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大型桥梁的抗震能力设计策略 袁袁 万万 城城 研究单位：同济大学土木工程防灾国家重点实验室 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*2 问题的提出 随着经济实力的增强，世界范围内的桥梁越造越大。震害也随之越来越严重，据统 计，去年的汶川地震造成的直接损失中，道路、桥梁等基础设施占到了21.9%。 大型桥梁作为生命线工程的重要节点，必然会对其抗震安全提出更高的要求。目前 ，随着抗震理论的发展，各国规范也对大型桥梁的抗震能力提出很高的要求。因此对 如何提高大型桥梁的抗震能力开展研究是非常有必要的。 图1.1 汶川地震中桥梁、道路等损失占21.9% 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*3 研究思路 问题的提出 u 改善桥梁结构抗震性能无外乎两种途径：即降低地震需求和增强结构抗震能力。 目前，已有多种方法策略，比如：结构体系的选择、减隔震设计、结构控制、延性设 计等等。 体系的选择 延性设计 延性类型的选择 塑性耗能机制的选择 地震力传递相对均匀体系 动力特性与场地特性相适应 被动控制(减隔震设计) 主动控制 结构控制 设计 策略 体系策略 局部策略 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*4 1.地震力传递相对均匀体系 2.结构动力特性与场地特性相适应 3.组合梁桥抗震能力潜力与优势 4.经济有效的抗震措施（拉索减震支座、局部应用钢 钎维混凝土和钢护筒等） 大型桥梁的抗震能力设计策略 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*5 1.1 横向地震力传递相对均匀体系 利用连续梁桥的等效简化分析模型，分析结构振 动特性和受力特点; 结合反应谱理论,针对不同场地情况,探讨桥墩刚 度分布对横桥向抗震性能的影响； 提出改善受力的可行性方案,通过实际工程进行 有限元验证。 主要内容： 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*6 图1.2(a) 变形前的结构体系 图1.2(b) 变形后的结构体系 连续梁桥横桥向简化分析模型 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*7 连续梁桥内力、位移反应简化计算公式 平动位移转动位移 墩顶位移 墩顶剪力 质量中心位移 等代体系刚度 频率 周期 动力放大系数 上部结构水平加速度峰值 横向水平地震力 代入 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*8 改善横桥向桥墩受力的可行性方案 工程概况:本桥是一座等跨度的25跨T形连续梁桥，每跨29m分成 五联，第一联3跨，第二联7跨，其余各5跨。 图1.3 某连续梁桥模型图 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*9 地震动输入 反应谱理论 ： 图1.4 规范反应谱曲线 弹性反应谱方法通过反应谱概念巧妙的将动力问题静力化，使得 复杂的结构地震反应计算变得简单易行，目前世界各国规范都把 它作为一种基本的分析手段。 类场地的特征周期较短， 若结构柔性，即自振周期大于 特征周期，自振周期的增大将 使动力放大系数大幅度减小； 类场地的特征周期长，长 周期结构在软土地基上将导致 墩顶位移很大，所以刚性短周 期结构是有利的。 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*10 原型桥墩顶位移、墩底内力汇总表 墩 号 墩型 类场地类场地 墩顶位移 （m） 剪应力（ MPa） 正应力（ MPa） 墩顶位 移（m） 剪应力 （MPa） 正应力（ MPa） 1双0.0244.6304.3420.0479.2908.722 2双0.0470.9611.1680.0951.8932.321 3独0.0710.3927.6300.1421.46115.799 3独0.0710.3927.6300.1421.46115.799 4独0.0660.0714.7410.1330.2208.960 5 独0.0610.0794.3820.1230.2167.757 6独0.0550.1084.8900.1100.2757.467 7独0.0500.0813.8440.1010.2046.275 8独0.0470.2554.1600.0950.6577.409 9独0.0430.2604.8170.0860.8829.847 10独0.0390.6509.1610.0782.59118.289 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*11 类场地的改善方案 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*12 类场地的改善方案 1)类场地的特征周期较短，若结构柔性，即自振周期大于特征 周期，自振周期的增大将使动力放大系数大幅度减小； 2)地震能量集中在短周期范围内，柔性长周期体系是较好的选择; 3)在刚度较大桥墩墩体中间设置纵向竖缝，减小横桥向等代体系刚 度，调整了全联的刚度分布。 图1.5 设置纵向竖缝 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*13 类场地的改善方案反应峰值 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*14 类场地的改善方案 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*15 类场地的改善方案 1)从类场地的反应谱曲线可以看到：在软弱地基上，能量大部分 集中在长周期范围内，刚性的短周期结构可以避免大强度的地震反 应； 2)针对这种情况，应采取转换分联方式，并增大关键点横桥向刚度的 办法增大等代体系刚度，调整刚度分布，并改善受力； 3)改善分联方式应立足于使一联内，尤其是起控制作用的一联内桥墩 刚度分布均匀合理； 4)增大关键点刚度的目的是控制墩顶位移峰值，具体做法是将独柱墩 分解为双柱墩，并设置系梁。 图1.6 独柱墩分解为双柱墩 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*16 类场地的改善方案反应峰值 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*17 小 结： 目的：减小墩底应力 峰值和墩顶位移 核心问题：如何减小关 键一联的转动位移 坚实场地软土地基 选择柔性长周期结构 选择刚性短周期结构 措施：在某些独柱墩上设置 纵向竖缝减小横桥向刚度 措施：改变制动墩或伸缩缝的位 置，并将某些独柱墩分解为同体 积的双柱墩增大横桥向刚度 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*18 1.2 纵向地震力传递相对均匀体系 纵向飘浮体系(斜拉桥、悬索桥) 连续梁式桥体系 措施：1）均匀受力；2）滑动+限位 常用体系 ： 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*19 u 飘浮体系斜拉桥塔梁间设置弹性拉索装置改变结构传力途径 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*20 (a) 拉索刚度对结构周期的影响(b) 拉索刚度对梁端位移的影响 (c) 拉索刚度对塔底弯矩的影响(d) 拉索刚度对塔底剪力的影响 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*21 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*22 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*23 2.1 结构动力特性与场地特性相适应：超大跨 斜拉桥示例 u 从飘浮体系结构的动力特性和最基本的地震反应入手， 突出影响结构动力特性的主要参数，寻求可以明显减小 位移反映并兼顾内力的若干新桥型和可行性方案，达到 提高柔性体系抗震性能的目的，为斜拉桥跨度的飞跃打 下良好的基础。 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*24 加速度反应谱和位移反应谱 图2.1 反应谱曲线 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*25 苏通大桥的抗震分析 图2.2 苏通大桥模型图 基本周期 T=13.395s，反对称纵飘振型 梁端位移1.031m, 塔顶位移1.106m 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*26 立体桥塔方案 图2.3 立体桥塔模型 表2.1 主梁、桥塔的物理特性 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*27 表2.2 立体塔模型的振型和周期 阶数周期（s）频率（Hz）振型模式 17.3160.1367 侧向对称弯曲 25.873 0.1703反对称纵飘 34.587 0.2180 竖向对称弯曲 43.475 0.2878 竖向反对称弯曲 52.832 0.3531侧向反对称弯曲 62.6710.3744 竖向对称弯曲 72.246 0.4452 桥塔侧向同向弯曲 82.243 0.4458 桥塔侧向异向弯曲 92.236 0.4472 竖向反对称弯曲 102.231 0.4482 竖向对称弯曲 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*28 位移反应的比较 表2.3 关键点位移的比较 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*29 内力反应的比较 Table2.4 塔底内力的比较 原型 编编号N(kN)V2(kN)M1(kN.m) 左塔塔底 11.070E+053.092E+042.290E+06 21.070E+053.094E+042.290E+06 立体塔模型 编编号N(kN)V2(kN)M1(kN.m) 左塔塔底 12.142E+053.218E+042.035E+06 22.142E+053.219E+042.035E+06 32.162E+053.216E+042.034E+06 42.163E+053.216E+042.034E+06 u 在纵向竖向输入地震波的情况下，立体塔底总弯矩是原 型的1.78倍，但每根塔柱底面承担的弯矩是原型的88%，因此 ，该方案并没有给塔底受力造成很大的负担。 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*30 部分地锚式斜拉桥 图2.4 第一阶反对称纵飘 Self-anchored Partially Ground-anchored 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*31 地锚斜拉桥的简化模型 Fig. 2.5 Simplified Model of Partially Ground-anchored Cable-stayed Bridge 图 2.6 地锚谢拉桥的动力特性 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*32 关键点位移反应的比较 u 部分地锚式斜拉桥可以有效减小结构的特征周期，降低梁 端、塔顶位移，有效改善了结构的抗震性能。对周期较长的大 跨度斜拉桥，不会使塔底截面内力超过允许范围。所以，从抗 震概念设计的角度，部分地锚式斜拉桥是一种优良的桥型。 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*33 其他可供参考的结构形式 香港汀九斜拉桥设计构思 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*34 其他可供参考的结构形式 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*35 3.1 组合梁桥抗震潜力及性能研究 钢-混凝土组合梁和混凝土桥墩组成的体系具有良好的力学性能和 经济性能，在国内外应用越来越多。其优势具体表现在以下方面： v 组合梁桥的优势 与混凝土桥相比，高度较低、自重轻、地震作用小，相应使得结构的延 性提高、基础造价降低。 同钢桥相比，减小用钢量，增大刚度，增强结构抗火性和耐久性等。 在经济上具有很大优势。据法国统计，当跨径为30m 至110m，特别是 60m至80m 范围内，钢混凝土组合桥的单位面积造价要低于混凝土桥 18 %。 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*36 某城市高架中一座四跨连续梁桥 图3.1 某城市高架中一座四跨连续梁桥 组合梁桥抗震潜力及性能研究 v 桥梁构造尺寸 下面以某四跨连续梁桥为例，通过建立简化的单自由度模型，利用反应谱方法 ，详细分析混凝土主梁和组合结构主梁两种方案的地震响应。 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*37 主梁桥墩形式墩高(m）上部结构质量(t) 方案1钢筋混凝土实心墩73899.5 方案2钢混凝土组合梁空心墩71474.0 图3.2 单自由度模型图3.3 规范反应谱 组合梁桥抗震潜力及性能研究 v 简化分析模型及方法 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*38 图3.5 水平地震力系数E与质量比的关系 图3.4 反应谱值与质量比的关系 组合梁桥抗震潜力及性能研究 v 上部结构质量m的影响 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*39 在、类场地条件下，水平地震力仅为混凝土主梁方案的61.5%，地 震力需求减小了38.5%； 类场地下，组合结构桥梁水平地震力减小更加明显，仅为混凝土方案的 51.1%，地震力需求减小近一半。 组合梁桥抗震潜力及性能研究 表3.1 两主梁方案抗震性能比较（质量不同） 主梁方案上部结构 重量（t） 质量比 m/m0 周期 （s） 场地类型 反应谱 值 水平地震力 系数E 方案一 预应力混凝土 主梁 3899.51.000 0.880 类场地0.284 1108.386 类场地0.398 1551.741 类场地0.512 1995.095 类场地0.739 2881.804 方案二 组合结构 主梁 14740.378 0.541 类场地0.462 681.450 类场地0.647 954.030 类场地0.832 1226.609 类场地1.000 1474.000 v 混凝土梁和组合梁的抗震潜力及性能比较 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*40 组合梁桥抗震潜力及性能研究 表3-2 两主梁方案抗震性能比较（轴压比一致） 主梁方案上部结构 重量（t） 刚度比 周期 （s） 场地类型 反应谱 值 水平地震力 系数E 方案一 预应力混凝土 主梁 3899.51.000 0.880 类场地0.284 1108.386 类场地0.398 1551.741 类场地0.512 1995.095 类场地0.739 2881.804 方案二 组合结构 主梁 14740.600 0.541 类场地0.358 527.849 类场地0.501 738.988 类场地0.645 950.128 类场地0.931 1372.407 在、类场地条件下，水平地震力仅为混凝土主梁方案的47.6% ，地震力需求减小了52.4%；且桥墩混凝土较实心墩节省了62.2%，抗震性能 和经济性都得到了大幅提高。 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*41 组合梁桥抗震潜力及性能研究 通过前面的介绍，我们可以得到以下结论： 结构质量减轻可以使桥梁地震力需求减小； 当轴压比一致时，结构质量减小使结构受到的地震力明显 减小； 组合梁桥地震需求小，对结构的抗震性能和经济性有很大 提高； v 小结 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*42 4 经济有效的抗震措施 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*43 4.1 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 v 设计 减隔震支座很多，但即有效又经济的少； 常用的滑动支座+弹性索措施，锚固位置细部构造复杂。 图4.1 设计理念示意 开发新支座的原因？ 设计理念 =摩擦力 拉索减隔震支座 在罕遇地震作用下，通过剪 断抗剪螺栓的方法将固定支 座变为活动支座，并用拉索 限制因此引起的过大墩梁相 对位移。 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*44 (1)正常使用状态时，在不超过正常行程的范围内，拉索不起限位作用，拉索减震 支座与盆式橡胶支座相同 ； (2)在遭遇小震及中等烈度地震的情况下，固定支座抗剪螺栓原则上不允许剪断， 以避免震后更换支座； (3)在桥梁结构遭遇罕遇地震时，固定支座抗剪螺栓剪断，隔离上部结构与桥墩之 间地震力的传递；同时由拉索限制因此造成的过大位移。 性能目标 组成 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 3.拉索 1.盆式支座2.抗剪螺栓 图4.2 (a) 固定拉索减震支座组成图4.2(b) 拉索减震支座实物照片 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*45 主要设计参数 拉索长度，根据几何投影关系确定。 拉索刚度，拉索刚度的合理取值由参数分析确定。 抗剪螺栓强度，取10%20%的竖向承载力。 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*46 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*47 图4.3 试验用支座 v试验 了解拉索减震支座行为性能，研究位移幅值、竖向力对支座性能基本参数如摩阻 系数、滞回性能的影响。 拟静力试验在同济大学的2000吨动、静电液伺服加载系统上进行。 水平位移采用拉线式位移计进行量测，竖向力和水平力的测量采用伺服加载 系统自带的力传感器采集。 试验目的 加载及数据采集 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*48 图4.4 加载制度 工况 编号 支座类型 竖向力 (kN) 最大水平 位移(mm) 1滑动200080 2滑动400080 3滑动500080 4固定5000100 （1）工况1工况3：竖向荷载保持恒定，水 平荷载等幅位移控制的加载方式，以10mm为 一个等级，每级加载循环3次。 （2）工况4：竖向荷载保持恒定，水平荷载 等幅、变幅相结合的位移控制加载方式， 080mm范围内，以10mm为一个等级， 80100mm范围内，以5mm为一个等级，每级加 载循环3次。 试验工况 加载制度 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*49 摩擦系数 静摩擦系数随竖向力的增加而减小 ； 动摩擦系数比静摩擦系数小； 工况4比工况3略大，抗剪螺栓剪切面对摩擦面的影响。 试验结果分析 图4.5 静摩擦系数 图4.6 动摩擦系数 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*50 图4.7 滞回曲线 各工况的滞回曲线比较一致，滞回曲线可划分为两段：摩擦耗能段和拉索限位段 ； 摩擦段耗能性能稳定，不同竖向压力下大致相同； 拉索限位段刚度较大，限位效果明显。 工况1工况2 工况3工况4 曲线不对 称的原因 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*51 骨架曲线 图4.8 各工况骨架曲线比较 u 各工况骨架曲线基本吻合。在拉索起作用开始后，斜率基本相同，说 明拉索的作用比较稳定。 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 图3.8(a) 不同竖向荷载 图3.8(b) 不同加载位移 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*52 v数值模拟 恢复力模式 图4.9 恢复力模式 (a)盆式支座；(b)拉索；(c)拉索减震支座 拉索减震支座由盆式支座与拉索组合而成，其恢复力也可以由二者组合而成。 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 += 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*53 SAP2000中的模拟方法 盆式支座采用Wen塑性单元模拟，拉索采用多段线弹性连接单元模拟； 在支座底板施加固定约束，在顶板施加竖向力和水平力对试验过程进行模拟 。 图4.10 SAP2000模型 图4.11 滞回曲线比较 拉索 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*54 图4.12 模拟与试验对比 摩擦耗能段与试验结果基本一致； 限位段因刚度取值与试验的误差，略有不同。 模拟结果与试验结果对比 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*55 图4.13 计算模型 以某四跨连续梁为例，如图所示 。 3#墩设置两个固定盆式支座， 其他墩均设置一个双向滑动支座和 一个单向滑动盆式支座。 在分析中，假定桥墩保持弹性， 仅考虑了支座非线性。 有效性分析 工况固定墩墩底内力反 应 墩梁相对位移(m) 剪力 (kN) 弯矩 (kNm) 边墩固定墩 工况 32546.9 1 620023.5 8 0.108- 工况7788.7186000.050.140.12 (- )/ -76%-86%27%- 表3.1 有效性分析 固定墩墩底剪力和弯矩分别下降 76%和86%，而边墩墩梁相对位移 仅增加27%； 具有良好的限位能力，且能够显 著地减小固定墩所受的地震力 。 分析了两种工况：工况3#墩采 用固定盆式支座； 工况3#墩采 用固定型拉索减震支座。 地震动输入为N-S方向的El-Centro 波 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*56 拉索刚度的合理取值 （a）梁端位移与拉索刚度关系 (b) 固定墩墩底弯矩与拉索刚度关系 图4.14 参数敏感性分析 墩梁相对位移随着刚度的增大迅速减小，但减小的速度越来越小，超过某个值后 ， 贡献甚微。 固定墩墩底弯矩随拉索刚度的增大而增大。 拉索的刚度并不是越大越好，而是要找到一个合适的平衡点，以墩梁相对位移为 主要依据，兼顾墩底内力。 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*57 v 拉索减震支座在九堡大桥中的应用 全桥孔跨布置为：55+285m+90（北侧引桥）+3210m（主桥）+90+985+55m（南 侧引桥），全长1855m 。 引桥为等截面连续组合箱梁桥，主桥为连续结合梁钢拱组合体系桥。 图4.15 杭州九堡大桥有限元模型 工程简介 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*58 桩基能力验算结果 工况 位置 最不利单桩的需求抗弯能力 (kNm) 是否通 过最不利轴力 P(kN) 弯矩 M(kNm) 100年3% （纵向竖向 输入） PN26284.5517278.6020830 PN110306.9812620.4322390 *PS1-1255.2215140.1317140 PS26741.5116323.8921020 100年3% （横向竖向 输入） PN28360.3021555.0721660 PN18563.5221265.3521740 *PS17854.2623128.5421460 PS29446.1719096.5222080 表3.2 一般冲刷工况,主桥 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*59 工况位置最不利单桩的需求抗弯能力 (kNm) 是否通过 最不利轴力 P(kN) 弯矩 M(kNm) 100年3% （纵向竖向 输入） PN29633.0518446.6822150 PN110871.6715390.7322590 *PS11545.5922936.4818640 PS29590.6918483.3222130 100年3% （横向竖向 输入） PN211269.2020040.3022720 PN110755.5123253.4622550 *PS111491.3821323.0122800 PS211195.5019372.8922700 表3.3 局部冲刷工况,主桥 一般冲刷和局部冲刷工况，主桥均出现桩基能力不足情况； 纵向输入时，主桥固定墩PS1桩基能力不足； 横向输入时，主桥固定墩PS1及相邻墩PN1的桩基抗震能力不足，一般冲刷工况 ， PN2也只是勉强满足地震需求。 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*60 原方案支座验算 分别对一般冲刷和局部冲刷两种工况下，支座在纵、横向地震波输入时的剪切强 度进行验算； 主桥的所有固定支座（包括纵、横两个方向）在P2概率水平地震作用下的水平剪 力均远大于竖向承载力的20%，必然会出现剪坏。 引桥的固定墩支座、边墩支座在地震横向输入下亦会出现剪切破坏。 改进方案-拉索减震支座方案 允许主桥各墩和引桥固定墩及边墩上的支座在受约束方向剪断，用拉索限制因此 而产生的过大墩梁相对位移，即建议在这些墩上安装拉索减震支座。 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*61 自由行程的确定 取值原则： （1）要大于温度产生的伸缩量，保证正常使用状态下，支座的自由变形； （2）要小于地震作用下支座全部剪断后产生的墩梁相对变形，即保证拉索起作用； （3）同一联桥梁各支座自由行程应相同。 根据以上3条原则，确定拉索支座的自由行程u0。 北引桥主桥南引桥 纵向0.060 0.120 0.140 横向0.010.010.01 表3.4 自由行程建议值（单位：m） 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*62 拉索刚度的合理取值 左图为墩底剪力与拉索刚度关 系； 右图为支座变形与拉索刚度关 系； 主桥、北引桥和南引桥各固定 墩墩底剪力随着刚度的增大而增 大，规律大致相同； 支座变形随着拉索刚度的增大 而减小。 随着拉索刚度的增大，支座变 形的变化越趋于缓和，而此时， 墩底剪力却有较大的增长； 主桥拉索减震支座的纵向拉索 刚度取3105kNm；南、北引桥 拉索减震支座的纵向拉索刚度取 2105kNm。 横向刚度取值方法相同。 主桥 PS1 北引桥 PN4 南引桥 PS5 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*63 减震有效性分析 通过对墩底剪力和弯矩的比较可知，固定墩墩底内力有大幅度减小，最大可减 小至仅为原方案的30%，而其它各墩内力又不至于增加太多 ； 对支座变形的对比结果可以看出，拉索支座可以有效地限制住因支座剪断而产 生的过大位移，拉索减震支座方案的支座变形量约为原设计方案因支座剪断而产 生的位移的70%左右； 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*64 4.2 局部采用钢纤维混凝土(SFRC)桥墩抗震能力评价 v SFRC本构模型 材料本构性能的研究是结构理论研究和工程设计的基础，材料本构关系的精度 极大程度上决定着计算结果能否正确地反映结构行为的实际状况； SFRC主要与基体强度、体积掺量和长径比有关；工程应用中，体积掺量一般 02%，长径比一般5080。 桥墩截面由保护层和核心砼两部分组成； 对无约束SFRC，已有很多种模型，国内外不少于10个； 箍筋约束SFRC本构模型研究较少；Ramesh (2003,India), Mansur(1997,Singapore),Ganesan(1990,India),Tanigawa(1981,Japan) 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*65 本文选用Barros and Figuerias于1999年提出的本构模型。 为什么选这个？ Francesco Bencardino (2008,Italy) (a) 长径比为60 (b) 长径比为75 图4.1 SFRC的应力-应变曲线 无约束SFRC 局部采用钢纤维混凝土(SFRC)桥墩抗震能力评价 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*66 将无约束SFRC的峰值应变代替式（4.1）中的0.002，用极限应变代替式（4.2） 中的0.004即可。 （4.1） （4.2） 对于箍筋约束SFRC本构模型，本文以Mander模型为基础，采用以下方法构建 ： 箍筋约束SFRC 2003年，印度学者K.Ramesh 通过90个试件的试验，得到一个本构模型，其中： 箍筋和钢纤维的贡献分别考虑。由于采用的约束指标与我们常用的不同，故未采用 。 经计算，与Ramesh结果比较一致。 局部采用钢纤维混凝土(SFRC)桥墩抗震能力评价 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*67 v 为什么要局部使用 价格昂贵，1%的掺量使造价增大一倍； “好钢用在刀刃上”， 局部使用对整体造价增加不多。 经济原因 力学可行性 英国学者R.N.Swamy在试验中发现，局部采用与全部采用对构件弯曲性能增 强效果大致相同 ； 钢纤维对普通混凝土性能的改善主要在延性和韧性方面； 塑性铰是一个局部区域。 局部采用钢纤维混凝土(SFRC)桥墩抗震能力评价 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*68 v 局部SFRC合理长度 由于桥墩的弯矩是沿墩高线性变化的， 所以当墩底截面的弯矩达到 时，要使 普通钢筋混凝土也正好进入屈服，所需 要的 的表达式为： 图4.2 计算图式 两点说明： 1. 2.计算局部SFRC合理长度时还应考虑 材料超强的影响。常规桥梁墩柱超强系 数在1.21.6之间。桥墩处于低轴压比范 围，建议超强系数取1.3； 摘自殷鹏程硕士论文 局部采用钢纤维混凝土(SFRC)桥墩抗震能力评价 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*69 v 曲率延性系数 参数 截面材料(1/m)(1/m) C30普通混凝土0.0012250.01978 16.15 - Lf/Df=60Vf=0.5%0.0011790.03827 32.45 2.01 Vf=1.0%0.0011750.04133 35.17 2.18 Vf=1.5%0.0011710.04507 38.50 2.38 Vf=2.0%0.0011660.04875 41.79 2.59 Lf/Df=75Vf=0.5%0.0011780.03919 33.26 2.06 Vf=1.0%0.0011730.04340 37.00 2.29 Vf=1.5%0.0011670.04823 41.32 2.56 Vf=2.0%0.0011620.05285 45.49 2.82 注： 为SFRC相对于普通混凝土延性系数增大系数。 表4.1 曲率延性系数 局部采用钢纤维混凝土(SFRC)桥墩抗震能力评价 大 型 桥 梁 的 抗 震 能 力 设 计 策 略 同济大学桥梁工程系*70 v 局部采用SFRC桥墩抗震能力评价 简化为单墩模型； Pushover方法 图4.3 模型1推倒分析结果(墩高10m) (a) 长径比为60