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地震作用

2020-04-09 21:01

由地震引起的岩土运动施加于结构物上的动态作用。确定结构所承受的地震作用的主要因素是所在场地地震波的幅值、频谱特性和持续时间。

峰值加速度

在结构抗震设计中,主要以地震峰值加速度幅值作为衡量地震作用强度的主要物理量,它通常以地球重力加速度g=9.81m/s2作为度量单位,或者以Gal(伽)为单位,1 Gal=0.01m/s2。在中国以及世界上的许多国家主要以结构所在场地的地震烈度作为其抗震设防的依据。地震烈度是地震引起的地面震动及其影响的强弱程度,是指一定范围内平均意义上的地面震动,它与地震震级及场地离发震震源远近的震中距有关,其等级划分主要是基于建筑物的损伤、器件反应、人的感觉及其他地震宏观现象的描述。划分为12度的《中国地震烈度表(1980)》与其他国家通用的一些地震烈度表大致相仿。中国现行的《中国地震烈度区划图(1990)》是一般建筑物的设防标准,它给出的是50年期限内,一般场地条件下,可能遭遇超过概率为10%的烈度值,该烈度值称为基本烈度,相当于475年一遇的地震。中国SL 203—97《水工建筑物抗震设计规范》和其他多数部门的抗震规范都规定了地震烈度所对应的地震动峰值加速度,即:Ⅵ度、Ⅶ度和Ⅷ度的烈度分别对应于0.1 g、0.2 g和0.4 g的地震峰值加速度。一些国家也有以地震动峰值(或有效)加速度进行地震区划的,中国也在研制新的全国地震动参数区划图。

SL 203—97规定,水工建筑物的抗震设计依据,一般情况下可采用基本烈度。对于基本烈度为Ⅵ度或Ⅵ度以上地区且坝高超过200m或库容大于100亿m3的大型工程,以及基本烈度为Ⅶ度或Ⅶ度以上地区且坝高超过150m的大(1)型工程,其抗震设防依据应根据专门的地震危险性分析成果评定。又规定各类水工建筑物抗震设计的设计烈度或设计地震加速度,一般采用基本烈度作为设计烈度。对1级壅水建筑物,可根据其遭受强震影响的危害性,在基本烈度基础上提高1度作为设计烈度。凡进行专门地震危险性分析的工程,其设计地震加速的概率水准,对壅水建筑物应取基准期100年内超越概率P100为0.02,对非壅水建筑物应取基准期50年内超越概率P50为0.05,它们分别对应于4 950年一遇和975年一遇的地震。

设计反应谱

地震波的频率特性对地震作用的影响,在工程抗震设计中通常都以设计反应谱表征。它是抗震设计中所采用的一定阻尼比的单质点体系在地震作用下的最大加速度反应随体系自振周期(T)变化的曲线,一般以其与地震动最大峰值加速度比值的规一化无量纲系数β(T)表示。图示给出了中国现行抗震规范采用的设计反应谱。这是在大量其他国家的和少量中国的实测地震加速度记录计算结果的统计资料基础上整理得出的均值反应谱。

设计反应谱

已有研究表明:场地的土质越硬,震中距越近,震级越小,则场地加速度反应中高频分量越多,并且反映地震卓越周期的特征周期(Tg)越小,而非岩性地基的最大反应还与覆盖层厚度有关。但从已有的统计资料中尚不足以从平均意义上区分场地类别和震中距对反应谱最大值的影响。根据土层剪切波速和覆盖层厚度,场地上被划分成坚硬、中硬、中软和软弱4类,其相应的反应谱特征分别取为0.20、0.30、0.40 s和0.65 s,尚未能反映震级和震中距对其影响。

设计反应谱的最大值与结构阻尼值有关。结构阻尼的机理十分复杂,它隐含了相邻介质的相互作用和能量在地基中逸散的影响,与水位、地基土特性以及体系振动频率和地震动强度等因素有关,并具有非线性特征,在理论上尚难完全搞清。原型结构实测的阻尼值往往受激振力限制而偏小。因此,参照世界各国的实测阻尼数据及考虑强震时阻尼增大等因素,基于工程经验,对重力坝、拱坝和水闸等其他混凝土建筑物分别规定最大反应谱值(βmax)为2.00、2.50和2.25。考虑到以往强震记录受仪器特性限制,其长周期部分不准,从偏安全考虑,取最小反应谱值βmin=0.2βmax

地震动的持续时间主要影响具有显著非线性特性的结构的地震作用。地震动持续时间随震级增大,一般约为2~40 s。

地震作用类别

一般情况下,水工建筑物抗震计算中应考虑的地震作用为建筑物自重和其上的荷重所产生的地震惯性力,地震动土压力和水平向地震作用的动水压力。实际上还有地震对地基中渗透压力和水库中淤沙压力的影响。考虑到地震作用持续时间很短,不足以引起渗压变化,而淤沙可归入动土压力,也可不予考虑而将动水压力的水深包括淤沙深度,这样一般是偏于安全的。

地震作用确定方法

严格讲,应将水工建筑物及其周围的库水、地基等介质作为一个体系,计及其动力相互作用,按结构动力学原理求解在地震作用下结构本身及其周围不同介质边界上的相互作用反应,即用动力法求得上述各项作用。这是地震作用不同于其他外荷载之处。研究表明,在计及库底边界吸能效应后,库水可压缩性的影响在工程设计中一般是可以忽略的,使地震动水压力可取结构迎水面附加质量形式计入。实际上,由于水工建筑物的复杂性,有些还难以完全按动力法进行抗震计算,而且土压力也尚难在整个体系中以动力法求得其地震反应。因此,对量大面广的中小型水工结构,以及材料具有显著非线性特性的土石坝,一般还只能采用拟静力法确定其地震作用。即将重力作用,设计地震加速度与重力加速度比值,以及经研究归纳的各类结构沿高程的动态分布系数三者乘积作为施加在结构上设计地震惯性力的静力分析方法。动水压力也可在考虑或不考虑结构变形的情况下求得其沿结构高程的分布规律后作为作用在结构迎水面的外力。如常用的刚性重力坝面的威斯特伽特(Wastergaard)公式。至于动土压力,大都采用静土压力的计算式中,增加对滑动土楔的水平和竖向地震惯性力,以此近似估算主动土压力值。鉴于其近似计算的滑动平面假定,在计算被动土压力时与实际情况差得较远,使结构不合理,因此,动态的动土压力需结合工程经验作专门研究。考虑到土石坝材料非线性影响,SL 203—97《水工建筑物抗震设计规范》对其顶部动态分布系数,在设计烈度为Ⅶ、Ⅷ、Ⅸ度时分别取3.0、2.5、2.0。这是基于已有实测强震记录和动力分析结果归纳得出的。

采用简化的拟静力法确定地震作用(参见水工建筑物抗震设计),为与传统的安全准则配套,引入了地震作用的效应折减系数CZ=0.25。显然,这样的抗震计算主要是基于工程经验的设计标准,它并不能真实地反映结构的地震反应及其抗震薄弱部位。它终究将逐渐为反映地震动动态特征和结构动力特性的动力法取代。

在动力法中,由于水工混凝土结构接近脆性破坏,基本在弹性阶段工作,因此,一般在工程设计中主要采用振型分解法求解其地震作用下的反应。即先求解结构对应其各阶振型的地震作用反应后,再组合成结构总地震作用反应的方法。用标准反应谱求得各阶振型反应后再组合的称振型分解反应谱法;取各阶振型地震反应的平方总和的方根作为总地震作用反应的振型组合法称平方和方根(SRSS)法;取各阶振型地震反应的平方项和不同振型耦联项的总和的方根作为总地震反应的振型组合法称完全二次型方根(CQC)法。此外,也可以将各阶振型反应谱值由给定地震动加速度时程求得后直接叠加,称作振型分解时程分析法。

对于需要考虑如坝体纵、横缝等的非线性影响时,在频域内作振型分解再组合的原则已不再适用,需要采用时程分析法,即由结构基本运动方程输入地震动加速度时程,在时域内进行积分,求得整个时间历程内结构的地震反应。这个方法考虑了振型分解法无法计入的地震持续时间影响,这对结构非线性动态作用分析是至关重要的。现行水工建筑物抗震设计规范要求应至少选择类似所在场地地震地质条件的两条实测记录和一条以设计反应谱为目标谱的人工生成模拟地震动加速度时程作为输入,这些加速度时程的峰值应取其设计值。

在水工结构动力法抗震设计中,均采用无质量地基,即只计地基的弹性影响,而忽略其惯性和包括地基中地震能量逸散的阻尼影响。这主要是因为考虑这些因素会使计算过于复杂,但新的研究已取得突破。

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