第三讲 地震地面运动特性及设计地震动

有振阻圆尼频自率：d

1 2
2fd

2 Td
无阻尼自 振圆频率：n

n l2
EI m
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（假定结构物与地震动具有相同的振动）
F m δg 忽略结构的动力特性
• 动力反应谱法（单、多质点振动）
➢ 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
地震动输入方式
89公路抗震规范： 纵向或横向地震力验算分别进行，不考虑
振动方程
m（g ) c k 0
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） 从选定合适的地震动输入（地震动加速度）出发，采
用多质点多自由度的结构有限元动力计算模型，建立地 震振动模型，然后采用逐步积分法对方程进行求解，计 算地震过程中每一瞬时结构的位移、速度和加速度反应 ，从而分析出结构在地震作用下弹性和非弹性阶段的内 力变化以及构件逐步开裂、损坏直至倒塌的全过程。
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
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 构审定通过后，具有法定效力。
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
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Ⅷ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Ⅱ类场地土反应谱，取结构重要性系数1.3。
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；
➢ 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
11城市桥梁抗震规范：
➢ 一般情况下，城市桥梁可只考虑水平向地震作用，直 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。
桥梁抗风与抗震
李宏伟
E-mail：zjulhw@ 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。
• 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
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
场地土层地震反应分析
跨中截面 梁端截面
桥墩截面
第三讲 地震地Biblioteka 运动特性六、桥梁工程抗震设计计算方法
抗震动力学三要素：
输入（激励）、系统、输出（反应或相应）
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: Fsdz [EI ]dz
惯性力: FΙdz m( g )dz 阻尼力: FDdz Cdz
地震动与常用荷载区别
➢ 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
地震动三要素 ➢ 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
第三讲 地震地面运动特性
四、桥梁设计地震动
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5%）
第三讲 地震地面运动特性
• 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）
Smax=2.25ClCsCdA
第三讲 地震地面运动特性
• 规范反应谱（城市规范）
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
08桥梁抗震细则：
➢ 一般情况下，公路桥梁可只考虑水平向地震作用，直 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，应同时考虑顺桥向X、横桥向Y和竖向Z的地 震作用。
第三讲 地震地面运动特性
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 （覆盖土层深度：260~306m，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
震源机制（地震发生的物理过程）
➢ 用震源参数描述 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
• 频谱分析
地震加速度时程 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：
第三讲 地震地面运动特性
• 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
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
[M ]{δ} [C ]{δ} [K ]{δ} -[M ][I ]{δg(t)}
THANKS
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
桥梁墩台具有深基础时（如桩基）：
第三讲 地震地面运动特性
多点不同输入与行波效应
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？）
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
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， 地震记录的长周期成份较为丰富。
第三讲 地震地面运动特性
➢ 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
场地土层地震反应分析
➢ 基岩地震输入： 基岩地震加速度反应谱（危险性分析获得）>经过标
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
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。
第三讲 地震地面运动特性
• 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）
第三讲 地震地面运动特性
• 规范反应谱（城市规范）
第三讲 地震地面运动特性
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；规范设计反应谱拟合）
FΙ FD FS 0 m c [EI ] mg
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）：
m c [EI ] 0
阻尼比： （<0.05）
ξ

C C cr

C 2m
振幅： A C12 C22