《工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計》課件 第9-11章 橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計；地下建筑抗震設(shè)計；結(jié)構(gòu)隔震、減震設(shè)計與制振技術(shù)

第9章橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計橋梁震害分析概述1橋梁抗震設(shè)防原則和設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)橋梁抗震作用計算要點(diǎn)23456橋梁抗震設(shè)計橋梁結(jié)構(gòu)抗震措施9.1概述雖然橋梁震害現(xiàn)象早有發(fā)生，但人類正式記錄的第一次橋梁震害卻是發(fā)生在1906年美國舊金山大地震，在這次地震事件中，人們注意到了一座鐵路橋梁的倒塌。在這之后，世界上又發(fā)生了多次對橋梁抗震設(shè)計影響重大的破壞性地震：如日本1923年關(guān)東大地震，1948年福井地震和1964年新瀉地震等，新西蘭1929年默奇森地震和1931年內(nèi)皮爾即地震，美國1964年阿拉斯加地震,1971年圣·費(fèi)爾南多地震等，以及我國1976年的唐山大地震。唐山地震給橋梁的震害推動了我國橋梁抗震的各項(xiàng)研究工作的發(fā)展，近30年來，我國在橋梁抗震研究方面取得了豐碩的成果，1988年頒布施行了新的鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范，1990年頒布施行了公路工程抗震設(shè)計規(guī)范，唐山地震后，我國橋梁抗震研究工作才得到重視,是我國橋梁抗震研究的一個轉(zhuǎn)折點(diǎn)。9.2.1橋梁震害的原因及分類

震害分析表明，引起橋梁震害的原因主要有四個：（1）所發(fā)生的地震強(qiáng)度超過了抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)，是難以預(yù)料的；（2）橋梁場地對抗震不利，地震引起地基失效或地基變形；（3）橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工錯誤；（4）橋梁結(jié)構(gòu)本身抗震能力不足。從抗震設(shè)計的角度出發(fā)，可以將橋梁震害分為兩大類，即地基失效引起的破壞和結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈振動引起的破壞。

1．地基失效引起的破壞地基失效引起的破壞是由地震引起的地基喪失承載能力的現(xiàn)象，屬于靜力作用，是由于地基失效產(chǎn)生的相對位移引起的結(jié)構(gòu)破壞。強(qiáng)烈地震時，地裂縫、滑坡、砂土液化、軟土震陷等，都會使地基產(chǎn)生開裂、滑動、不均勻沉降等，進(jìn)而喪失穩(wěn)定性和承載能力，使建造在上面的橋梁結(jié)構(gòu)受到破壞。2．結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈振動引起的破壞地震時，地面運(yùn)動引起橋梁結(jié)構(gòu)的振動，使結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形大幅度地增加，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞甚至倒塌。結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈振動引起的破壞屬于動力作用，是由于振動產(chǎn)生的慣性力引起的破壞。主要有兩個方面的原因：一是外因，即結(jié)構(gòu)遭遇的地震動的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計預(yù)期的強(qiáng)度；二是內(nèi)因，即結(jié)構(gòu)設(shè)計和細(xì)部構(gòu)造以及施工方法上存在缺陷，如：構(gòu)件強(qiáng)度和延性不足、各構(gòu)件之間連接不牢、結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)造不合理等。9.2.2橋梁震害的破壞形式根據(jù)震害造成的破壞部位，可以分為上部結(jié)構(gòu)的震害、支座和伸縮縫的震害以及下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的震害。1．上部結(jié)構(gòu)的震害上部結(jié)構(gòu)指橋梁支座以上的橋跨結(jié)構(gòu)，多采用混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土裝配式構(gòu)件，其斷面常為T形、開Π、箱形或中空圓孔截面，這部分直接承受橋上交通荷載。鋼箱梁的局部屈曲破壞拱橋風(fēng)撐的屈曲破壞（1）上部結(jié)構(gòu)自身的震害橋梁上部結(jié)構(gòu)自身遭受震害而發(fā)生破壞的情形比較少見，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。（2）上部結(jié)構(gòu)的移位震害橋梁上部結(jié)構(gòu)的移位震害比較常見，通常表現(xiàn)為縱向移位、橫向移位以及扭轉(zhuǎn)移位造成的破壞，一般在伸縮縫處比較容易發(fā)生移位震害。地震發(fā)生時，橋梁的梁體移位是避免不了的，如果不是太大的移位，震后通過換掉破壞的支座，把梁體恢復(fù)原位，橋梁還可以繼續(xù)使用。但是過大的移位會導(dǎo)致落梁，這是不允許的，所以必須采取抗震措施減小梁體位移。上部結(jié)構(gòu)縱向移位上部結(jié)構(gòu)橫向移（3）上部結(jié)構(gòu)的碰撞震害如果相鄰結(jié)構(gòu)的間距太小，當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生時兩相鄰結(jié)構(gòu)容易發(fā)生碰撞，產(chǎn)生較大的撞擊力，從而造成結(jié)構(gòu)的破壞。橋梁上部結(jié)構(gòu)的碰撞震害通常有：相鄰跨上部結(jié)構(gòu)的碰撞、上部結(jié)構(gòu)與橋臺的碰撞以及相鄰橋梁間的碰撞等。上部結(jié)構(gòu)與橋臺間的碰撞相鄰跨上部結(jié)構(gòu)的碰撞相鄰橋梁結(jié)構(gòu)間的碰撞2．支座及伸縮縫的震害支座的移位震害輥軸支座的輥軸脫落（1）支座的震害在歷次破壞性地震中，支座的震害現(xiàn)象都較普遍，主要原因表現(xiàn)在支座設(shè)計沒有充分考慮抗震的要求，連接與支擋等構(gòu)造措施不足，以及某些支座形式和材料本身的缺陷。(a)(b)（2）伸縮縫破壞圖a為臺灣14號線炎峰橋伸縮縫地震破壞情況，圖b為阪神地震中西宮港大橋引橋伸縮縫地震破壞情況。梁間連接裝置的破壞（3）梁間連接裝置的破壞梁間連接裝置的破壞雖然不能引起橋梁垮塌癱瘓，但是它的破壞也會大大加重橋梁的震害，因此在橋梁抗震設(shè)計和橋梁施工中應(yīng)給予重視和恰當(dāng)?shù)奶幚怼D9.12為梁間連接裝置的破壞。3.下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的震害1）墩柱的彎曲破壞橋梁墩柱的彎曲破壞非常常見，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的墩柱的延性不足。立交橋的墩柱彎曲破壞（1）橋梁墩柱的震害筋混凝土墩柱的破壞形式主要有彎曲破壞和剪切破壞。還有基腳破壞。比較高柔的橋墩，多為彎曲型破壞；而矮粗的橋墩，多為剪切破壞；介于兩者之間的，為混合型破壞模式。墩柱彎曲破壞2）墩柱的剪切破壞較矮的墩中較為普遍出現(xiàn)剪切或彎剪破壞，橋墩的抗剪強(qiáng)度不足，是出現(xiàn)這類震害的根本原因。在地震中此類破壞較多，可能發(fā)生在帽梁與墩柱連接處、墩柱中部或墩柱與承臺的連接處。剪切破壞3)墩柱的基腳破壞墩柱的基腳破壞非常少見，但一旦出現(xiàn)后果就非常嚴(yán)重。圖9.18為1971年美國的圣費(fèi)南多地震中墩柱基腳破壞，22根螺紋鋼筋從樁基礎(chǔ)中拔出，導(dǎo)致橋墩倒塌。由于墩底主鋼筋的構(gòu)造處理不當(dāng)，造成主鋼筋的錨固失敗。美國的圣費(fèi)南多地震中墩柱基腳破壞1989年美國洛馬·普里埃塔地震中Cypress高架橋上層框架塌落（2）框架墩的震害震害主要表現(xiàn)為:蓋梁的破壞，墩柱的破壞以及節(jié)點(diǎn)的破壞。蓋梁的破壞形式為：當(dāng)?shù)卣鹆椭亓ΟB加時，剪切強(qiáng)度不足引起的剪切破壞;蓋梁負(fù)彎矩鋼筋的過早截斷引起的彎曲破壞;以及蓋梁鋼筋的錨固長度不夠引起的破壞。節(jié)點(diǎn)的破壞主要是剪切破壞。地震中，該橋有一段800m長的上層橋面因墩柱斷裂塌落在下層橋面上，上層框架完全毀壞。主要原因：梁柱節(jié)點(diǎn)配筋不足，豎直柱體配筋連續(xù)性和橫向箍筋不足。蓋梁鋼筋的錨固長度不夠。汶川地震中百花大橋框架墩節(jié)點(diǎn)區(qū)域震害系梁與墩柱的節(jié)點(diǎn)區(qū)域發(fā)生破壞，系梁端部和墩柱局部發(fā)生剪切破壞。1999年臺灣集集地震中橋臺向后傾斜（3）橋臺的震害橋臺的震害在橋梁震害中是較為常見，主要造成原因?yàn)榈鼗б鸬臉蚺_滑移、臺身與上部結(jié)構(gòu)的碰撞破壞及橋臺向后傾斜等。1999年土耳其Duzce地震中橋臺翼墻損壞（4）地基與基礎(chǔ)破壞基礎(chǔ)的破壞與地基的破壞緊密相關(guān)，幾乎所有地基的破壞都會引起基礎(chǔ)的破壞，主要表現(xiàn)為移位、傾斜、下沉、折斷和屈曲失穩(wěn)?；A(chǔ)破壞的原因有:擴(kuò)大基礎(chǔ)的震害一般由砂土液化或地基失效的不均勻沉降和由土承載力和穩(wěn)定性不夠，地面產(chǎn)生大變形，導(dǎo)致地層發(fā)生水平滑移、下沉、斷裂而引起的;常用樁基礎(chǔ)除了上面的原因外，還有上部結(jié)構(gòu)傳下來的慣性力所引起的樁基剪切、彎曲破壞，更有樁基礎(chǔ)設(shè)計不當(dāng)所引起的震害。砂土液化引起的橋梁倒塌橋址處上部土層由軟黏土和沖積砂土組成，所以沒有液化問題，樁基沒有發(fā)生豎向沉降，但樁與樁周土發(fā)生了30-45cm的脫空。從而造成地基土對樁身的橫向約束力不足。于是，在上部結(jié)構(gòu)傳下來的地震慣性力作用下，樁身產(chǎn)生了過大的橫向位移，最終導(dǎo)致樁頂彎曲、剪切破壞。9.2.3橋梁震害分析及啟示橋梁震害的外因往往無法預(yù)測和避免，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計和細(xì)部構(gòu)造等不合理造成的橋梁震害，即震害的內(nèi)因是可以減輕甚至避免的。1．橋梁震害分析其主要表現(xiàn)為抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)不合適，設(shè)防目標(biāo)缺乏明確準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)布置、形式和設(shè)計都不利于結(jié)構(gòu)抗震，結(jié)構(gòu)抗震分析方法和抗震構(gòu)造不當(dāng)?shù)纫蛩?。具體體現(xiàn)主要為：（1）支承連接部件失效：強(qiáng)度不滿足、位移能力不足以及墩、臺頂、掛梁支承牛腿處支承面太窄且沒有可靠的約束裝置；（2）橋梁墩、臺破壞：墩柱延性不足、墩柱抗剪強(qiáng)度不足、框架墩節(jié)點(diǎn)剪切強(qiáng)度不足及構(gòu)造缺陷等；（3）基礎(chǔ)破壞：樁基自身設(shè)計強(qiáng)度的不足或構(gòu)造處理不當(dāng)?shù)取?．啟示（1）要重視橋梁結(jié)構(gòu)動力概念設(shè)計，選擇較理想的抗震結(jié)構(gòu)體系；（2）要重視延性抗震，用能力設(shè)計思想進(jìn)行抗震設(shè)計；（3）要重視結(jié)構(gòu)的局部構(gòu)造設(shè)計，避免出現(xiàn)構(gòu)造缺陷；（4）要重視橋梁支承連接部位的抗震設(shè)計，開發(fā)有效的防止落梁裝置；（5）對復(fù)雜橋梁（如斜彎橋、高墩橋梁或墩剛度變化很大的橋梁），強(qiáng)調(diào)進(jìn)行空間動力時程分析的必要性；（6）要重視采用減、隔震技術(shù)提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。9.3橋梁抗震設(shè)防原則與設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)自從1976年唐山地震以后，我國的橋梁抗震工作也日益受到重視。最近幾年來，我國的《鐵路工程抗震設(shè)計規(guī)范》、《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》以及《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》先后得到了修訂或編制完成。這些規(guī)范引入了新的橋梁抗震設(shè)計理念，完善了相應(yīng)的抗震設(shè)計方法，是我國橋梁設(shè)計的依據(jù)。9.3.1抗震設(shè)防原則抗震設(shè)計應(yīng)盡可能遵循的一些基本原則，這些原則基于歷次的工程結(jié)構(gòu)震害教訓(xùn)和當(dāng)前公認(rèn)的理論認(rèn)識。主要包括：場地選擇，體系的整體性和規(guī)則性，結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強(qiáng)度與延性的均衡，能力設(shè)計原則和多道抗震防線。1．場地選擇選擇的基本原則是：避開地震時可能發(fā)生地基失效的松軟場地，選擇堅硬場地。2．體系的整體性和規(guī)則性結(jié)構(gòu)的整體性要好。對于橋梁結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能設(shè)計成連續(xù)的。整體性可防止結(jié)構(gòu)結(jié)件即非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時被震散掉落，同時它也是結(jié)構(gòu)發(fā)揮空間作用的基本條件。3．結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強(qiáng)度與延性的均衡強(qiáng)度與延性是決定結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計比能力的兩個重要參數(shù)。只重視強(qiáng)度而忽視延性絕對不是良好的抗震設(shè)計。一般而言，結(jié)構(gòu)具有的延性水平越高，相應(yīng)的設(shè)計地震力可以取得越小，結(jié)構(gòu)所需的強(qiáng)度也越低；反過來，結(jié)構(gòu)具有的強(qiáng)度越高，結(jié)構(gòu)所需具備的延性水平則越低。因此，在設(shè)計抗震結(jié)構(gòu)時，應(yīng)當(dāng)在強(qiáng)度和延性水平之間取得適當(dāng)?shù)木狻?．能力設(shè)計原則能力設(shè)計思想強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度安全度差異，即在不同構(gòu)件（延性購機(jī)和能力保護(hù)構(gòu)件——不適宜發(fā)生非彈性變形的構(gòu)件統(tǒng)稱為能力保護(hù)構(gòu)件）和不同破壞模式（延性破壞和脆性破壞模式）之間確立不同的強(qiáng)度安全度。通過強(qiáng)度安全度差異，確保結(jié)構(gòu)在大地震下以延性形式反應(yīng)，不發(fā)生脆性的破壞模式。5．多道抗震防線應(yīng)力圖使工程結(jié)構(gòu)具有多道抵抗地震側(cè)向力的體系，則在強(qiáng)地震動過程中，一道防線破壞后尚有第二道防線可以支承結(jié)構(gòu)，避免倒塌。因此，超靜定結(jié)構(gòu)優(yōu)于同種類型的靜定結(jié)構(gòu)。與建筑構(gòu)造相比，橋梁結(jié)構(gòu)在這方面可利用的余地通常并不大。3．結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強(qiáng)度與延性的均衡強(qiáng)度與延性是決定結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計比能力的兩個重要參數(shù)。只重視強(qiáng)度而忽視延性絕對不是良好的抗震設(shè)計。一般而言，結(jié)構(gòu)具有的延性水平越高，相應(yīng)的設(shè)計地震力可以取得越小，結(jié)構(gòu)所需的強(qiáng)度也越低；反過來，結(jié)構(gòu)具有的強(qiáng)度越高，結(jié)構(gòu)所需具備的延性水平則越低。因此，在設(shè)計抗震結(jié)構(gòu)時，應(yīng)當(dāng)在強(qiáng)度和延性水平之間取得適當(dāng)?shù)木狻?．能力設(shè)計原則能力設(shè)計思想強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度安全度差異，即在不同構(gòu)件（延性購機(jī)和能力保護(hù)構(gòu)件——不適宜發(fā)生非彈性變形的構(gòu)件統(tǒng)稱為能力保護(hù)構(gòu)件）和不同破壞模式（延性破壞和脆性破壞模式）之間確立不同的強(qiáng)度安全度。通過強(qiáng)度安全度差異，確保結(jié)構(gòu)在大地震下以延性形式反應(yīng)，不發(fā)生脆性的破壞模式。5．多道抗震防線應(yīng)力圖使工程結(jié)構(gòu)具有多道抵抗地震側(cè)向力的體系，則在強(qiáng)地震動過程中，一道防線破壞后尚有第二道防線可以支承結(jié)構(gòu)，避免倒塌。因此，超靜定結(jié)構(gòu)優(yōu)于同種類型的靜定結(jié)構(gòu)。與建筑構(gòu)造相比，橋梁結(jié)構(gòu)在這方面可利用的余地通常并不大。

9.3.2抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)工程抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是指根據(jù)地震動背景，為保證工程結(jié)構(gòu)在壽命期內(nèi)的地震損失（經(jīng)濟(jì)損失及人員損失）不超過規(guī)定的水平或社會可接受的水平，規(guī)定工程結(jié)構(gòu)必須具備的抗震能力。防震措施可分為三個階段：抗震設(shè)計、保證施工質(zhì)量與合理的維護(hù)保養(yǎng)?？拐鹪O(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性：嚴(yán)格按照現(xiàn)行的有關(guān)規(guī)范要求進(jìn)行工程場地地震安全性評價工作，是的評價結(jié)果較好地符合實(shí)際，具有較好的可重復(fù)性。政策性（或社會性）：考慮到工程類型、重要程度、投資強(qiáng)度風(fēng)險程度等。橋梁抗震設(shè)防的合理安全度原則：需要在經(jīng)濟(jì)和安全之間進(jìn)行合理平衡抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)的確定抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)是衡量抗震設(shè)防要求高低的尺度，由抗震設(shè)防烈度或設(shè)計地震動參數(shù)及橋梁抗震設(shè)防類別確定?？拐鹪O(shè)防烈度是按國家規(guī)定的權(quán)限批準(zhǔn)作為一個地區(qū)抗震設(shè)防依據(jù)的地震烈度。設(shè)防參數(shù)是指考慮工程抗震設(shè)防時，采用哪種物理量（參數(shù)）來進(jìn)行工程設(shè)防。國內(nèi)外常用的參數(shù)為烈度和地震動參數(shù)兩種。我國頒布了《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》規(guī)定的基本烈度，一般情況下，取50年內(nèi)超越概率10%的地震烈度。對橋址已作過地震安全性評價的橋梁，應(yīng)按批準(zhǔn)的抗震設(shè)防烈度或設(shè)計地震動參數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)防。

9.3.3抗震設(shè)防目標(biāo)1.總目標(biāo)：通過抗震設(shè)防，減輕公路橋梁的地震破壞，保證人民生命財產(chǎn)安全，減少經(jīng)濟(jì)損失，更好地發(fā)揮公路交通網(wǎng)在抗震救災(zāi)中的作用。具體具體通過“兩水準(zhǔn)”的抗震設(shè)防要求和“兩階段”的抗震設(shè)計方法實(shí)現(xiàn)。2．“兩水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo)：在小震（多遇地震）作用下，結(jié)構(gòu)物不許修理，仍可正常使用；在中震（偶遇地震）作用下，結(jié)構(gòu)物無重大損壞，經(jīng)修復(fù)后仍可繼續(xù)使用；在大震（罕遇地震）作用下，結(jié)構(gòu)物可能產(chǎn)生重大破壞，但不致倒塌。即“小震不壞，中震可修，大震不倒”2．“兩水準(zhǔn)”抗震設(shè)防目標(biāo)：我國《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》（以下簡稱《細(xì)則》），（JTG/TB02—01—2008）以及《城市橋梁抗震設(shè)計規(guī)范》（CJJ166—2011）分別兩個等級的地震動參數(shù)：E1地震作用和E2地震作用，進(jìn)行兩個階段的抗震設(shè)計；即：當(dāng)遭受E1地震作用時，一般不受損壞或不需修理可繼續(xù)使用。當(dāng)遭受E2地震作用時，應(yīng)保證不致倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損壞，經(jīng)臨時加固后可供維持應(yīng)急交通使用。3．“兩階段”的抗震設(shè)計方法《細(xì)則》實(shí)質(zhì)上是采用“兩水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計”第一階段的抗震設(shè)計，采用彈性抗震設(shè)計；第二階段的抗震設(shè)計，采用延性抗震設(shè)計方法，并引入能力保護(hù)設(shè)計原則。通過第一階段的抗震設(shè)計，即對應(yīng)El地震作用的抗震設(shè)計，可達(dá)到和原規(guī)范基本相當(dāng)?shù)目拐鹪O(shè)防水平。通過第二階段的抗震設(shè)計，即對應(yīng)E2地震作用的抗震設(shè)計，來保證結(jié)構(gòu)具有足夠的延性能力，通過驗(yàn)算，確保結(jié)構(gòu)的延性能力大于延性需求。通過引入能力保護(hù)設(shè)計原則，確保塑性鉸只在選定的位置出現(xiàn)，并且不出現(xiàn)剪切破壞等破壞模式。通過抗震構(gòu)造措施設(shè)計，確保結(jié)構(gòu)具有足夠的位移能力。橋梁抗震設(shè)防類別設(shè)防目標(biāo)E1地震作用E2地震作用A類一般不受損壞或不需修復(fù)可繼續(xù)使用可發(fā)生局部輕微損傷，不需修復(fù)或經(jīng)簡單修復(fù)可繼續(xù)使用B類一般不受損壞或不需修復(fù)可繼續(xù)使用應(yīng)保證不致倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷，經(jīng)臨時加固后可供維持應(yīng)急交通使用C類一般不受損壞或不需修復(fù)可繼續(xù)使用應(yīng)保證不致倒塌或產(chǎn)生嚴(yán)重結(jié)構(gòu)損傷，經(jīng)臨時加固后可供維持應(yīng)急交通使用D類一般不受損壞或不需修復(fù)可繼續(xù)使用

各設(shè)防類別橋梁的抗震設(shè)防目標(biāo)A、B、C類橋梁采用“兩水準(zhǔn)設(shè)防、兩階段設(shè)計”；D類橋梁采用“一水準(zhǔn)設(shè)防、一階段設(shè)計”。各橋梁抗震設(shè)防類別適用范圍注意：對抗震救災(zāi)以及在經(jīng)濟(jì)、國防上具有重要意義的橋梁或破壞后修復(fù)（搶修）困難的橋梁，報請批準(zhǔn)后，可根據(jù)具體情況提高設(shè)防類別。橋梁抗震設(shè)防類別適用范圍A類單跨跨徑超過150m的特大橋B類單跨跨徑不超過150m的高速公路、一級公路上的橋梁，單跨跨徑不超過150m的二級公路上的特大橋、大橋C類二級公路上的中橋、小橋，單跨跨徑不超過150m的三、四級公路上的特大橋、大橋D類三、四級公路上的中橋、小橋

9.3橋梁地震作用計算9.3.1橋梁場地地震安全性評價地震安全性評價工作一般包括地震危險性分析、場地土層地震反應(yīng)分析和場地的地震地質(zhì)災(zāi)害評價三部分。通過場地的地震反應(yīng)分析，可以得到各土層的地震加速度時程，并進(jìn)一步換算為地震加速度反應(yīng)譜，經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化后可得到設(shè)計加速度反應(yīng)譜，供工程結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計采用。進(jìn)一步地，還要以設(shè)計加速度反應(yīng)譜為目標(biāo)，擬合出符合工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計要求的地震加速度時程。9.3.2地震加速度反應(yīng)譜我國《公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則》采用的反應(yīng)譜是通過對823條水平強(qiáng)震記錄統(tǒng)計分析得到的，并將有效周期成分延長至10s，其對應(yīng)阻尼比為0.05的水平加速度反應(yīng)譜由下式確定：水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜抗震重要性系數(shù)

場地系數(shù)阻尼調(diào)整系數(shù)式中：Tg——特征周期（s）；

T——結(jié)構(gòu)自振周期（s）；

Smax——水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜最大值。

地震作用部分的修訂，反應(yīng)譜周期到10秒，并給出了場地修正系數(shù)；給出了時程地震波的選用原則。各類公路橋梁的抗震重要性系Ci注:高速公路和一級公路上的大橋、特大橋,其抗震重要性系數(shù)取B類括號內(nèi)的值。橋梁分類El地震作用E2地震作用A類1.01.7B類0.43(0.5)1.3(1.7)C類0.341.0D類0.23—場地系數(shù)Cs抗震防烈度67890.05g0.1g0.15g0.2g0.3g0.4gI1.21.00.90.90.90.9II1.01.01.0l.01.01.0III1.11.3l.21.21.01.0IV1.21.4l.31.31.00.9專題研究指出：設(shè)計加速度反應(yīng)譜最大值應(yīng)隨場地系數(shù)調(diào)整。我國規(guī)范第一次采用，故調(diào)整幅度宜小一點(diǎn)。阻尼調(diào)整系數(shù)，除有專門規(guī)定外，結(jié)構(gòu)的阻尼比應(yīng)取值0.05豎向設(shè)計加速度反應(yīng)譜豎向設(shè)計加速度反應(yīng)譜由水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜乘以下式給出的豎向/水平譜比函數(shù)R土層場地的基巖場地的式中,T為結(jié)構(gòu)自震周期。目前，在橋梁抗震設(shè)計中，地震動加速度時程的選擇主要有三種方法，即直接利用強(qiáng)震記錄、采用人工地震加速度時程和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化地震加速度時程。選擇加速度時程，必須把握住三個特征，即加速度峰值的大小、波形和強(qiáng)震持續(xù)時間。9.4橋梁地震作用計算9.4.1橋梁抗震分析一般規(guī)定

適用范圍：常規(guī)橋梁單跨跨徑不超過150m的混凝土梁橋、圬工或混凝土拱橋等常規(guī)橋梁的抗震分析，墩高不超過40m，墩身第一階振型有效質(zhì)量大于60%。

根據(jù)在地震作用下動力響應(yīng)特性的復(fù)雜程度，常規(guī)橋梁分為規(guī)則橋梁和非規(guī)則橋梁兩類。表中限定范圍內(nèi)的梁橋?qū)儆谝?guī)則橋梁，不在此表限定范圍內(nèi)的梁橋?qū)儆诜且?guī)則橋梁，拱橋?yàn)榉且?guī)則橋梁。各類橋梁的抗震分析方法如下表所示：地震作用/橋梁分類B類C類D類規(guī)則非規(guī)則規(guī)則非規(guī)則規(guī)則非規(guī)則E1SM/MMMM/THSM/MMMM/THSM/MMMME2SM/MMTHSM/MMTH————注：TH-線性或非線性時程計算方法SM-單振型反應(yīng)譜或功率譜方法MM-多振型反應(yīng)譜或功率譜方法一般規(guī)定：（1）地震作用下，一般情況下橋墩應(yīng)采用反應(yīng)譜理論計算，橋臺臺身地震慣性力可按靜力法計算。（2）由于圬工拱橋、重力式橋墩和橋臺一般為混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸大、無延性，因此它們和D類橋均可只進(jìn)行El地震作用下結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析。（3）對于上部結(jié)構(gòu)連續(xù)的橋梁,各橋墩高度宜盡可能相近。相鄰橋墩高度相差較大導(dǎo)致剛度相差較大的情況，宜在剛度較大的橋墩處設(shè)置活動支座或板式橡膠支座。（4）不宜在梁橋的矮墩設(shè)置固定支座，矮墩宜設(shè)置活動支座或板式橡膠支座。（5）在高烈度區(qū)，宜盡量避免采用對抗震不利的橋型。

截面特性取值E1地震作用下，常規(guī)橋梁的所有構(gòu)件抗彎剛度均按毛截面計算。E2地震作用下，延性構(gòu)件的有效截面抗彎剛度應(yīng)按下式計算，但其他構(gòu)件抗彎剛度仍按毛截面計算。

9.5橋梁結(jié)構(gòu)抗震驗(yàn)算1．選擇橋位時，應(yīng)盡量避開地震的危險地段，充分利用地震的有利地段2．避免或減輕在地震作用下因地基變形或地基失效造成的破壞3．本著減輕震害和便于修復(fù)（搶修）的原則，合理確定設(shè)計方案4．提高結(jié)構(gòu)與構(gòu)件的強(qiáng)度和延性，避免脆性破壞5．加強(qiáng)橋梁結(jié)構(gòu)的整體性6．在設(shè)計中提出保證施工質(zhì)量的要求或措施9.5.1橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的一般要求9.5.2梁橋延性抗震設(shè)計

1971年美國圣弗爾南多(SanFernand)地震爆發(fā)以后，各國都認(rèn)識到結(jié)構(gòu)的延性能力對結(jié)構(gòu)抗震性能的重要意義；在1994年美國北嶺(Northridge)地震和1995年日本神戶(Kobe)地震爆發(fā)后，強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)總體延性能力已成為一種共識。能力保護(hù)設(shè)計原則(PhilosophyofCapacityDesign)

為了最大限度地避免地震動的不確定性，保證結(jié)構(gòu)在大震下能以延性的形式反應(yīng)，新西蘭學(xué)者Park等在20世紀(jì)70年代中期提出了結(jié)構(gòu)延性抗震設(shè)計中的一個重要原則—能力設(shè)計原則。能力設(shè)計原理的基本概念在于：在結(jié)構(gòu)體系中的延性構(gòu)件（軟鐵環(huán)）和能力保護(hù)構(gòu)件（鑄鐵環(huán)）之間，確立適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度安全等級差異，確保結(jié)構(gòu)不發(fā)生脆性破壞模式。常規(guī)的靜力強(qiáng)度設(shè)計方法屬于前者，即所有構(gòu)件的設(shè)計都是基于統(tǒng)一的強(qiáng)度安全系數(shù)，沒有考慮在不同性質(zhì)的構(gòu)件之間形成適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度安全等級差異；上圖闡釋了兩種不同的設(shè)計思路：等安全度設(shè)計和不等安全度設(shè)計。能力設(shè)計法則屬于后者，即通過延性構(gòu)件和能力保護(hù)構(gòu)件（在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，把脆性構(gòu)件以及不希望發(fā)生非彈性變形的構(gòu)件，統(tǒng)稱為能力保護(hù)構(gòu)件）之間的強(qiáng)度安全等級差異，確保結(jié)構(gòu)不會發(fā)生脆性的破壞模式。下表對傳統(tǒng)靜力強(qiáng)度設(shè)計方法與能力設(shè)計法進(jìn)行了比較。延性抗震設(shè)計是指允許橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，不僅用構(gòu)件的強(qiáng)度作為衡量結(jié)構(gòu)性能的指標(biāo)，同時要校核構(gòu)件的延性能力是否滿足要求。延性抗震設(shè)計時，允許發(fā)生塑性變形的構(gòu)件叫延性構(gòu)件。延性抗震設(shè)計原則能力保護(hù)設(shè)計原則的基本思想在于：通過設(shè)計，使結(jié)構(gòu)體系中的延性構(gòu)件和能力保護(hù)構(gòu)件形成強(qiáng)度等級差異，確保結(jié)構(gòu)構(gòu)件不發(fā)生脆性的破壞模式。

(1)選擇合理的結(jié)構(gòu)布局；

基于能力保護(hù)設(shè)計原則的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計過程，一般具有以下特征：(2)選擇地震中預(yù)期出現(xiàn)的彎曲塑性鉸的合理位置，保證結(jié)構(gòu)能形成一個適當(dāng)?shù)乃苄院哪軝C(jī)制；通過強(qiáng)度和延性設(shè)計，確保潛在塑性鉸區(qū)域截面的延性能力；

(3)確立適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度等級，確保預(yù)期出現(xiàn)彎曲塑性鉸的構(gòu)件不發(fā)生脆性破壞模式(如剪切破壞、黏結(jié)破壞等)，并確保脆性構(gòu)件和不宜用于耗能的構(gòu)件(能力保護(hù)構(gòu)件)處于彈性反應(yīng)范圍。

具體到梁橋，按能力保護(hù)設(shè)計原則，應(yīng)考慮以下幾方面：⑴塑性鉸的位置一般選擇出現(xiàn)在墩柱上，墩柱作為延性構(gòu)件設(shè)計，可以發(fā)生彈塑性變形，耗散地震能量。橋梁基礎(chǔ)、蓋梁、梁體和結(jié)點(diǎn)宜作為能力保護(hù)構(gòu)件。墩柱的抗剪強(qiáng)度宜按能力保護(hù)原則設(shè)計。⑵沿順橋向，連續(xù)梁橋、簡支梁橋墩柱的底部區(qū)域,連續(xù)剛構(gòu)橋墩柱的端部區(qū)域?yàn)樗苄糟q區(qū)域；沿橫橋向，單柱墩的底部區(qū)域、雙柱墩或多柱墩的端部區(qū)域?yàn)樗苄糟q區(qū)域。

⑶墩柱的設(shè)計剪力值按能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計，應(yīng)為與柱的極限彎矩(考慮超強(qiáng)系數(shù))所對應(yīng)的剪力。在計算設(shè)計剪力值時應(yīng)考慮所有潛在的塑性鉸位置，以確定最大的設(shè)計剪力。⑷蓋梁、結(jié)點(diǎn)及基礎(chǔ)按能力保護(hù)構(gòu)件設(shè)計，其設(shè)計彎矩、設(shè)計剪力和設(shè)計軸力應(yīng)為與柱的極限彎矩(考慮超強(qiáng)系數(shù))所對應(yīng)的彎矩、剪力和軸力；在計算蓋梁、結(jié)點(diǎn)和基礎(chǔ)的設(shè)計彎矩、設(shè)計剪力和軸力值時，應(yīng)考慮所有潛在的塑性鉸位置，以確定最大的設(shè)計彎矩、剪力和軸力。能力保護(hù)構(gòu)件計算

9.6

橋梁結(jié)構(gòu)抗震措施1．基礎(chǔ)抗震措施應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)的整體性和剛度，同時采取減輕上部荷載等相應(yīng)措施，以防止地震引起動態(tài)和永久的不均勻變形。2．橋臺抗震措施橋臺胸墻應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)，并增加配筋，在梁與梁之間和梁與橋臺胸墻之間應(yīng)設(shè)置彈性墊塊。采用淺基的小橋和通道應(yīng)加強(qiáng)下部的支撐梁板或做滿河床鋪砌。橋臺高度宜控制在8m以內(nèi)。如果地基條件允許，應(yīng)盡量采用整體性強(qiáng)的T形、U形或箱形橋臺，對于樁柱式橋臺，宜采用埋置式。根據(jù)橋梁震害的分析知道，地震對橋梁的破壞作用，不僅與橋梁的結(jié)構(gòu)本身有關(guān)，還與所處的場地、地基及地形地貌等有關(guān)?？拐鹪O(shè)計中除了進(jìn)行抗震設(shè)計計算外，橋位選擇、橋型選擇、結(jié)構(gòu)體系布置、結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計同樣重要。3．橋墩抗震措施利用橋墩的延性減震是當(dāng)前橋梁抗震設(shè)計中常用的方法。高墩宜采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，宜采用空心截面?？蛇m當(dāng)加大樁、柱直徑或采用雙排的柱式墩和排架樁墩，樁、柱間設(shè)置橫系梁等，提高其抗彎延性和抗剪強(qiáng)度。在橋墩塑性鉸區(qū)域及緊接承臺下樁基的適當(dāng)范圍內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)箍筋配置，墩柱的箍筋間距對延性影響很大，間距越小延性越大。橋墩的高度相差過大時矮墩將因剛度大而最先破壞?？蓪辗胖迷阡撎淄怖飦碚{(diào)整墩柱的剛度和強(qiáng)度，套筒下端的標(biāo)高同其他橋墩的地面標(biāo)高。4．支撐連接構(gòu)件抗震措施墩臺頂帽上均應(yīng)設(shè)置防止落梁措施，加縱、橫向擋塊以限制支座的位移和滑動。橡膠支座具有一定的消能作用，對抗震有利。在不利墩上還應(yīng)采用減隔震支座及塑性鉸等消能防震裝置等。選用伸縮縫時，應(yīng)使其變形能力滿足預(yù)計地震產(chǎn)生的位移，并使伸縮縫支承面有足夠的寬度，同時設(shè)置限位器與剪力鍵。5．上部結(jié)構(gòu)抗震措施（1）通常在梁(板)底部加焊鋼板，或采用縱、橫向約束裝置限制梁的位移，如拉桿、鋼筋砼擋塊、錨桿等，梁與墩帽用錨栓連接，T梁在端橫隔板之間螺栓連接，曲梁橋，應(yīng)采用上、下部之間用錨栓連接的方式。橋梁的支座錨栓、銷釘、剪力鍵等應(yīng)有足夠的強(qiáng)度；（2）梁端至墩臺帽或蓋梁邊緣的距離，以及掛梁與懸臂的搭接長度必須滿足地震時位移的要求；（3）橋梁跨徑較大時，可用連續(xù)梁替代簡支梁以減少伸縮縫，宜采用箱型截面；（4）當(dāng)采用多跨簡支梁時，應(yīng)加強(qiáng)梁(板)之間的縱、橫向聯(lián)系，將橋面做成連續(xù)，或采用先簡支后結(jié)構(gòu)連續(xù)的構(gòu)造措施；（5）采用真空壓漿方法，保證預(yù)應(yīng)力管道水泥漿飽滿，提高預(yù)應(yīng)力橋梁的強(qiáng)度和剛度。6．結(jié)點(diǎn)抗震措施橋梁結(jié)點(diǎn)區(qū)域一旦受損將難以修復(fù)。城市高架橋墩柱的結(jié)點(diǎn)、橋墩與蓋梁的結(jié)點(diǎn)、橋墩與基礎(chǔ)的結(jié)點(diǎn)等，是保證橋梁整體工作的重要構(gòu)件。在橋梁抗震設(shè)計中，除了保證墩、梁有足夠的承載力和延性外，還要保證橋梁結(jié)點(diǎn)有足夠的承載力，避免結(jié)點(diǎn)過早破壞，即“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)，弱構(gòu)件”第10章地下建筑抗震設(shè)計工程結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計地下建筑的震害分析概述1地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原則地下結(jié)構(gòu)的抗震計算方法234565地下結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施10.1概述地下結(jié)構(gòu)的意義

近年來，為拓展城市空間，地下空間的發(fā)展日益受到重視。地下結(jié)構(gòu)在水利水電、公路、鐵路交通運(yùn)輸以及城市建設(shè)中獲得廣泛應(yīng)用，地下結(jié)構(gòu)在地震時的安全問題對于人民生命財產(chǎn)的保障以及城市生活的正常運(yùn)行有極為重要的意義。石峽水庫飲水隧道口深圳地鐵建設(shè)現(xiàn)場10.1概述地下結(jié)構(gòu)抗震研究的演進(jìn)

以往的抗震研究主要集中在地上建筑，地下結(jié)構(gòu)受地震作用引起嚴(yán)重破壞的相關(guān)資料也較少，因此地下結(jié)構(gòu)的工程抗震研究及設(shè)計長期未得到足夠的重視。近些年來，發(fā)生在世界范圍內(nèi)的多次強(qiáng)地震對地下結(jié)構(gòu)造成了嚴(yán)重破壞，從而引起了世界范圍內(nèi)地震工程專家和工程師們對地下結(jié)構(gòu)抗震問題的關(guān)注，地下結(jié)構(gòu)的抗震研究逐漸成為目前地震工程界的研究熱點(diǎn)。10.1概述

隨著2011年我國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《關(guān)于印發(fā)<市政公共設(shè)施抗震設(shè)防專項(xiàng)論證技術(shù)要點(diǎn)（地下工程篇）>的通知》以及《城市軌道交通結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50909-2014）和《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》（GB50011-2010）的頒布，標(biāo)志著我國地鐵地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計向前邁了一大步。10.2地下建筑的震害分析10.2.1地下建筑震害調(diào)查

1995年阪神地震對地鐵結(jié)構(gòu)、鐵道車站造成了嚴(yán)重的破壞，尤其是大開站和上澤站破壞最為嚴(yán)重，一半以上的中柱倒塌，頂板塌陷，側(cè)墻出現(xiàn)大量寬大裂紋，造成地鐵上方的國道路基大范圍沉陷。

大開站中柱與頂板震害情況大開站破壞造成上覆路面的沉陷龍溪隧道進(jìn)口拱頂二襯坍落

汶川大地震造成位于震中附近的都江堰-汶川公路多座隧道嚴(yán)重受損，其隧道變形破壞的基本類型可以概括為洞口邊坡崩塌與滑塌、洞門裂損、襯砌及圍巖坍塌、襯砌開裂及錯位、底板開裂及隆起、初期支護(hù)變形及開裂等。龍洞子隧道出口邊坡崩滑與崩塌龍溪隧道進(jìn)口底板地基強(qiáng)烈隆起10.2.2地下結(jié)構(gòu)震害特征

1.地下結(jié)構(gòu)的地震破壞程度一般比地面結(jié)構(gòu)輕。2.深埋地下結(jié)構(gòu)破壞程度一般比淺埋結(jié)構(gòu)輕。3.土中地下結(jié)構(gòu)比巖石中結(jié)構(gòu)更容易遭到破壞。4.對于巖石中的地下隧道而言，采取措施提高襯砌和圍巖的整體性可以有效提高隧道的抗震壞能力。5.在對稱動荷載作用下，隧道結(jié)構(gòu)要更為穩(wěn)定。如果只是加大襯砌的厚度和剛度，而不對周圍軟弱圍巖進(jìn)行加強(qiáng)，將會導(dǎo)致襯砌中產(chǎn)生過大的內(nèi)力。10.2.2地下結(jié)構(gòu)震害特征

6.相同的條件下，地下結(jié)構(gòu)的震害程度可能取決于地面峰值加速度和地面峰值速度的大小。7.強(qiáng)震持時是地下結(jié)構(gòu)破壞程度的重要影響因素。8.地震波高頻分量可能會導(dǎo)致巖石和混凝土的剝裂，但這僅對震中距很小的地下結(jié)構(gòu)有顯著影響。9.地下結(jié)構(gòu)尺寸相對于波長較小時，其對周圍地基地震動的影響一般很小，若地震波波長介于隧道口徑的1-4倍，則地震動將會被明顯放大。10.地下隧道出入地面處可能會因邊坡失穩(wěn)而發(fā)生嚴(yán)重破壞。10.2.3地下結(jié)構(gòu)的震害機(jī)理地下結(jié)構(gòu)的破壞形式和程度受眾多因素的影響，而根據(jù)引起破壞的原因和表現(xiàn)出的破壞特點(diǎn)，一般將地下結(jié)構(gòu)的地震震害機(jī)理歸納為如下兩種：圍巖失穩(wěn)引起的破壞與地震慣性力引起的破壞。圍巖失穩(wěn)引起的破壞

圍巖失穩(wěn)破壞指地下結(jié)構(gòu)周圍巖土體介質(zhì)在地震往復(fù)荷載作用下發(fā)生失穩(wěn)或破壞（如液化、邊坡失穩(wěn)、斷層滑移等），從而喪失了其原有的對地下建筑物的約束作用或承載能力，最終導(dǎo)致地下結(jié)構(gòu)功能的喪失甚至破壞。地震動破壞

地震動破壞主要指強(qiáng)烈的地層運(yùn)動在結(jié)構(gòu)中所產(chǎn)生的慣性力所造成的破壞。該類型的破壞多數(shù)發(fā)生在淺埋或明挖的地下結(jié)構(gòu)，在這些地方地震慣性力的作用表現(xiàn)得比較明顯。地下結(jié)構(gòu)地震破壞機(jī)理及埋深對破壞程度的影響

對于相同的大地震動而言，如果僅論及結(jié)構(gòu)的慣性力，地下結(jié)構(gòu)要比地面結(jié)構(gòu)安全得多。這是因?yàn)榈叵陆Y(jié)構(gòu)處于周圍地層的約束之中，并與地層一起運(yùn)動。因而，地下結(jié)構(gòu)在地震運(yùn)動過程中，僅僅按照其相對于地層的質(zhì)量密度和剛度分擔(dān)一部分地震變形和荷載，而不像地面結(jié)構(gòu)那樣，承擔(dān)全部的慣性力。

另外，震害調(diào)查還表明，淺埋結(jié)構(gòu)的地震破壞比深埋結(jié)構(gòu)發(fā)生的頻度和程度都要高許多，因?yàn)樵跍\埋地段可能受到上述雙重類型的破壞作用。

地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)振動特性的區(qū)別

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。

地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)振動特性的區(qū)別

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(diǎn)的變形和應(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(diǎn)的相位差別十分明顯。地面結(jié)構(gòu)各點(diǎn)在振動中的相位差不很明顯。

地下結(jié)構(gòu)與地面結(jié)構(gòu)振動特性的區(qū)別

5.—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，埋深是影響地震反應(yīng)大小的一個重要因素。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。10.3地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計原則10.3.1地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本原則

1.在地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中，重要的是保證結(jié)構(gòu)在整體上的安全，保證人身及重要的設(shè)備不受損害，個別部位出現(xiàn)裂縫或崩壞是容許的。因?yàn)榕c其使地震作用下的地下結(jié)構(gòu)完全不受損不受震害而大大增加造價，不如在震后消除不傷元?dú)獾恼鸷Ω鼮楹侠怼?/p>

2.就結(jié)構(gòu)抗震來說，出現(xiàn)裂縫和塑性變形有一定的積極意義。一方面，吸收振動能量；另方面增加了結(jié)構(gòu)柔性，增大了結(jié)構(gòu)的自振周期，使動力系數(shù)降低，地震力減小。10.3.1地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本原則

3.抗震設(shè)計的目的是使結(jié)構(gòu)具有必要的強(qiáng)度，良好的延性。強(qiáng)度和延性是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震的基點(diǎn)。實(shí)際產(chǎn)生的地震力，可能超過設(shè)計中規(guī)定的地震力，當(dāng)結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度不足以承受大的地震力時，延性對結(jié)構(gòu)的抗震起重要作用，它可以彌補(bǔ)強(qiáng)度之不足。也就是說，即使結(jié)構(gòu)物彈性階段的抗力不大，但只要構(gòu)件在屈服后仍具有穩(wěn)定的變形能力，就能繼續(xù)吸收輸人的振動能量。經(jīng)濟(jì)的、節(jié)省材料的抗震結(jié)構(gòu)就是根據(jù)這--原理設(shè)計出來的。

10.3.1地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本原則

4.使結(jié)構(gòu)具有整體性和連續(xù)性，成為兩次超靜定結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)整體剛度大，構(gòu)件間變形協(xié)調(diào)，能產(chǎn)生更多的塑性鉸，吸收更多的振動能量，而且能消除局部的嚴(yán)重破壞。

5.抗地震的地下結(jié)構(gòu)，除了采用現(xiàn)澆整體的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外，為了施工工業(yè)化，也不限制使用裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。關(guān)鍵是采取必要的措施，加強(qiáng)構(gòu)件間的聯(lián)系，使之整體化。10.3.1地下結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的基本原則

原則上講，主要針對地面結(jié)構(gòu)提出的“小震不壞、中震可修、大震不倒”的抗震設(shè)計原則對地下結(jié)構(gòu)來說，應(yīng)適當(dāng)提高標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)閷Φ叵陆Y(jié)構(gòu)來說，一旦在相當(dāng)于設(shè)防地震（中震）的作用下發(fā)生損壞，一般說修復(fù)相對是比較困難的，代價也較高。10.3.2現(xiàn)澆整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計原則

1.強(qiáng)柱弱梁的原則，容許塑性鉸出現(xiàn)在梁內(nèi)（稱梁鉸），不容許塑性鉸出現(xiàn)在柱內(nèi)（稱柱鉸）。2.梁的彎曲破壞發(fā)生在剪切破壞之前。只有在梁的抗剪強(qiáng)度得到保證的情況下，才能正常地發(fā)揮梁的抗彎強(qiáng)度，形成塑性鉸，表現(xiàn)出良好的延性。梁的抗震性能研究表明，具有足夠的約束箍筋的雙筋梁，可在不失強(qiáng)度的前提下獲得相當(dāng)大的延性。3.防止構(gòu)件間的節(jié)點(diǎn)提前破壞。節(jié)點(diǎn)是構(gòu)件間傳遞內(nèi)力的途徑，也是保證結(jié)構(gòu)整體性與連續(xù)性的重要條件，所以設(shè)計和施工中要重視構(gòu)件間的節(jié)點(diǎn)連接。造成節(jié)點(diǎn)破壞的原因是在節(jié)點(diǎn)處產(chǎn)生過大的位移和轉(zhuǎn)動。因此要處理好鋼筋的端部錨固和鋼筋的搭接，必要時在節(jié)點(diǎn)處設(shè)置加固的箍筋，設(shè)置梗斜也是加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)的有效措施。10.3.3裝配式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的設(shè)計原則

1.對裝配式結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)應(yīng)當(dāng)有更高的要求，對大構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)應(yīng)該通過鋼筋的焊接，使之錨固牢靠，并作整澆處理。使得節(jié)點(diǎn)具有足夠的強(qiáng)度和剛度，防止拉斷和剪壞，以保證軸力、剪力的傳遞。但是要求節(jié)點(diǎn)做到與構(gòu)件本身相同的強(qiáng)度來傳遞彎矩，可能有實(shí)際困難。2.在制造、運(yùn)輸、安裝和可能條件下，把預(yù)制構(gòu)件做得大一些，可以減少連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)，有利于結(jié)構(gòu)的整體性。在條件許可時，區(qū)間隧道采用整體環(huán)節(jié)段式襯砌，就可以從根本上避免結(jié)構(gòu)橫截面內(nèi)復(fù)雜的接頭問題。3.作為頂蓋的梁板的支承面積應(yīng)予適當(dāng)放大。10.4地下結(jié)構(gòu)的抗震計算方法10.4.1地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法的簡介

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(shí)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(yàn)分析。

10.4.2地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法的分類

1.原型觀測

原型觀測法就是通過實(shí)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應(yīng)特點(diǎn)。它主要包括震害調(diào)査和現(xiàn)場試驗(yàn)兩大類。

2.模型實(shí)驗(yàn)

該法一般是通過激震實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)和振動臺實(shí)驗(yàn)。一般而言，由于前者較難反映結(jié)構(gòu)的非線性性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(shí)驗(yàn)則可以較好地處理這方面的問題，因此被廣泛采用。10.4.2地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法的分類

3.理論分析

10.4.2地下結(jié)構(gòu)抗震計算方法的分類

4.理論分析方法的類型

10.4.3橫斷面抗震計算方法

1.等效靜力荷載法

等效靜力法是將地震中由于地震加速度而在結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的慣性力看作地震荷載，將其施加在結(jié)構(gòu)物上，計算其中的應(yīng)力、變形等，進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性的方法。

地上結(jié)構(gòu)使用該方法進(jìn)行抗震設(shè)計時，對于響應(yīng)加速度與基底加速度大致相等的較為剛性的結(jié)構(gòu)物，可以直接采用該方法。

但對于較柔的結(jié)構(gòu)物，其固有周期較長，或者越往上其振動越劇烈,這時可考慮各部分的響應(yīng)特征不同，設(shè)定不同的響應(yīng)加速度。這種方法叫修正等效靜力法。10.4.3橫斷面抗震計算方法

1.等效靜力荷載法

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，也用到該方法。這時作為地震荷載，不僅要考慮由于結(jié)構(gòu)物的自重引起的慣性力，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。10.4.3橫斷面抗震計算方法

2.等效靜力荷載法的適用范圍

等效靜力法從本質(zhì)上適合于地震荷載中慣性力部分占支配作用的結(jié)構(gòu)物，如絕大多數(shù)地面結(jié)構(gòu)物，但其也可適用于地下結(jié)構(gòu)。當(dāng)?shù)叵陆Y(jié)構(gòu)物的重最比周圍地層重量大許多時，結(jié)構(gòu)物自重的慣性力就起支配作用。另外對于剛度比較大的地下結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的響應(yīng)加速度基本上和周圍地層地震加速度相等。等效靜力法用于地下結(jié)構(gòu)時，作為結(jié)構(gòu)物承受的荷載，除自身的慣性力以外,外荷載的慣性力、地震時的土壓、內(nèi)部液體的動壓力（地下油罐等場合）等也有必要進(jìn)行考慮。10.4.3橫斷面抗震計算方法

3.反應(yīng)位移法

反應(yīng)位移法根據(jù)地下結(jié)構(gòu)在地震中的響應(yīng)特征而開發(fā)出來的計算方法。

反應(yīng)位移法用于圓形地下結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計時，根據(jù)反應(yīng)位移法的基本概念，可以按照以下的順序計算圓形地下結(jié)構(gòu)斷面上產(chǎn)生的地震時斷面內(nèi)力的增量。10.4.3橫斷面抗震計算方法

3.反應(yīng)位移法

1）將結(jié)構(gòu)橫斷面簡化成剛性均勻的圓環(huán)。盡管也可以考慮每環(huán)襯砌是由分割開的管片拼裝而成，而進(jìn)行較為復(fù)雜的簡化，但按照一般的抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)或慣例，將每塊管片的彎曲剛度按照-定的比例（管片抗彎剛度的有效率)降低后，將其考慮為均一的圓環(huán)。另外，當(dāng)需要考慮內(nèi)襯時，可以在考慮到內(nèi)襯與管片的實(shí)際結(jié)合情況后，將二者綜合起來進(jìn)行簡化。

2）為了表現(xiàn)圓形地下結(jié)構(gòu)和周圍地層間動的相互作用，在圓環(huán)的周圍沿法向和切向分別設(shè)置地層彈簧。

10.4.3橫斷面抗震計算方法

3.反應(yīng)位移法

3）首先進(jìn)行不存在圓形地下結(jié)構(gòu)的原始地層的地震響應(yīng)解析，以求得作用在圓形地下結(jié)構(gòu)上的地震荷載。地溪荷載包括地層的變形，地層的內(nèi)部應(yīng)力，以及慣性力這三種類型。當(dāng)圓形地下結(jié)構(gòu)的埋深較深時，襯砌的慣性力在抗震計算中影響較小，也可以忽略不計。

4）在抗震計算模型上施加地震荷載，進(jìn)行靜力計算，從而求得圓環(huán)中產(chǎn)生的斷面內(nèi)力。

10.4.3橫斷面抗震計算方法

4.縱向抗震計算方法

4.1.反應(yīng)變位法（縱向）

根據(jù)研究發(fā)現(xiàn)，剛度較大而密度小于地層的地下結(jié)構(gòu)，其縱向變形取決于隧道周圍地層的位移，包括沿隧道縱軸水平面和豎直面的位移，而隧道襯砌結(jié)構(gòu)則通過彈性支承鏈桿與地層相連或?qū)⑵湟暈閺椥缘鼗?，并隨地層位移而產(chǎn)生沿其縱軸水平和豎直面呈正弦波式的橫向變形（橫波傳遞方向與隧道縱軸平行時）10.4.3橫斷面抗震計算方法

4.縱向抗震計算方法

4.1.反應(yīng)變位法（縱向）

沿隧道縱軸的拉壓變形（橫波傳遞方向與隧道縱軸垂直時）。而任一方向傳遞的橫波都可分解為這兩方向的波。此外，還可發(fā)現(xiàn)對于淺埋隧道，沿隧道橫斷面高度各點(diǎn)的地層位移是不同的。10.4.3橫斷面抗震計算方法

4.縱向抗震計算方法

4.2.BART隧道抗震設(shè)計法（縱向）

美國舊金山海灣區(qū)快速運(yùn)輸系統(tǒng)（BART）的抗震設(shè)計細(xì)則（1969年）中則采用古塞爾（R.Kuesel）提出的方法。

（1）基本假定

隧道周圍土的剛度比隧道本身的剛度大，所以土在地震力作用下產(chǎn)生變形，將迫使隧道也產(chǎn)生相同的變形，不考慮土和結(jié)構(gòu)之間的相互作用。

（2）設(shè)計原則

要求隧道結(jié)構(gòu)有足夠的延性或變形能力來吸收由于地震作用而施加于其上的變形。10.4.3橫斷面抗震計算方法

4.縱向抗震計算方法

4.2.BART隧道抗震設(shè)計法（縱向）

（3）水平方向振動引起的最大縱向變形當(dāng)隧道位于較硬地層中，則隧道襯砌結(jié)構(gòu)可考慮為自由變形結(jié)構(gòu)（如同沒有地下結(jié)構(gòu)物時的地層位移）。出縱向水平穹曲和伸縮變形合成造成的最大應(yīng)變?yōu)?/p>

當(dāng)

＜0.0001時，變形屬于彈性范圍，此時不需要特殊的抗震接頭；當(dāng)

＞0.0001時，就需要有特殊抗震措施，如采用柔性接縫，它應(yīng)能吸收掉數(shù)值上等于乘以接縫間距的變形量。10.4.3橫斷面抗震計算方法

4.縱向抗震計算方法

4.3.節(jié)段長度試算法

將土與結(jié)構(gòu)相互作用作為準(zhǔn)靜態(tài)問題考慮，對不同剛度的結(jié)構(gòu)和土壤，以及各種節(jié)段長度的結(jié)構(gòu)，提供決淀最大彎矩和最大拉力的解。此法具有一個特點(diǎn)，可以用結(jié)構(gòu)節(jié)段長度來調(diào)整結(jié)構(gòu)縱軸應(yīng)變和應(yīng)力，故稱之為“節(jié)段長度試算法”。

常見的兩個計算模型有拉伸模型和彎曲模型。

10.4.3橫斷面抗震計算方法

4.縱向抗震計算方法

4.4.質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型

該模型是田村重四郎和岡本舜三于1976年提出來的，用于東京港沉管隧道的抗震設(shè)計，主要是彌補(bǔ)BART系統(tǒng)沉管隧道抗震設(shè)計的不足，即BART系統(tǒng)的抗震設(shè)計方法只求出地震波傳播時地震波特性不變情況下沉管隧道中產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變，沒有考慮到沿沉管隧道軸向地基的不均勻性，而使地震力可能產(chǎn)生變化的情況。

10.4.3橫斷面抗震計算方法

4.縱向抗震計算方法

4.4.質(zhì)點(diǎn)-彈簧模型

10.4.3橫斷面抗震計算方法

4.縱向抗震計算方法

4.5.設(shè)計反應(yīng)譜法

此方法認(rèn)為地震時結(jié)構(gòu)的位移至多等于周圍地層的位移，從土壤到結(jié)構(gòu)的“位移傳遞比”取決于土壤和結(jié)構(gòu)的剛度。所以，如果地震時地層中位移分布和位移傳遞比已知，則地震中結(jié)構(gòu)變形形狀即可求得，于是抗震結(jié)構(gòu)就可以設(shè)計了。這一方法提供了上限設(shè)計的可能性。

設(shè)計譜方法采取的假定是:①假定周圍土體不破壞；②譜根據(jù)強(qiáng)地震運(yùn)動的加速度記錄算出，這個加速度記錄假定是一個以恒定速度水平傳播的假想波的記錄；③通過把隧道作為彈性介質(zhì)中的梁這一靜態(tài)處理來計算位移傳遞比。

10.5地下結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施10.5.1現(xiàn)澆整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施

（1）地鐵車站和出人口通道可設(shè)置柔性誘導(dǎo)縫，但應(yīng)驗(yàn)算接頭可能發(fā)生的相對變形，避免地震時脫開和斷裂。

（2）加固處理地基，更換部分軟弱土或設(shè)置樁基礎(chǔ)深入穩(wěn)定土層，消除地下結(jié)構(gòu)的地下管道的不均勻沉陷。

橫向框架應(yīng)設(shè)置抗震構(gòu)造措施，縱向框架僅在與端墻連接處配置抗震構(gòu)造措施。10.5地下結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施10.5.1現(xiàn)澆整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施

框架結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施應(yīng)符合下列要求：

（1）柱軸壓比不應(yīng)超過0.9,當(dāng)采取特殊措施后的增加值見《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB50010)；

（2）柱的縱向鋼筋配置應(yīng)符合下列要求：

1）宜對稱配置，柱的總配筋率不應(yīng)大于5%；

2）截面尺寸大于400mm的柱，縱向鋼筋間距不宜大于200mm；

3）柱全部縱向鋼筋的最小總配筋率不應(yīng)小于0.7%，并每一側(cè)的配筋百分率不應(yīng)小于0.2%。10.5地下結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施10.5.1現(xiàn)澆整體鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施

10.5地下結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施10.5.2地下結(jié)構(gòu)的縱向抗震縫和不同結(jié)構(gòu)的結(jié)合部

對于地下結(jié)構(gòu)來說，設(shè)置抗震縫的必要性在于：

①長度大的地下結(jié)構(gòu)，經(jīng)過不同的地層，由于不同的地層的振動特性不一，因而使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不問的地震反應(yīng)。

②不同幾何形狀、不同剛度的結(jié)構(gòu)的連接處，地震時由于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同變形，使連接處產(chǎn)生復(fù)雜的受力情況。需要設(shè)置的既是抗震縫，也是變形縫。

③地震波作用到結(jié)構(gòu)上，地震波的波長通常總比結(jié)構(gòu)縱向長度小，因此不可避免在地下結(jié)構(gòu)縱向產(chǎn)生不同相位的變形。

抗震縫的寬度條件是：完全避免由抗震縫隔開的兩段結(jié)構(gòu)的碰撞，顯然抗震縫的最小寬度應(yīng)不小于地震作用時兩段結(jié)構(gòu)的最大的水平位移之和，并考慮適當(dāng)?shù)母辉Ａ?。結(jié)構(gòu)物下面的地基越差，產(chǎn)生不均勻沉陷的可能性越大，則抗震縫的寬度應(yīng)越大。10.5地下結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施10.5.2地下結(jié)構(gòu)的縱向抗震縫和不同結(jié)構(gòu)的結(jié)合部

設(shè)置抗震縫的間距L可按下式計算：

10.5地下結(jié)構(gòu)的抗震構(gòu)造措施10.5.2地下結(jié)構(gòu)的縱向抗震縫和不同結(jié)構(gòu)的結(jié)合部

前蘇聯(lián)地下鐵道規(guī)定，采用明挖法建造車站結(jié)構(gòu)中，從地下通向地面的區(qū)段上，不同結(jié)構(gòu)物連接處，結(jié)構(gòu)形式、土壤特性突變處，都應(yīng)設(shè)置變形縫。這些變形縫也起著抗震縫的作用。車站設(shè)置變形縫處，作為藝術(shù)裝飾的飾件，應(yīng)沿變形縫斷開。

車站隧道、區(qū)間隧道與通風(fēng)井的連接，車站隧道與區(qū)間隧道的連接，在抗藤設(shè)計中應(yīng)受到高度重視。由于不同結(jié)構(gòu)的幾何形狀不同，剛度不同，地震荷載不同，振動特性不同，結(jié)合部的應(yīng)力復(fù)雜，以致造成破壞。

無論是抗震縫（或兼作變形縫），還是不同結(jié)構(gòu)的結(jié)合部，原則上都應(yīng)設(shè)置柔性接頭，允許其在一定限度內(nèi)變形。

第11章結(jié)構(gòu)隔震、減震設(shè)計與制振技術(shù)

2隔震設(shè)計1概述13消能減震設(shè)計4被動控制設(shè)計23477655主動控制設(shè)計66可恢復(fù)功能結(jié)構(gòu)11.1概述

傳統(tǒng)的抗震設(shè)計方法依靠結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和延性來抗御地震作用，結(jié)構(gòu)在抗御地震的同時，會產(chǎn)生過大變形并導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損傷，是一種消積設(shè)計方法?？拐鸸ぷ髡咛剿餍碌姆e極設(shè)計方法，這就是以隔震、減震、制振技術(shù)為特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)振動控制方法。結(jié)構(gòu)振動控制方法可分為四類。（1）結(jié)構(gòu)隔震采用某種裝置，將地震動與結(jié)構(gòu)隔開，隔阻地震波向結(jié)構(gòu)的傳播，減弱地震動對結(jié)構(gòu)的動力作用，限制輸入結(jié)構(gòu)的能量，從而保障在地震時不致造成結(jié)構(gòu)或設(shè)施的破壞。隔震層（2）結(jié)構(gòu)消能減震和阻尼減震在結(jié)構(gòu)某些非承重構(gòu)件，如節(jié)點(diǎn)和支撐處裝設(shè)阻尼器。當(dāng)輕微地震或陣風(fēng)脈動時，這些消能桿件或阻尼器，處于彈性狀態(tài)，以滿足正常使用要求。在強(qiáng)烈地震作用下，這些消能桿件和阻尼器進(jìn)入非彈性變形狀態(tài)，產(chǎn)生較大阻尼，消耗輸入結(jié)構(gòu)的能量，保護(hù)主體結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震中不發(fā)生破壞。（3）結(jié)構(gòu)被動控制減震在建筑物頂部設(shè)置附加子結(jié)構(gòu),當(dāng)主體結(jié)構(gòu)承受地震引起振動時,子結(jié)構(gòu)質(zhì)量塊向主體結(jié)構(gòu)施加反向作用力，使主體結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)迅速衰減。子結(jié)構(gòu)可為質(zhì)量塊，也可為蕩液水箱。這種方法改變原結(jié)構(gòu)體系動力特性，降低結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)。無需能源裝置支持系統(tǒng)工作。（4）結(jié)構(gòu)主動控制減震主動控制體系實(shí)為計算機(jī)控制的伺服控制系統(tǒng)，利用外部能源，在結(jié)構(gòu)振動過程中，瞬時改變結(jié)構(gòu)動力特性并施加控制力以衰減結(jié)構(gòu)反應(yīng)。在結(jié)構(gòu)振動控制部位安裝傳感器，傳感器把測得的地震反應(yīng)以信號形式傳至控制器，控制器將信息處理后，向驅(qū)動機(jī)構(gòu)發(fā)出指令并向子結(jié)構(gòu)施加控制力，降低結(jié)構(gòu)振動反應(yīng)。

結(jié)構(gòu)隔震、減震和制振方法的研究和應(yīng)用于始20世紀(jì)60年代，20世紀(jì)70年代以來發(fā)展較快。這種積極的結(jié)構(gòu)“疏”震方法與傳統(tǒng)的消積抗震方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)。

首先，該方法能大幅度減小結(jié)構(gòu)所受地震作用，能較為準(zhǔn)確地控制傳到結(jié)構(gòu)上的最大地震作用，可以滿足工程結(jié)構(gòu)較為嚴(yán)格的抗震要求。

其次，對于核工業(yè)設(shè)備、博物館等重要建筑，通過振動控制可以保證不同強(qiáng)度地震下的安全性。第三，該方法大大減小結(jié)構(gòu)在地震作用下的變形，保證非結(jié)構(gòu)構(gòu)件不受地震破壞，大幅度減輕結(jié)構(gòu)構(gòu)件損傷，從而減震后維修費(fèi)用。11.2.1基底隔震原理

基底隔震是指在建筑物底部與基礎(chǔ)頂面之間設(shè)置隔震裝置，使上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)頂面分開，限制地震動向上部結(jié)構(gòu)傳遞，降低上部結(jié)構(gòu)的地震作用，減輕建筑物破壞程度?；赘粽鹧b置一般應(yīng)具備四個條件：

（1）隔震層能使結(jié)構(gòu)在基礎(chǔ)面產(chǎn)生滑移，限制地面運(yùn)動向上部結(jié)構(gòu)傳遞，并使結(jié)構(gòu)體系的自振周期增大，遠(yuǎn)離場地卓越周期，有效降低上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。

（2）隔震裝置具有足夠的初始彈性剛度，即在微震或風(fēng)載作用下，具有良好的彈性剛度，能滿足正常使用要求，在強(qiáng)震作用下，隔震裝置能產(chǎn)生滑動，使體系進(jìn)入耗能狀態(tài)。

（3）隔震裝置具有較大阻尼和耗能能力，保證其荷載-位移曲線的包絡(luò)圖面積較大，以消耗地震能量，降低結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)。

（4）隔震裝置能承受較大的豎向荷載，在豎向荷載下，保持穩(wěn)定性，滿足承載力要求。為了避免滑動減震的盲目性，需要一種方法來定量判斷減震效果。結(jié)構(gòu)的地震作用是衡量結(jié)構(gòu)受力的定量指標(biāo)。對于剪切變形為主的結(jié)構(gòu)，地震作用可以用結(jié)構(gòu)的基底剪力進(jìn)行度量。因此，結(jié)構(gòu)采用滑動減震措施后最大基底剪力Vs，與該結(jié)構(gòu)按傳統(tǒng)作法不能滑動在地震時可能出現(xiàn)的最大基底剪力V0之比，大致可以定量地反映結(jié)構(gòu)的隔震效果。將這個比值定義為隔震系數(shù)α

，則有：

當(dāng)α

≥1時，表示結(jié)構(gòu)雖然采用了隔震措施，但未發(fā)生滑動，不表現(xiàn)隔震效果，與傳統(tǒng)非隔震體系沒有差別。因此，隔震生效條件是α

<1。

11.2.2隔震效果評價

結(jié)構(gòu)采用滑動隔震措施后，發(fā)生滑動時的最大基底剪力恒等于摩擦力，可以表示為

（9.4）

對于非隔震結(jié)構(gòu)，其基底剪力最大值可表示為

（9.5）

為了簡化計算對于剪切型結(jié)構(gòu)，根據(jù)底部剪力相等原則,得：

上式為考慮了結(jié)構(gòu)本身動力特性的隔震效果簡易判別式，α

值越小，隔震效果越好。k的取值與地震烈度成正比，β

的取值一般與結(jié)構(gòu)剛度成正比。

滑動減震用于高烈度區(qū)（k大）和剛性較大的結(jié)構(gòu)（β

大）效果更為顯著。另外采用摩擦系數(shù)較低（μ?。┗蛩絼偠容^小的隔震裝置也可增大隔震效果，從動力學(xué)角度，地震動與隔震結(jié)構(gòu)頻率比越大，隔震能力越強(qiáng)，隔震裝置的充分變形，可降低隔震結(jié)構(gòu)自振頻率，使結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)有較大衰減。11.2.3基底隔震裝置

基底隔震裝置是由隔震器、阻尼器、復(fù)位裝置組成。

隔震器的作用是支承上部結(jié)構(gòu)全部重量。延長結(jié)構(gòu)自振周期，具有經(jīng)歷較大水平變形能力。阻尼器增大結(jié)構(gòu)阻尼，消耗地震能量，抑制結(jié)構(gòu)過大位移。復(fù)位裝置提高隔震系統(tǒng)早期剛度，使結(jié)構(gòu)在微震或風(fēng)載作用下具有和普通結(jié)構(gòu)相同安全性。隔震支座:隔震器和阻尼器往往合二而一構(gòu)成隔震支座，當(dāng)隔震支座阻尼不足，另加阻尼器。阻尼器隔振器復(fù)位裝置

11.2.3.1隔震支座（1）滑動支座早期的隔震方法為滾珠隔震，即在上部結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)之間設(shè)置滾珠。滾珠可做成圓形，設(shè)置于平板或凹板上。滾珠能把地面運(yùn)動幾乎全部隔開，滾珠隔震需要有輔助裝置協(xié)助復(fù)位，并要有風(fēng)穩(wěn)定裝置保證風(fēng)載下不產(chǎn)生過大水平位移。如滾珠做成橢圓形，可以形成復(fù)位力。（2）疊層橡膠支座由橡膠片與薄鋼板交替疊合而成，鋼板邊緣縮入橡膠內(nèi)，可防止鋼板生銹。疊層橡膠支座又可分為普通疊層橡膠支座、鉛芯疊層橡膠支座。

普通疊層橡膠支座普通疊層橡膠支座具備延長周期功能，減小地震反應(yīng)。阻尼性能較差，須同阻尼器配合作用。疊層橡膠支座受力特征：

橡膠板上、下兩面橫向變形受到鋼板摩擦力的約束，在豎向荷載作用下處于三向受力狀態(tài)，提高豎向剛度和承載力。疊層橡膠支座不約束剪切變形，不改變水平剛度。

疊層橡膠的水平剛度一般為豎向剛度的1%。

小變形時，其水平剛度能保證建筑物在風(fēng)載下的使用功能；

大變形時，橡膠剪切剛度下降較多，約為初始剛度的20%，可以大幅度降低結(jié)構(gòu)振動頻率，減小地震反應(yīng)。風(fēng)荷載作用下自動復(fù)位

地震力作用下大變形

鉛芯疊層橡膠支座鉛芯疊層橡膠支座比普通疊層橡膠支座多了一根鉛芯，鉛芯能起增大阻尼作用，它集隔震器、阻尼器為一體，具有良好的耗能能力。

（3）摩擦擺支座為了使建筑物滑移后自動復(fù)位，目前出現(xiàn)一種摩擦擺支座。摩擦擺支座類似于一個鉸裝置，上部為活動擺頭，下部為曲面承臺，擺頭與曲面之間襯有網(wǎng)狀增強(qiáng)纖維，以利用摩擦阻尼耗散能量。該裝置可利用結(jié)構(gòu)本身重力回到原來位置。

11.2.3.2阻尼器

當(dāng)隔震支座阻尼不足時，可另加阻尼器，常用的基底隔震阻尼器有：彈塑性阻尼器、鉛棒阻尼器等。（1）彈塑性阻尼器

鋼材具有良好的塑性變形能力，可以經(jīng)歷往復(fù)變形不發(fā)生斷裂。利用軟鋼的變形能力和耗能能力可制成各種形狀阻尼器。

（2）鉛棒阻尼器

鉛具有軟化剛度，進(jìn)入塑性后表現(xiàn)出滯回能特點(diǎn)，利用鉛棒可制成鉛阻尼器，在強(qiáng)烈地震下，鉛棒軟化，可以損耗大量振動能量。

11.2.3.3復(fù)位裝置為了防止建筑物在微震或風(fēng)作用下發(fā)生運(yùn)動,影響結(jié)構(gòu)使用，便于大震后復(fù)位，應(yīng)設(shè)置復(fù)位裝置。為了防止建筑物發(fā)生傾覆，應(yīng)設(shè)置抗傾覆支座。11.2.4隔震結(jié)構(gòu)設(shè)計與計算

11.2.4.1設(shè)計要點(diǎn)和計算內(nèi)容

設(shè)計要點(diǎn)：隔震結(jié)構(gòu)采用分部設(shè)計，分別進(jìn)行隔震層上部結(jié)構(gòu)、隔震層、隔震層下部基礎(chǔ)抗震計算。

計算內(nèi)容：

（1）隔震層上部結(jié)構(gòu)抗震計算,要求用時程分析法，也可用底部剪力法?？紤]水平地震作用和豎向地震作用。

（2）隔震支座應(yīng)進(jìn)行豎向承載力的驗(yàn)算和罕遇地震下水平位移的驗(yàn)算。

（3）隔震層以下基礎(chǔ)設(shè)計時不考慮隔震效應(yīng)，地基基礎(chǔ)的抗震驗(yàn)算仍應(yīng)按本地區(qū)抗震設(shè)防烈度進(jìn)行。

11.2.4.2隔震層上部結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計（1）計算簡圖：結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析時，可采用在常規(guī)結(jié)構(gòu)分析模型底部加入隔震層簡化模型。將隔震層等效為具有水平剛度Kh

、等效粘滯阻尼比ζeq

的彈簧。

Kj—

第j個隔震支座的水平動剛度；

ζj—

第j個隔震支座等效粘滯阻尼比。隔震層各質(zhì)點(diǎn)水平地震作用：沿高度按重力荷載代表值分布，一般每層重力荷載相當(dāng)，即為矩形分布。（2）隔震層上部結(jié)構(gòu)地震作用上部結(jié)構(gòu)底部總剪力：隔震層上部結(jié)構(gòu)的抗震計算采用底部剪力法時，總重力荷載代表值乘以“隔震后水平地震影響系數(shù)最大值αmaxl

”，得到底部總水平地震作用（不得低于非隔震結(jié)構(gòu)在6度設(shè)防時的總水平地震作用）：

倒三角形分布

矩形分布

非隔震建筑

隔震建筑（3）隔震后水平地震影響系數(shù)最大值隔震后水平地震影響系數(shù)最大值可按下式計算：

αmaxl

＝βαmax/ψ式中：αmaxl——隔震體系的水平地震影響系數(shù)最大值；

αmax——非隔震體系的水平地震影響系數(shù)最大值；

ψ——調(diào)整系數(shù)；一般橡膠支座，取0.80;

支座剪切性能偏差為S-A類（允許偏差為±15％），取0.85；隔震裝置帶有阻尼器時，相應(yīng)減少0.05；

β——水平向減震系數(shù)。

“水平向減震系數(shù)”是指建筑物采用隔震技術(shù)后地震作用降低的程度。水平向減震系數(shù)對于多層建筑，為按彈性計算所得的隔震與非隔震各層層間剪力的最大比值。（4）水平向減震系數(shù)簡化計算：

水平向減震系數(shù)可根據(jù)隔震體系的基本周期按下式確定：（9.11）式中:β

——水平向減震系數(shù)；

η2——地震影響系數(shù)的阻尼調(diào)整系數(shù)，根據(jù)隔震層等效阻尼確定；

γ

——地震影響系數(shù)的曲線下降段衰減指數(shù)，根據(jù)隔震層等效阻尼確定；

Tgm——隔震體系設(shè)計特征周期，根據(jù)本地區(qū)設(shè)計地震分組確定，但小于0.4s時應(yīng)按0.4s采用；

T1——隔震體系的基本周期；不應(yīng)大于2.0s和5倍特征周期值的較大值；

與砌體結(jié)構(gòu)周期相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，其水平向減震系數(shù)可根據(jù)隔震后整個體系的基本周期按下式確定：（9.12）式中:Tg——特征周期；

T0——非隔震結(jié)構(gòu)的計算周期，當(dāng)小于特征周期時應(yīng)采用特征周期的數(shù)值；

T1——隔震體系基本周期；對于砌體結(jié)構(gòu)周期相當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)，不應(yīng)大于5倍特征周期值?？砂聪率接嬎悖篏為隔震層以上重力荷載代表值，Kh為隔震層水平等效剛度。

（5）水平向減震系數(shù)對應(yīng)烈度

結(jié)構(gòu)水平地震作用：根據(jù)水平向減震系數(shù)β的數(shù)值，可知隔震后結(jié)構(gòu)的水平地震作用降低程度，表中歸納為比非隔震時降低半度、一度和一度半三個檔次；β不應(yīng)小于0.25。水平向減震系數(shù)與隔震后結(jié)構(gòu)水平地震作用所對應(yīng)烈度的分檔本地區(qū)設(shè)防烈度（設(shè)計基本地震加速度）水平向減震系數(shù)β0.53≥β≥0.400.40＞β＞0.27β≤0.279(0.40g)8(0.30g)8(0.20g)7(0.15g)8(0.30g)8(0.20g)7(0.15g)7(0.10g)8(0.20g)7(0.15g)7(0.10g)7(0.10g)7(0.15g)7(0.10g)7(0.10g)6(0.05g)7(0.10g)7(0.10g)6(0.05g)6(0.05g)

結(jié)構(gòu)抗震措施：隔震后上部結(jié)構(gòu)的抗震措施可以適當(dāng)降低，一般的橡膠支座以水平向減震系數(shù)0.40為界劃分，并降低的要求不得超過一度，對于不同的設(shè)防烈度如表所示。水平向減震系數(shù)與隔震后上部結(jié)構(gòu)抗震措施所對應(yīng)烈度的分檔本地區(qū)設(shè)防烈度（設(shè)計基本地震加速度）水平向減震系數(shù)ββ≥0.40β＜0.409(0.40g)8(0.30g)8(0.20g)8(0.30g)8(0.20g)7(0.15g)8(0.20g)7(0.15g)7(0.10g)7(0.15g)7(0.10g)7(0.10g)7(0.10g)7(0.10g)6(0.05g)

11.2.4.3隔震層的設(shè)計與計算

（1）設(shè)計要求隔震層宜設(shè)置在結(jié)構(gòu)第一層以下的部位，隔震支座宜設(shè)置在受力較大的位置，間距不宜過大，其規(guī)格、數(shù)量和分布應(yīng)根據(jù)豎向承載力、側(cè)向剛度和阻尼的要求通過計算確定。隔震層在罕遇地震下不宜出現(xiàn)