第三讲地震地面运动特性及设计地震动

1、桥梁抗风与抗震李宏伟E-mail：塔里木大学水建学院土木系第三讲 地震地面运动特性地震地面运动（地震动）特性基岩地震动桥梁场地地震动桥梁设计地震动非一致地震输入桥梁工程抗震设计计算方法第三讲 地震地面运动特性一、地震地面运动特性 地震动是地震和结构抗震之间的桥梁，又是结构抗震设防的依据。p地震动与常用荷载区别区别 表现形式：运动力； 可变性：迅速变化的随机振动静力（横载、活载） 作用方向：随机（水平、竖向、扭转）-竖向； 作用位置：？第三讲 地震地面运动特性p地震动三要素三要素振幅频谱 振幅-频率 关系曲线持续时间第三讲 地震地面运动特性第三讲 地震地面运动特性 频谱分析频谱分析地震加速度时程

2、及其功率谱和反应谱第三讲 地震地面运动特性 地震动加速度记录：地震动加速度记录：第三讲 地震地面运动特性 强震动记录强震动记录用强震加速仪，简称强震仪记录的不同地震的强震记录第三讲 地震地面运动特性第三讲 地震地面运动特性p地震动特性的影响因素震源传播介质与途径局部场地条件目前已经可以对地震动进行合理的估计：地震危险性分析-基岩地震动-场地地震动第三讲 地震地面运动特性二、基岩地震动p决定因素 震源机制 传播介质与途径 地震重现期（50年P=10%T=475年） 大地震，强地面运动影响范围大、持续时间长，大地震，强地面运动影响范围大、持续时间长，地震记录的长周期成份较为丰富。地震记录的长周期成

3、份较为丰富。 第三讲 地震地面运动特性p震源机制（地震发生的物理过程） 用震源参数震源参数描述 断层面的走向、倾向、倾角、断层两盘的错动方向、幅度、震源层长度等。断层破裂方向影响：下游比上游的峰值加速度大第三讲 地震地面运动特性 地形放大效应地形放大效应 地形可能会对局部地面运动有很大的影响。陡峭山脊对基岩加速度起放大和过滤作用。第三讲 地震地面运动特性p地震危险性分析 地震危险性（Hazard） 某一场地（或某一区域、地区、国家）在一定时期内可能遭受到的最大地震破坏影响，可以用地震烈度或地面运动参数来表示。概率方法 查明工程场地周围地震环境和地震活动性； 判定并划分出潜在震源的位置、规模和地

4、震活动频度，给出可能的震源模式，确定各潜在震源的发震频率； 根据地震动衰减规律和地震危险性分析的概率模型，计算出场地不同地震动参数的概率曲线，给出不同概率水准下的地震动参数峰值，得到基岩的地震反应谱，以及地震持续时间。第三讲 地震地面运动特性三、桥梁场地地震动p局部地质条件对地震动参数的影响第三讲 地震地面运动特性第三讲 地震地面运动特性p场地土层地震反应分析 计算模型 一维剪切模型：覆盖在基岩上的一系列完全理想的已知层厚、土特性的水平成层模型。（水平成层、横向不均匀性较小的场地） 二维、三维模型：存在局部地形等影响、横向不均匀性较大场地。第三讲 地震地面运动特性p场地土层地震反应分析 基岩地

5、震输入： 基岩地震加速度反应谱（危险性分析获得）经过标准化处理后，得出目标反应谱基岩加速度时程 抗震设计用地震动参数： 各土层地震加速度时程地表地震加速度反应谱设计加速度反应谱设计用地震加速时程第三讲 地震地面运动特性p工程场地地震安全性评价报告 规范标准：工程场地地震安全性评价技术规范（GB17741-2005） 地震安全性评价工作的结果，经授权的评审结地震安全性评价工作的结果，经授权的评审结构审定通过后，具有法定效力。构审定通过后，具有法定效力。第三讲 地震地面运动特性四、桥梁设计地震动p地震加速度反应谱记录加速度反应谱标准反应谱第三讲 地震地面运动特性 设计反应谱（阻尼比设计反应谱（阻尼

6、比5%）第三讲 地震地面运动特性 规范反应谱曲线规范反应谱曲线第三讲 地震地面运动特性 规范反应谱（城市规范）规范反应谱（城市规范）Smax=2.25ClCsCdA第三讲 地震地面运动特性 规范反应谱（城市规范）规范反应谱（城市规范）第三讲 地震地面运动特性 规范反应谱（城市规范）规范反应谱（城市规范）第三讲 地震地面运动特性 规范反应谱（城市规范）规范反应谱（城市规范）第三讲 地震地面运动特性 规范反应谱（城市规范）规范反应谱（城市规范）第三讲 地震地面运动特性p地震加速度时程直接利用强震记录 （地震加速度峰值、场地条件、持续时间）采用人工地震加速度时程 （根据地震安评报告选用；规范设计反应

7、谱拟合）规范标准化地震加速度时程 （日本规范提供了18组地震时程记录）一般要选取多组地震加速度时程以供比较分析。美国AASHTO规范规定为5组。中国规范，3组或7组。第三讲 地震地面运动特性第三讲 地震地面运动特性第三讲 地震地面运动特性第三讲 地震地面运动特性p地震动输入方式地震动输入方式 89公路抗震规范：公路抗震规范： 纵向或横向地震力验算分别进行，不考虑正交地震力的合成。 悬臂结构应考虑竖向地震作用。第三讲 地震地面运动特性p08桥梁抗震细则：桥梁抗震细则： 一般情况下，公路桥梁公路桥梁可只考虑水平向地震作用，直直线桥线桥可分别考虑顺桥向X和横桥向Y的地震作用。 抗震设防烈度为8度和9

8、度时的拱式结构、长悬臂桥梁结构和大跨度结构，以及竖向作用引起的地震效应很重要时，应同时考虑顺桥向X、横桥向Y和竖向Z的地震作用。 时程分析法： 应同时输入三个方向分量的一组地震动时程计算地震作用效应。第三讲 地震地面运动特性p11城市桥梁抗震规范：城市桥梁抗震规范： 一般情况下，城市桥梁城市桥梁可只考虑水平向地震作用，直直线桥线桥可分别考虑顺桥向X和横桥向Y的地震作用。 抗震设防烈度为8度和9度时的拱式结构、长悬臂桥梁结构和大跨度结构，以及竖向作用引起的地震效应很重要时，应考虑竖向地震作用考虑竖向地震作用。第三讲 地震地面运动特性曲线桥梁 宜分别沿相邻两桥墩连线方向和垂直于连线方向进行多方向地

9、震输入，以确定最不利地震水平输入方向。第三讲 地震地面运动特性第三讲 地震地面运动特性五、非一致地震输入p规定 桥梁长度很长，或各支撑点位于显著不同的场地上，应考虑地面运动的空间变化性，进行不一致输入。p规范 欧洲规范：当存在地质不连续或明显的不同地貌特征，或桥长大于600m时，要考虑地震运动的空间变化性。第三讲 地震地面运动特性p桥梁墩台具有深基础时（如桩基）：第三讲 地震地面运动特性p多点不同输入与行波效应p多点地震动的选取：多点地震动的选取： 强地震记录 人工加速度时程（一维模型？二维模型？）第三讲 地震地面运动特性p二维场地地震反应分析 苏通大桥主桥场地地震反应计算的有限元模型 （覆盖

10、土层深度：260306m，土层水平长度：5243m） 第三讲 地震地面运动特性不同场地模型、不同地震输入下、各墩位处地表加速度时程峰值如下：第三讲 地震地面运动特性不同场地模型不同地震输入下北主塔处反应谱 第三讲 地震地面运动特性场地桥梁整体有限元模型课程作业课程作业桥梁总体布置为20m+60m+20m的连续刚构桥，截面是单箱单室（如图1所示），桥宽10m，墩高20m，桥墩截面如图2所示。该桥所在区域抗震设防烈度为度，按中国地震动参数区划图(GB18306-2001)规定，地震动峰值加速度为0.35g。根据公路工程抗震设计规范(JTJ 004-89)，采用类场地土反应谱，取结构重要性系数1.3

11、。 跨中截面梁端截面桥墩截面第三讲 地震地面运动特性六、桥梁工程抗震设计计算方法p抗震动力学三要素： 输入（激励）、系统、输出（反应或相应）p抗震动力学概念 结构地震震动方程、结构动力特性、结构阻尼第三讲 地震地面运动特性结构地震振动方程弹性力:惯性力:dzmdzFg)( dzEIdzFs 阻尼力:dzCdzFDgSDmEIcmFFF 0第三讲 地震地面运动特性结构动力特性齐次方程（自由振动自振频率）：0 EIcm 阻尼比：（0.05）mCCCcr2有阻尼自振圆频率：dddTf2212振幅：2221CCA无阻尼自振圆频率：mEIlnn2第三讲 地震地面运动特性第三讲 地震地面运动特性桥梁结构地震反应分析方法 静力法静力法（假定结构物与地震动具有相同的振动） 动力反应谱法（单、多质点振动单、多质点振动）gmF 忽略结构的动力特性0)（kcmg 振动方程第三讲 地震地面运动特性位移（SD）、速度（PSV）、加速度（PSA）反应谱第三讲 地震地面运动特性 多质点振动第三讲 地震地面运动特性 动态时程分析法（最精细分析方法最精细分析方法） 从选定合适的地震动