(gòu)橋，截面是單箱單室（如圖1所示），橋?qū)?0m，墩高20m，橋墩截面如圖2所示。該橋所在區(qū)域抗震設(shè)防烈度為度，按中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖(GB18306-2001)規(guī)定，地震動(dòng)峰值加速度為0.35g。根據(jù)公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(JTJ 004-89)，采用類(lèi)場(chǎng)地土反應(yīng)譜，取結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.3

11、。 跨中截面梁端截面橋墩截面第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性六、橋梁工程抗震設(shè)計(jì)計(jì)算方法p抗震動(dòng)力學(xué)三要素： 輸入（激勵(lì)）、系統(tǒng)、輸出（反應(yīng)或相應(yīng)）p抗震動(dòng)力學(xué)概念 結(jié)構(gòu)地震震動(dòng)方程、結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、結(jié)構(gòu)阻尼第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性結(jié)構(gòu)地震振動(dòng)方程彈性力:慣性力:dzmdzFg)( dzEIdzFs 阻尼力:dzCdzFDgSDmEIcmFFF 0第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性齊次方程（自由振動(dòng)自振頻率）：0 EIcm 阻尼比：（0.05）mCCCcr2有阻尼自振圓頻率：dddTf2212振幅：2221CCA無(wú)阻尼自振圓頻率：mEIlnn2第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法 靜力法靜力法（假定結(jié)構(gòu)物與地震動(dòng)具有相同的振動(dòng)） 動(dòng)力反應(yīng)譜法（單、多質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)單、多質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)）gmF 忽略結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性0)（kcmg 振動(dòng)方程第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性位移（SD）、速度（PSV）、加速度（PSA）反應(yīng)譜第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性 多質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)第三講 地震地面運(yùn)動(dòng)特性 動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法（最精細(xì)分析方法最精細(xì)分析方法） 從選定合適的地震動(dòng)