第十四章-港口水工建筑物抗震.pptx

概述一、地震1.地震及其成因概念：地震、有感地震、破坏性地震、构造性地震、陷落地震成因：板块学说2.地震波及其传播概念：地震波、震源传播原理：弹性波动方程描述（岩石为粘弹塑性体）。地震波的类型：体波（P纵波、S横波）、面波。3.地震的震级概念：地震烈度（现象）、地震震级（能量）5级以上的地震称破坏性地震；7级以上的地震称强烈地震。概述二、地震烈度1.地震烈度与地震震级的联系与区别2.烈度的定量标准以地面最大加速度为标准、以地面最大速度为标准、以地震反应谱为标准三、地震的破坏现象和港口水工建筑物的震害特点1.地震的破坏现象 5、6级以上的地震才会给人类带来灾害。地震造成的破坏主要来自三个方面：地表的破裂、工程建筑的破坏、次生灾害。2.港口水工建筑物的震害特点 我国现有港口大都处于原地震区划的基本烈度6度以下地区，一般在设计时均未考虑地震设防，唐山大地震后才引起重视，制定了水运工程水工建筑物抗震概述设计规范。现将国内外码头建筑物的典型震害特点介绍如下：1）重力式码头 码头断面的抗倾稳定性、或分层稳定性不够引起岸壁向港池方向整体转动或部分砌体滑移。概述2）板桩码头 锚碇结构位移或拉断导致板桩墙显著前倾变形。3）高桩码头 前方桩台的叉桩和叉桩桩帽受损最普遍，其中，向岸斜桩破坏数量最多；其次是接岸结构的挡土墙下沉倾倒，横向断裂等损坏。3.破坏原因 地震惯性力、动水压力、动土压力、砂性土液化等。结构的地震反应及设计反应谱一、单质点系的地震反应 右图为单质点体系，将结构中参与震动的质量全部集中在一点上，用无重量的弹性杆件系统支承在地面上，并假定地面运动和结构振动只是单方向的水平平移运动，不发生扭转，因此结构是座落在刚性平面上的弹性系统。当发生一个由地震产生的地面位移 时，质体的绝对位移为 ，作用在质点上的力有：惯性力阻尼力弹性恢复力由力的平衡原理可得：结构的地震反应及设计反应谱 式中：阻尼比 ，阻尼系数；弹簧常数；无阻尼自由振动圆频率，。由式上式可以看出，由地震时地面水平运动 所引起质体的相对位移 转化为在动力荷载 作用下求解质体的位移 问题，亦属于有阻尼的受迫振动问题。受迫振动问题的解为：二、地震反应谱 在抗震设计中最关心的是最大反应，即相对位移、速度和 绝对加速度反应结构的地震反应及设计反应谱的最大值。当阻尼比给定时，对于每一个地震加速度记录，都可以分别计算出三条相应最大位移、最大加速度、最大速度与自振周期T之间的关系曲线，这就是所谓的相对位移反应谱、相对加速度反应谱和加速度反应谱。广泛应用的是加速度反应谱。有了加速度反应谱可以对于不同周期的单质点体系确定其不同的最大加速度反应，从而计算地震惯性力：结构的地震反应及设计反应谱三、设计反应谱 上述计算出来的地震反应谱与规范规定的设计反应谱不同。地震反应谱是瞬时值，不同地区不同地震计算所得的反应谱出入很大，在工程抗震设计中，不可能单独为某个工程提出一个反应谱，而是通过对大量地震资料的总结，找出地震反应谱的规律指导设计，这就是设计反应谱。研究表明：两次不同的地震，其加速度反应谱不同，主要是因为两次的地震烈度不同，而地震烈度的大小可由地面最大加速度 的大小确定。因此，惯性力可写成：结构的地震反应及设计反应谱标准反应谱：当给定阻尼比，就可以作出的-T关系曲线，此曲线称为动力系数反应谱，用它来表示地面运动的特性。实际地震反应计算中发现不同的地震中作出的-T曲线比较一致，基于这一点，将许多次地震得出的许多条这种曲线取其平均曲线作为代表，并近似认为这条平均曲线适用于各次地震，作为设计的依据，即所谓的标准反应谱，也称设计反应谱。地震惯性力的计算公式：结构的地震反应及设计反应谱四、多质点体系地震反应的振型分解法 多质点体系在地震水平运动 作用下，其运动微分方程为：上述方程可用数值积分方法求解，但一般常用振型分解法，即将多质点体系简化成多个独立的单质点系，按振型分解方法进行分析。振型分解法：用坐标变换的方法将方程组转化为一组各自独立的方程，每个方程只含一个未知数而可单独求解，这种方法称振型分解法。振型对质量矩阵和刚度矩阵具有正交性，但对阻尼矩阵不存在正交性。为此结构的地震反应及设计反应谱将阻尼矩阵假设为质量矩阵和刚度矩阵的线性组合，经整理后可得：式中：为第振型的振型参与系数；为位移反应，为振幅。五、求多质点体系水平地震力的反应谱方法 J振型下作用在第i质点上的最大水平地震惯性力为:在地震过程中，多自由度体系的各个振型，一般都是同时出现的，所以地震作用所产生的结构内力应考虑到各个振型的相加。振型的内力组合并不是简单的相加，而应从随机过程理论出发研究振型的组合问题。其计算公式为：式中：由水平地震产生的结构反应，如位移、内力等；由j振型时的水平地震所产生的结构反应；振型数。地基和岸坡的抗震一、砂土液化的预测及其抗液化措施1.砂土液化的预测1）影响饱和砂土或粉土层液化的因素2）规范要求当设计烈度为79度时，应对饱和土进行液化判别和相应的地基处理；当设计烈度为6度时，可不进行液化判别，但对液化敏感的码头建筑物，按7度考虑。对饱和砂土或粉土层，当符合下列条件之一时，可初步判别为不液化：地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及其以前时；当采用六偏磷酸钠作为分散剂的测定方法测得的粉土，其粘粒（粒径小于0.005毫米的颗粒）含量的百分点数在7度、8度和9度分别小于10、13和16。3）判别方法地基和岸坡的抗震 当初判为可液化的土层后，应做进一步判别。第二步判别采用标准惯入试验判别法，在地面以下20米内的土符合下式时，即为液化土。建筑物建成后和建造前的地面高程和地下水位有较大变化，标准惯入击数应予以修正，即：2.地基抗液化措施 对于地基和岸坡中的可液化土层，可采用下列加固措施：在可液化土层中采用桩基时，桩基应穿过可液化土层，并有足够的长度伸入稳定的土层。对位于地面附近的可液化层，可进行处理，处理后的土层应符合惯入度要求。地基和岸坡的抗震在相对不透水土层中存在可液化土夹层时，可采用排水减压措施。在建筑物地基中和墙背后一定范围内，不应采用粉细砂和颗粒均匀的中砂等作为回填料。四、地基承载力和岸坡的抗震稳定性1.地基承载力规范规定：在水运工程建筑物地基的抗震验算中，对于液化土层以下的土层，采用固结快剪强度指标计算地基承载力时，抗力分项系数可降低至正常情况下的75%；当采用查表法时，地基土的抗震承载力设计值可按下式予以提高。液化层以上的土层承载力设计值不应修正。式中：为地基土抗震承载力设计值；为地基土静承载力设计值。地基和岸坡的抗震地震时桩的垂直承载力抗力分项系数，在一般粘性土和砂土中可降为正常情况下的80%；在软土和非液化状态的松砂中不宜降低。地基内有液化土层时，可不计该土层的强度，当有资料论证可利用该土层的部分强度时，可根据抗液化土层的桩侧摩阻力、内摩擦角等力学指标进行折减，折减系数参见下表：地基和岸坡的抗震2.岸坡的抗震稳定性 目前国内外对地震作用下岸坡稳定的分析方法有：静力法、拟静力法和动力法。每种方法又有总应力法和有效应力法之分。国内规范采用的方法是总应力的拟静力法，即将地震作用简化为一个水平的静力作用在岸坡土体上，常称为水平地震力，然后应用圆弧滑动面的条分法，按极限平衡理论计算其抗滑稳定性。应用该法验算时，应满足下列公式要求：地震作用 施加在港口水工结构上的地震作用主要有：地震土压力、地震动水压力和地震惯性力。一、地震惯性力 目前还没有严格的理论能将复杂结构的地震反应用一个简单的地震惯性力精确地表达出来，只能用半理论、半经验的近似方法，各国抗震设计规范中所采用的方法有：静力法（惯性力法）、拟静力法和反应谱法三种。以下介绍抗震设计规范对两种类型的港口水工建筑物（高桩、重力式）计算地震惯性力的方法。1.板梁式、无梁面板式、桁架式和实体墩式高桩码头，可按单质点考虑，其水平向总地震惯性力标准值宜按下列公式计算：2.空箱式和刚架、桁架式高桩墩式码头宜按多质点考虑，沿建筑物高度作用于质点i的水平向地震惯性力标准值，可按下列公式计算：地震作用3.对于空箱式和刚架、桁架式高桩墩式码头，当计算高度大于30米时，应计入高振型的影响。4.重力式码头沿高度作用于质点i的水平向地震惯性力标准值可按下式计算：5.重力墩沿高度作用于质点i的水平向地震惯性力标准值可按第4点的公式式计算.式中 为加速度分布系数，取值见下图。地震作用二、地震土压力 目前还没有完善的理论方法计算地震土压力。国内外仍以考虑动力因素的惯性力法为主。所谓惯性力法是指将墙体后土体在地震时产生的水平惯性力看作静力，并假设墙体与墙后土体都是绝对刚性，其上任何一点的绝对加速度都和地面加速度相同，忽略墙体本身的震动特性。在确定了墙后土体的地震惯性力而进行静力分析时，仍应用库仑土压力理论求解墙背主（被）动土压力的方法计算地震主（被）动土压力。地震作用式中 为粘性土地震主（被）动土压力系数，计算公式见参考书2；为墙背与铅垂线的夹角。计算水下部分土体的地震力时，应采用土的浮重度和表观地震系数。这时，由于已将饱和土体在计算上视为整体，认为在算得的惯性力中已考虑了土中水的地震作用，不必再另外考虑地震动水压力。三、地震动水压力 抗震规范规定：作用在直墙式建筑物上的地震动水压力强度、总动水压力、总倾覆力矩等的标准值可分别按下列公式计算：地震作用1.作用在重力墩式建筑物上的动水压力标准值，按下列方法确定：1）作用在重力墩式建筑物上的总动水压力标准值2）水面以下深度为Z处单位墩高上的动水压力标准值3）作用在重力墩式建筑物上Z深度范围内的总动水压标准值2.板梁式、无梁面板式、桁架式高桩码头和高桩墩式码头、重力式和板桩码头前的动水压力抗震计算时一般不予考虑。港口码头结构抗震设计要点一、抗震设计的基本要求1.抗震设计的目标小震不坏、中震易修、大震不倒。2.抗震设计的基本要求1）尽量选择对抗震有利的地段，未经论证，不得在危险地段修建。2）当地基主要持力层范围有可液化土层、软土层或严重不均匀土层时，需处理。3）结构布置宜规则和对称，质量分布均匀，尽量降低建筑物重心位置。4）结构及构件连接应有必要的强度、变形性能，对建筑物的端部或转角部位，应采取措施提高其抗震能力，宜增加结构的超静定次数。5）装配式结构应采取加强整体连接的措施。6）便于对建筑物进行检修。港口码头结构抗震设计要点二、结构抗震验算的原则和条件1.港口码头建筑物抗震设计属于偶然状况，仅进行承载力极限状态验算（抗震稳定和承载力验算）。2.在抗震设计中进行作用组合时，各种作用的标准值为静力计算的数值乘以地震时各作用组合系数。港口码头结构抗震设计要点3.抗震设计时的水位按下表采用4.水平向地震系数，7度、8度、9度地震分采用0.1、0.2、0.4。5.港口码头建筑物水平向地震作用，应根据建筑物的型式，分别对纵、横两个方向或其中的一个方向进行验算。港口码头结构抗震设计要点6.港口码头建筑物的竖向地震惯性力，可按相应的水平向地震惯性力算法，以竖向地震系数代替水平向地震系数进行计算，竖向地震系数为水平向地震系数的2/3倍。对于重力式建筑物当设计烈度为8度、9度时，需同时计入水平向和竖向地震惯性力，此时竖向地震惯性力应乘以0.5的组合系数。7.计算地震惯性力时，重力按空气中重力计算，水下土体按饱和重度计算。三、结构抗震验算1.高桩码头1）地震时，高桩码头主要承受的地震作用为地震惯性力。2）对设有前后方桩台的高桩码头，应按规范的下列规定进行验算：前后放桩台可作为整体进行横向地震惯性力计算；对高桩码头纵向地震惯性力，可仅计算端部段，中间段可不考虑；港口码头结构抗震设计要点基桩内力按刚架计算，前后方桩台间可按设铰连杆考虑；对质量和刚度明显不均匀、不对称的桩基码头结构，应考虑水平向地震作用的扭转影响。3.码头钢筋混凝土桩、柱截面承载力应按下列公式验算：式中 抗震调整系数，当所采用的钢筋强度设计值不大于 时，取1.202.重力式码头 为简化计算起见，把港口重力式码头复杂的地震运动简化为地震作用，其中包括地震惯性力、地震土压力和地震动水压力。当地震作用确定后，重力式码头抗震稳定性（抗滑和抗倾）可按方法验算：1）岸壁式码头抗滑稳定性按下式验算港口码头结构抗震设计要点2）岸壁式码头抗倾稳定性按下式验算3.板桩码头 由于地震时板桩码头的动力性状至今尚不清楚，所以抗震计算采用静力法，但在计算作用于板桩墙上的土压力时，采用地震土压力。地震时板桩码头承受的地震作用主要是地震土压力，板桩自身的地震惯性力忽略。由于板桩墙是柔性薄壁结构，对柔性墙的地震土压力的计算方法，目前国内外研究甚少，仍按刚性墙地震土压力计算。1）板桩墙的入土深度应满足下式踢脚稳定要求港口码头结构抗震设计要点2）锚碇墙（板）的稳定性应按下式确定3）板桩码头钢筋混凝土和预应力混凝土构件截面承载力抗震验算应满足下式四、抗震措施1.高桩码头1）高桩码头前后方桩台间的建筑缝中应填充些缓冲材料；2）应尽量采用合理的桩基布置型式每个分段内的桩基，特别是叉桩宜对称布置，避免受水平力后桩台发生扭转；叉桩宜布置在排架中支座垂直反力大的位置以承受较大的竖向压力，抵消部分地震惯性力在该桩中产生的拉力，以减轻震害；港口码头结构抗震设计要点不宜采用全部钢筋混凝土直方桩码头；高桩码头后方桩台桩顶与上部结构的连接宜做成固结，以提高桩台的侧向刚度，减少后方桩台的动位移及对前方桩台的碰撞力。3）叉桩柱帽与横梁之间，应有足够的联系钢筋。4）应优先采用刚度较大的码头上部结构。5）应尽量减少接岸结构和棱体对码头结构的影响，桩台或引桥和接岸结构之间宜设置简支的过渡板。2.重力式码头和重力墩1）当设计烈度为8度、9度时，码头墙后宜采用抛石棱体，一坡到底，以降低地震动土压力，防止产生液化，提高码头抗震能力。2）应尽量加强结构的整体性。港口码头结构抗震设计要点3）对预制安装的扶壁式码头，应增强其纵向整体性，如采用胸墙现浇等措施。3.板桩码头1）在板桩墙与锚碇结构之间，如局部有软土或可液化土，应换填透水性能好的粗梢或石料，并保证其密实。2）当拉杆较长或码头面荷载较大时，应采取有效措施减少拉杆下垂。拉杆端部采用铰接连接，以防止拉杆两端产生很大的弯矩引起拉杆端部折断，使码头失稳。