第六章结构地震响应分析(长沙理工大学结构动力学).

桥梁结构地震响应分析第六章6.1地震成因及地震类型地壳：地球外表面的一层薄壳。最薄处约5km，地震多发于此。6.1.1地球的构造地壳同地幔间的分界面，称为莫霍面，称为莫霍面，以发现者南斯拉夫地震学家莫霍洛维奇的名字命名的。在莫霍面上，地震波的传播速度急剧地改变，由原来的6～7千米/秒突变到8千米/秒6.1.2地震的发生过程地球内部由于某种原因发生振动，并以波的形式传递到地表引起地面震动。内部发生振动的地方称之为震源。震源在地表的投影叫震中。震源至地面的垂直距离叫震源深度。根据震源深度以60Km，300Km为限将地震划分为：浅源地震、中源地震、深源地震。浅源地震危害大。6.1.3地震的成因与类型根据地震成因来分：构造地震：火山地震；塌陷地震；水库引发地震：6.2地震波以及传播地震以波的形式由震源传递到地表。地震波分为：体波和面波。6.2.1体波体波是指通过地球体内传播的波，包含纵波、横波。纵波：质点振动方向与波的传递方向一致的波。横波：质点振动方向与波的传递方向垂直的波。纵波为压缩波，无论是在固体内还是液体内均能传播。横波为剪切波，只能在固体内传播。波速可以按下式计算：GEVp2)21)(1()1(GEVs)1(221)1(2spVV式中Vp—纵波波速Vs—横波波速E—介质的弹性模量γ—介质的泊松比；ρ—介质的密度；G—介质的剪切模量；λ—拉梅常数通过两种波速的比较可见：纵波的传播速度快于横波，即纵波先到达地面纵波波速200-1400m/s横波波速100-800m/s6.2.2面波面波是指介质表面或地球表面及其附近传播的波，一般认为是体波经地层界面多次反射形成的次生波，包含瑞雷波和乐普波。乐普波的传播是质点在与波的传播方向相垂直的水平方向的剪切型运动。质点在水平方向振动与波行进方向耦合后会产生水平扭转分量。6.2.3地震波的主要特性地震加速度波形的频谱特性及持续时间的影响软土地基上地震加速度波形中长周期的分量比较显著，而硬土地基上加速度波形则包含多种频谱成分，一般短周期的分量比较显著。长时间持续的地震冲击作用下，结构物的破坏与静载作用下的破坏值相差较大。6.3地震震级与地震烈度6.3.1地震震级地震震级是表征地震强弱的指标，是地震释放多少能量的尺度，用符号M表示，它以地面振动振幅大小来度量。震级大小系利用标准地震仪（指周期为0.8s，阻尼系数0.8，放大倍数2800的地震仪）在距震中100Km处记录的以微米为单位的最大水平地面位移（振幅）A的常用对数值。即：lgMA其中M：地震震级（这一定义是由里希特于1935年提出的，因而也称里氏震级）A：由地震曲线图上量得的最大振幅。小于2级的地震人们感觉不到；5级以上的地震就要引起不同程度的破坏，统称为破坏性地震；7级以上地震称为强烈地震。地震烈度：是地震对地面影响的强烈程度，主要依据宏观的地震影响和破坏现象等方面来判断。地震烈度是表示某一区域范围内地面和各种建筑物受到一次地震影响的平均强弱程度的一个指标。基本烈度和烈度区划图基本烈度：是指一个地区在一定时间内，在一般场地条件下可能遭遇到的最大烈度。6.4桥梁地震灾害与启示6.4.1、桥梁地震灾害调查与分析桥梁的震害及其产生的原因是建立正确的抗震设计方法、采取有效抗震措施的科学依据。大量震害表明引起桥梁震害的原因主要有四个：1）所发生的地震强度超过了抗震设防标准；1989年美国洛马·普里埃塔地震，震级为M7.0，旧金山—奥克兰海湾大桥建成于1934年，该桥为悬索和桁架组合体系的双层钢桥。在此次地震中，桁架部分有一跨发生落梁现象图1-5旧金山—奥克兰海湾大桥一跨落梁a）圣·安德列斯断层(航空照片)b）重力地裂缝图1-1地表断裂现象2）桥梁场地对抗震不利，地震引起地基失效或地基变形滑坡图1-2美国洛马·普里埃塔地震中的山体滑坡现象砂土液化图1-3砂土液化形成的喷水冒砂现象3）桥梁结构设计、施工不当如：1971年美国圣·费尔南多地震，震级为M6.7，在桥梁震害中，最大的经验教训是两座互通式立交工程严重倒塌毁坏。图示金州5号高速干道与州际210干道立交枢纽部分梁跨塌落的情况。对弯梁桥设计与施工还需更深入的研究。图1-4金州5号高速干道与州际210干道立交枢纽部分梁跨坠毁4）桥梁结构本身抗震能力不足遭受严重震害的塞普里斯高架桥。该桥建于1957年，是加州境内一座双层框架连续高架桥，上层框架柱底普遍采用与下层框架铰接的形式。地震中，该桥有一段800m长的上层桥面因桥墩断裂塌落在下层桥面上，上层框架完全毁坏图1-6塞普里斯高架桥上层框架塌落图1-7StruveSlough桥桥墩穿透桥面StruveSlough桥建于1964年，是一座20跨、2车道、总长244m的肋板桥，其上部结构分四跨一联，每联之间设置一道伸缩缝。地震中，桥墩与盖梁节点首先发生弯剪破坏，引起上部结构过大的相对位移，使桥墩与盖梁脱开，并穿透桥面1994年美国北岭地震，震级为M6.7，州际5号公路/14号国道互通立交地震中，靠近桥台的矮墩首先发生剪切破坏，桥台翼墙和剪力键随后破坏，失去支承的两跨上部结构完全坠毁图1-8州际5号公路/14号国道互通立交上层跨线段部分跨塌落图1-9州际5号公路/14号国道互通立交北接线段部分跨塌落地震中，靠近桥台的桥墩发生剪切破坏，引起相邻两跨上部结构坠落，分析该立交枢纽部分塌落的原因，主要归结于桥墩中箍筋含量不足图1-9州际5号公路/14号国道互通立交北接线段部分跨塌落以及挂梁牛腿连接处的支承面过窄。图1-10MissionGothic跨线桥桥墩典型破坏情况桥墩破坏可以归类为两种模式：一是在墩顶截面突变处发生的弯剪破坏，另一是在墩顶截面加宽段发生的弯曲破坏。该桥桥墩所配箍筋足以保证在墩顶首先形成弯曲塑性铰，但在弯曲塑性铰形成后，因塑性铰区抗弯强度超强和截面抗剪能力大大下降，共同造成其中一些桥墩在墩顶截面削弱处的弯剪破坏图1-11LaCienega-Venice跨线桥桥墩遭受严重破坏地震中，一些桥墩在柱顶受到严重破坏，另一些则在柱底受到严重破坏。箍筋不足是桥墩遭受严重破坏的主要原因。图1-12GavinCanyon跨线桥两跨落梁GavinCanyon跨线桥建于1967年，上部结构由两个分离的钢筋混凝土箱梁组成，支承在双柱式桥墩上，桥轴方向与下部支承成24度斜交。该桥共有5跨，中跨连续，两端各有短的伸臂，左右边跨均为伸臂梁结构，伸臂部分一端支承在桥台上，另一端通过牛腿搭接在中跨梁上，牛腿宽度仅为20cm（按现行Caltrans规范要求，这里的牛腿宽度至少应为76cm），该桥在1974年安装了纵向约束装置。地震中，该桥第二和第四跨完全塌落。斜交和牛腿连接处过窄的支承面是其主要原因；纵向约束装置也遭受破坏，没有发挥出作用。1995年日本阪神地震，震级为M7.2，a）墙式墩在施工缝处剪切破坏b）独柱墩弯剪破坏图1-13钢筋混凝土桥墩严重破坏情况在此次地震中，最严重的桥梁震害出现在阪神高速公路神户段内，一座高架桥共有18根独柱墩被剪断，长500m左右的梁体向一侧倾倒图1-14阪神高速公路神户段内高架桥部分倾覆从结构抗震设计的角度出发，桥梁震害可以归为：上部结构震害、支座震害、下部结构震害、基础震害桥梁上部结构的震害按照震害产生的原因不同，可以分为：上部结构本身的震害，上部结构的移位震害，以及上部结构碰撞震害。上部结构自身震害而被毁坏的情况比较少见，在发现的少数震害中，主要是钢结构的局部屈曲破坏，如1995年阪神地震中钢箱梁侧壁和底板的屈曲破坏实例及拱桥风撑的屈曲破坏。上部结构的移位震害是破坏性地震中极为常见的，主要表现为纵向移位，横向移位和扭转移位，通常设置伸缩缝的地方比较容易发生移位震害，当移位超出墩台支撑面时便会发生落梁，落梁中若撞击桥墩，还会给下部结构带来很大的破坏。上部结构碰撞震害发生在相邻结构间距过小的情况，地震中就有可能会发生碰撞，产生非常大的撞击力，使结构破坏，这种撞击往往会大大增加墩柱的剪力，严重时会导致墩柱的剪切破坏，引起桥梁的倒塌，故应通过设置足够的间距避免这种碰撞。1）上部结构震害2）支座震害支座历来被看作是桥梁结构体系中抗震性能比较薄弱的环节，其破坏形式主要表现在：支座移位、锚固螺栓拔出剪断、活动支座脱落以及支座本身构造上的破坏等。3）下部结构震害下部结构和基础的严重破坏是引起桥梁倒塌，并在震后难于修复使用的主要原因。包括桥梁墩柱震害、框架墩震害和桥台震害。桥梁墩柱的震害：桥梁墩柱普遍采用钢筋混凝土墩柱，其破坏形式主要有弯曲破坏和剪切破坏，此外还有桥梁墩柱的基脚破坏。弯曲破坏是延性的，多表现为开裂，混凝土剥落压溃，钢筋裸露和弯曲等，并且会产生很大的塑形变形，其原因主要是约束箍筋配置不足，纵向钢筋的搭接或焊接不牢等引起。剪切破坏是脆性的，往往会造成墩柱及上部结构的倒塌。剪切破坏的原因可以是纵向钢筋过早切断或连接失败以及约束箍筋不足，也可能是墩柱的剪切强度低于弯曲强度墩柱的基脚破坏：该种破坏形式少见，若出现，则将导致墩梁倒塌，其原因是由于墩底主钢筋的锚固失败。4）基础震害框架墩的震害：框架墩在城市桥梁中很常见，其破坏主要表现为盖梁、墩柱和节点的破坏，破坏形式主要有：剪切强度不足引起剪切破坏，盖梁负弯矩钢筋过早截断引起的弯曲破坏，节点破坏主要是剪切破坏。桥台的震害主要表现在台身与上部结构的碰撞破坏，以及桥台向后倾斜（这与台后填土不够密实有关）地基失效是桥梁基础震害的主要原因。此外桩基震害具有极大的隐蔽性，这与桩基设计不当有关。如桩基没有深入稳定土层足够长度，桩顶与承台联系构造措施不足等。6.4.2、桥梁震害启示总结震害教训，可以得到如下一些抗震设计启示：1、要重视桥梁结构的总体设计，选择较理想的抗震结构体系。2、要重视延性设计，避免脆性破坏。3、要重视局部构造设计，避免出现构造缺陷。4、要重视支撑连接件抗震设计，同时开发有效的防止落梁的装置。5、对复杂桥梁（斜弯桥、高墩桥或墩刚度变化大的桥梁）应进行空间动力时程分析。6、要重视采用减隔震技术以提高结构的抗震能力。6.5桥梁地震反应分析方法的演变自从1899年日本学者大房森吉首次提出用于抗震设计的静力法以来，桥梁结构地震反应分析方法历经了从静力法到动力的反应谱法和动态时程分析法的演变过程。结构地震反应分析方法，系指计算结构在地震动作用下的力反应和位移反应的分析方法。6.5.1静力法1、弹性静力法抗震设计的静力法理论最初由日本学者大房森吉在1899年提出。它假设结构各个部分与地震动具有相同的振动，因此，结构因地震作用引起的惯性力——地震力就等于地面运动加速度与结构总质量的乘积；再把地震力视为静力作用在结构上，进行结构线弹性静力分析计算。地震力的计算公式如下：式中，W为结构总重量，K为地面运动加速度峰值与重力加速度g的比值。KWMFgWgg在大房森吉之后，日本学者佐野利器于1916年开始倡导震度法，他根据静力法概念提出以结构10%的总重量作为水平地震力来考虑地震作用。在日本1923年关东大地震之后，震度法理论被应用到日本最早的公路桥梁抗震设计规范中，其考虑地震力的这种方法则一直被日本公路桥梁抗震设计沿用至今。从动力学的角度来看，弹性静力法在理论上存在极大的局限性，因为它把结构的动力反应特性这一重要因素忽略了。只有当结构物可以近似地视为刚体时，弹性静力法才能成立。不过，弹性静力法概念简单，计算公式也简明扼要，因此在实际应用中仍受到欢迎（比如用在桥台和挡土结构的抗震设计中）。2非线性静力Pushover分析——倒塌模态分析方法非线性静力Pushover分析方法，早在20世纪60年代末就已经提出，在近几年得到很大发展和应用。从严格意义看，Pushover分析方法不能算作一种结构地震反应分析的方法，但它提供了一个评估结构地震反应尤其是非线性地震反应的简单而有效的方法，Pushover分析方法能够追踪结构从屈服直到极限状态的整个非弹性变形过程。非线性Pushover分析方法，被认为是一种简单而有效的抗震性能评估方法，已在建筑结构抗震设计中