第五讲-桥梁抗震设计

第五讲桥梁抗震设计,5.1震害及其分析5.2公路桥梁抗震设防要求5.3桥墩地震作用计算5.4桥台水平地震作用5.5支座水平地震作用5.6桥梁结构抗震验算5.7桥梁结构抗震构造措施,5.1震害及其分析,桥梁按照结构体系的不同可分为梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥等，其分类的主要区别在于桥面结构的支撑型式。,上部结构指桥梁支座以上的桥跨结构，多采用混凝土或预应力混凝土装配式构件，其断面常为T形、型、箱形或中空圆孔截面，这部分直接承受桥上交通荷载；下部结构指桥梁支座以下的桥墩、桥台和基础，这部分主要承受上部桥跨传来荷载，并将它及本身自重传给地基。桥墩位于桥梁中间部位，支承相邻的两孔桥跨；桥台位于全桥尽端，它一侧支承桥跨，承受桥跨传来的荷载，另一侧与路基衔接，承受台背填土侧压力。,桥梁抗震设计规范,铁路工程抗震设计规范2006-12-01实施,公路桥梁抗震设计细则2008-10-01实施,桥梁按照使用用途的不同又分为铁路桥梁和公路桥梁，其抗震设计可分别按照下列相应规范进行:,5.1震害及其分析,5.1震害及其分析,落梁破坏,庙子坪大桥采用板式橡胶支座，梁体直接搁置在支座上。,1、上部结构震害,地震时桥墩受到地震力的作用，梁墩之间产生相对错位，导致桥面梁体从墩顶下落,百花大桥小半径曲线桥、桥墩刚度变化大,5.1震害及其分析,1、上部结构震害,落梁破坏,5.1震害及其分析,1、上部结构震害,美国1971年圣费尔南多地震中，依据1957年的抗震规范设计和建造的桥梁桥面板严重脱落，促使美国抗震规范全面修改。,5.1震害及其分析,2、墩台震害,桥梁墩台非地震时主要作为竖向承重构件，地震时是主要抗侧力构件，是梁桥抗震的主体。梁桥墩台大致可分为刚性结构和柔性结构两大类。石砌和实体混凝土墩台墩身短粗，属刚性结构，在水平地震力作用下，墩身混凝土易崩裂产生剪切破坏。排架式、柱桩式墩台属于柔性结构，常出现局部混凝土压馈、钢筋屈曲呈灯笼状，或压区混凝土崩溃、钢筋裸露屈服，导致变形过大而破坏。,5.1震害及其分析,2、墩台震害,汶川地震中的百花大桥,5.1震害及其分析,2、墩台震害,1）墩柱弯曲破坏a)墩柱弯曲强度不足（混凝土过早压碎或者纵筋过早屈服）b)墩柱钢筋搭接长度不足引起的破坏c)弯曲延性不足（全截面压碎）,墩柱纵筋焊接破坏,2）墩柱剪切破坏,5.1震害及其分析,2、墩台震害,5.1震害及其分析,3、支座震害,在强烈地层下，梁桥支座的破坏是一种比较普遍的震害现象，支座震害现象主要有摆柱支座倾斜、支座钢销钉剪断、辊轴支座滚动脱落、橡胶支座移位等。,汶川地震中的寿江大桥,5.1震害及其分析,3、支座震害,汶川地震中的其他桥梁,破坏形式主要表现为支座锚固螺栓拔出剪断、活动支座脱落及支座本身构造上的破坏。,5.1震害及其分析,4、桥台滑移,地震引起的岸坡滑移对桥台产生移动动土压力，桥台在巨大推力作用下产生破坏。桥台处的主要震害有桩柱式桥台桩柱倾斜、开裂甚至折断，重力式桥台胸墙开裂、滑移或转动，桥头引道下沉和护岸结构破坏。,破坏前,破坏后,桥台沉陷和转动,5.1震害及其分析,支承连接部件失效,桥梁墩柱破坏,5.1震害及其分析,基础破坏,5.1震害及其分析,5.1震害及其分析,震害分析,桥梁震害在很大程度上是由于采用不适当的抗震设计方法及对桥梁抗震破坏机理认识不足造成的。其主要表现为抗震设防标准不合适，设防目标缺乏明确准则，结构布置、形式和设计都不利于结构抗震，结构抗震分析方法和抗震构造不当等因素。,从20世纪70年代后期起，延性概念在结构抗震设计中不断得到重视。为了最大限度地避免地震动的不确定性，保证结构在大震下能以延性的形式反应，新西兰学者提出了结构延性抗震设计中的一个重要原理能力设计原理。基于能力设计原理的设计方法（能力设计法），在新西兰最先得到了应用；其他国家也先后在各自的结构抗震设计规范中，采纳应用了能力设计原理的一些基本概念。,一、能力设计原理,能力设计原理的基本概念在于：在结构体系中的延性构件（软铁环）和能力保护构件（铸铁环）之间，确立适当的强度安全等级差异，确保结构不发生脆性破坏模式。,一、能力设计原理,上图阐释了两种不同的设计思路：等安全度设计和不等安全度设计。常规的静力强度设计方法属于前者，即所有构件的设计都是基于统一的强度安全系数，没有考虑在不同性质的构件之间形成适当的强度安全等级差异；能力设计法则属于后者，即通过延性构件和能力保护构件（在结构设计中，把脆性构件以及不希望发生非弹性变形的构件，统称为能力保护构件）之间的强度安全等级差异，确保结构不会发生脆性破坏模式。,一、能力设计原理,基于能力设计原理的设计方法，称为能力设计法。能力设计法的特征是：基于能力设计的抗震结构，应在主要抗侧力体系中选择合适的构件，通过对这些构件合理的设计和细部构造设计，使其具有在大变形下的耗能能力。其它结构构件则设计成具有足够的强度，以保证预先选择的耗能机制能发挥作用。能力设计法将控制概念引入结构抗震设计，有目的地引导结构破坏机制，避免不合理的破坏形态。,二、能力设计法,传统静力强度设计方法与能力设计法比较,能力设计法的主要设计步骤如下：,（1）在概念设计阶段，选择合理的结构布局；（2）确定预期的弯曲塑性铰位置，保证结构能形成一个适当的塑性耗能机制；（3）通过计算分析，确定潜在塑性铰区截面的需求延性及设计弯矩；（4）对具有潜在塑性铰区截面的延性构件，进行抗弯设计；（5）估算延性构件塑性铰区截面实际的最大抗弯强度；（6）按塑性铰区截面的弯曲强度，进行延性构件的抗剪设计及能力保护构件的强度设计；（7）对塑性铰区域进行细致的构造设计，确保潜在塑性铰区截面的延性。,桥梁延性抗震设计,基于能力保护设计原则的结构抗震设计过程，一般都具有以下特征：选择合理的结构布局；选择地震中预期出现的弯曲塑性铰的合理位置，保证结构能形成一个适当的塑性耗能机制；通过强度和延性设计，确保潜在塑性铰区域截面的延性能力；确定适当的强度等级，确保预期出现弯曲塑性铰的构件不发生脆性破坏模式(如剪切破坏、黏结破坏等)，并确保脆性构件和不宜用于耗能的构件(能力保护构件)处于弹性反应范围。,桥梁延性抗震设计,(1)、钢筋混凝土墩柱桥梁在抗震设计时，塑性铰的位置一般选择出现在墩柱上，墩柱作为延性构件设计，可以发生弹塑性变形，耗散地震能量；桥梁基础、盖梁、梁体和结点宜作为能力保护构件。墩往的抗剪强度宜按能力保护原则设计。(2)、沿顺桥向，连续梁桥、简支梁桥墩柱的底部区域，连续刚构桥墩柱的端部区域为塑性铰区域；沿横桥向，单柱墩的底部区域、双柱墩或多柱墩的端部区域为塑性铰区域。,桥梁延性抗震设计,(3)、盖梁、基础的设计弯矩和设计剪力值按能力保按护原则计算时，应为与墩柱的极限弯矩(考虑超强系数)所对应的弯矩、剪力值；在计算盖梁、结点的设计弯矩、设计剪力值时，应考虑所有潜在塑性铰位置以确定最大设计弯矩和剪力。(4)、墩柱的设计剪力值按能力保护原则计算时，应为与墩柱的极限弯矩(考虑超强系数)所对应的剪力；在计算设计剪力值时，应考虑所有潜在塑性铰位置，以确定最大的设计剪力值。,延性抗震设计1：上部、基础弹性墩柱延性设计,延性抗震设计2：上部、墩柱、基础弹性，支座弹塑性-减隔震设计,5.2公路桥梁抗震设防要求,5.2.1公路桥梁抗震设防措施等级,抗震设防烈度为6度及以上地区的公路桥梁，须进行抗震设计。,抗震设防目标：,E1地震作用下，各类桥梁不坏；E2地震作用下，A类桥梁可修，B、C类桥梁不倒。,两阶段抗震设计：,第一阶段：E1地震作用下的弹性抗震设计；第二阶段：E2地震作用下的弹塑性抗震设计，采用延性抗震设计方法，并引入能力保护设计原则。,5.2公路桥梁抗震设防要求,5.2.1公路桥梁抗震设防措施等级,A类桥梁：单跨跨径超过150m的特大桥；B类桥梁：除A类以外的高速公路和一级公路上的桥梁及二级公路上的大桥、特大桥等；C类桥梁：除A、B、D类以外的公路桥梁；D类桥梁：位于三、四级公路上的中桥、小桥。,各类公路桥梁抗震措施等级,5.2公路桥梁抗震设防要求,5.2.1公路桥梁抗震设防措施等级,根据工程的重要性和修复(抢修)难易程度，将公路桥梁抗震设防划分为四个类别，对于A类、B类、C类桥梁采用两水平设防、两阶段设计；D类桥梁采用一水平设防、一阶段设计。第一阶段的抗震设计，采用弹性抗震设计；第二阶段的抗震设计，采用延性抗震设计方法，并引入能力保护设计原则。通过第一阶段的抗震设计，即对应E1地震作用的抗震设计，可达到和原规范基本相当的抗震设防水平。通过第二阶段的抗震设计，即对应E2地震作用的抗震设计，来保证结构具有足够的延性能力，通过验算，确保结构的延性能力大于延性需求。通过引入能力保护设计原则确保塑性铰只在选定的位置出现，并且不出现剪切破坏等破坏模式。通过抗震构造措施设计，确保结构具有足够的位移能力。,5.2公路桥梁抗震设防要求,5.2.2桥梁抗震设计的一般规定,宜选择有利地段，避开不利地段及危险地段。抗震有利地段一般系指建设场地及其邻近无近期活动性断裂，地质构造相对稳定，同时地基为比较完整的岩体、坚硬土或开阔平坦密实的中硬土等。抗震不利地段一般系指软弱黏性土层、液化土层和地层严重不均匀的地段，地形陡峭、孤突、岩土松散或破碎的地段，此地下水位埋藏较浅、地表排水条件不良的地段。严重不均匀地层系指岩性、土质、层厚、界面等在水平方向变化很大的地层。抗震危险地段一般系指地震时可能发生滑坡、崩塌的地段，地震时可能塌陷的地段，溶洞等岩溶地段和已采空的矿穴地段，河床内基岩具有倾向河槽的构造软弱面被深切河槽所切割的地段，发展断裂、地震时可能坍塌而中断交通的各种地段。,1.选择对抗震有利地段,5.2公路桥梁抗震设防要求,5.2.2桥梁抗震设计的一般规定,在确定路线的总走向和主要控制点时，应尽量避开基本烈度较高的地区和震害危险性较大的地段；在路线设计中，要合理利用地形，正确掌握标准，尽量采用浅挖低填的设计方案以减少对自然平衡条件的破坏。对于地震区的桥型选择，宜按下列几个原则进行：尽量减轻结构的自重和降低其重心，以减小结构物的地震作用和内力，提高其稳定性；力求使结构物的质量中心与刚度中心重合，以减小在地震中因扭转引起的附加地震力；应协调结构物的长度和高度，以减少各部分不同性质的振动所造成的危害作用；适当降低结构刚度，使用延性材料提高其变形能力，从而减少地震作用；加强地基的调整和处理，以减小地基变形和防止地基失效。,2.确定合理的桥梁结构方案,5.2公路桥梁抗震设防要求,5.2.2桥梁抗震设计的一般规定,按照公路抗震规范规定，在梁桥抗震验算时，应分别根据顺桥和横桥两个方向的水平地震作用计算墩台和支座承受的水平力以及地震动力水压力，并应考虑顺桥方向桥台的水平地震力和地震土压力。而对于简支梁和连续梁桥上部结构的抗震能力一般不予验算，但应采取抗震构造措施。抗震设防烈度为8度和9度的拱式结构、长悬臂桥梁结构和大跨度等，尚应同时考虑竖向地震作用。,2.确定合理的桥梁结构方案,5.2公路桥梁抗震设防要求,5.2.3公路桥梁设计反应谱,1.水平设计加速度反应谱,给出的是阻尼比为0.05的水平设计加速度反应谱S最大周期10秒大于Tg段都是以1/T的斜率下降,5.2公路桥梁抗震设防要求,5.2.3公路桥梁设计反应谱,(1).水平设计加速度反应谱最大值Smax,抗震重要性系数Ci,E1和E2为工程场地重现期较短和较长的地震作用，分别对应于第一和第二级设防水准,5.2公路桥梁抗震设防要求,5.2.3公路桥梁设计反应谱,(1).水平设计加速度反应谱最大值Smax,场地系数Cs,抗震设防烈度,场地类型,抗震设防烈度和水平向设计基本地震动加速度峰值A,5.2公路桥梁抗震设防要求,5.2.3公路桥梁设计反应谱,(2).特征周期Tg,特征周期按桥址位置在中国地震动反应谱特征周期区划图上查取，根据场地类别，按下表取值。,(3).阻尼调整系数,当结构的阻尼比按有关规定取值不等于0.05时：,5.2公路桥梁抗震设防要求,5.2.3公路桥梁设计反应谱,2.竖向设计加速度反应谱,竖向设计加速度反应谱由水平向设计加速度反应谱乘上下式给出的竖向/水平向谱比函数R。,基岩场地：,土层场地：,5.3桥梁地震作用计算,5.3.1桥梁抗震分析一般规定,根据在地震作用下动力响应特性的复杂程度，常规桥梁分为规则桥梁和非规则桥梁两类。下表限定范围内的梁桥属于规则桥梁，不在此表限定范围内的梁桥属于非规则桥梁。,5.3桥梁地震作用计算,5.3.1桥梁抗震分析一般规定,地震作用下，一般情况下桥墩应采用反应谱理论计算，桥台台身地震惯性力可按静力法计算。在进行桥梁抗震分析时，E1地震作用下，常规桥梁的所有构件抗弯刚度均按毛截面计算；E2地震作用下，延性构件的有效截面抗弯刚度应按下式计算，但其他构件抗弯刚度仍按毛截面计算。,由于圬工拱桥、重力式桥墩和桥台一般为混凝土结构，结构尺寸大、无延性，因此它们和D类桥均可只进行E1地震作用下结构的地震反应分析。对于上部结构连续的桥梁，各桥墩高度宜尽可能相近。相邻桥墩高度相差较大导致刚度相差较大的桥梁，宜在刚度较大的桥墩处设置活动支座或板式橡胶支座。不宜在梁桥的矮墩处设置固定支座，矮墩宜设置活动支座或板式橡胶支座。在高烈度区，宜尽量避免采用对抗震不利的桥型。,5.3桥梁地震作用计算,5.3.3桥墩计算简图,公路抗震规范计算桥墩地震作用时，不考虑上部结构对下部结构的约束作用，均按单墩确定计算简图。,(1)实体墩计算实体墩台地震作用时，可将桥梁墩身沿高度分成若干区段，把每一区段的质量集中于相应重心处，作为一个质点。一般认为，墩台高度在50-60m以下，墩身划分为4-8个质点较为合适。对上部结构的梁及桥面，可作为一个集中质量，其作用位置顺桥向取在支座中心处，横桥向取在上部结构重心处。,5.3桥梁地震作用计算,5.3.3桥墩计算简图,(2)柔性墩柔性墩所支承的上部结构质量远大于桥墩本身质量，桥墩自身质量约为上部结构的1/5-1/8，它的大部分质量集中于墩顶处，可简化为一单质点体系。,5.3桥梁地震作用计算,5.3.4桥墩基本振型与基本周期,基本振型,墩台下端嵌固于基础之上，墩身可视为竖向悬臂杆件。在水平地震力作用下，墩身变形由弯曲变形和剪切变形组成，两种变形所占的份额与桥墩高度与截面宽度比值H/B有关。当计算实体桥墩横向变形时，H/B的值较小，应同时考虑弯曲变形和剪切变形影响；当计算纵向变形时，H/B的值较大，弯曲变形占主导作用。公路桥梁墩身一般不高，质量和刚度沿高度分布均匀，实体墩在确定地震作用时一般只考虑第一振型影响，而将高阶振型的贡献略去不计。柔性墩质量主要集中在墩顶，视为单质点体系求得周期，确定振型曲线。,5.3桥梁地震作用计算,5.3.4桥墩基本振型与基本周期,基本振型,桥梁抗震细则给出了实体墩基本振型表达方式。当H/B5时(一般为顺桥向)，桥墩第一振型，在第i分段重心处的相对水平位移可按下式确定；,当H/B5时(一般为横桥向)，桥墩第一振型在第i分段重心处的相对水平位移为；,5.3桥梁地震作用计算,8.3.4桥墩基本振型与基本周期,基本振型,对于柔性墩振动曲线，如右图所示，图中Xf(1/2)是考虑地基变形时，顺桥向作用于支座顶面上的单位水平力在墩身计算高度H/2处引起的水平位移与支座顶面处的水平位移之比值，若取Xf=0，顺桥向可近似取：,5.3桥梁地震作用计算,5.3.4桥墩基本振型与基本周期,(2)基本周期,梁桥的质量大部分集中于墩顶处，在求桥墩基本周期时，将墩身重力根据动力等效原则换算到墩顶处，而把桥墩视为单质点体系，近似按下式计算桥墩的基本周期T1：,实体墩顺桥向：,实体墩横桥向：,柔性墩：,上部结构重力,墩身重力,盖梁重力,5.3桥梁地震作用计算,5.3.5桥墩水平地震作用,(1)规则桥梁实体桥墩水平地震作用,规则桥梁桥墩顺桥向及横桥向的水平地震作用，一般情况下按下式计算：,作用于梁桥桥墩质点i的水平地震作用(kN)；,重要性修正系数；,桥墩顺桥向或横桥向的基本振型参与系数：,5.3桥梁地震作用计算,5.3.5桥墩水平地震作用,(2)规则桥梁的柱式墩水平地震作用,梁桥桥墩的柔性墩以弯曲变形为主，用能量法将墩身质量换算到墩顶后，可简化为单自由度体系，其顺桥向的水平地震作用可采用下列简化公式计算：,作用于支座顶面处的顺桥向水平地震作用；,支座顶面处的换算质点重力；,5.3桥梁地震作用计算,5.3.5桥墩水平地震作用,(3)采用板式橡胶支座的梁桥水平地震作用,均采用同类型板式橡胶支座的连续梁或桥面连续、顺桥向具有足够强度的抗震联结措施(即纵向联结措施的强度大于支座抗剪极限强度)的简支梁桥，其水平地震作用可按下述简化方法计算：上部结构对板式橡胶支座顶面处产生的水平地震作用,第i号墩组合抗推刚度,5.3桥梁地震作用计算,5.3.5桥墩水平地震作用,(3)采用板式橡胶支座的梁桥水平地震作用,采用板式橡胶支座的多跨简支梁桥，对刚性墩可按单墩单梁计算；对柔性墩应考虑支座与上下部的耦联作用(一般情况下可考虑3-5孔)，按下图的计算图式进行计算。,5.3桥梁地震作用计算,5.3.5桥墩水平地震作用,(4)墩顶的水平位移,在E2地震作用下，可按下式计算墩顶的顺桥向和横桥向水平位移：,在E2地震作用下，采用截面有效刚度计算的墩顶水平位移；c考虑结构周期的调整系数，按下表取值。,5.3桥梁地震作用计算,5.3.6能力保护构件计算,(1)延性墩柱沿顺桥向Vc0剪力按下式计算,延性墩柱的底部区域为潜在塑性铰区域,延性墩柱的顶、底部区域均为潜在塑件铰区域,桥墩正截面抗弯承载力超强系数，取1.2,墩柱净长度,5.3桥梁地震作用计算,5.3.6能力保护构件计算,(2)延性墩柱沿横桥向Vc0剪力设计值分两种情