第十四章-港口水工建筑物抗震

概述一、地震1.地震及其成因概念：地震、有感地震、破壞性地震、構造性地震、陷落地震成因：板塊學說2.地震波及其傳播概念：地震波、震源傳播原理：彈性波動方程描述（巖石為粘彈塑性體）。地震波的類型：體波（P縱波、S橫波）、面波。3.地震的震級概念：地震烈度（現(xiàn)象）、地震震級（能量）

5級以上的地震稱破壞性地震；7級以上的地震稱強烈地震。概述二、地震烈度1.地震烈度與地震震級的聯(lián)系與區(qū)別2.烈度的定量標準以地面最大加速度為標準、以地面最大速度為標準、以地震反應譜為標準三、地震的破壞現(xiàn)象和港口水工建筑物的震害特點1.地震的破壞現(xiàn)象

5、6級以上的地震才會給人類帶來災害。地震造成的破壞主要來自三個方面：地表的破裂、工程建筑的破壞、次生災害。2.港口水工建筑物的震害特點我國現(xiàn)有港口大都處于原地震區(qū)劃的基本烈度6度以下地區(qū)，一般在設計時均未考慮地震設防，唐山大地震后才引起重視，制定了《水運工程水工建筑物抗震概述設計規(guī)范》?，F(xiàn)將國內外碼頭建筑物的典型震害特點介紹如下：1）重力式碼頭碼頭斷面的抗傾穩(wěn)定性、或分層穩(wěn)定性不夠引起岸壁向港池方向整體轉動或部分砌體滑移。概述2）板樁碼頭錨碇結構位移或拉斷導致板樁墻顯著前傾變形。3）高樁碼頭前方樁臺的叉樁和叉樁樁帽受損最普遍，其中，向岸斜樁破壞數(shù)量最多；其次是接岸結構的擋土墻下沉傾倒，橫向斷裂等損壞。3.破壞原因地震慣性力、動水壓力、動土壓力、砂性土液化等。結構的地震反應及設計反應譜一、單質點系的地震反應右圖為單質點體系，將結構中參與震動的質量全部集中在一點上，用無重量的彈性桿件系統(tǒng)支承在地面上，并假定地面運動和結構振動只是單方向的水平平移運動，不發(fā)生扭轉，因此結構是座落在剛性平面上的彈性系統(tǒng)。當發(fā)生一個由地震產(chǎn)生的地面位移時，質體的絕對位移為，作用在質點上的力有：慣性力阻尼力彈性恢復力由力的平衡原理可得：

結構的地震反應及設計反應譜

式中：阻尼比，阻尼系數(shù)；彈簧常數(shù)；無阻尼自由振動圓頻率，。由式上式可以看出，由地震時地面水平運動所引起質體的相對位移轉化為在動力荷載作用下求解質體的位移問題，亦屬于有阻尼的受迫振動問題。受迫振動問題的解為：二、地震反應譜

在抗震設計中最關心的是最大反應，即相對位移、速度和絕對加速度反應結構的地震反應及設計反應譜的最大值。當阻尼比給定時，對于每一個地震加速度記錄，都可以分別計算出三條相應最大位移、最大加速度、最大速度與自振周期T之間的關系曲線，這就是所謂的相對位移反應譜、相對加速度反應譜和加速度反應譜。廣泛應用的是加速度反應譜。

有了加速度反應譜可以對于不同周期的單質點體系確定其不同的最大加速度反應，從而計算地震慣性力：結構的地震反應及設計反應譜三、設計反應譜上述計算出來的地震反應譜與規(guī)范規(guī)定的設計反應譜不同。地震反應譜是瞬時值，不同地區(qū)不同地震計算所得的反應譜出入很大，在工程抗震設計中，不可能單獨為某個工程提出一個反應譜，而是通過對大量地震資料的總結，找出地震反應譜的規(guī)律指導設計，這就是設計反應譜。研究表明：兩次不同的地震，其加速度反應譜不同，主要是因為兩次的地震烈度不同，而地震烈度的大小可由地面最大加速度的大小確定。因此，慣性力可寫成：結構的地震反應及設計反應譜標準反應譜：當給定阻尼比，就可以作出的β-T關系曲線，此曲線稱為動力系數(shù)反應譜，用它來表示地面運動的特性。實際地震反應計算中發(fā)現(xiàn)不同的地震中作出的β-T曲線比較一致，基于這一點，將許多次地震得出的許多條這種曲線取其平均曲線作為代表，并近似認為這條平均曲線適用于各次地震，作為設計的依據(jù)，即所謂的標準反應譜，也稱設計反應譜。地震慣性力的計算公式：結構的地震反應及設計反應譜四、多質點體系地震反應的振型分解法多質點體系在地震水平運動作用下，其運動微分方程為：

上述方程可用數(shù)值積分方法求解，但一般常用振型分解法，即將多質點體系簡化成多個獨立的單質點系，按振型分解方法進行分析。振型分解法：用坐標變換的方法將方程組轉化為一組各自獨立的方程，每個方程只含一個未知數(shù)而可單獨求解，這種方法稱振型分解法。振型對質量矩陣和剛度矩陣具有正交性，但對阻尼矩陣不存在正交性。為此結構的地震反應及設計反應譜將阻尼矩陣假設為質量矩陣和剛度矩陣的線性組合，經(jīng)整理后可得：式中：為第振型的振型參與系數(shù)；為位移反應，為振幅。五、求多質點體系水平地震力的反應譜方法

J振型下作用在第i質點上的最大水平地震慣性力為:

在地震過程中，多自由度體系的各個振型，一般都是同時出現(xiàn)的，所以地震作用所產(chǎn)生的結構內力應考慮到各個振型的相加。振型的內力組合并不是簡單的相加，而應從隨機過程理論出發(fā)研究振型的組合問題。其計算公式為：式中：由水平地震產(chǎn)生的結構反應，如位移、內力等；由j振型時的水平地震所產(chǎn)生的結構反應；振型數(shù)。地基和岸坡的抗震一、砂土液化的預測及其抗液化措施1.砂土液化的預測1）影響飽和砂土或粉土層液化的因素2）規(guī)范要求①當設計烈度為7~9度時，應對飽和土進行液化判別和相應的地基處理；當設計烈度為6度時，可不進行液化判別，但對液化敏感的碼頭建筑物，按7度考慮。②對飽和砂土或粉土層，當符合下列條件之一時，可初步判別為不液化：地質年代為第四紀晚更新世（Q3）及其以前時；當采用六偏磷酸鈉作為分散劑的測定方法測得的粉土，其粘粒（粒徑小于0.005毫米的顆粒）含量的百分點數(shù)在7度、8度和9度分別小于10、13和16。3）判別方法地基和岸坡的抗震

當初判為可液化的土層后，應做進一步判別。第二步判別采用標準慣入試驗判別法，在地面以下20米內的土符合下式時，即為液化土。

建筑物建成后和建造前的地面高程和地下水位有較大變化，標準慣入擊數(shù)應予以修正，即：2.地基抗液化措施對于地基和岸坡中的可液化土層，可采用下列加固措施：①在可液化土層中采用樁基時，樁基應穿過可液化土層，并有足夠的長度伸入穩(wěn)定的土層。②對位于地面附近的可液化層，可進行處理，處理后的土層應符合慣入度要求。地基和岸坡的抗震③在相對不透水土層中存在可液化土夾層時，可采用排水減壓措施。④在建筑物地基中和墻背后一定范圍內，不應采用粉細砂和顆粒均勻的中砂等作為回填料。四、地基承載力和岸坡的抗震穩(wěn)定性1.地基承載力①規(guī)范規(guī)定：在水運工程建筑物地基的抗震驗算中，對于液化土層以下的土層，采用固結快剪強度指標計算地基承載力時，抗力分項系數(shù)可降低至正常情況下的75%；當采用查表法時，地基土的抗震承載力設計值可按下式予以提高。液化層以上的土層承載力設計值不應修正。式中：為地基土抗震承載力設計值；為地基土靜承載力設計值。地基和岸坡的抗震②地震時樁的垂直承載力抗力分項系數(shù)，在一般粘性土和砂土中可降為正常情況下的80%；在軟土和非液化狀態(tài)的松砂中不宜降低。③地基內有液化土層時，可不計該土層的強度，當有資料論證可利用該土層的部分強度時，可根據(jù)抗液化土層的樁側摩阻力、內摩擦角等力學指標進行折減，折減系數(shù)參見下表：地基和岸坡的抗震2.岸坡的抗震穩(wěn)定性

目前國內外對地震作用下岸坡穩(wěn)定的分析方法有：靜力法、擬靜力法和動力法。每種方法又有總應力法和有效應力法之分。國內規(guī)范采用的方法是總應力的擬靜力法，即將地震作用簡化為一個水平的靜力作用在岸坡土體上，常稱為水平地震力，然后應用圓弧滑動面的條分法，按極限平衡理論計算其抗滑穩(wěn)定性。應用該法驗算時，應滿足下列公式要求：地震作用

施加在港口水工結構上的地震作用主要有：地震土壓力、地震動水壓力和地震慣性力。一、地震慣性力目前還沒有嚴格的理論能將復雜結構的地震反應用一個簡單的地震慣性力精確地表達出來，只能用半理論、半經(jīng)驗的近似方法，各國抗震設計規(guī)范中所采用的方法有：靜力法（慣性力法）、擬靜力法和反應譜法三種。以下介紹抗震設計規(guī)范對兩種類型的港口水工建筑物（高樁、重力式）計算地震慣性力的方法。1.板梁式、無梁面板式、桁架式和實體墩式高樁碼頭，可按單質點考慮，其水平向總地震慣性力標準值宜按下列公式計算：2.空箱式和剛架、桁架式高樁墩式碼頭宜按多質點考慮，沿建筑物高度作用于質點i的水平向地震慣性力標準值，可按下列公式計算：地震作用3.對于空箱式和剛架、桁架式高樁墩式碼頭，當計算高度大于30米時，應計入高振型的影響。4.重力式碼頭沿高度作用于質點i的水平向地震慣性力標準值可按下式計算：5.重力墩沿高度作用于質點i的水平向地震慣性力標準值可按第4點的公式式計算.式中為加速度分布系數(shù)，取值見下圖。地震作用二、地震土壓力

目前還沒有完善的理論方法計算地震土壓力。國內外仍以考慮動力因素的慣性力法為主。所謂慣性力法是指將墻體后土體在地震時產(chǎn)生的水平慣性力看作靜力，并假設墻體與墻后土體都是絕對剛性，其上任何一點的絕對加速度都和地面加速度相同，忽略墻體本身的震動特性。在確定了墻后土體的地震慣性力而進行靜力分析時，仍應用庫侖土壓力理論求解墻背主（被）動土壓力的方法計算地震主（被）動土壓力。地震作用式中為粘性土地震主（被）動土壓力系數(shù)，計算公式見參考書2；為墻背與鉛垂線的夾角。計算水下部分土體的地震力時，應采用土的浮重度和表觀地震系數(shù)。這時，由于已將飽和土體在計算上視為整體，認為在算得的慣性力中已考慮了土中水的地震作用，不必再另外考慮地震動水壓力。三、地震動水壓力抗震規(guī)范規(guī)定：作用在直墻式建筑物上的地震動水壓力強度、總動水壓力、總傾覆力矩等的標準值可分別按下列公式計算：地震作用1.作用在重力墩式建筑物上的動水壓力標準值，按下列方法確定：1）作用在重力墩式建筑物上的總動水壓力標準值2）水面以下深度為Z處單位墩高上的動水壓力標準值3）作用在重力墩式建筑物上Z深度范圍內的總動水壓標準值2.板梁式、無梁面板式、桁架式高樁碼頭和高樁墩式碼頭、重力式和板樁碼頭前的動水壓力抗震計算時一般不予考慮。港口碼頭結構抗震設計要點一、抗震設計的基本要求1.抗震設計的目標小震不壞、中震易修、大震不倒。2.抗震設計的基本要求1）盡量選擇對抗震有利的地段，未經(jīng)論證，不得在危險地段修建。2）當?shù)鼗饕至臃秶锌梢夯翆?、軟土層或嚴重不均勻土層時，需處理。3）結構布置宜規(guī)則和對稱，質量分布均勻，盡量降低建筑物重心位置。4）結構及構件連接應有必要的強度、變形性能，對建筑物的端部或轉角部位，應采取措施提高其抗震能力，宜增加結構的超靜定次數(shù)。5）裝配式結構應采取加強整體連接的措施。6）便于對建筑物進行檢修。港口碼頭結構抗震設計要點二、結構抗震驗算的原則和條件1.港口碼頭建筑物抗震設計屬于偶然狀況，僅進行承載力極限狀態(tài)驗算（抗震穩(wěn)定和承載力驗算）。2.在抗震設計中進行作用組合時，各種作用的標準值為靜力計算的數(shù)值乘以地震時各作用組合系數(shù)。港口碼頭結構抗震設計要點3.抗震設計時的水位按下表采用4.水平向地震系數(shù)，7度、8度、9度地震分采用0.1、0.2、0.4。5.港口碼頭建筑物水平向地震作用，應根據(jù)建筑物的型式，分別對縱、橫兩個方向或其中的一個方向進行驗算。港口碼頭結構抗震設計要點6.港口碼頭建筑物的豎向地震慣性力，可按相應的水平向地震慣性力算法，以豎向地震系數(shù)代替水平向地震系數(shù)進行計算，豎向地震系數(shù)為水平向地震系數(shù)的2/3倍。對于重力式建筑物當設計烈度為8度、9度時，需同時計入水平向和豎向地震慣性力，此時豎向地震慣性力應乘以0.5的組合系數(shù)。7.計算地震慣性力時，重力按空氣中重力計算，水下土體按飽和重度計算。三、結構抗震驗算1.高樁碼頭1）地震時，高樁碼頭主要承受的地震作用為地震慣性力。2）對設有前后方樁臺的高樁碼頭，應按規(guī)范的下列規(guī)定進行驗算：①前后放樁臺可作為整體進行橫向地震慣性力計算；②對高樁碼頭縱向地震慣性力，可僅計算端部段，中間段可不考慮；港口碼頭結構抗震設計要點③基樁內力按剛架計算，前后方樁臺間可按設鉸連桿考慮；④對質量和剛度明顯不均勻、不對稱的樁基碼頭結構，應考慮水平向地震作用的扭轉影響。3.碼頭鋼筋混凝土樁、柱截面承載力應按下列公式驗算：式中抗震調整系數(shù)，當所采用的鋼筋強度設計值不大于時，取1.202.重力式碼頭為簡化計算起見，把港口重力式碼頭復雜的地震運動簡化為地震作用，其中包括地震慣性力、地震土壓力和地震動水壓力。當?shù)卣鹱饔么_定后，重力式碼頭抗震穩(wěn)定性（抗滑和抗傾）可按方法驗算：1）岸壁式碼頭抗滑穩(wěn)定性按下式驗算港口碼頭結構抗震設計要點2）岸壁式碼頭抗傾穩(wěn)定性按下式驗算3.板樁碼頭由于地震時板樁碼頭的動力性狀至今尚不清楚，所以抗震計算采用靜力法，但在計算作用于板樁墻上的土壓力時，采用地震土壓力。地震時板樁碼頭承受的地震作用主要是地震土壓力，板樁自身的地震慣性力忽略。由于板樁墻是柔性薄壁結構，對柔性墻的地震土壓力的計算方法，目前國內外研究甚少，仍按剛性墻地震土壓力計算。1）板樁墻的入土深度應滿足下式踢腳穩(wěn)定要求港口碼頭結構抗震設計要點2