范文一：岩土体在地震作用下的破坏研究

摇第35卷第10期摇2010年

10月

摇摇文章编号:0253-9993(2010)10-1621-06

JOURNALOFCHINACOALSOCIETY

煤摇摇炭摇摇学摇摇报

Vol.35摇No.10摇Oct.摇

2010摇

岩土体在地震作用下的破坏研究

言志信1,2,蔡汉成1,2,王群敏1,2,曹小红1,2,张刘平1,2

(1郾兰州大学土木工程与力学学院,甘肃兰州摇730000;2郾西部灾害与环境力学教育部重点实验室,甘肃兰州摇730000)

摘摇要:基于波动理论,从边坡岩土体的应力状态出发,分析了岩土体在地震作用下产生的动应力和重力作用产生的静应力共同作用下的应力状态。通过理论计算和数值模拟表明:对于土质边坡,坡顶附近的土体发生的是拉张破坏,以下部位发生的是剪切破坏;对于岩质边坡,坡顶附近岩体发生的是以结构面的拉张破坏为主的破坏,坡体下部发生剪切破坏;数值模拟的结果与计算结果具有良好的一致性。

关键词:岩土体;地震作用;应力状态;拉破坏;剪切破坏中图分类号:TD824郾7摇摇摇文献标志码:A

Researchonfailureofrockandsoilmassunderearthquake

(1.SchoolofCivilEngineeringandMechanics,LanzhouUniversity,Lanzhou摇730000,China;2郾KeyLaboratoryofMechanicsonDisasterandEnvironmentinWesternChina,MinistryofEducation,Lanzhou摇730000,China)

YANZhi鄄xin1,2,CAIHan鄄cheng1,2,WANGQun鄄min1,2,CAOXiao鄄hong1,2,ZHANGLiu鄄ping1,2

Abstract:Basedonthestressstateofrockandsoilslope,analyzedthestressstateofrockandsoilmasswhichcon鄄

tainsboththedynamicstresscausedbyearthquakeandstaticstresscausedbygravity.Thecalculationsshowthat:astothesoilslope,closetothetopofslopeistensilefailureandbelowofitisshearfailure;fortherockslope,closetothetopofslopistensilefailureofstructureplaneandbelowofitisshearfailure.Numericalsimulationhasgoodconsisten鄄cywithcalculatedresults.

Keywords:rock鄄soilmass;earthquake;stress;tensilefailure;shearfailure摇摇2008-05-12T14:28,四川省汶川县发生里氏8郾0

边坡的破坏效应表现为累积效应和触发效应两个方面。实际上,岩土体在地震作用下的应力状态是由地震作用形成的动应力和自重形成的静应力的叠加[6],岩土体的破坏归根结底是由于地震作用所产生的动应力改变了原有稳定的应力场,从而导致了岩土体的破坏。本文基于波动理论对比分析了地震前后边坡岩土体应力状态的差异,然后计算地震作用下的应力状态,最后基于岩土体拉张破坏判据和摩尔库仑剪切破坏准则对边坡岩土体在地震作用下的破坏进行了研究。

级强烈地震。地震触发了大量的滑坡、崩塌等地质灾害[1-2]。强烈地震时,地震诱发的滑坡崩塌灾害,特别是在山岳地区,其危害比地震直接造成的还要大[3]。因此,岩土体在地震作用下的破坏研究显得尤为重要。

传统的地质工程的观点认为,边坡岩土体在地震作用下的破坏主要是地震惯性力造成的剪切破坏。然而在对由汶川地震造成的滑坡的调查中却发现,大量的滑坡表现出坡顶后缘形成陡峻的拉裂面,下部坡体剪断,形成统一的滑面高速下滑[4]的地质力学模式。显然传统地震破坏观念忽略了边坡岩土体的拉张破坏,只考虑了剪切破坏。祁生文[5]利用工程地质分析法分析了地震对边坡的破坏效应,认为地震对

1摇地震荷载

以下分析都是基于岩土体的应力状态,为此需要把地震荷载转化成应力的形式表示。常用的地震波

收稿日期:2010-05-14摇摇责任编辑:柴海涛

摇摇基金项目:高等学校博士学科点专项科研基金项目(20090211110016);甘肃省科技计划资助项目(096RJZA048)

摇摇作者简介:言志信(1961—),男,湖南株洲人,博士,博士后,教授,博士生导师。E-mail:yzx10@163郾com。联系人:蔡汉成(1986—),男,硕士

研究生。E-mail:cahch04@lzu郾cn

1622

煤摇摇炭摇摇学摇摇报

压力系数。

2010年第35卷

都是加速度时程,只需要将加速度时程进行快速傅里即可以得到地震产生动应力表达式为

滓s=籽Csvs

叶转换得到速度时程。然后根据波动理论公式[7],

(1)

力,滓3为水平主应力,酌为土体容重,h为深度,k0为侧

式中,滓s为地震作用产生的水平应力;籽为岩土体密度;Cs=

水平振动速度(关于时间t的变量)。

为岩土体中横波的波速;vs为质点的

地震作用造成的动应力可简单地用简谐波图表达,如图1所示。从图1中可以看到,地震造成的动图2摇土体应力状态

应力的大小和方向都是随时间变化的,既有压应力也有拉应力,然而相比之下在以下分析中动应力都取为拉

,拉应力对岩土体的破坏大于压应力[6]

应力,并且取其最大值和最不利于岩土体稳定的方

。因此,向。

图1摇动应力简谐波表示

Fig郾1摇Harmonicwaveexpressionofdynamicstress

汶川地震边坡破坏现象表明,岩土体的破坏是拉张破坏和剪切破坏共同组成的。在本文的分析中考虑了边坡的拉张破坏,因此必须给出岩土体拉张破坏的判据(1)。岩石是低抗拉介质岩土体拉张破裂判据[6]:强度更低。

,节理、断层、层理的抗拉发生拉张破坏(2)岩土体如果同时承受拉应力,然后才可能发生剪切破坏、剪应力。,首先强度时(3),此节点就破裂当某一节点的最大拉应力大于岩石的抗拉

,即

滓逸[滓]

(2)

其中,滓为节点的最大拉应力。在动力作用下,总应力为静力、动力同时作用下的应力值之和,即滓=滓滓z+s,其中滓z、滓s分别为静力、动力作用下的应力值。直时,(4)岩石破裂当主压应力矢量方向与最大拉应力方向垂应力的点优先破裂(5)在众多承受拉应力的应力场中。

。

,承受最大拉

2摇地震力对土体的破坏分析及数值模拟分析

2郾1摇地震力对土体的破坏分析

图2(a)为边坡中的一点在未发生地震作用前的

自重应力状态,滓1=酌h,滓3=k0酌h,其中滓1为垂直主应

Fig郾2摇Stressstateofsoilmass

当土体受到水平地震力的作用时,其应力状态将发生变化,会受到附加的水平动应力,大小可以根据式(1)计算得到,动应力取最大值和最不利于稳定的方向,如图2(b)所示,此时,滓滓13-籽C某土坡的材料参数sv。

=酌h,滓忆3=滓3-滓s=:密度为2000kg/m3,剪切模

16郾量为7毅,29郾黏聚力为8MPa,体积模量为33郾3kPa,抗拉强度为64郾5MPa,10内摩擦角为

震力作用下土体的破坏进行分析。水平振动速度分kPa。对地别取0郾10、0郾15、0郾20m/s来进行计算。计算由上述材料组成的边坡中距坡顶不同距离的各点在地震作用下所受的拉应力以及是否发生拉张破坏,如图3所示,A、B、C、D和E点分别距坡顶1、2、3、4和5m,计算结果以压应力为正,拉应力为负,

见表1。

图3摇边坡模型

Fig郾3摇Slopemodel

由表1可知,当离坡顶较近(1~2m)时,岩土体在地震振动速度0郾10、0郾15、0郾20m/s作用下均产生了拉应力且大于抗拉强度,根据拉张破坏判据,岩土体发生了拉破坏;当距坡顶的距离(3~4m)增大时,岩土体在地震振动速度为0郾10m/s时没有产生拉应力,而在速度为0郾15、0郾20m/s时产生的拉应力大于抗拉强度,发生了拉张破坏;当离坡面的距离为5m时,岩土体仅在地震振动速度为0郾20m/s时产生的0郾拉应10、0郾力15大于m/抗s时不产生拉应力拉强度,发生拉。

破坏,振动速度为

由上面的计算结果可知,在地震作用下,坡顶面

附近的岩土体发生了拉破坏,随着距坡顶距离的增大,需要发生拉破坏的振动速度也越来越大,到达一

表1摇边坡中各点的拉应力及破坏状态

Table1摇Tensilestressandfailurestateofsoilmassinslope

(m·s-1)滓忆s/kPa破坏状态

vs/

A

0郾10-16是

0郾15-29是

0郾20-41是

0郾10是

B0郾15-21是

0郾20-33是

0郾100郾4否

C0郾15-13是

0郾20-25是

0郾107郾6否

D0郾15-5是

0郾20-17是

0郾1016否

E0郾153郾4否

0郾20-9是

-8郾4

定深度后不再产生拉应力,不发生拉破坏。由此可知,拉破坏发生在坡顶面以下一定范围内,并且其深度范围受岩土体抗拉强度和地震烈度控制,地震烈度越大,岩土体抗拉强度越小,发生拉破坏的深度也越大。这里需要注意的是,在上面的计算中并没有考虑边坡对地震波的放大作用,实际上边坡顶部动力响应幅值较边坡底部存在明显的放大现象(垂直向放大),边坡动力响应从坡顶向下是逐渐减小的[8]以坡顶附近土体很容易产生拉应力,发生拉破坏。,所向下随着边坡动力响应的减弱和岩土体自重应力的增大,岩土体不会产生拉应力,亦即不会发生拉张破坏。摇

以上对坡顶附近岩土体在地震作用下的破坏进行了分析,下面对坡顶以下不会产生拉应力区域的破坏进行分析。图2(a)为边坡中某点的应力状态,在三向应力状态下,若不计中间主应力滓2的影响,根据一点的应力状态概念,则

滓琢=

滓1+2滓3+滓1-2滓3

cos2琢(3)子琢=滓1-滓3摇摇整理上面两式可得

2

sin2琢

(4)

滓3=滓1tan2

(摇摇式(5)为极限平衡条件45毅-渍

2

)

-2ctan(45毅-渍

。当岩土体的最大主应2

)

(5)

力滓当岩土体受到水平地震力作用时1增大或者滓3减小时,岩土体将发生剪切破坏。,将会产生水平动应力,如图2(b)所示。依据式(1)可得水平动应力滓此时滓忆s3=滓3-滓s=滓3-籽Csv,即滓3减小,根据式(5)可,

知,岩土体将发生剪切破坏,在摩尔圆中表现为滓小,摩尔圆半径增大,向左移动接近破坏包络线。3减可以看出,如果v越大则产生的动应力越大,岩土体越2郾容易发生剪切破坏2摇数值模拟分析。

某均质土坡,坡角45毅,坡高20m,总高40m,顶边长50m,边坡模型如图3所示。输入的地震波持时20s,相应的加速度峰值为1郾28m/s2如图4所示

。

,时步0郾02s,

图4摇地震波水平加速度-时间曲线

Fig郾4摇Horizontalacceleration鄄timecurve

数值模拟软件采用FLAC2D时,为了保证波在模型中正确传播6郾0,,划分网格最大尺在进行动力分析

寸为2m,模型采用平面应变假设与摩尔-库仑强度准测。坡顶为自由表面;左侧和右侧边界施加水平方向的位移约束,同时施加黏滞边界条件和自由场边界条件;模型底部设置水平和垂直方向位移约束,施加黏滞边界条件,地震波从模型底部施加。阻尼采用局部阻尼,阻尼系数取0郾157。

图5为边坡在地震作用下的不同时刻的塑性状态。其中图5(a)为静力平衡条件下塑性状态,可以看到此时边坡基本上处于弹性状态,边坡岩土体未发生破坏。

输入地震波以后,当t=4s时,从图5(b)中可以看到沿坡顶向下一定范围内发生拉破坏,以下部位则主要发生剪破坏。随着地震动的持续,当t=8郾8s6时m,坡顶向下发生拉破坏的深度显著增大左右,其余部位剪切破坏。

,最大深度

图6为边坡在静力作用下和动力作用下塑性应

变增量。在静力作用下,坡脚处的塑性应变增量最大,约为0郾03,塑性应变增量从坡脚一直贯穿到坡顶,边坡在静力作用下的破坏是沿潜在滑面的剪切破坏。而在动力作用下,塑性应变增量显著增大,比在静力条件下大两个数量级。但是塑性应变增量只从坡脚发展到离坡顶一定距离的范围内,坡顶附近并没有产生塑性应变增量,也就是说坡顶附近在地震动力作用下发生了拉破坏而非剪切破坏,以下部位发生剪切破坏。

2010年第35

卷

图5摇边坡塑性状态

Fig郾5摇Plasticitystateof

slope

图6摇边坡剪应变增量

Fig郾6摇Shearstrainincrementofslope

3摇地震力对岩体的破坏研究

3郾1摇数值模拟分析

岩质边坡数值模型如图3所示,其中模型的尺寸、边界条件、阻尼比、网格划分尺寸、本构模型、破坏准则均的选取均与土坡模型一致。输入的地震波为图4所示的地震波放大5倍以后得到的,持时20s,加速度峰值6郾4m/s2

模型参数:密度。

16郾1GPa,内摩擦角为为2300kg/m3,弹性模量为

比为0郾3。

47郾3毅,黏聚力为1MPa,泊松图7为岩质边坡在静力和动力作用下剪应力云图。从图7(a)中可以看到,在岩质边坡在静力作用下,剪应力由坡角向坡顶逐渐减小,但是都处于同一量级,没有形成明显的剪应力集中区。而在动力作用下,如图7(b)所示,坡顶附近的剪应力比静力作用下大一个量级,坡腰及坡脚附近的剪应力比静力作用下大两个量级,在坡腰及坡脚附近形成了明显的剪应力集中区,此时最大剪应力迹线近似为圆弧型。由此可

以得出,在动力作用下,边坡下部的岩体所受的剪应力显著大于上部岩体。同时,图8为边坡在静力和动8(a)力作用下的最小主应力云图(水平向主应力)。从图

应力(FLAC中可以看到里面拉应力为正,在静力作用下,压应力为负,边坡中没有出现拉)。而在动力作用下,如图8(b)所示,在坡顶附近出现了明显的拉应力区域,显然拉应力的出现会导致岩体这种低抗拉介质发生拉破坏

。

图7摇剪应力云图(单位:Pa)

Fig郾7摇Shearstresscloud

map

图8摇最小主应力云图(单位:Pa)

Fig郾8摇Minimumprincipalstresscloudmap

综合对比分析图7和图8可以看出,岩质边坡在动力荷载的作用下,坡顶附近岩体会产生明显的拉应力和相对较小的剪应力,而下部岩体中会形成明显的剪应力增高区。根据第2节岩石抗拉判据可知,岩土体如果同时承受拉应力、剪应力时,首先发生拉张破坏。所以可以得出,在动荷载的作用下,坡顶附近岩3郾体发生拉张破坏2摇结构面对岩体破坏影响的分析

,下部岩体主要发生剪切破坏。

岩体与土体最大区别在于,岩体中充满了大量的软弱结构面,其结构面是岩体中力学相对薄弱的部位,它导致岩体力学性能的不连续性、不均一性和各向异性。因此,对于岩质边坡而言,其内部软弱结构面在动力作用下的强度特征及其动力响应将是决定边坡动力稳定性的重要因素。

根据孙进忠[9]的研究成果表明,在地震作用下,

结构面离坡顶越近,结构面上部岩土体振动越强烈;结构面倾角从反倾到顺倾的变化过程中,结构面上部岩土体的振动加速度越来越大。

图9为不含结构面的边坡和含结构面的边坡在地震作用下的加速度放大系数对比。加速度放大系数定义为边坡地震动力响应加速度动力响应峰值与坡脚底面加速度动力响应峰值的比值。假定坡体内任意一点A的动力响应的加速度峰值为AA,坡脚C点的动力响应的加速度峰值为AC,则该点的加速度应力场10m深一点的自重应力,自重应力滓z=籽gh=

0郾25MPa。通过上面的计算对比可知,在强震作用下,由地震作用造成的动应力(2郾4~8郾3MPa)比静力(0郾25MPa)作用下的应力高一个量级,所以在强震作用下可以忽略静应力,只考虑动应力对岩土体的破坏。

图10(a)为含结构面的岩土体在地震前的应力状态,图10(b)为含结构面的岩土体在地震后的应力状态,结构面上的法向应力和剪应力表达式为

放大系数就可以表示为:琢=AA/AC系数分布规律便可以代表加速度

。

,这样加速度放大图9摇加速度放大系数[9]

Fig郾9摇Accelerationamplificationfactorofslope[9]

从图9中可以看到,结构面的存在显著增强了结构面上部的动力响应,并且造成了结构面附近动力响应急剧增大。结构面上部坡肩附近的岩土体最大加速度放大系数由无结构面时的1郾42增大到2郾12;结构面下部动力反应较无结构面时也略有增大,幅度明显小于上部。由此可见,岩体在地震作用下动力响应最强烈的地方是软弱结构面附近及其上部坡肩部位。摇

在地震作用下,岩土体处于动荷载和静力共同作用下,所以岩土体所受总应力是静应力和动应力之和。以峪烈度地震的振动速度20~35cm/s[10]

为例

来对强震产生的动应力进行计算。

由图9可知,结构面的存在显著增大了边坡的动力响应,所以计算时考虑软弱结构面对地震的放大作20用,~将地震振动速度放大两倍计算70cm/s,材料参数取密度为2500,取振动速度为kg/m3模量为46GPa,泊松比为=2郾40郾~8郾23,,弹性

3由式MPa。(1)计算处于自重

可知,地震产生的水平动应力滓s滓琢=

滓1+2滓3-滓1-2滓3

cos2茁

(6)子琢=

滓1-2

滓3

sin2茁

(7)

图10摇含结构面岩体的应力状态

摇Fig郾级摇,故式由上面的计算可知10摇Stressstateofrock(6)可以近似简化为

,静应力比动应力小一个数量

masscontainingstructureplanes

滓琢=

滓摇2

3

(cos2茁+1)(8)

入式摇将(8)滓可得3=-2郾滓4~-8郾3MPa(地震产生的动应力)代琢震作用下,水平地震力的作用使岩土体产生了拉应抑-2郾4~-8郾3MPa。可以看到,地力,进而使得结构面上产生了法向拉应力。根据表2可知,一般岩土体的抗拉强度在3郾7~5郾6MPa之间,断层、深拉裂缝带、不连续界面等软弱结构面的抗拉8郾强度值更低,远小于地震作用造成的拉应力(2郾4~

坏应该是以岩体和结构面的拉张破坏为主3MPa)。因此,在地震作用下,坡顶附近岩体的破。

表2摇岩土体抗拉强度值[11-13]

Table2摇Anti鄄tensilestrengthofrockandsoilmass[11-13]

岩土体名称抗拉强度/MPa

岩土体名称

抗拉强度/MPa砂板岩强风化层3郾90黄土0郾0028砂板岩新鲜岩体5郾60泥质砂岩1郾40大理岩强风化层3郾70中砂岩0郾238大理岩新鲜岩体

4郾10细砂岩0郾247断层1郾00粗砂岩0郾896深拉裂缝带

1郾00

砾岩

1郾1

2010年第35卷

摇摇由图9可以看到,边坡顶部动力响应幅值较之边

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ofRockMechanicsandEngineering,2004,23(16):2792-2797.ofRockMechanicsandEngineering,2009,28(6):1239-1249.

坡底部存在明显的放大和集中现象,尤其是在坡顶、坡肩部位。坡顶以下部位动力响应幅值减小较快。所以,地震作用造成动应力在坡顶、坡肩部位相对较大,这些部位在动应力和静应力的耦合作用下容易产生拉应力。所以对于岩质边坡,坡顶和坡肩部位的破坏应该是以沿结构面、不连续面的拉张破坏为主。随着离坡顶距离的增大,边坡动力响应逐渐减弱,岩土体的自重应力增大,岩土体在动应力和静应力的作用下产生的拉应力逐渐减小,直至到不产生拉应力,这时根据2郾1节的分析可知边坡将发生剪切破坏。摇摇

4摇结摇摇论

应力的共同作用下会产生拉应力(1)岩土体在地震作用造成的动应力和自重静,坡顶附近发生拉张破坏,发生拉张破坏。下部位发生剪切破坏(2)对于土质边坡。

,以并且造成了结构面附近动力响应急剧增大(3)结构面的存在显著增强了边坡的动力响应,形成了动,应力集中区(4)对于岩质边坡。

张破坏为主的破坏,下部发生剪切破坏,坡顶附近发生以结构面的拉

。参考文献:

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Society,

范文二：地震作用的破坏原理及计算方法简述

地震作用的破坏原理及计算方法简述

何晓宇

深圳市地震局广东深圳518026

摘要：本文主要介绍地震作用的破坏形式、原理和计算方法,以及抗震设计中变量的意义。地震虽然无法精确预测，但只要根据确定抗震设防要求，采取合理的抗震设计和科学的计算方法，严格按照抗震设计施工，就能降低地震灾害的风险，减轻地震破坏。

关键词：地震作用，计算方法，结构，简述

中图分类号：P315

前言

我国位于欧亚大陆的东南部，受环太平洋地震带和欧亚文献标识码：A文章编号：

图1：中国4级以上地震震中分布图

地震带的影响，自古以来就是一个多地震的国家，有文

字可考的最早的地震记载见于《竹书记年》，距今已有四千

多年的历史。在周边板块碰撞或俯冲的推动下，板块之间产生了不同形式、不同规模和速率的相互错动。大体上又可分为西部板内聚敛为主的挤压区，东部东北、华北的拉张裂陷区和东南部处于西部挤压与北部围限下整体稳定滑移区。我国有23条地震带，绝大部分破坏性地震发生在地震带上（图

1）。除浙江外，其他省份都发生过6级以上地震，60%的省份发生过7级以上的地震。在当前科技水平下，精确预测地震无法实现，只有提高建筑物抗震性能，才能减轻地震灾害。

一、地震作用的原理

地震作用，指由地运动引起的结构动态作用,造成结构的加速度、惯性力的方向和大小及形态发生变化，分水平地震作用和竖向地震作用，与地运动、场地土特性、建筑物自振特性有关，震级、震中距、场地条件、地震波传播路径都会影响地面运动。地震是由不同周期的振动频率组成，当建筑结构的自振频率与地震的主振频率相近时，就可能产生共振而造成破坏甚至倒塌。

地震作用下，单自由度体系受惯性力、阻尼力和弹性恢复力作用，其平衡方程式为：

x″+2ωξx′+ωx=-x″g

式中x，x′，x″

度；

x″g地面加速度时程函数；结构相对地面的位移、速度、加速2

ω

ξ角频率，=(k/m)1/2，其中k为刚度；阻尼比，=c/2ωm，其中c为阻尼系数;

二、地震作用下建筑物破坏形式

地震对建筑物破坏主要包括结构完整性破坏、重力荷载破坏、地基失效。

图2：汶川地震中建筑物破坏

1、结构完整性破坏

建筑物是一个系统，由许多类型构件组成，在地震作用下因构件连接不牢、支撑长度不够或作为支座的墙体倒塌、柱断裂，都会引起结构丧失整体性而破坏。2、重力荷载的破坏

墙、柱、梁等作为结构主要承重的构件，由于其强度不足，在地震发生时遭到破坏，无法再承受结构的重力荷载，从而造成建筑物坍塌。

3、地基失效

当建筑物建在软弱的地基土上或建在液化的地基土上，而又未进行特殊处理，在地震发生时地基土的抗剪承载能力不能抵抗重力的继续作用，从而造成房屋的局部倾斜或不均匀下沉。

图2为汶川地震中，地震竖向作用十分强烈，震中区域的框架柱出现了(水平、竖向叠加作用的)粉碎性压缩破坏，从而建筑物的重力荷载导致房屋严重破坏甚至垮塌。一般情况下，地震竖向破坏作用相对低于地震水平作用，但汶川地震却出现了一些框架结构的破坏体现为框架柱先于框架梁破坏现象（除了个别建筑物没有按照“强柱弱梁”设计原则）。

三、地震作用的计算方法

一般情况下，抗震设防采用中国地震动参数区划图的基本烈度，重大的建设工程和可能产生严重次生灾害建设工程应先进行地震安全性评价，根据评价给定的地震动参数确定设防要求。结构地震反应计算方法的发展，大致可以划分为三个阶段：

1、静力理论阶段---静力法

1920年，由日本大森房吉提出。假定建筑物为绝对刚体，结构所受的水平地震作用，简化为作用于结构上的等效水平静力，其大小与结构重力荷载成倍数关系。这种方法的缺陷是一没有考虑结构自身的动力特性，二把结构认为是刚性的。

2、反应谱理论阶段

1943年美国皮奥特（M.A.Biot）发表了以实际地震记录求得的加速度反应谱，提出的“弹性反应谱理论”。由于反应谱理论正确而简单地反映了地震特性以及结构的动力特性，从而得到了国际上广泛的承认。随着计算机技术的发展，到上个世纪五十年代，反应谱计算得以实现，并运用到抗震设计上，反应谱理论基本取代了静力法，为世界上普遍采用此方法。

3、动力分析阶段---时程分析法

大量的地震灾害研究表明，反应谱理论虽考虑了振幅和频谱两个要素，但在设计理论中没有考虑地震动时间因素，这是反应谱理论的局限。时程分析法将实际地震加速度时程记录作为动荷载输入，进行结构的地震响应分析，既考虑了地震强度、频谱特性、地震持续时间，又考虑了反应谱所不具备的其它特性参数。时程分析法主要用于大震分析计算，是对反应谱方法设计的重要补充和完善。

我国抗震规范采用的结构地震反应分析方法。

我国规范针对不同各类型结构，采取相应的地震作用分析方法。主要有：不超过40m的规则结构采取底部剪力法；一般的规则结构采取两个主轴的振型分解反应谱法；质量和刚度分布明显不对称结构考虑扭转或双向地震作用的振型分解反应谱法；Ⅷ、Ⅸ度时的大跨、长悬臂结构和Ⅸ度的高层建筑，考虑竖向地震作用；特别不规则、甲类和超过规定范围的高层建筑采取一维或二维时程分析法的补充计算。

四、单自由度弹性体系的地震作用及其反应谱

水平地震作用：单自由度体系的单自由度体系的水平水平地震作用：

当基础作水平运动时，作用于单自由度弹性体系质点上的惯性力为F=?mx＂(t)g(t)+x＂[]max;

由?mx＂(t)+x＂(t)?cx＇(t)?kx(t)=0g

得g[]?m[x＂(t)+x＂(t)]=cx＇(t)+kx(t)≈kx(t)

地震作用下，质点在任一时刻的相对位移x(t)将与该时刻的瞬时惯性力成正比，从而可认为质点相对位移是在惯性力作用引起的，惯性力对结构体系的作用和地震对结构体系的作用效果相当，可认为是一种反映地震影响效果的等效力。位移最大时，x＇为0，即F=Kxmax。求得地震作用后，即

可按静力分析方法计算结构的最大位移反应。

单自由度体系地震反应谱：

单自由度体系的地震最大绝对加速度反应与其自振周期T的关系，记为Sa（t），

Sa(t)=x＂(t)+x＂gmax?ξω(t?τ)=ω∫x＂(τ)esinω(t?τ)dτg0tmax

2π?ξt?τ)2πt2π。T=x＂(τ)esin(t?τ)dτgT∫0Tmax震动参数影响。

标准反应谱：

把水平地震作用的基本公式变换为

F=?mx＂(t)g(t)+x＂[]maxSa(t)x＂0(t)=mSa(t)=mg?=Gβkx＂g0(t)

x＂0(t)k=g为地震系数，表示地面运动的最大加速度与重力加速度之比。β=Sa(t)为动力系数，是单质点最大加速x＂0(t)

度绝对值与地面最大加速度值之比。

规范根据烈度所对应的地面加速度峰值进行调整后得到地震系数k与地震烈度的关系表：

基本烈度

设计基本

加速度值

KⅥ0.05g0.05Ⅶ0.1g0.1Ⅷ0.2g0.2Ⅸ0.4g0.4

为了便于计算，《抗震规范》采用相对于重力加速度的单质点绝对最大加速度与体系自振周期之间的关系谱，实质是加速度谱，称为地震影响系数α。

Sα==kβg

故水平地震作用F=αG。

竖向地震反应谱与水平地震反应谱的比较:形状相差不大，加速度峰值约为水平的1/2至2/3。故可利用水平地震反应谱进行分析，本文不再赘述。

多自由度体系目前多采用振型分解反应谱法、底部剪力法等进行计算，实际抗震设计中通常采取周期等效、质量等效、控制截面内力等效等原则，将多自由度体系等效为单自由度弹性体系进行计算。

五、结束语

当前，我国现行的各抗震设计规范大都是以“设防烈度”或“设计烈度”为依据的。特别是地基处理、选材选型和结构抗震措施等，均要求按烈度分档进行设计，只有少数需要进行抗震验算或模型实验的工程才用到加速度。烈度与加速度在工程抗震设防中的作用不同，它们之间是互为补充的关系，选用变异系数较小的标量为主要设防依据是合情合理的。

参考文献：

[1]中华人民共和国建设部主编.GB50011-2010建筑抗震设计规范[S]北京：中国建筑工业出版社，2010.

[2]李国强.《建筑结构抗震设计》(建工版)中国建筑工业出版社2009.

[3]黄吉锋，邵弘，杨志勇.复杂建筑结构竖向地震作用的振型分解反应谱分析[J].建筑结构学报，2008年（增刊1）.

[4]叶列平，经杰，论结构抗震设计方法，第六届全国地震工程会议论文集，2002年11月南京，东南大学出版社.

地震作用的破坏原理及计算方法简述作者：

作者单位：

刊名：

英文刊名：

年，卷(期)：何晓宇深圳市地震局城市建设理论研究（电子版）ChengShi Jianshe LiLun Yan Jiu2012(24)

本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_csjsllyj2012241580.aspx

范文三：地震对于桥梁的破坏

地震对于桥梁的破坏

学号：120147142 姓名：李胜伟

石家庄铁道大学 土木工程学院

1 题目分析

当前，我国公路铁路事业高速发展，不管在数量方面还是在延伸长度方面都在高速增长，城市化规模大幅推进。随之而来的是对城市立交桥、高架桥、铁路桥等的大量的需求。桥梁给人们的出行提供了很多的便利，同时由于最近几年我国饱受地震灾害困扰，比如汶川大地震、青海地震等。如果在地震的强烈作用下，桥梁产生大规模破损或者倒塌，其产生的影响会深深影响到国家的建设。所以，必须加强在桥梁抗震方面的研究，减少地震对于桥梁造成的巨大破坏。下面，我将运用我在信息检索课程里面学到的知识来分析地震对于桥梁的破坏，找寻发生破坏的原因，由此来采用合理的措施来减少桥梁的破坏。

2 检索过程（图书、期刊、专利、报纸、网页等）

2.1 构造检索式

检索表达式1、地震灾害的产生原因

检索表达式2、地震对于桥梁的破坏原因

检索表达式3、地震对桥梁系统产生的影响

检索表达式4、如何采取合适措施减少地震对桥梁产生不良影响

其中，检索式1在百度搜索引擎中由百度文库查找；

检索式2在好搜搜索引擎专业搜索中的学术检索实现；

检索式3在中国知网的数据库中检索

检索式4在西文期刊目次数据库中检索

2.2 检索策略（结果精炼、重新构造检索式）

在百度搜索栏输入“地震灾害产生的原因”，出现了相关结果约10,300,000个。其中第一页的资料已经足够详细，可以很好的阐述地震灾害如何产生，包括百度知道、百度文库、天涯、豆丁等。但是由于结果太多，需要精炼，需重新构造检索式“地震+产生原因”。 在好搜的搜索栏输入“地震对于桥梁的破坏原因”，找到相关结果约691,000个。相比于百度搜索查找数量减少了很多。同时，查找文献质量上也有差距，好搜搜索到的文献，大部分是混凝土桥梁的破坏，没有提及其他类型桥梁，并且还有还几篇文献是引用的百度文库。 在中国知网的数据库中按检索式3进行检索，找到 1,889 条结果。数目太多进行高级检索（主题：桥梁；并含：地震灾害），检索到5篇合适的文献，可以进行相关阅读下载。

在西文期刊目次数据库中进行检索，输入“How to take appropriate measures to reduce the adverse effects of the bridge seismic”，命中4896049条。文献太多，需要进行精炼，重新构造检索式。在[篇名]信息中，按照[包含]检索：bridge seismic ；并且在[篇名]信息中，按照[包含]检索：reduce the adverse effects ；时间固定在2014年。检索到198篇文献。

2.3 检索结果

1、由检索式1搜到的结果

由于结果太多，进行高级搜索，对结果进行精炼，重新构造检索式。

查找结果相比于第一次搜索减少了很多，进行了精简。

2、由检索2搜到的结果

数量太多，并且匹配度不高，构造检索式重新搜索。

这样的搜索结果也不太满意，不过总归是降低了检查范围。由此可见，百度搜索依旧很强大，其他中文搜索引擎无法撼动它的地位。

3、由检索3搜到的结果

第一次搜索文献数量太多，进行构造式重造：

重新搜索后只有5篇文献符合条件了，由此再来找寻合适自己的文献就很方便了。

4、由检索4搜的结果

检索结果过多，并且无法定位到合适自己的文献，所以进行二次检索：

由此，搜索到的文献缩小到198篇。

3 文献阅读与分析

3.1 文献下载和管理

通过百度搜索到的文献，通过百度网页下载下来，在自己电脑上阅读观看。

通过好搜搜索到的文献，通过网页下载下来，在电脑上存到相关文件夹下，随后进行相

关阅读。同时下载好的文件在阅读时候通过OFFICE的功能进行批注，做好笔记。

通过中国知网查询到的文献，通过阅读摘要，找寻适合自己课题的文献，进行下载。

由于知网下载是PDF版的，无法在文件上做笔记，所以建立一个WORD文档，将相关合适的图片、文字通过截图保存下来，以备将来使用。

通过CALIS外文期刊网下载的文献，

通过阅读，找到合适自己的文献。

3.2 文献阅读和分析

本篇文献通过对汶川地震中桥梁的破坏情况，分析了大地震对桥梁结构破坏的机理，并且由此推出公路、铁路不同的设计理念，不同的设计方法，来更好的设计符合当地使用要求的桥梁。文中首先列举了不同的地震对于桥梁结构的破坏，借此进行汶川大地震桥梁破坏机理的分析。由这个分析原理，作者提出了一些自己的启示和建议，提出从抗震概念设计、抗震计算设计、抗震构造设计等三方面着手，指出了桥梁抗震仿真计算的精确化和采用减隔震控制技术是未来桥梁抗震设计的趋势。同时作者还在文章后半段提出了一些在地震峰值加速度较高地区的铁路桥梁减震技术的应用研究，做了很多的研究、对比，对于抗震有很高的借鉴意义。

本篇通过在网络层面对特伦蒂诺的道路桥梁系统的地震风险进行了评估。给出网络中的任意两点，可以计算出两地间的连通度，计算结果在Google Earth 中显示出来，可以帮助桥梁管理人员和政府官员了解桥梁网络状态，并且可以帮助他们在地震发生后，迅速地作出合理有效的抗震救灾决策。

但是，本文的分析中仍然存在一些不足。首先，我们仅仅考虑了桥梁的地震风险，而没有考虑道路、隧道等元素的影响。其次，在本文的分析中，所有的桥梁被认为是相互独立，没有考虑它们之间的相关性。这些是作者下一步的研究方向。

本篇通过对混凝土桥的抗震研究，提出了钢筋混凝土提出了钢筋混凝土桥墩地震损伤模型、静力弹塑性性能和变形能力建模、钢筋混凝土公路桥梁使用模型评估来表征脆弱性、地震的降解可以提高钢筋混凝土桥梁结构的脆弱性。文中，作者使用了大量的图表数据来证实自己的论点。

4 心得

通过学习信息检索这门课程以及上述检索过程的分析，信息检索的基本理论和方法、网络信息资源检索、学术论文数据库检索和文献阅读与论文写作我自己有了基本的了解。

过去进行论文检索时，我自己一般是直接登录百度，去百度中“海淘”。幸亏百度本身功能强大，并且不断进步，以前我还可以能找到类似的资源。但是这次不行了，内容的具体化、专业化让我无从下手，百度能找到的大部分是大众的常识性的东西，只要涉及到特别专

业的知识，百度也就只能让我寻个千百度，还找不到。

这门课并不只是简单的一门课，更是一门技术。通过此次课程设计，可以很快的把学到的知识用到了实践中，进而能够更加快速而准确的找到自己所需要的文献资料。在以后的学习工作中，我还会勤加练习检索方法和技巧，为毕业论文的写作打下良好的基础。总之，信息检索这门课是个应用性非常强的课程，并且用处也非常的大。谢谢老师。

范文四：地震作用下埋地管道的破坏类型及相应的工程措施浅析

地震作用下埋地管道的破坏类型及相应的工程措施浅析

摘要：埋地管道在人类的生产生活中起着日益重要的作用，但其在地震的作用下极易发生大规模的破坏又极难快速修复。本文仅对在地震作用下埋地管道的常见破坏类型做简单的理论分析，并针对其破坏的机理介绍其相应的工程措施。

关键词：埋地管道；地震；破坏类型；工程措施

Underground pipeline under the effect of earthquake damage types and the corresponding engineering measures

Gao Ruofan

Abstract: the buried pipeline in the production of human life plays an increasingly important role, but in the earthquake prone to massive destruction and extremely difficult to quickly repair. This article only on underground pipeline under the effect of earthquake damage to the common types of simple theoretical analysis, and the damage mechanism of the corresponding engineering measures.

Key words: buried pipeline earthquake damage types of engineering measures

中国处在太平洋地震断裂带上，属地震频发国家。在强烈的地震袭击下，不仅会带来人员的伤亡，也会带来巨大的财产损失。

一、地震作用下埋地管道的破坏

有关地震后埋地管线性状资料分析和一系列调查报告说明，沿管道纵轴作用的地震是这些构筑物破坏的主要原因之一。最重要的损坏首先发生在可见地震位移通过的那些地段，在土中约束很好的地下管道对地震位移非常敏感。

1、断层作用破坏及相应的工程措施

地震作用下埋地管道在断层处有三种可能的破换形式：拉裂、局部屈曲、梁式屈曲。

埋地管道在穿越正断层或者β≤90°的交角穿越走滑断层时，主要承受拉力，破坏形式为拉裂；埋地管道在穿越逆断层或者β大于90°的交角穿越走滑断层时，主要承受压力，其可能的破坏形式包括局部屈曲、梁式屈曲。

根据《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》（GB 50032—2003）规定，确定地区抗震设防烈度等级和设计地震分组，针对以上破坏类型提出以下工

程措施：(1)浅埋,减少约束，以利变形；(2)使管子轴线与断层线的夹角在30°-80°之间，在此范围内角度越大则管道越抗震(管子受拉)；(3)提高管材延性，防管壁厚的突然变化，在断层处的焊接质量要提高；

2、液化作用破坏及相应的工程措施

砂土液化同样是地面大位移形式之一。1964年日本新泻地震、1983年日本海中部地震,由于地基液化而导致很多地下管道遭到破坏。甘文水等指出,当地下管线周围土体在地震中发生大面积液化时,液化土将对地下管线产生上浮力,严时使管线发生破坏。进一步的研究表明,管线受到液化的振动和上浮作用,致使地下管道受到破坏。

针对地震中沙土的液化，应分别计算分段管和连续管道在土壤液化作用浮力下的应力应变关系，当计算的液化引起的分段管接头位移或连续管的应变大于允许值时，因采取相应的加固措施来保证管线的安全性。有如下具体措施: 1）采用混凝土输水管可以减小浮力的影响，但管径将变大，由于土壤液化也将使管道的横向阻力增大；2）混凝土重量或砂石填充物可以为管道提供额外的抗浮力；3）靠浅埋在地下水位以上可以减小管道的浮力作用；

3、永久地面变形（PGD）破坏及相应的工程措施

永久地面变形（PGD）是由于液化引起的横向扩散和滑坡引起的地面永久变形。按其方向又可分为纵向永久地面变形和横向永久地面变形，当地面变形引起的管段应变或者接头位移超过允许值侯要采取一定的加固措施，具体措施如下 ：

1)改善埋地土壤；2)减小管道直径，以减少管道摩阻力，此时应校核水力计算结果；3)使用合适的管套（降摩擦、防腐蚀PE）；4)管道周围土强度的改善来减少横向土运动；5)尽可能使管线位于液化土以下；

4、地震波作用破坏及相应的工程措施

前三者作用对于埋地管道的破坏是灾难性的，管道的普什应尽量避开可能发生这样地震效应的场地，而地震动的波动对管道的破坏是最普通的，地震波本身对于均值坚硬土层的埋地管道的破坏影响相对较小。但是影响所涉及的区域相当大，大多数地下管道的破坏是由于地震波动造成的。当场地土松软或不均匀是，尤其是场地条件差异较大的交界处破坏将加重。

在地震行波的作用下，地面上不同的点将产生相对位移，场地的相对位移通过土体传到埋地管道，从而使管道产生轴向变形和弯曲变形，由于管道质量较小，而周围的土对管道的约束很强，故在地震波作用下管道的动力放大作用很小，埋设管线的应力主要由周围土体的相对位移引起。

二、结论

综合上述分析，地震作用下埋地管道应根据工程地质条件、形地貌特征，结

合管道本身的力学材料特征及管径，埋深等工程状况，在规范的指导下，验算相应的力学指标。在此基础上判断地震作用下埋地管道可能发生的破坏类型，并结合工程实际情况选择经济合理的加固措施，确保埋地管道在地震作用下的整体安全性与完整性

参考文献

1、A．c．格赫曼，X．x．扎伊涅特季诺夫．管道的抗震设计施工与监护【M】．地震出版社，1992．

2、顾渭建．城市地下建筑非结构地震震害与对策【川】．特种结构，1996

3、《室外给水排水和燃气热力工程抗震设计规范》（GB 50032—2003）

4、王世生，张宏，崔孝秉.地震载荷作用下埋地管道强度的简化计算

作者简介：

高若凡西南交通大学土木工程学院

范文五：地震作用下钢结构的破坏及抗震性能的提高

第 41卷 第 12期 2011年 12月 建 筑 结 构 Building Structure Vol．41No．12

Dec．2011

地震作用下钢结构的破坏及抗震性能的提高

Hiroshi Tagawa

(名古屋大学环境科学研究生院 , 名古屋 464-8603, 日本 ) [摘要 ]首先探讨了地震对现代钢结构建筑的破坏情况 , 主要介绍了 1995年 兵 库 县 南 部 地 震 的 震 害 情 况 。 研 究 了地震作用对梁柱节点 、 柱 、 梁 、 支撑以及柱脚的破坏 。 对非结构构件在地震作用下的破坏以及结构对长周期地震 的响应进行了研究 。 其次 , 列出了钢结构抗震性能提 高 和 抗 震 评 估 的 方 法 。 对 改 进 的 梁 柱 节 点 形 式 , 例 如 改 进 扇 形开孔形状和减小梁截面等进行了研究并建议在实际工程中采用 。 介绍并探讨了约束屈曲支撑和阻尼器的应用 。 最后 , 列出了对既有钢结构建筑抗震性能的评估方法 。 [关键词 ]钢结构 ; 抗震性能 ; 地震 中图分类号 :TU391,

TU352．11文献标识码 :A

文章编号 :1002-

848X (2011) 12-0020-04Damage of steel buildings during earthquakes and their seismic upgrading

Hiroshi Tagawa

(Graduate School of Environmental Studies , Nagoya University , Nagoya 464-8603, Japan )

Abstract :This paper firstly describes damage to modern steel buildings observed mainly in the 1995Hyogo-ken Nanbu Earthquake．Damages to the beam-to-column connections , columns , beams , braces and column-bases were discussed．Problems such as damage to non-structural components and large response to the long-period earthquake were also described．Secondly , seismic upgrading methods and seismic evaluations for steel buildings were presented．Improved beam-to-column connections have been developed and recommended such as improved weld access hole shapes and reduced beam sections．The buckling-restrained braces and dampers were also presented and discussed．Finally , seismic capacity evaluation method was presented for existing steel buildings．Keywords :steel structure ; seismic performance ; earthquake

作者简介 :Hiroshi Tagawa , 名古 屋 大 学 建 筑 钢 结 构 抗 震 研 究 室 副 教

授 , 京都大学博士 ,

Email :h．tagawa@nagoya-u．jp 。 注 :本文由同济大学建筑工程系雷克 、 杨彬译 。

0简介

地震作用于结构时往往会引起结构的破坏 。 采

用最新的技术指引抗震设计就是为了避免上述的破 坏 。 然而 , 历史上发生的大地震经常对结构造成 严 重的破坏 。 例 如 1995年 的 兵 库 县 南 部 大 地 震 对 钢结 构 建 筑 造 成 了 严 重 的 破 坏 [1]

。 此 次 地 震 之 后 , 我们对震害进 行 了 广 泛 的 调 研 , 其 中 包 括 制 定

了提高 建 筑 物 抗 震 性 能 的 建 议

[2-4]

。 本 文 首 先 对

兵库县南部地震对 钢 结 构 建 筑 的 震 害 情 况 进 行 总 结 , 还介绍了 2011年 日 本 东 北 部 太 平 洋 海 岸 地 震 事件 。 其次 , 列 出 了 钢 结 构 抗 震 性 能 提 高 及 抗 震 评估的方法 。 1

地震中钢结构建筑的破坏

1．11995年兵库县南部地震破坏综述

数量众多的钢结构建筑在 1995年 兵 库 县 南 部 地震中遭受了严重破坏 。 文 [

1]介绍了 988座遭受 破坏的现代钢结构建筑 ,

这其中不包括采用轻钢构 件和老的钢框架结构 。 在这些建筑中 ,

90座发生坍 塌 ,

322座遭受严重 破 坏 , 266座 遭 受 中 度 破 坏 , 300多座遭受轻度破坏 。 发生坍 塌的 大多 为 2 5层的 建筑 。 在 遭 受 破 坏 的 建 筑 中 ,

432座 属 于 R-R 型 , 134座属于 R-B 型 , 34座属 于 B-B 型 , 其 中 R-R 型 为在两个主轴方向均无 支撑 的 建 筑 ,

R-B 型 为 在 一 个主轴方向有支撑而在另一个主轴方向无支撑的建 筑 ,

B-B 型为在两个主轴方向均有支撑的建筑 。 本文 1．2 1．5节 依 据 文 [

1]对 兵 库 县 南 部 地 震中结构构 件 的 震 害 情 况 进 行 简 要 介 绍 , 文 [2] [4]中则进行了详细的论述 。 文 [5]还对 1994年美 国北岭地震中钢结构建筑的震害情况进行了探讨 。 1．2梁柱节点的破坏

大多数梁柱节点的破坏涉及到断裂破坏 。 断裂 破坏主要分为两种类型 。 第一种类型的断裂破坏发 生在小尺寸的角焊缝处 。 角 焊 缝 尺寸较小 , 因而不 能将梁翼缘所受的力有 效 地 传 递 到柱翼缘 上 , 当发 生断裂破坏时 , 构件难以发生塑性变形 。 部分属于 该破坏类型的节点在梁翼缘上未设加劲板件 。 第二 种类型的梁柱节点断裂破坏发生在全融透焊缝连接 处 , 尤其是在梁下翼缘处 。 梁 端 表 现 出大的塑性变 形和 (或 ) 局 部 屈 曲 。 该 破 坏 发 生 在 如 图 1所 示 的 焊接金属热影响区 , 如母材及隔板中 。 在梁翼缘处 的断裂主要起始于扇形开孔的焊趾处 。

第 41卷 第 12期 Hiroshi Tagawa．

地震作用下钢结构的破坏及抗震性能的提高

图 1

典型梁柱节点裂纹区域

1．3柱和梁的破坏

大量的柱破坏集中在近节点区域 。 柱的破坏主 要包括柱端的塑性变形过大 、 柱的过度弯曲 、 局部屈 曲以及母材与柱的连接处的断裂破坏 。 在多数宽翼 缘柱中 , 出现很多绕弱轴 过 度 弯 曲的破坏 情况 。 梁 的破坏也主要集中在近节点区域 。 破坏情况包括梁 端出现塑性变形和局部屈曲 , 梁的 拼接处出现塑性 变形和螺栓断裂 , 梁腹板出现平面外屈曲等 。 1．4支撑的破坏

支撑的破坏包括屈曲和断裂破坏 。 支撑构件的 断裂破坏主要出现在端部的连接处或交叉处 。 支撑 连接处的断 裂 破 坏 出 现 在 螺 栓 连 接 和 焊 缝 连 接 区 域 。 我们发现在老建筑中使用的截面相对较小的支 撑发生了严重的破坏 。 支撑的破坏降低了框架的抗 侧刚度并增大了层间位移 , 且在某些情况下可导致 框架的整体坍塌 。

截面相对较大的支撑破坏更多发生在和其他结 构构件的连接区域 。 例如螺栓连接的破坏及梁与支 撑连接处发生严重的腹板屈曲和平面外扭转 。 支撑 与其他构件连接的形式对支撑破坏模式影响很大 。 1．5柱脚的破坏

在 218座 柱 脚 发 生 破 坏 的 建 筑 中 ,

127座 采 用 标准的柱脚基础底板 。 由于地脚锚栓的破坏导致了 101座建筑发 生 严 重 永 久 变 形 或 坍 塌 。 除 此 之 外 , 我们还发现柱底板发生弯曲 变形 、 柱脚角焊缝开裂 以及柱下混凝土开裂等破坏形式 。 许多外包混凝土 钢柱柱脚也发生了破坏 。 1．6其他问题

在经历地震之后 , 一些钢结构建筑的非结构构 件也发生了 破 坏 。 大 的 层 间 位 移 和 (或 ) 支 撑 的 平 面外屈曲可能造成了外墙的脱落 。 同时发现大跨度 结构中的天花板发生坠落

[6]

。

在 2011年日本东北部地区太平洋海岸地震中 , 我们观察到东京的高层建筑对长周期地震动出现了 大的地震响应 。 文 [7]讨论了长周期地震动及其对 建筑结构设计的影响 。

2

钢结构建筑抗震性能的提高

基于前期对钢结构 建 筑 的 震 害调查 , 我们拥有 了更加广泛的调查结果和新的进展来引导和制定提 高钢结构建筑的抗震性 能 的 方 法 。 2．1节 2．3节 提出了关于提高新建钢结构建筑抗震性能的方法 。 2. 4节则提出了对既有钢结构建筑抗震性能的评估 方法 。

2．1梁柱连接

如图 2所示 , 考虑到梁翼缘母材的开裂主要起 始于扇形开 孔 的 焊 趾 处 ,

文 [8]建 议 采 用 改 进 的 焊 接孔尺寸和无焊接孔的焊接形式 。 这种方法的目的 是为了减小焊缝连接处的应力集中从而避免焊缝开 裂 。 另一 方 面 , 如 图 3所 示 , 减 小 节 点 域 梁 截 面 (RBS ) 尺 寸 的 节 点 形 式 已 经 应 用 , 尤 其 是 在 美 国 。 这种设计使塑性铰产生 在 梁 截 面 减小处 , 以避免产 生在焊接连接区域 。 文 [

9]将 RBS 节点形式与无扇 形开孔节点形式的塑性转动能力进行了比较

。

图 2改进的梁柱节点详图

[8]

为了防止焊接断裂 , 螺栓 连 接 逐 渐开始成为取 代焊接连接的一种方式 。 梁柱连接采用 T 形板件 、 端板和角钢 连 接

[10]

。 螺 栓 连 接 根 据 其 转 动 刚 度 分

为刚性 、 半刚性和柔性连接 。 一 些 学 者提出半刚性 连接表现出良好的抗震性能 。 如图 4所示 , 文 [11]提出了一种采用槽钢加劲的栓接节点形式 。 2．2支撑构件

约束屈曲 支 撑 (BRB ) 因 为 可 以 减 轻 建 筑 物 震 害而得到了 广 泛 的 研 究

[12]

。 由 于 内 部 的 芯 板 具 有

良好的延性 , 采用 BRB 支 撑 不 仅 可 以 防 止 屈 曲 , 同

1

2

建 筑 结 构 2011

年

图 3

减小梁截面 (RBS

)

图 4

螺栓连接实例

[11]

时还可以 防 止 断 裂 。 图 5对 采 用 传 统 支 撑 和 BRB 支撑的框架进行了对比 。 如图 5(b ) 所示 , 约束屈曲 构件约束了支撑的屈曲 。 图 6为传统的约束屈曲构 件和内部芯板的形式 。 大部分约束屈曲构件是由钢 管或钢管 与 砂 浆 的 组 合 构 件 构 成 的 。 对 于 内 部 芯 板 , 常采用组合钢板或 钢 管 来 抵 抗 作用在支撑上的 轴力 。 如图 7所示 ,

文 [13]提出了一种新的 BRB 支 撑形式 , 该支撑是由钢棒和双钢管组合而成 , 其中钢 棒为核心构件

。

图 5

两种支撑框架的变形对比

图 6

典型的内部芯板与约束屈曲构件

图 7双钢管与钢棒核心构件组成的新型 BRB 支撑

2．3阻尼器

结构控制系统可以减缓结构由于地震作用或风 荷载导致的振动 , 因而得到越来越多的研究

[14]

。 文

[15]对被动耗 能 系 统 进 行 了 广 泛 的 研 究 以 降 低 地 震作用对结构的震害 。 在 地 震 作 用中 , 大量的能量

传递给结构导致了结构的破坏 。 采用耗能 装 置 , 例 如阻尼器 ,

在 地 震 时 可 以 耗 散 大 量 的 能 量 。 文 [7]指出 , 在长周期地震动中 , 阻尼器可以有效地减小高 层建筑的地震响应 。

在众多采用阻尼器 的 被 动 控 制系统中 , 我们研 究了速度相关型阻尼器 。 该阻尼器由粘性或者粘弹 性材料构成 , 其阻尼效应取决于速率 。 除了上述阻

尼器外 , 速度无关型 阻尼器例 如 钢 板 阻尼器已研制 出来 , 其主要通过钢板的屈服变形来耗散地震能量 。 钢板阻尼器依据屈服变 形 可 分 为 三种类型 :轴向屈 服型 , 例如前文所述的屈 曲约束支撑 ; 剪切屈服型 , 例如剪力钢板 [16]

; 弯曲屈服型 , 例如 U 形钢板阻尼

器 。 如图 8所示 , 文 [

17]提出了一种新型振动控制 系统

。

图 8U 形阻尼器振动控制系统

2．4既有钢结构建筑抗震性能评估

1995年兵库县南部地震后 , 对既有钢结构建筑 的抗震性能进行评估迫在眉睫 。 日本建筑防灾协会 在 1996年颁布了对现有钢结构建筑抗震性能进行

评估和改造 的 规 程 [18]

。 该 评 估 办 法 采 用 如 下 两 项

指标 :

I s i =Q u i F i

F es i W i ZR t A i q i =

Q u i

0．25F es i W i ZR t A i

式中 :I s i 为第 i 层结构的抗震性能指标 ; q i 为关于第 i 层楼层的抗侧刚度指标 ; Q u i 为第 i 层楼层抗侧刚 度 ; F i 为第 i 层楼层的变形性能影响因素 ; A i 为竖 向分布影响因素 ; W i 为等效重力荷载 ; F es i 为第 i 层 楼层的体型系数 , F es i =F s i F e i , 其中 F s i 为第 i 层楼 层的竖向不规则体型系数 , F e i 为第 i 层楼层的平面 不规则体型系数 ; Z 为场地 因 素 ; R t 为振动特性因

子 。

该规程给出如下准则来判断结构在地震作用下 坍塌的概率 以 及 提 高 抗 震 性 能 的 必 要 性 :1) I s i ＜0. 3或 q i ＜0．5, 表示结构由于地震作用而坍塌的概 率很高 , 迫切需要提高结构的抗震性能 ; 2) I s i ≥ 0．6或 q i ≥ 1．0, 表示结构由于地震作用而发生坍塌的概 率较低 ; 3) 其余情况表示结构由于地震作用而发生

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第 41卷 第 12期 Hiroshi Tagawa．地震作用下钢结构的破坏及抗震性能的提高

坍塌的情况不可被忽视 。

文 [18]列 出 对 既 有 钢 结 构 建 筑 改 造 的 一 些 方 法 , 例如采用钢板来加 固 支 撑 与 其 他构件连接处的 节点板 。

3结论

(1) 首先 介 绍 了 1995年 兵 库 县 南 部 地 震 对 现 代钢结构建筑造成的震害情况 。 然后探讨了梁柱连 接节点 、 柱 、 梁 、 支撑以 及 柱 脚 的 震害情况 。 对其他 问题如非结构构件的破坏以及结构对于长周期地震 的地震响应等也做了探讨 。

(2) 其次列出了钢结构抗震性能提高方法以及 对既有钢结构建筑的抗震评估方法 。 研究并建议使 用改进的梁柱连接节点 , 例如改进的扇形开孔以及 减小节点区域梁截面等节点形式 。 同时研究并讨论 了屈曲约束支撑和阻尼器 。

(3) 最后列出了对既有钢结构进行抗震能力评 估的方法 。

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