岩土工程结构物抗震设计概述.pptx

第五章第五章 岩土工程抗减震问题岩土工程抗减震问题5.1 5.1 岩土工程结构物抗震设计概述岩土工程结构物抗震设计概述岩土工程结构物抗震设计概述岩土工程结构物抗震设计概述5.2 5.2 隔震装置及其工作原理隔震装置及其工作原理隔震装置及其工作原理隔震装置及其工作原理5.3 5.3 减震装置及其工作原理减震装置及其工作原理减震装置及其工作原理减震装置及其工作原理5.4 5.4 地基基础的震害与抗震地基基础的震害与抗震地基基础的震害与抗震地基基础的震害与抗震5.5 5.5 边坡地震灾害评价边坡地震灾害评价边坡地震灾害评价边坡地震灾害评价5.6 5.6 隧道工程地震灾害评价隧道工程地震灾害评价隧道工程地震灾害评价隧道工程地震灾害评价5.7 5.7 水利水电工程地震研究水利水电工程地震研究水利水电工程地震研究水利水电工程地震研究岩土工程结构物抗震设计概述岩土工程结构物抗震设计概述5.15.1 5.1.1 岩土工程抗震设计特点岩土工程抗震设计特点 5.1.2 相关领域抗震设计规范简介相关领域抗震设计规范简介 5.1.3 地震作用与结构地震反应分析基础地震作用与结构地震反应分析基础5.1.1 岩土工程抗震设计特点p（1）岩土地震工程学的特点）岩土地震工程学的特点p（2）岩土工程抗震设计特点）岩土工程抗震设计特点地震是地球活动的标志，是地壳构造运动的一种地震是地球活动的标志，是地壳构造运动的一种形式，同时，也是一种严重的自然灾害。形式，同时，也是一种严重的自然灾害。在地球上，没有什么工程或结构物能够脱离岩在地球上，没有什么工程或结构物能够脱离岩土体或场地地基存在，地震或者直接破坏岩土体土体或场地地基存在，地震或者直接破坏岩土体本身稳定性，或者通过岩土体所构成的地基和场本身稳定性，或者通过岩土体所构成的地基和场地传递到结构物中。地传递到结构物中。岩土体岩土体地震波地震波结构物结构物（1）岩土地震工程学的特点岩土地震工程学的特点1.1.将岩土体作为将岩土体作为 “基础基础”山区城市（如重山区城市（如重庆）的岩石地基，沿海城市（如上海，天津等）的软土地基；公路，铁庆）的岩石地基，沿海城市（如上海，天津等）的软土地基；公路，铁路的路基，水工建筑物大坝的坝基等。路的路基，水工建筑物大坝的坝基等。主要考虑岩土体的主要考虑岩土体的强度特性和变形特性。强度特性和变形特性。2.2.将岩土体作为将岩土体作为 “环境环境”城市垃圾的卫生城市垃圾的卫生填埋，核废料的处置，都要选择最合理的环境，以免污染地下水，危害填埋，核废料的处置，都要选择最合理的环境，以免污染地下水，危害人类身体健康；山区公路，铁路隧洞，水电站地下发电厂房，城市地铁，人类身体健康；山区公路，铁路隧洞，水电站地下发电厂房，城市地铁，地下停车场，地下商场等。地下停车场，地下商场等。主要考虑岩土体的主要考虑岩土体的强度特性，渗透性和稳定性。强度特性，渗透性和稳定性。3.3.将岩土体作为将岩土体作为 “材料材料”工业与民用建筑工业与民用建筑的各种建筑材料（大理岩，花岗岩，砂，卵石，粘土等），水工建筑物的各种建筑材料（大理岩，花岗岩，砂，卵石，粘土等），水工建筑物（如土石坝）所需的大量天然材料等。（如土石坝）所需的大量天然材料等。主要考虑岩土体的主要考虑岩土体的强度特性，变形特性，颗粒级配等。强度特性，变形特性，颗粒级配等。人类工程活动对岩土体的利用人类工程活动对岩土体的利用可归纳为下面可归纳为下面3 3个方面个方面a)a)地地震震活活动动直直接接对对地地表表岩岩土土体体的的破破坏坏：如如山山区区边边坡坡处处因因地地震震发发生生滑滑坡坡、崩崩塌塌；河河流流地地区区形形成成堰堰塞湖；场地地基隆起或下陷等。塞湖；场地地基隆起或下陷等。地震对岩土工程活动的影响：地震对岩土工程活动的影响：b)b)地地震震活活动动对对岩岩土土体体上上方方结结构构物物的的破破坏坏：如如震震动动引引起起房房屋屋倒倒塌塌、公公路路破破坏坏、地地下下结结构构坍坍塌塌、水库溃坝等。水库溃坝等。认清岩体和土体在地认清岩体和土体在地震条件下的物理力学震条件下的物理力学性质及其变化规律。性质及其变化规律。在各类工程设计与施在各类工程设计与施工过程中给予针对性工过程中给予针对性的指导，减小地震损的指导，减小地震损害。害。岩岩土土工工程程抗抗震震设设计计岩土工程抗震设计需要了解的内容岩土工程抗震设计需要了解的内容1.地震动的特性；地震动的特性；2.岩土体动应力应变关系；岩土体动应力应变关系；3.岩土体地震反应分析；岩土体地震反应分析；4.测试岩土动力特性的方法和技术；测试岩土动力特性的方法和技术；5.建立在岩土体上各类工程结构物对地震动建立在岩土体上各类工程结构物对地震动的反应。的反应。岩土地震工程学的研究特点岩土地震工程学的研究特点 岩土地震工程学还是一门年轻的学科，其发岩土地震工程学还是一门年轻的学科，其发展是从展是从20世纪世纪60年代才开始年代才开始，目前已经形成了独，目前已经形成了独立而完整的研究内容、研究问题和研究目标。当立而完整的研究内容、研究问题和研究目标。当前岩土地震工程研究可以概括为以下几个特点：前岩土地震工程研究可以概括为以下几个特点：1）一个目的，两个途径）一个目的，两个途径 一个目的，即减轻地震灾害。一个目的，即减轻地震灾害。对于一个具体工程也对于一个具体工程也好，对一个具体地区也好，该工程场地或该地区地震危好，对一个具体地区也好，该工程场地或该地区地震危险性和危害性正确评价，总是其抗震、防灾、减灾对策险性和危害性正确评价，总是其抗震、防灾、减灾对策的基础和出发点。的基础和出发点。两个途径，一是抗震两个途径，一是抗震，即预测设计参数及其地震动，即预测设计参数及其地震动效应，并根据岩土体在地震动下的物理、力学特性，按效应，并根据岩土体在地震动下的物理、力学特性，按一定的标准选用适当的设防标准，达到工程稳定的目的；一定的标准选用适当的设防标准，达到工程稳定的目的；二是选场二是选场，即选择对抗震相对好的场地，避开对抗震不，即选择对抗震相对好的场地，避开对抗震不利的地段，或者根据地震效应，采取响应的抗震措施，利的地段，或者根据地震效应，采取响应的抗震措施，以达到减轻灾害的目的。以达到减轻灾害的目的。岩土工程地震学涉及多学科，它是一个岩土工程地震学涉及多学科，它是一个系统工程的系统工程的学科学科。但从本质上讲它是属于环境学范畴。主要体现在。但从本质上讲它是属于环境学范畴。主要体现在地震动传播路径分析中，远场和近场的考虑，椭圆衰减地震动传播路径分析中，远场和近场的考虑，椭圆衰减及不同地区不同的衰减特点。及不同地区不同的衰减特点。局部场地的地质环境、地质条件、岩土体地震动特局部场地的地质环境、地质条件、岩土体地震动特性是场地地震效应预测的基础性是场地地震效应预测的基础，包括场地水文地质、工，包括场地水文地质、工程地质、地形地貌、岩土成因等条件。不同的岩土体条程地质、地形地貌、岩土成因等条件。不同的岩土体条件，不仅出现不同成因类型的震害，而且直接影响震害件，不仅出现不同成因类型的震害，而且直接影响震害特点及其危险性。特点及其危险性。2）以环境地质影响为基础、地震工程应用为）以环境地质影响为基础、地震工程应用为目的、地震效应预测为目标的整体系统研究目的、地震效应预测为目标的整体系统研究（2）岩土工程抗震设计的特点岩土工程抗震设计的特点 岩土工程构筑物的抗震性能受地面位移地面位移的影响很大,特别是土与结构的相互作用以及液化效应的影响,给工程设计提出了不少难题。近年来国内外致力于提出一个关于地震的国际新标准,以系统的方式在统一的框架下解决这一问题。在这个标准中，地震作用分两个步骤两个步骤来确定：第一步骤确定地震作用基本参数。包括场地地震动场地地震动、地震液化地震液化和液化导致的地面大位移液化导致的地面大位移等地震相关现象发生的可能性。这些参数在第二步骤中用来确定岩土工程抗震设计中的地震作用。第二步骤中，考虑岩土与结构物的相互作用相互作用。按照静动力分析的组合和土与结构相互作用的方式，第二步骤地震作用分析的类型分成两类：简化分析：简化分析：即土与结构作为一个整体进行模拟分析；详细分析：详细分析：即土与结构作为一个耦合体系.岩土工程勘察中有关抗震的问题主要有：岩土工程勘察中有关抗震的问题主要有：地层剪切波速的确定、场地类别的划分、抗震设防烈度的确定及砂土液化的评判等问题。岩土工程设计中有关抗震的问题主要有：岩土工程设计中有关抗震的问题主要有：边坡的地震稳定性分析、地基的抗震设计、支挡结构的抗震验算等。5.1.2 相关领域抗震设计规范简介相关领域抗震设计规范简介建筑抗震设计规范(GB50011-2001)(2008年版)建筑工程抗震设防分类标准（GB50223-2004）(2008年版)铁路工程抗震设计规范（GB50111-2006）修订中公路工程抗震设计规范（JTJ004-89）修订中水工建筑物抗震设计规范 建筑边坡工程技术规范建筑边坡工程技术规范(GB50300-2002)滑坡稳定性及推力计算表滑坡稳定性及推力计算表 5.1.3 地震作用与结构地震反应分地震作用与结构地震反应分析基础析基础一、结构抗震理论发展概述一、结构抗震理论发展概述二、与各类型结构相应的地震作用分析方法二、与各类型结构相应的地震作用分析方法三、单自由度弹性体系的地震反应分析（基础）三、单自由度弹性体系的地震反应分析（基础）地震作用地震作用 结构的地震反应结构的地震反应 结构、构件的地震作用效应结构、构件的地震作用效应 地震作用和结构抗震验算是建筑抗震设计的重要环地震作用和结构抗震验算是建筑抗震设计的重要环节，是确定所设计的结构满足最低抗震设防安全要求的节，是确定所设计的结构满足最低抗震设防安全要求的关键步骤。关键步骤。由于地震作用的复杂性和地震作用发生的强度的不由于地震作用的复杂性和地震作用发生的强度的不确定性，以及结构和体形的差异等，地震作用的计算方确定性，以及结构和体形的差异等，地震作用的计算方法是不同的。可分为简化方法和较复杂的精细方法。法是不同的。可分为简化方法和较复杂的精细方法。底部剪力法底部剪力法振型分解反应谱法振型分解反应谱法时程分析法时程分析法静力弹塑性方法静力弹塑性方法一、结构抗震理论的发展一、结构抗震理论的发展1.1.静力理论阶段静力理论阶段-静力法静力法19201920年，日本大森房吉提出。年，日本大森房吉提出。假设建筑物为绝对刚体。假设建筑物为绝对刚体。地震作用地震作用-地震系数地震系数将将F F作为静荷载，按静力计算方法计算结构的地震效应作为静荷载，按静力计算方法计算结构的地震效应2.2.定函数理论定函数理论 苏联扎夫里耶夫首先提出的，他认为地震地面苏联扎夫里耶夫首先提出的，他认为地震地面运动可用余弦函数来描述，也即地面位移为运动可用余弦函数来描述，也即地面位移为 苏联的柯尔琴斯基提出地面运动可用若干个不苏联的柯尔琴斯基提出地面运动可用若干个不同振幅、不同阻尼和不同频率的衰减正弦函数的和同振幅、不同阻尼和不同频率的衰减正弦函数的和来表示，也即来表示，也即3.3.反应谱理论反应谱理论-反应谱法反应谱法19401940年，美国皮奥特提出。年，美国皮奥特提出。地震作用地震作用-重力荷载代表值重力荷载代表值-地震系数（反映震级、震中距、地基等的影响）地震系数（反映震级、震中距、地基等的影响）-动力系数动力系数(反映结构的特性反映结构的特性,如周期、阻尼等的影响如周期、阻尼等的影响)按静力计算方法计算结构的地震效应按静力计算方法计算结构的地震效应目前，世界上普遍采用的方法。目前，世界上普遍采用的方法。4.4.直接动力分析理论直接动力分析理论-时程分析法时程分析法 将实际地震加速度时程记录（简称地震记录将实际地震加速度时程记录（简称地震记录 earth-quakerecord）作为动荷载输入，进行结构的地震响应分）作为动荷载输入，进行结构的地震响应分析。析。此外，有用随机振动理论来分析结构地震响应统计特此外，有用随机振动理论来分析结构地震响应统计特征的，有以地震时输入结构的能量进行设计，使结构所吸征的，有以地震时输入结构的能量进行设计，使结构所吸收的能量不致造成结构破坏的理论等。但这些方法还没有收的能量不致造成结构破坏的理论等。但这些方法还没有进入抗震设计规范，因此未被抗震设计使用进入抗震设计规范，因此未被抗震设计使用。5.5.非线性静力分析方法（非线性静力分析方法（Push Over Analysis)Push Over Analysis)二、与各类型结构相应的地震作用分析方法二、与各类型结构相应的地震作用分析方法不超过不超过40m40m的规则结构：底部剪力法的规则结构：底部剪力法一般的规则结构：两个主轴的振型分解反应谱法一般的规则结构：两个主轴的振型分解反应谱法 质量和刚度分布明显不对称结构：考虑扭转或双向质量和刚度分布明显不对称结构：考虑扭转或双向地震作用的振型分解反应谱法地震作用的振型分解反应谱法 8 8、9 9度时的大跨、长悬臂结构和度时的大跨、长悬臂结构和9 9度的高层建筑：度的高层建筑：考虑竖向地震作用考虑竖向地震作用 特别不规则、甲类和超过规定范围的高层建筑：特别不规则、甲类和超过规定范围的高层建筑：一维或二维时程分析法的补充计算一维或二维时程分析法的补充计算三、三、单自由度弹性体系的地震反应分析单自由度弹性体系的地震反应分析（一）（一）地震作用下单自由度体系的运动方程地震作用下单自由度体系的运动方程质点位移质点位移质点加速度质点加速度惯性力惯性力弹性恢复力弹性恢复力阻尼力阻尼力运动方程运动方程（二）、单自由度体系动力学分析回顾（二）、单自由度体系动力学分析回顾1.1.单自由度体系自由振动单自由度体系自由振动（1 1）无阻尼时）无阻尼时时时（2 2）有阻尼时）有阻尼时m m 将荷载看成是连续作用的一系列冲量，求将荷载看成是连续作用的一系列冲量，求出每个冲量引起的位移后将这些位移相加即出每个冲量引起的位移后将这些位移相加即为动荷载引起的位移。为动荷载引起的位移。2.2.单自由度体系受迫振动单自由度体系受迫振动-冲量法冲量法m（1 1）.瞬时冲量的反应瞬时冲量的反应a.a.t=0 时作用瞬时冲量时作用瞬时冲量mb.b.时刻作用瞬时冲量时刻作用瞬时冲量(2).(2).动荷载的位移反应动荷载的位移反应m-杜哈美积分杜哈美积分计阻尼时计阻尼时若若t=0 时体系有初位移、初速度时体系有初位移、初速度b.b.时刻作用瞬时冲量时刻作用瞬时冲量（三）（三）单自由度体系地震作用分析单自由度体系地震作用分析运动方程运动方程或或其中其中由由Duhamel积分可得零初始条件下质点相对于地面的位移为积分可得零初始条件下质点相对于地面的位移为最大位最大位移反应移反应质点相对于地面的速度为质点相对于地面的速度为质点相对于地面的最大速度反应为质点相对于地面的最大速度反应为质点的绝对加速度为质点的绝对加速度为质点相对于地面的最大加速度反应为质点相对于地面的最大加速度反应为（四）（四）地震反应谱地震反应谱最大相对速度最大相对速度最大加速度最大加速度最大反应之间的关系在阻尼比、地面运动确定后，最大反应只是结构周期的函数。在阻尼比、地面运动确定后，最大反应只是结构周期的函数。单自由度体系在给定的地震作用下某个最大反应与体系单自由度体系在给定的地震作用下某个最大反应与体系自振周期的关系曲线称为该反应的地震反应谱。自振周期的关系曲线称为该反应的地震反应谱。最大相对位移最大相对位移位移反应谱位移反应谱Elcentro 1940（N-S）地震记录相对速度反应谱相对速度反应谱Elcentro 1940（N-S）地震记录绝对加速度反应谱绝对加速度反应谱Elcentro 1940（N-S）地震记录相对位移反应谱相对位移反应谱绝对加速度反应谱绝对加速度反应谱相对速度反应谱相对速度反应谱地震反应谱的特点地震反应谱的特点1.1.阻尼比对反应谱影响很大阻尼比对反应谱影响很大2.2.对于加速度反应谱，当结构周期小对于加速度反应谱，当结构周期小 于某个值时幅值随周期急剧增大，于某个值时幅值随周期急剧增大，大于某个值时，快速下降。大于某个值时，快速下降。3.3.对于速度反应谱，当结构周期小于某对于速度反应谱，当结构周期小于某 个值时幅值随周期增大，随后趋于常数。个值时幅值随周期增大，随后趋于常数。4.4.对于位移反应谱，幅值随周期增大。对于位移反应谱，幅值随周期增大。不同场地条件对反应谱的影响不同场地条件对反应谱的影响将多个地震反应谱平均后得平均加速度反应谱将多个地震反应谱平均后得平均加速度反应谱 地震反应谱是现阶段计算地震作用的基础，通过反应谱地震反应谱是现阶段计算地震作用的基础，通过反应谱把随时程变化的地震作用转化为最大的等效侧向力。把随时程变化的地震作用转化为最大的等效侧向力。周期（周期（s)s)岩石岩石坚硬场地坚硬场地厚的无粘性土层厚的无粘性土层软土层软土层结构的阻尼比和场地条件对反应谱有很大影响。结构的阻尼比和场地条件对反应谱有很大影响。