橋梁結(jié)構(gòu)地震

響應(yīng)分析第六章6.1地震成因及地震類型地殼：地球外表面的一層薄殼。最薄處約5km，地震多發(fā)于此。6.1.1地球的構(gòu)造

地殼同地幔間的分界面，稱為莫霍面，稱為莫霍面，以發(fā)現(xiàn)者南斯拉夫地震學(xué)家莫霍洛維奇的名字命名的。在莫霍面上，地震波的傳播速度急劇地改變，由原來的6～7千米/秒突變到8千米/秒6.1.2地震的發(fā)生過程地球內(nèi)部由于某種原因發(fā)生振動(dòng)，并以波的形式傳遞到地表引起地面震動(dòng)。內(nèi)部發(fā)生振動(dòng)的地方稱之為震源。震源在地表的投影叫震中。震源至地面的垂直距離叫震源深度。根據(jù)震源深度以60Km，300Km為限將地震劃分為：淺源地震、中源地震、深源地震。淺源地震危害大。6.1.3地震的成因與類型根據(jù)地震成因來分：構(gòu)造地震：火山地震；塌陷地震；水庫(kù)引發(fā)地震：6.2地震波以及傳播地震以波的形式由震源傳遞到地表。地震波分為：體波和面波。6.2.1體波體波是指通過地球體內(nèi)傳播的波，包含縱波、橫波?？v波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳遞方向一致的波。橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳遞方向垂直的波?？v波為壓縮波，無論是在固體內(nèi)還是液體內(nèi)均能傳播。橫波為剪切波，只能在固體內(nèi)傳播。波速可以按下式計(jì)算：式中 Vp—

縱波波速Vs—

橫波波速E—

介質(zhì)的彈性模量γ—

介質(zhì)的泊松比；ρ—

介質(zhì)的密度；G—

介質(zhì)的剪切模量；λ—

拉梅常數(shù)通過兩種波速的比較可見：縱波的傳播速度快于橫波，即縱波先到達(dá)地面縱波波速200-1400m/s橫波波速100-800m/s6.2.2面波面波是指介質(zhì)表面或地球表面及其附近傳播的波，一般認(rèn)為是體波經(jīng)地層界面多次反射形成的次生波，包含瑞雷波和樂普波。樂普波的傳播是質(zhì)點(diǎn)在與波的傳播方向相垂直的水平方向的剪切型運(yùn)動(dòng)。質(zhì)點(diǎn)在水平方向振動(dòng)與波行進(jìn)方向耦合后會(huì)產(chǎn)生水平扭轉(zhuǎn)分量。6.2.3地震波的主要特性地震加速度波形的頻譜特性及持續(xù)時(shí)間的影響軟土地基上地震加速度波形中長(zhǎng)周期的分量比較顯著，而硬土地基上加速度波形則包含多種頻譜成分，一般短周期的分量比較顯著。長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的地震沖擊作用下，結(jié)構(gòu)物的破壞與靜載作用下的破壞值相差較大。6.3地震震級(jí)與地震烈度6.3.1地震震級(jí)地震震級(jí)是表征地震強(qiáng)弱的指標(biāo)，是地震釋放多少能量的尺度，用符號(hào)M表示，它以地面振動(dòng)振幅大小來度量。震級(jí)大小系利用標(biāo)準(zhǔn)地震儀（指周期為0.8s，阻尼系數(shù)0.8，放大倍數(shù)2800的地震儀）在距震中100Km處記錄的以微米為單位的最大水平地面位移（振幅）A的常用對(duì)數(shù)值。即：其中M：地震震級(jí)（這一定義是由里希特于1935年提出的，因而也稱里氏震級(jí)）A：由地震曲線圖上量得的最大振幅。小于2級(jí)的地震人們感覺不到；5級(jí)以上的地震就要引起不同程度的破壞，統(tǒng)稱為破壞性地震；7級(jí)以上地震稱為強(qiáng)烈地震。地震烈度：是地震對(duì)地面影響的強(qiáng)烈程度，主要依據(jù)宏觀的地震影響和破壞現(xiàn)象等方面來判斷。地震烈度是表示某一區(qū)域范圍內(nèi)地面和各種建筑物受到一次地震影響的平均強(qiáng)弱程度的一個(gè)指標(biāo)?；玖叶群土叶葏^(qū)劃圖基本烈度：是指一個(gè)地區(qū)在一定時(shí)間內(nèi)，在一般場(chǎng)地條件下可能遭遇到的最大烈度。6.4橋梁地震災(zāi)害與啟示6.4.1、橋梁地震災(zāi)害調(diào)查與分析橋梁的震害及其產(chǎn)生的原因是建立正確的抗震設(shè)計(jì)方法、采取有效抗震措施的科學(xué)依據(jù)。大量震害表明引起橋梁震害的原因主要有四個(gè)：1）所發(fā)生的地震強(qiáng)度超過了抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)；1989年美國(guó)洛馬·普里埃塔地震，震級(jí)為M7.0，舊金山—奧克蘭海灣大橋建成于1934年，該橋?yàn)閼宜骱丸旒芙M合體系的雙層鋼橋。在此次地震中，桁架部分有一跨發(fā)生落梁現(xiàn)象圖1-5舊金山—奧克蘭海灣大橋一跨落梁a）圣·安德列斯斷層(航空照片)b）重力地裂縫圖1-1地表斷裂現(xiàn)象2）橋梁場(chǎng)地對(duì)抗震不利，地震引起地基失效或地基變形滑坡圖1-2美國(guó)洛馬·普里埃塔地震中的山體滑坡現(xiàn)象砂土液化圖1-3砂土液化形成的噴水冒砂現(xiàn)象3）橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工不當(dāng)如：1971年美國(guó)圣·費(fèi)爾南多地震，震級(jí)為M6.7，在橋梁震害中，最大的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)是兩座互通式立交工程嚴(yán)重倒塌毀壞。圖示金州5號(hào)高速干道與州際210干道立交樞紐部分梁跨塌落的情況。對(duì)彎梁橋設(shè)計(jì)與施工還需更深入的研究。圖1-4金州5號(hào)高速干道與州際210干道立交樞紐部分梁跨墜毀4）橋梁結(jié)構(gòu)本身抗震能力不足遭受嚴(yán)重震害的塞普里斯高架橋。該橋建于1957年，是加州境內(nèi)一座雙層框架連續(xù)高架橋，上層框架柱底普遍采用與下層框架鉸接的形式。地震中，該橋有一段800m長(zhǎng)的上層橋面因橋墩斷裂塌落在下層橋面上，上層框架完全毀壞

圖1-6塞普里斯高架橋上層框架塌落圖1-7StruveSlough橋橋墩穿透橋面StruveSlough橋建于1964年，是一座20跨、2車道、總長(zhǎng)244m的肋板橋，其上部結(jié)構(gòu)分四跨一聯(lián)，每聯(lián)之間設(shè)置一道伸縮縫。地震中，橋墩與蓋梁節(jié)點(diǎn)首先發(fā)生彎剪破壞，引起上部結(jié)構(gòu)過大的相對(duì)位移，使橋墩與蓋梁脫開，并穿透橋面1994年美國(guó)北嶺地震，震級(jí)為M6.7，州際5號(hào)公路/14號(hào)國(guó)道互通立交地震中，靠近橋臺(tái)的矮墩首先發(fā)生剪切破壞，橋臺(tái)翼墻和剪力鍵隨后破壞，失去支承的兩跨上部結(jié)構(gòu)完全墜毀圖1-8州際5號(hào)公路/14號(hào)國(guó)道互通立交上層跨線段部分跨塌落圖1-9州際5號(hào)公路/14號(hào)國(guó)道互通立交北接線段部分跨塌落地震中，靠近橋臺(tái)的橋墩發(fā)生剪切破壞，引起相鄰兩跨上部結(jié)構(gòu)墜落，分析該立交樞紐部分塌落的原因，主要?dú)w結(jié)于橋墩中箍筋含量不足圖1-9州際5號(hào)公路/14號(hào)國(guó)道互通立交北接線段部分跨塌落以及掛梁牛腿連接處的支承面過窄。圖1-10MissionGothic跨線橋橋墩典型破壞情況橋墩破壞可以歸類為兩種模式：一是在墩頂截面突變處發(fā)生的彎剪破壞，另一是在墩頂截面加寬段發(fā)生的彎曲破壞。該橋橋墩所配箍筋足以保證在墩頂首先形成彎曲塑性鉸，但在彎曲塑性鉸形成后，因塑性鉸區(qū)抗彎強(qiáng)度超強(qiáng)和截面抗剪能力大大下降，共同造成其中一些橋墩在墩頂截面削弱處的彎剪破壞

圖1-11LaCienega-Venice跨線橋橋墩遭受嚴(yán)重破壞地震中，一些橋墩在柱頂受到嚴(yán)重破壞，另一些則在柱底受到嚴(yán)重破壞。箍筋不足是橋墩遭受嚴(yán)重破壞的主要原因。

圖1-12GavinCanyon跨線橋兩跨落梁GavinCanyon跨線橋建于1967年，上部結(jié)構(gòu)由兩個(gè)分離的鋼筋混凝土箱梁組成，支承在雙柱式橋墩上，橋軸方向與下部支承成24度斜交。該橋共有5跨，中跨連續(xù)，兩端各有短的伸臂，左右邊跨均為伸臂梁結(jié)構(gòu)，伸臂部分一端支承在橋臺(tái)上，另一端通過牛腿搭接在中跨梁上，牛腿寬度僅為20cm（按現(xiàn)行Caltrans規(guī)范要求，這里的牛腿寬度至少應(yīng)為76cm），該橋在1974年安裝了縱向約束裝置。地震中，該橋第二和第四跨完全塌落。斜交和牛腿連接處過窄的支承面是其主要原因；縱向約束裝置也遭受破壞，沒有發(fā)揮出作用。1995年日本阪神地震，震級(jí)為M7.2，

a）墻式墩在施工縫處剪切破壞b）獨(dú)柱墩彎剪破壞圖1-13鋼筋混凝土橋墩嚴(yán)重破壞情況在此次地震中，最嚴(yán)重的橋梁震害出現(xiàn)在阪神高速公路神戶段內(nèi)，一座高架橋共有18根獨(dú)柱墩被剪斷，長(zhǎng)500m左右的梁體向一側(cè)傾倒

圖1-14阪神高速公路神戶段內(nèi)高架橋部分傾覆從結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的角度出發(fā)，橋梁震害可以歸為：上部結(jié)構(gòu)震害、支座震害、下部結(jié)構(gòu)震害、基礎(chǔ)震害橋梁上部結(jié)構(gòu)的震害按照震害產(chǎn)生的原因不同，可以分為：上部結(jié)構(gòu)本身的震害，上部結(jié)構(gòu)的移位震害，以及上部結(jié)構(gòu)碰撞震害。上部結(jié)構(gòu)自身震害而被毀壞的情況比較少見，在發(fā)現(xiàn)的少數(shù)震害中，主要是鋼結(jié)構(gòu)的局部屈曲破壞，如1995年阪神地震中鋼箱梁側(cè)壁和底板的屈曲破壞實(shí)例及拱橋風(fēng)撐的屈曲破壞。上部結(jié)構(gòu)的移位震害是破壞性地震中極為常見的，主要表現(xiàn)為縱向移位，橫向移位和扭轉(zhuǎn)移位，通常設(shè)置伸縮縫的地方比較容易發(fā)生移位震害，當(dāng)移位超出墩臺(tái)支撐面時(shí)便會(huì)發(fā)生落梁，落梁中若撞擊橋墩，還好給下部結(jié)構(gòu)帶來很大的破壞。上部結(jié)構(gòu)碰撞震害發(fā)生在相鄰結(jié)構(gòu)間距過小的情況，地震中就有可能會(huì)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生非常大的撞擊力，使結(jié)構(gòu)破壞，這種撞擊往往會(huì)大大增加墩柱的剪力，嚴(yán)重時(shí)會(huì)導(dǎo)致墩柱的剪切破壞，引起橋梁的倒塌，故應(yīng)通過設(shè)置足夠的間距避免這種碰撞。1）上部結(jié)構(gòu)震害2）支座震害支座歷來被看作是橋梁結(jié)構(gòu)體系中抗震性能比較薄弱的環(huán)節(jié)，其破壞形式主要表現(xiàn)在：支座移位、錨固螺栓拔出剪斷、活動(dòng)支座脫落以及支座本身構(gòu)造上的破壞等。3）下部結(jié)構(gòu)震害下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的嚴(yán)重破壞是引起橋梁倒塌，并在震后難于修復(fù)使用的主要原因。包括橋梁墩柱震害、框架墩震害和橋臺(tái)震害。橋梁墩柱的震害：橋梁墩柱普遍采用鋼筋混凝土墩柱，其破壞形式主要有彎曲破壞和剪切破壞，此外還有橋梁墩柱的基腳破壞。彎曲破壞是延性的，多表現(xiàn)為開裂，混凝土剝落壓潰，鋼筋裸露和彎曲等，并且會(huì)產(chǎn)生很大的塑形變形，其原因主要是約束箍筋配置不足，縱向鋼筋的搭接或焊接不牢等引起。剪切破壞是脆性的，往往會(huì)造成墩柱及上部結(jié)構(gòu)的倒塌。剪切破壞的原因可以是縱向鋼筋過早切斷或連接失敗以及約束箍筋不足，也可能是墩柱的剪切強(qiáng)度低于彎曲強(qiáng)度墩柱的基腳破壞：該種破壞形式少見，若出現(xiàn)，則將導(dǎo)致墩梁倒塌，其原因是由于墩底主鋼筋的錨固失敗。4）基礎(chǔ)震害框架墩的震害：框架墩在城市橋梁中很常見，其破壞主要表現(xiàn)為蓋梁、墩柱和節(jié)點(diǎn)的破壞，破壞形式主要有：剪切強(qiáng)度不足引起剪切破壞，蓋梁負(fù)彎矩鋼筋過早截?cái)嘁鸬膹澢茐模?jié)點(diǎn)破壞主要是剪切破壞。橋臺(tái)的震害主要表現(xiàn)在臺(tái)身與上部結(jié)構(gòu)的碰撞破壞，以及橋臺(tái)向后傾斜（這與臺(tái)后填土不夠密實(shí)有關(guān)）地基失效是橋梁基礎(chǔ)震害的主要原因。此外樁基震害具有極大的隱蔽性，這與樁基設(shè)計(jì)不當(dāng)有關(guān)。如樁基沒有深入穩(wěn)定土層足夠長(zhǎng)度，樁頂與承臺(tái)聯(lián)系構(gòu)造措施不足等。6.4.2、橋梁震害啟示總結(jié)震害教訓(xùn)，可以得到如下一些抗震設(shè)計(jì)啟示：1、要重視橋梁結(jié)構(gòu)的總體設(shè)計(jì)，選擇較理想的抗震結(jié)構(gòu)體系。2、要重視延性設(shè)計(jì)，避免脆性破壞。3、要重視局部構(gòu)造設(shè)計(jì)，避免出現(xiàn)構(gòu)造缺陷。4、要重視支撐連接件抗震設(shè)計(jì)，同時(shí)開發(fā)有效的防止落梁的裝置。5、對(duì)復(fù)雜橋梁（斜彎橋、高墩橋或墩剛度變化大的橋梁）應(yīng)進(jìn)行空間動(dòng)力時(shí)程分析。6、要重視采用減隔震技術(shù)以提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。6.5橋梁地震反應(yīng)分析方法的演變

自從1899年日本學(xué)者大房森吉首次提出用于抗震設(shè)計(jì)的靜力法以來，橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法歷經(jīng)了從靜力法到動(dòng)力的反應(yīng)譜法和動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法的演變過程。結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法，系指計(jì)算結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)作用下的力反應(yīng)和位移反應(yīng)的分析方法。6.5.1靜力法1、彈性靜力法

抗震設(shè)計(jì)的靜力法理論最初由日本學(xué)者大房森吉在1899年提出。它假設(shè)結(jié)構(gòu)各個(gè)部分與地震動(dòng)具有相同的振動(dòng)，因此，結(jié)構(gòu)因地震作用引起的慣性力——地震力就等于地面運(yùn)動(dòng)加速度與結(jié)構(gòu)總質(zhì)量的乘積；再把地震力視為靜力作用在結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)線彈性靜力分析計(jì)算。地震力的計(jì)算公式如下：

式中，W為結(jié)構(gòu)總重量，K為地面運(yùn)動(dòng)加速度峰值與重力加速度g的比值。在大房森吉之后，日本學(xué)者佐野利器于1916年開始倡導(dǎo)震度法，他根據(jù)靜力法概念提出以結(jié)構(gòu)10%的總重量作為水平地震力來考慮地震作用。在日本1923年關(guān)東大地震之后，震度法理論被應(yīng)用到日本最早的公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范中，其考慮地震力的這種方法則一直被日本公路橋梁抗震設(shè)計(jì)沿用至今。從動(dòng)力學(xué)的角度來看，彈性靜力法在理論上存在極大的局限性，因?yàn)樗呀Y(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)特性這一重要因素忽略了。只有當(dāng)結(jié)構(gòu)物可以近似地視為剛體時(shí)，彈性靜力法才能成立。不過，彈性靜力法概念簡(jiǎn)單，計(jì)算公式也簡(jiǎn)明扼要，因此在實(shí)際應(yīng)用中仍受到歡迎（比如用在橋臺(tái)和擋土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中）。2非線性靜力Pushover分析——倒塌模態(tài)分析方法非線性靜力Pushover分析方法，早在20世紀(jì)60年代末就已經(jīng)提出，在近幾年得到很大發(fā)展和應(yīng)用。從嚴(yán)格意義看，Pushover分析方法不能算作一種結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的方法，但它提供了一個(gè)評(píng)估結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)尤其是非線性地震反應(yīng)的簡(jiǎn)單而有效的方法，Pushover分析方法能夠追蹤結(jié)構(gòu)從屈服直到極限狀態(tài)的整個(gè)非彈性變形過程。

非線性Pushover分析方法，被認(rèn)為是一種簡(jiǎn)單而有效的抗震性能評(píng)估方法，已在建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中得到很多應(yīng)用，并被一些國(guó)家的建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定為一種基本的分析方法。我國(guó)2000年建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（試設(shè)計(jì)稿）也建議將這種方法納入未來的建筑抗震設(shè)計(jì)分析中。目前，這種方法在橋梁抗震性能評(píng)估方面已有不少應(yīng)用例子，但基本還沒有被應(yīng)用于設(shè)計(jì)分析，對(duì)這種方法如何應(yīng)用于橋梁抗震設(shè)計(jì)分析，還需要更多的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。6.5.2反應(yīng)譜法1反應(yīng)譜法的發(fā)展過程在早期的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中，彈性靜力法一直是一種基本的計(jì)算方法。盡管對(duì)這種方法在理論上的基本缺陷早有認(rèn)識(shí)，但是由于缺乏對(duì)地震動(dòng)特性的認(rèn)識(shí)和結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析理論的了解，所以基于動(dòng)力學(xué)的地震反應(yīng)分析理論