第一章---地下結(jié)構(gòu)抗震概論PPT課件_第1頁
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文檔簡介

1、第一節(jié) 引言 我國處于世界最活躍的兩大地震帶(環(huán)太平洋地震帶和歐亞地震帶)之間,是世界上的多地震國家之一。 圖11為我國地震活動帶分布示意圖 劃分為六個地震活動區(qū): 臺灣及其附近海域; 喜馬拉雅山脈地震活動區(qū); 南北地震帶;(西南、西北) 天山地震活動區(qū); 華北地震活動區(qū); 東南沿海地震活動區(qū)。 全國除個別省之外,都發(fā)生過6級以上的地震。地震設(shè)防區(qū)域(地震基本烈度6度以上地區(qū))的面積占全國國土面積60%以上。地震震源淺,強度大。我國450個城市中,位于地震區(qū)的占74.5%;有一半位于地震基本烈度7度及以上地區(qū)。28個百萬以上人口的特大城市,有85.7%位于地震區(qū);50-100萬人口的大城市和2

2、050萬人口的中等城市80位于地震區(qū)。 地下結(jié)構(gòu)在國民經(jīng)濟和國防建設(shè)中發(fā)揮著重要作用。地下空間的開發(fā)利用是城市現(xiàn)代化建設(shè)中的重要發(fā)展方向。 地下結(jié)構(gòu)具有隱蔽性,震害不易發(fā)現(xiàn),修復(fù)困難,破壞后果影響大等特點,其抗震安全性受到廣泛關(guān)注。但地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方法還缺乏比較深入的研究。 以1966年至1976年觀測,我國大陸發(fā)生的八大地震均具有強度大、頻度高、震源淺的特點。從地質(zhì)構(gòu)造上看,都是斷裂劇烈活動的地區(qū)。近年來,我國的地震活動較為頻繁,因而,城市抗震防災(zāi)尤為重要。 世界上多次破壞性地震都集中在城市。例如: 1906年美國舊金山大地震(M8.3) 1923年日本關(guān)東大地震(M8.2) 1960年智

3、利南部大地震(M8.5) 1964年美國阿拉斯加大地震(M8.4) 1968年日本十勝沖大地震(M8.0) 1976年中國唐山大地震(M 7.8) 1989年美國洛馬普里埃地震(M7.0) 1994年諾斯雷奇地震(M6.7) 1995年日本阪神大地震(M7.2) 這些城市在地震中均遭到嚴(yán)重的、甚至毀滅件的破壞,經(jīng)濟損失慘重。 地震災(zāi)害不僅是因其巨大的能量造成大量地面構(gòu)筑物和各種設(shè)施的破壞與倒塌,而且也造成諸如地下生命線工程等地下結(jié)構(gòu)和設(shè)施的破壞和塌陷,并由此造成次生災(zāi)害,產(chǎn)生巨大的間接經(jīng)濟損失。 圖1.2為1960年以來大地震所造成的經(jīng)濟損失,反映出年均經(jīng)濟損失每十年幾乎翻一番,個別的地震災(zāi)害

4、的經(jīng)濟損失更是巨大,如1995年阪神地震,它的總損失達(dá)1000億美元。第二節(jié) 地下結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的特點 在地震作用下,地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)的振動特性有很大的不同。二者作對比如下: (1)地下結(jié)構(gòu)的振動變形受周圍地基土壤的約束作用顯著,結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)一般不明顯表觀出自振特性的影響。地面結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)則明顯表現(xiàn)出自振特性,特別是低價模態(tài)的影響。 (2)地下結(jié)構(gòu)的存在對周圍地基地震動的影響一般很小(指地下結(jié)構(gòu)的尺寸相對于地震波長的比例較小的情況),而地面結(jié)構(gòu)的存在則對該處自由場的地震動發(fā)生較大的擾動。 (3)地下結(jié)構(gòu)的振動形態(tài)受地震波入射方向變化的影響很大。地震波的入射方向發(fā)生不大的變化,地下結(jié)構(gòu)各點的

5、變形和應(yīng)力可以發(fā)生較大的變化。 地面結(jié)構(gòu)的振動形態(tài)受地震波入射方向的影響相對較小,例如,即使如拱壩這樣的半埋設(shè)結(jié)構(gòu),也只有正對稱和反對稱兩種基本振動形態(tài),地震波入射方向在某一范國內(nèi)變化時,主要只發(fā)生正對稱的振動,在另一范圍內(nèi)變化時,主要只發(fā)生反對稱振動。 (4)地下結(jié)構(gòu)在振動中各點的相位差別十分明顯。地面結(jié)構(gòu)各點在振動中的相位差不很明顯。 (5)一般而言,地下結(jié)構(gòu)在振動中的主要應(yīng)變與地震加速度大小的聯(lián)系不很明顯,但與周圍巖土介質(zhì)在地震作用下的應(yīng)變或變形的關(guān)系密切。對地面結(jié)構(gòu)來說,地震加速度則是影響結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)大小的一個重要因素。 (6)地下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)隨埋深發(fā)生的變化不很明顯。對地面結(jié)構(gòu)來說

6、,埋深是影響地震反應(yīng)大小的個重要因素。 (7)對地下結(jié)構(gòu)和地面結(jié)構(gòu)來說,它們與地基的相互作用都對它們的動力反應(yīng)產(chǎn)生重要影響,但影響的方式和影響的程度則是不相同的。 總的看來,對地面結(jié)構(gòu)和地下結(jié)構(gòu)來說,雖然結(jié)構(gòu)的自振特性與地基振動場對結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)產(chǎn)生重要影響,但對地面結(jié)構(gòu)來說,結(jié)構(gòu)的形狀、質(zhì)量、剛度的變化,即其自振特性的變化,對結(jié)構(gòu)反應(yīng)的影響很大,可以引起質(zhì)的變化;而對地下結(jié)構(gòu)來說,對反應(yīng)起主要作用的因素是地基的運動特性,一般來說,結(jié)構(gòu)形狀的改變,對反應(yīng)的影響相對較小,僅產(chǎn)生量的變化。因此,在當(dāng)前所進(jìn)行的研究工作中,對地面結(jié)構(gòu)來說,結(jié)構(gòu)自振特性的研究占很大的比重,而對地下結(jié)構(gòu)來說,地基地震動的研

7、究則占比較大的比重。第三節(jié) 地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法的分類 地下結(jié)構(gòu)和地面結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)特點的不同,決定了它們抗震分析方法的不同。 地下結(jié)構(gòu)抗震分析方法,早期借鑒地面結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的簡化方法靜力法,包括地震系數(shù)法(又稱擬靜力法、慣性力法)和反應(yīng)位移法。這是一般地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時所采用的實用方法。而對于埋設(shè)于軟弱地層中的重要地下結(jié)構(gòu)(如地下鐵道),往往進(jìn)行地震響應(yīng)動力分析和動力模型試驗分析。 地下結(jié)構(gòu)抗震問題分析方法按類型可分為原型觀測、模型實驗和理論分析三種,而理論分析方法按不同分類標(biāo)準(zhǔn)又可進(jìn)一步細(xì)分。下面將分別予以簡述。一、原型觀測 原型觀測法就是通過實測地下隧道結(jié)構(gòu)在地震時的動力特性來了解其地震響

8、應(yīng)特點。 嚴(yán)格地講,由于地震后土體與結(jié)構(gòu)物的變形是一個場的概念,而模型試驗卻很難模擬這一點,所以原型觀測成為地下隧道結(jié)構(gòu)抗震研究中必不可少的手段之一。 原型觀測主要包括震害調(diào)查和現(xiàn)場試驗兩大類。 震害調(diào)查往往是在地震結(jié)束后才開始進(jìn)行的,因而受觀測時問、手段和條件等的限制,但是震害是最真實的“原型試驗”的結(jié)果,因此一直受到人們的重視。 震害調(diào)查很難對地震過程中的動力響應(yīng)進(jìn)行量測,也無法控制地震波的輸入機制和邊界條件,更無法主動地改變各種因素,從而對某一現(xiàn)象進(jìn)行有木目的、多角度的研究。故有時就不得不借助于現(xiàn)場試驗,它可以在一定程度上彌補這一缺陷。二、模型實驗 隨著地下結(jié)構(gòu)抗震穩(wěn)定性問題日益受到關(guān)注

9、,土-地下結(jié)構(gòu)相互作用的研究不斷深入,已經(jīng)建立了地下結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的計算方法。但是不同研究者采用不同的簡化方法,建立了不同的計算方法,取得的結(jié)果也各不相同,為了驗證理論計算模型的合理性和分析土-結(jié)構(gòu)動力相互作用的機制,模型試驗開始成為一種不可缺少的試驗技術(shù)。 模型試驗一般是通過激震實驗來研究地下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)特性。它可以分為人工震源實驗和振動臺實驗。一般而言,由于前者較難反映結(jié)構(gòu)的非線性性質(zhì)及地基斷裂等因素對隧道結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的影響,故用得不多。而振動臺實驗則可以較好地處理這方面的問題,因此被廣泛采用。通過實驗,人們可以更好地掌握地下隧道結(jié)構(gòu)的工作特性,進(jìn)而為抗震分析的理論發(fā)展奠定基礎(chǔ)。該法在實驗區(qū)域

10、的選擇和地基特性的模擬方面還有待進(jìn)一步研究。三、理論分析 將理論分析方法按解析法或數(shù)值法的應(yīng)用程度,大致分為解析法、半解析法半數(shù)值法和數(shù)值法,而這幾種方法里一般又可細(xì)分為二至三種方法,見圖13。 將理論分析方法按分析對象的空間考慮情況,大致分為橫斷面抗震計算方法、縱向抗震計算方法和三維有限元整體動力計算法。(一)地震系數(shù)法 又稱為靜力法、慣性力法或擬靜力法。 它假設(shè)結(jié)構(gòu)物各個部分與地震動有相同的振動。此時,結(jié)構(gòu)物上只作用著地面運動加速度乘上結(jié)構(gòu)物質(zhì)量所產(chǎn)生的慣性力,把慣性力視為靜力作用于結(jié)構(gòu)物作抗震計算。地震慣性力的計算公式為 這種方法用于地面結(jié)構(gòu)時,將隨時間變化的地震力用等代的靜地震荷載或靜

11、地層位移代替,然后再用靜力計算模型分析地震荷載。該法計算的結(jié)構(gòu)內(nèi)力,其量值一般偏大于動力響應(yīng)分析值。 地下結(jié)構(gòu)中,縱向尺寸遠(yuǎn)大于橫向尺寸的線形結(jié)構(gòu)的橫斷面抗震計算、地下儲油罐的抗震設(shè)計中,也可用該方法。這時作為地震荷載,不僅要考慮由于結(jié)構(gòu)物自重引起的慣性力,還要考慮上覆土的慣性力影響,地震時的動土壓力,以及內(nèi)部動水壓力等。 地震時動土壓力的計算中多采用物部岡部公式,該公式中考慮了設(shè)計加速度等,但其結(jié)果與實際地震中觀測到的動土壓力結(jié)果有較大的差別,仍存在一定的問題。另外,對于大深度地下結(jié)構(gòu),地震加速度在其深度方向的分布往往決定了計算結(jié)果,因此地層中的地震加速度的分布如何進(jìn)行考慮也是一個問題。 在

12、計算剛度特大、變形甚小的地下結(jié)構(gòu)時,地震系數(shù)法至今仍被采用。 (二)反應(yīng)位移法 反應(yīng)位移法(Response displace),在有的文獻(xiàn)里也譯為“響應(yīng)位移法”、“反應(yīng)變位法”或“響應(yīng)變位法”。 該法可分為縱向反應(yīng)位移法和橫向反應(yīng)位移法。后者在有的文獻(xiàn)中稱之為地基抗力系數(shù)法。 該方法的基本考慮是,在地震時地下結(jié)構(gòu)的變形受周圍地層變形的控制,地層變形的一部分傳給結(jié)構(gòu),使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生應(yīng)變、應(yīng)力和內(nèi)力。 對于縱向反應(yīng)位移法,其方法是在求得結(jié)構(gòu)組成所在深度的震動位移的情況下,計算地層沿結(jié)構(gòu)縱軸的最大拉伸應(yīng)變和最大彎曲應(yīng)變。用應(yīng)變傳遞比和來考慮土壤應(yīng)變傳遞到結(jié)構(gòu)上的遞減,并由此得到結(jié)構(gòu)縱軸的軸向應(yīng)變和彎曲

13、應(yīng)變。 對于橫向反應(yīng)位移法,則是首先求得結(jié)構(gòu)斷面所在深度位置的震動位移(或稱地層位移)情況下,周圍地層對結(jié)構(gòu)變形的約束作用簡化為彈簧,然后將上述水平位移強迫靜態(tài)地作用于地下結(jié)構(gòu)側(cè)向彈簧上(考慮周圍地基的彈性約束);其次,按地震反應(yīng)分析求得的最大加速度分布確定結(jié)構(gòu)上的水平慣性力載荷和動水壓力(可采用地震系數(shù)法進(jìn)行計算);最后,將地震反應(yīng)分析求得的最大水平剪應(yīng)力施加于結(jié)構(gòu)的頂部,將水平剪應(yīng)力與結(jié)構(gòu)上慣性力之和施加于結(jié)構(gòu)底面進(jìn)行結(jié)構(gòu)本身地震反應(yīng)計算。進(jìn)而用靜力法確定結(jié)構(gòu)橫斷面中地震所產(chǎn)生的內(nèi)力。本方法為日本核電廠耐震設(shè)計技術(shù)指南所采用,以進(jìn)行取水建筑埋設(shè)或半埋設(shè)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計。 (三)圍巖應(yīng)變傳遞法

14、 地下管道、海底隧道、地下油庫等的地震觀測結(jié)果表明,地下結(jié)構(gòu)地震時應(yīng)變的波形與周圍巖土介質(zhì)地震應(yīng)變波形幾乎完全相似。根據(jù)地震波動場分析的基本思想,可以建立地下結(jié)構(gòu)的地震應(yīng)變關(guān)系式0s (四)BART隧道設(shè)計法 BART隧道設(shè)汁法是美國20世紀(jì)60年代未修建舊金山海灣地區(qū)的快速運輸系統(tǒng)(簡稱BART)中所建立的地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計準(zhǔn)則。該法假定土體在地震期間不會喪失完整性,且只考慮地震作用下隧道結(jié)構(gòu)的振動效應(yīng)。其總體的指導(dǎo)思想是在抗震設(shè)汁中,給結(jié)構(gòu)提供有效的韌性來吸收土體強加給結(jié)構(gòu)的變形,同時又不喪失其承受靜載的能力,而不是以特定的單元去抵抗其變形。 該法認(rèn)為,隧道結(jié)構(gòu)應(yīng)設(shè)計成能夠適應(yīng)地層的彎曲變形

15、,此時結(jié)構(gòu)的最大單元應(yīng)變應(yīng)根據(jù)波與結(jié)構(gòu)斜交的情況得出。 (五)等代地震荷載法 這種方法旨在對地鐵車站和區(qū)間隧道襯砌結(jié)構(gòu)的設(shè)計,建立用于計算地震響應(yīng)的等代結(jié)構(gòu)力學(xué)方法,并力求將動力問題的計算簡化為等效靜力問題的求解。 該法將地震荷載的作用簡化為施加于結(jié)構(gòu)上的水平向靜力等代地震荷載,重力作用下地基對結(jié)構(gòu)的作用簡化為施加在結(jié)構(gòu)上的約束和荷載。由有限元動力計算模型得出結(jié)構(gòu)的內(nèi)力后,將其與設(shè)計地震荷載作用下的結(jié)構(gòu)的最大合內(nèi)力響應(yīng)作對比,并將二者十分接近時的等代地震荷載作為該概率水準(zhǔn)下的等代地震荷載。 一般情況下,地下結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)予考慮的內(nèi)力有彎矩、軸力和剪力等三種。對這三種內(nèi)力進(jìn)行分析時,一定概率水準(zhǔn)下

16、將有三個不同的等代地震荷載值,由此導(dǎo)致計算過程復(fù)雜化。鑒于地下結(jié)構(gòu)設(shè)計中截面設(shè)計的控制因素通常主要是彎矩,其次才是軸力和剪力,因而可主要根據(jù)彎矩確定等代地震荷載,并以其為基礎(chǔ)對軸力和剪力引入修正系數(shù),可同時確定等代地震荷載作用下的襯砌結(jié)構(gòu)的動內(nèi)力彎矩及修正后的軸力和剪力。 與此同時,地鐵車站結(jié)構(gòu)屬于形式復(fù)雜的超靜定框架結(jié)構(gòu),因而即使僅考慮彎矩,也難滿足使在等代地震荷載作用下,車站結(jié)構(gòu)各構(gòu)件的內(nèi)力與地震荷載作用下的最大合內(nèi)力均十分接近。據(jù)研究的計算結(jié)果,地鐵車站結(jié)構(gòu)的底板承受的彎矩最大,而中柱是最危險的構(gòu)件,因而這種方法主要根據(jù)底板和中柱的彎矩確定地鐵車站結(jié)構(gòu)的等代地震荷載,并以其為基礎(chǔ)對其他構(gòu)

17、件的彎矩和所有構(gòu)件的軸力和剪力引入修正系數(shù),從而同時確定等代地震荷載作用下的車站結(jié)構(gòu)的合內(nèi)力。 (六)波動擬靜力法 這一方法在有的文獻(xiàn)中,也稱為波動解法,對圓的隧道,也稱之為圓形隧道彈性理論接觸問題的準(zhǔn)靜態(tài)解。該法由前蘇聯(lián)學(xué)者福季耶娃提出。 該法認(rèn)為,對于波長大于隧道洞徑三倍的P波及S波,只要隧道埋深大于洞徑三倍,長度大于洞徑五倍,就可將地震反應(yīng)的動力學(xué)問題用圍巖在無窮遠(yuǎn)處承受一定荷載的彈性力學(xué)的平面向題的方法解答。若假定圍巖介質(zhì)屬線彈性體,則地震作用時引起隧道圍巖的應(yīng)力及襯砌內(nèi)力的計算,可歸結(jié)為有加固孔口周圍應(yīng)力集中的線彈性理論動力學(xué)問題的求解。這也是一種擬靜力方法。 (七)數(shù)值方法 將場地地基土、基礎(chǔ)與結(jié)構(gòu)各個部分看作一個整體一起計算,從面得到結(jié)構(gòu)與土體的動力反應(yīng)的分析方法,可考慮土體的非均質(zhì)性和非線性等動力特性。 在考慮地基土的非線性特性的情況下,解析方法難以求解結(jié)構(gòu)與地基在地震動載荷作用下的反應(yīng),通常采用數(shù)值法,主要有:有限元法、有限差分法、離散元法、邊界元法及其雜交法等。 有限元方法將整個土-結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行有限元離散化并計算動力反應(yīng)的分析方法,它可以解決非均質(zhì)性和非線性問題,但需要引入人工邊界以反映有限計算域外的無限域?qū)τ嬎銋^(qū)域的作用。 有限差分法同樣可以解決體系的非均質(zhì)性和非線性問題。該法

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