工程结构抗震第一章

工程结构抗震——桥梁抗震土木工程学院桥梁结构教研室主讲老师：董旭办公地点：土木楼C207室Mobile:15264125805E-mail：[e-mail]:149013293本课程的要求及考察方式考察方式：闭卷考试。其中卷面成绩占70%，平时成绩占30%。要求：1认真听讲、及时做笔记。2保证全部出勤。3认真完成作业。4积极回答课上提出的问题。本课程教材及参考书教材：《桥梁抗震》，叶爱君编著，人民交通出版社参考书：《桥梁抗震》范立础编著.上海：同济大学出版社，1997公路桥梁抗震设计细则，JTG/TB02-01-2008城市桥梁抗震设计规范，CJJ166-2011铁路工程抗震设计规范，GB5011-2006目录第一章地震概述第二章桥梁震害第三章桥梁抗震概论第四章桥梁结构地震反应分析第五章桥梁延性抗震设计第六章桥梁减隔震设计唐山地震1976年7月28日北京时间03时42分53.8秒，在中国河北省唐山、丰南一带（东经118.2°，北纬39.6°）发生了强度里氏7.8级（矩震级7.5级），震中烈度Ⅺ度，震源深度23千米的地震。地震持续约12秒。有感范围广达14个省、市、自治区，其中北京市和天津市受到严重波及。强震产生的能量相当于400颗广岛原子弹爆炸。整个唐山市顷刻间夷为平地，全市交通、通讯、供水、供电中断。唐山地震没有小规模前震，而且发生于凌晨人们熟睡之时，使得绝大部分人毫无防备，造成24.2万人死亡，重伤16.4万人，名列20世纪世界地震史死亡人数第一。唐山市位于河北省东部鳏汶川地震1、汶川大地震概况2008年5月12日下午2点28分突发而至的四川汶川里氏8级强烈地震撼动了大半个中国，甚至远在泰国的曼谷也有强烈的震感。汶川地震在中国惨痛的地震灾害史上又留下了更为惨痛的记录，是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最广、救灾难度最大的一次地震。汶川地震震级大、余震强烈持续时间长，截止8月11日12时的不完全统计，地震已造成69225人遇难，374640人受伤，失踪17924人。许多城镇已夷为平地，直接经济损失达到1万亿人民币，灾区重建资金尚需1万亿人民币以上，造成的心灵创伤难以慰平或永生无法摆脱震灾带来的悲痛。汶川8.0级地震烈度分布震中地震烈度及居民地分布汶川8.0级地震Ⅵ度区以上面积合计440442平方公里.Ⅺ度区：面积约2419平方公里;Ⅹ度区：面积约3144平方公里;Ⅸ度区：面积约7738平方公里;Ⅷ度区：面积约27786平方公里;Ⅶ度区：面积约84449平方公里;Ⅵ度区：面积约314906平方公里.汶川地震震中分布图汶川地震是印度板块向亚洲板块俯冲，造成青藏高原快速隆升。高原物质向东缓慢流动，在高原东缘沿龙门山构造带向东挤压，遇到四川盆地之下刚性地块的顽强阻挡，造成构造应力能量的长期积累，最终在龙门山北川-映秀地区突然释放。汶川地震灾害1、地质破坏扭曲的铁轨挤压抬升地裂缝地面裂纹喷沙口喷沙冒水唐家山堰塞湖2、房屋破坏X破裂房屋倒塌3、道路破坏水平错断路塌路面变形第一章地震概述地震是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。地震是一种自然现象，地球上每天都在发生地震，一年约有500万次。其中约5万次人们可以感觉到；能造成破坏的约有1000次；7级以上的大地震平均一年有十几次。目前记录到的世界上最大地震是8.9级，发生于1960年5月22日的智利地震。什么是地震？一、地球的构造地球是一个外形略呈梨形的椭球体，平均半径约6400km。地球的内部构造，与鸡蛋十分相似，由地表至核心可分为性质不同的三层。最外一层是相当薄的地壳，称为地壳（qiao），只占地球体积的0.5%；平均厚度30km。其下为地幔，厚约2900km，约占地球总体积的83.3%；地壳与地幔的分界面称为莫霍面，它是一个地震波传播速度急剧变化的不连续面；最里面的部分叫做地核，半径约3500km。1.1地震的初步知识地壳表层由很不均匀的岩石组成，它的厚度也不是均匀的，高山或高原处厚度可达60~80km，如我国青藏高原；而在深海底只有5~8km，如大西洋海底；海陆地壳的平均厚度约为33km。世界上绝大多数的地震都发生在地壳这一层内。一般认为，地幔由质地非常坚硬、比重较大的黑色橄榄岩组成。从莫霍面以下约40~70km内的地幔上部是刚性的岩石层，它与地壳共同组成所谓的岩石圈。由于岩石圈的刚性和脆性，当岩层所受的拉力或压力大于岩石强度时，岩层发生断裂，造成节理或断层。节理（Joint）是断裂面两侧并没有相对位置移动或仅有轻微位移的断裂面，几乎广泛地出现于所有岩层中。若断裂面两侧的岩块沿断裂面错动，发生显著的位置移动，便称为断层（Fault）。断层的规模变化很大，小的只有几米，大的可至数百公里。观测研究发现，在岩石圈以下存在着一个厚约几百公里的地震波低速层，称为软流圈。岩石圈与软流圈合称为上地幔，上地幔之下的地幔部分称为下地幔。形成低速层的原因是该处岩石处于部分熔融状态，以致当地震波穿过此层时波速降低，其中剪切波的衰减特别明显。地核是地球的核心，体积占整个地球的16.2%，但总质量却占到整个地球的31.5%。根据地震波传播的分析，地核分为外地核、过渡层和内核三个层次。外核可能处于液态，过渡层处于由液态向固态过渡的状态，而内核可能是固态。据推测，地核主要由铁、镍等物质组成，内核的压力高达360万个大气压力，温度高达4000~50000C。二、地震术语（1）震源：地球内部发生地震的地方称为震源。震源是地震能量的释放中心，理论上可以将震源看作一个点，而实际上是一个区。（2）震源深度：将震源看作一个点，该点到地面的垂直距离称为震源深度。（3）震源距：从震源到观测点的距离称为震源距。（4）震中：震源在地面的投影称为震中。震中附近的区域称为震中区（5）震中距：在地面上，从震中到观测点沿大圆弧测量的距离称为震中距。区别于震源距（6）震级：表示地震能量大小的等级标度。（7）地震波：地震引起的振动以弹性波的形式从震源向各个方向传播并释放能量。这种传播地震能量的弹性波称为地震波。（8）主震：在某地区的某段时间内，与其前后相比，地震显著频繁发生，其中规模最大、释放地震能量最多者称为主震。（9）前震：发生在主震以前的地震。（10）余震：发生在生震以后的地震。三、地震分类地震可分为天然地震和人为地震两大类。人为地震，主要指人工爆破、矿山开采、深井抽液或注液和工程活动（如兴建水库）所诱发的地震。人为地震一般都不太强烈，仅有个别情况（如水库地震）会造成较大破坏。2013年2月12日，朝鲜成功进行第三次核试验。当日北京时间10时57分在朝鲜发生了一次有感地震，震级4.9级，震源深度0米；韩国媒体称系人造地震，震级为5.1级。吉林长白山居民称感到1分钟左右的晃动。1959年新建广东河源新丰江水库，1962年发生最大震级为6.1级的地震，坝区和河源县城部分房屋遭受损坏。水库蓄水后改变了地面的应力状态，库水渗透到已有的断层里，起到润滑和腐蚀作用，促使断层产生新的滑动。并不是所有的水库蓄水后都会发生水库地震，只有当库区存在活动断裂、岩性刚硬等条件，才有诱发地震的可能性。天然地震可以有以下几种不同的分类方法：（1）按成因分类（2）按震源深度分类（3）按震级分类（4）按震中距分类（一）按成因分类主要有火山地震、陷落地震和构造地震。由于火山活动而引起的地震叫火山地震。由于地下岩洞突然塌陷而引起的地震叫陷落地震。构造地震则是地球内部岩层构造活动在某些阶段发生急剧变化时引起的。构造地震与地质构造密切相关。这种地震往往发生在地应力比较集中、构造比较脆弱的地段，即原有断层的端点或转折处、不同断层的交汇处。天然地震中，构造地震发生的次数最多（约为全球地震总数的90%），涉及的范围最广，释放的能量最大，造成的危害也最大，是地震工程研究的主要对象。由于火山作用，如岩浆活动、气体爆炸等引起的地震称为火山地震，这类地震只占全世界地震的7%左右。1914年日本樱岛火山爆发，产生的震动相当于一个6.7级地震。（二）按震源深度分类可分为浅源地震、中源地震和深源地震三类。浅源地震是指震源深度小于60km的地震。浅源地震造成的危害最大。我国发生的地震，绝大多数是浅源地震，震源深度在10~20km。中源地震是指震源深度在60~300km之间的地震。我国中源地震主要分布在台湾省东部沿海、西藏雅鲁藏布江以南地区和新疆帕米尔附近，其震源深度在100~200km之间。深源地震则是指震源深度大于300km的地震。我国深源地震集中分布在黑龙江、吉林两省交界处的牡丹江-延吉一线以东地区，震源深度在40~600km之间。目前世界上观测到的地震中，最大震源深度约为720km。当震源深度超过100km时，通常不会在地面上造成震害。破坏性地震主要属于构造地震。据统计，构造地震约占世界地震总数的90%以上。92%的地震发生在地壳中，其余发生在地幔上部。（三）按震级分类可分为微震、有感地震、中强地震和强震四类。微震是指震级小于2级的地震。微震人们感觉不到，只有仪器才能记录到。有感地震是指震级在2~5级之间的地震。有感地震一般人可以感觉到。中强地震是指震级大于5级、小于7级的地震。中强地震能造成不同程度的破坏。强震是指震级大于7级的地震。强震往往具有巨大的破坏性。（四）按震中距分类可分为地方震、近震和远震三类。地方震是指离观测点的震中距小于100km的地震。近震是指离观测点的震中距小于1000km的地震。远震是指离观测点的震中距大于1000km的地震。四、地震成因地震是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。对于地应力的产生，较为公认的是板块构造学说。这一学说认为，地球表面的岩石层不是一块整体，而是由六大板块和若干小块组成，这六大板块是欧亚板块、太平洋板块、美洲板块、非洲板块、印澳板块和南极板块。由于地幔软流层的对流，带动着软流层上的这些板块异常缓慢而持久地相互运动着。但板块的边界是相互制约的，因而板块之间处于拉伸、挤压和剪切状态，从而产生了地应力。地球上的主要地震带就在这些大板块的交界地区。板块构造学说被称为“地学革命”的板块构造学说，建立在大陆漂移和海底扩张说的基础上。早在1912年，德国气象学家魏格纳（Wegener）就提出了大陆漂移假说，但由于受科学观测资料不足的限制，在当时没有为多数人所接受。1962年，美国地质学家赫斯（Hess）依据深海钻探、海洋地质和海底地貌等方面的研究成果，提出了海底扩张假说。至1968年，通过多位学者先后发表的研究成果，板块构造学说大体上趋于完整。1969年正式形成了板块构造这一名称。（a）大陆漂移假说1912年1月6日，魏格纳在法兰克福地质学会上做了题为“大陆与海洋的起源”的演讲，首次提出了大陆漂移的假说。1915年，在严谨的科学研究的基础上，魏格纳的代表作《海陆的起源》问世了，在这本书里，魏格纳正式阐述了大陆漂移假说的观点。大陆漂移假说的基本观点认为：大约在3亿年前，全球只有一块“超级大陆”——称为“泛大陆”，后来这块“超级大陆”分裂为若干块大陆，经过漫长岁月的移动，终于形成了今天的大陆位置关系。（b）海底扩张说之前的资料都来自于大陆地壳，而对于覆盖地表70%的海洋地壳却一无所知。从20世纪50年代伊始，二战中开发的新技术广泛用于海洋观测，比如采用声纳装置观测海底地形，利用海洋磁场仪探测海底磁场异常情况等。1962年，美国的海斯（Hess）在他的论文《洋底盆地的历史》中提出了“海底扩张说”。其主要观点为：（1）地壳下方有地幔，地幔的热能熔融上部地幔的物质形成“岩浆”，岩浆自大洋中脊流出形成新的海洋地壳，新的地壳向两侧推挤，海洋地壳因而向两侧扩张；（2）老的海洋地壳则在另一端没入地幔再度熔融成地幔的一部分。（c）板块构造学说在大陆漂移和海底扩张说的基础上，20世纪60年代提出了板块构造学说。其主要观点为：地球表面覆盖着不变形且坚固的板块，板块的