汶川地震及我国公路桥梁抗震

1、桥梁震害与抗震设计发展李建中同济大学桥梁工程系桥梁震害分析基于性能抗震设计与延性抗震设计范编写要点减震设计1桥梁震害分析1.1典型桥梁震害Rubberbearings“5·12”汶川所造成的损失巨大， 位于震中的汶川县附近道路基础设施受到严重破坏，桥梁破坏尤为严重，桥梁结构主要为为简支梁（含先简支后桥面连续）、连续梁桥 和拱桥1桥梁震害分析（庙子坪大桥）1.1典型桥梁震害落梁破坏庙子坪大桥桥梁结构特点：采用板式橡胶支座，梁体直接搁置在支座上G213汶川0都江堰庙子坪大桥百花大桥1桥梁震害分析（庙子坪大桥）Detail ADetail B1桥梁震害分析（庙子坪大桥）1桥梁桥梁震害分析(

2、大桥)大桥大桥位于岷江右岸，桥长495.55m，最大墩高30.87m。上部采用4×25（钢筋砼连续梁）+5×25（钢筋砼连续梁）+50（简支T梁）+3×25（钢筋砼连续梁）+5×20（钢筋砼连续梁）+2×20（钢筋砼连续梁）平 面位于R=150的圆曲线（左偏）、L=192.601的直线以及R=66的圆曲（右 偏）上。第5联桥跨，即5-20米连续梁整体倾覆，完全破坏1桥梁桥梁震害分析(大桥)The 5th segment which consisted of 5×20m RC continuous spans collapsed and

3、 totally damaged1桥梁桥梁震害分析(大桥)联第 5 联第 6 联墩编号13141516（固定）171819（固定）20墩高(m)30.329.929.726.922.218.17.1桥台1桥梁桥梁震害分析(大桥)Typical damages at the bottom of piersTiltingPier P191桥梁桥梁震害分析(大桥)Damage ofjoints.The shear damage at the bottomof piers1桥梁桥梁震害分析(高原大桥)高原大桥高原大桥位移虹口乡，2005年通车1桥梁桥梁震害分析(高原大桥)1桥梁桥梁震害分析(高原大桥)

4、1桥梁桥梁震害分析（国外震害）阪神中西宫港大桥引桥落梁Span collapse,1971 San Fernando earthquake.1989 Loma Prieta Earthquake1桥梁桥梁震害分析（墩柱破坏）墩柱破坏大桥墩柱破坏LomaPrieta 震害1桥梁桥梁震害分析（墩柱破坏）1995年阪神Hanshin Expressway洛马-普雷塔1999年集集1桥梁桥梁震害分析（墩柱破坏）阪神（1995）1桥梁桥梁震害分析（基础破坏）基础破坏1桥梁桥梁震害分析（支座破坏、梁移）支座滑动、破坏及梁移映秀岷江大桥1桥梁桥梁震害分析（支座破坏、梁移）1桥梁桥梁震害分析（支座破坏、梁移）

5、寿江大桥1桥梁桥梁震害分析（支座破坏、梁移）其它桥梁1桥梁桥梁震害分析（梁体间碰撞，挡块破坏）梁体间碰撞，挡块破坏1桥梁桥梁震害分析（梁体间碰撞，挡块破坏）1桥梁桥梁震害分析（桥台）1桥梁桥梁震害分析（桥台）Damage of bridge backfill1桥梁桥梁震害分析（桥梁震害与启示）1.2桥梁震害与启示支承连接部件失效足够搭接长度 合理设计防落梁措施和限位装置落梁墩、台支承宽度不足、防落梁措施设计不合理（限位装置）梁、墩台间较大位移固定支座：强度不足活动支座：位移能力不足橡胶支座：梁底与支座底滑动支承连接部件失效梁体较大位移伸缩缝、挡块破坏（碰撞问题）1桥梁桥梁震害分析（桥梁震害与启

6、示）采用板式橡胶支座的桥梁，混凝土挡块在中破坏，可以有效减少下部结构所受力，但对于这种类型的桥梁抗震设计的关键怎样采用合理的梁体限位装置、设置足够的梁墩合理搭接长度梁移在不发生落梁的范围又不增加墩柱力。1桥梁桥梁震害分析（桥梁震害与启示）在高烈度区尽可能采用整体性和规则性好的桥梁结构，结构的布置要力求几何、质量和刚度均匀、对称、规则，避免突然变化。从几何线形上看，尽量选用直线桥梁。选择合理的连接形式，对桥梁抗震性能十分重要，对于高桥墩的桥梁，建议采用上部结构与下部结构有选择性的刚性连接（固接方式）；对于矮墩桥梁，上部结构和下部结构联结建议采用支座连接方式，并合理设置梁墩的搭接长度。1桥梁桥梁震

7、害分析（桥梁震害与启示）桥梁墩柱破坏墩柱延性不足：横向约束箍筋配置不足；（抗弯破坏）构造缺陷：横向约束箍筋间距过大，搭接失效，纵筋过早切断，锚固长度不足；箍筋端部没有弯钩等延性抗震设计抗剪强度不足：横向箍筋配置不足；（剪切破坏）能力保护设计1桥梁桥梁震害分析（桥梁震害与启示）基础破坏土破坏： 断裂通过沙土液化基础移位、沉降防液化措施避让能力保护设计桩身破坏：2基于性能抗震设计与范编写要点2.1基于性能抗震设计基于性能的抗震设计实际上是一总体设计思想，主要指结构在受到不同水平目标。（不同概率）作用下的性能达到一组预期的性能弹性范围非弹性范围破坏墩顶水平位移Frequent eventsOccas

8、ional eventsVery rare eventsRare events水平地震力2基于性能抗震设计与范编写要点抗震性能目标不可接受性能等级1等级2等级3等级4基本目标地震设防水准水准I提高目标1提高目标2水准II水准III水准IV设计水准与抗震性能等级的关系2基于性能抗震设计与范编写要点基于性能的抗震设计内容主要包括：科学的定义和确定结构在不同水平性（seismic hazard）；作用下损伤状态、性能水平 （PerformanceLevels）、性能指标；设计方法。在设计初始就明确结构的性能目标，并且使通过设计，使结构在设计作用的反应能够达到预先确定的性能目标2基于性能抗震设计与范编

9、写要点2.2范编写要点取消了综合影响系数：采用两水平设防，两阶段设计，并给出了明确的性能目标适用于抗震设防烈度为6度、7度、8度和9度地区的公路桥梁抗震设计。抗震设防烈度大于9度地区的桥梁和有特殊要求的大跨径或特殊桥梁，其抗震设计应作专门研究，按有关专门规定执行。主要跨度150m以内，量大面广的梁桥和拱桥，大跨度桥梁只给出抗震设计的原则和要点。作用部分的修订，反应谱周期到10秒，并给出了场地修正系数；给出了时程波选用原则增加了桥梁延性抗震设计和能力保护原则， 增加桥梁减、隔震设计， 增加了局部细节设计和抗震构造措施内容增加了抗震分析建模原则和抗震分析方法尽可能地吸收了美国、现行抗震设计规范的理

10、念和方法，吸取近几十年桥梁震害的教训，弥补了89规范的不足2基于性能抗震设计与范编写要点2.3桥梁抗震设防分类于设防标准分为A类、B类、C类和D类四个抗震设防类别，别对应不同的抗震设防标准和设防目标。对抗震救灾以及在、国防上具有重要意义的桥梁或破坏后修复（抢修）类别。的桥梁，可按批准权限，报请批准后，提高设防桥梁抗震设防类别适用范围A类单跨跨径超过150m的特大桥B类单跨跨径不超过150m的高速公路、一级公路上的桥梁， 单跨跨径不超过150m的公路上的特大桥、大桥C类公路上的中桥、小桥，单跨跨径不超过150m的三、四级公路上的特大桥、大桥D类三、四级公路上的中桥、小桥2基于性能抗震设计与范编写

11、要点抗震设防标准设防目标桥梁抗震设防类别设防目标E1作用E2作用A类一般不受损坏或不需修复可继续使用。可发生局部轻微损伤，不需修复或经简单修复可继续使用B类一般不受损坏或不需修复可继续使用。应保证不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可供维持应急交通使用。C类一般不受损坏或不需修复可继续使用。应保证不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可供维持应急交通使用。D类一般不受损坏或不需修复可继续使用。采用两水平设防、两阶段设计的思想，取消综合影响系数2基于性能抗震设计与范编写要点E1和E2度峰值取值照规范取值,按E1和E2值A重要性系数乘设计基本度峰水平向设计基本度峰值A各类桥梁的重要性系数注：

12、高速公路和一级公路上的大桥、特大桥，其抗震重要性系数取B类括号内的值。桥梁类别E1E2A类1.01.7B类0.43（0.5）1.3（1.7）C类0.341.0D类0.23-抗震设防烈度6789A0.05g0.10（0.15）g0.20（0.30）g0.40g2基于性能抗震设计与范编写要点2.4设计度反应谱水平设计度反应谱(5Sì .max5T+0.45)T,<0.1sS = ïS,0 s. £1 T£ Tí maxgS ï( T/，T)T>Tî maxgg2基于性能抗震设计与范编写要点水平设计度反应谱最大值A场地

13、系数Cs基本烈度场地类型67890.05g0.1g0.15g0.2g0.3g0.4gI1.21.00.90.90.90.91.01.01.01.01.01.0III1.11.31.21.21.01.0IV1.21.41.31.31.00.9Smax2=C.2iC5sCd2基于性能抗震设计与范编写要点场地特征周期Tg场地特征周期Tg，按场址位置在中国动反应谱特征周期区划图上后，根据场地类别，按下表取值。本条采用了GB50011-2001的场地类型划分方案和特征周期的 确定方法，与国标18306-2001的规定相同 。区划图上的特征周期场地类别III0.350.250.350.450.650.40

14、0.300.400.550.750.450.350.450.650.902基于性能抗震设计与范编写要点阻尼调整系数.7当Cd小于0.55时，应取0.55竖向设计竖向设计度反应谱度反应谱由水平设计度反应谱乘以下式给出的竖向/水平谱比函数R。基岩场地的R=0.65土层场地的1.31ì .0T <0.1R0= ï 2- .5 T( -0. 01 .) 1£T< 0.í0ï .50.£3 TîC =1 0+ .0-5 Vd0.06+1V2基于性能抗震设计与范编写要点竖向设计竖向设计度反应谱度反应谱由水平设计度反应谱乘以下

15、式给出的竖向/水平谱比函数R。基岩场地的R=0.65土层场地的1.00.3ì1.0T < 0.1R2 = ï 5- (T 0 -.1)£T0 <.1.íï0.50.3 £ Tî3延性抗震设计3.1 桥梁抗震体系类性1：上部、基础弹性，墩柱延性设计EQPlastic Hinge3延性抗震设计类性2：墩柱、基础弹性，上部结构延性钢桥EQDuctile Superstructure3延性抗震设计类性3：墩柱、基础、上部结构弹性，支座弹缩性减隔震设计EQSeismicIsolation3延性抗震设计3.2梁桥延性抗震设计

16、延性构件梁墩相对位移桥墩横梁（盖梁）、基础、墩柱抗剪延性构件能力保护构件 、支座3延性抗震设计_M_n弯距M uMnM y0V=c0Vc0PVcoMco0Mn=M曲率coynu延性链子，强度为Pd脆性链子，强度为Pib脆性链子，强度为PibPPP(a) 脆性链子(b)延性链子图3-14 能力设计原理的简单范例3延性抗震设计能力保护构件计算墩柱抗剪盖梁能力保护桥梁基础弯距V= 0 _M_nc0MuVc0MnMy曲率ynuMlMrMlMrGGGGstVstVcocostMstMcocoPV co M co 0M co =M n应根据可能出现塑性铰处按实配钢筋，并采用材料强度标准值和轴压力计算出的弯

17、矩承载能力,考虑超强系数来计算3 延性抗震设计3.3强度与变形验算墩抗剪、基础、盖梁、主拱圈 等不损伤损伤、弹塑性变形、足够的塑性变形能力结构在弹性工作范围，无损伤能力保护桥墩延性构件E1E23延性抗震设计墩柱塑性铰区域沿顺桥向和横桥向的斜截面抗剪强度验算：V£ f(0.0023´f ´ A + V )'c0cesV= 0 .1 Ak b£ 0 .067 ´'ffAsyhceSk3延性抗震设计B类、C类桥梁墩柱的变形验算E2 作用下，一般情况应验算潜在塑性铰区域沿顺桥向和横桥向的塑性转动能力，但对于规则桥梁，验算桥墩墩顶的位移，

18、对于高宽比小于2.5的矮墩，验算强度。3延性抗震设计E2作用下，桥墩潜在塑性铰区域沿顺桥向和横桥向的塑性转动应满足：qp£ ququ = Lp (fu - fy ) / KLp = 0.08H + 0.022 f yds ³ 0.044 f ydsL = 2 bp33延性抗震设计等效屈服曲率、极限破坏状态的曲率f sf su fsb fyyshsusbsxxiAi中性轴eiyie jyioy形心轴y3延性抗震设计3.4延性构造细节设计墩柱结构构造措施3延性抗震设计墩柱潜在塑性铰区域内加密箍筋的配置加密区的长度：弯曲方向截面宽度的1.0倍，超过最大弯矩80的范围10cm或6

19、ds或b/4；加密箍筋的最大间距箍筋的直径不应小于:10mm螺旋式箍筋的接头必须采用对接，矩形箍筋应有135°弯勾，并 混凝土之内6以上；加密区箍筋肢距: 25cm；3延性抗震设计塑性铰区域内加密箍筋的最小体积含箍率 (7度、8度）圆形截面'fr=0.14h + 5.84(h - 0.1)(r - 0.01) + 0.028³ 0.004 c s minkktfyh矩形截面'fcrh +4.17(h -0.1)(r -0.01) +0.02³ 0.004f=0.1sminkktyh9度增加墩柱潜在塑性铰区域以外箍筋的体积配箍率不应小于塑性铰区域加密

20、箍筋体积配箍率的50%。、3延性抗震设计空心截面墩柱潜在塑性铰区域内加密箍筋的配置，应符合下列要求：应配置内外两层环形箍筋，在内外两层环形箍筋之间应配置足够的拉筋如8.1.6所示；加密箍筋的配置应满足8.1.1条和8.1.2条的规定。3延性抗震设计墩柱的纵筋应尽可能地延伸至盖梁和承台的另一侧面，纵筋的锚固和搭接长度塑性铰加密区域配置的箍筋应延续到盖梁和承台内，延伸到盖梁和承台的距离不应小于墩柱长边的1/2，并不小于50cm4 桥梁减震设计4.1桥梁减隔震原理和一般规定基本原理位移谱加速度谱周期延长阻尼减少周期（T）位移反应谱周期延长阻尼减少周期（T）度反应谱4 桥梁减震设计减隔震技术的适用条件

21、上部结构连续，下部结构刚度较大，结构基本振动周期比较短；桥梁下部结构高度变化不规则，刚度分配不均匀；场地条件比较好，预期地面运动特性具有较高的卓越频率；采用柔性支承延长结构周期，减小结构反应；采用阻尼器装置耗散能量，限制结构位移；保证结构在正常使用荷载作用下具有足够的刚度4 桥梁减震设计不宜采用减隔震设计条件作用下，场地可能失效；下部结构刚度小，桥梁的基本周期比较长；位于软弱场地，延长周期可能引起地基和桥梁共振；支座中可能出现负反力。减隔震设计的桥梁，应满足正常使用条件的要求。相邻上部结构之间须在桥台、桥墩等处设置足够的间隙，以满足位移需求。减隔震设计的桥梁，其基本周期原则上应为不采用减隔震装

22、置时基本周期的两倍以上。4 桥梁减震设计碰即脱顶块49cm40cm60cm4 桥梁减震设计4.2减隔震装置整体型减隔震装置铅芯橡胶支座橡胶保护层钢板橡胶层铅芯铅芯橡胶支座 铅芯橡胶支座滞回曲线 恢复力模型：常线性表示。分层橡胶支座中部铅芯而形成的隔震装置。铅芯：提供下的耗能能力和静力荷载下所需刚度(初始剪切刚度G约130MPaYFmaxkuk + dQ +u-dkeffu+ X-Q -kddku支座滞回曲线Fmin4 桥梁减震设计温度、徐变等蠕变变形引起的支座抗力很低支座水平剪力力 铅芯屈服力风或制动力力-变形曲线（短期荷载）温度变形产生的力力-变形曲线（蠕变荷载）位移（短期）温度变形（长期）

23、铅芯橡胶支座在不同荷载作用下的抗力比较4 桥梁减震设计铅芯橡胶支座恢复力模型：F(x) (剪力)A(I)B(I)KpQyF(I)K-x0-xyxyx0x (相对位移)C(II)-QyD(II)E(II)双线性恢复力模型 4 桥梁减震设计高阻尼橡胶支座高阻尼橡胶支座滞回曲线采用特殊配制的橡胶材料制作，形状及构造与天然橡胶支座相同。橡胶材料粘性大，自身可以吸收能量。滞回环的面积较大，恢复力模型可采用修正双线性模型。4 桥梁减震设计摩擦摆隔震支座不稳定随遇稳定稳定4 桥梁减震设计FPI是将滑动支座和钟摆的概念相结合一种新的隔震装置。支座可以在任何方向滑动，其主要由最大设计位移。PTFE支承材料关节式

24、摩擦滑块镀铬钢球形曲面FPI 隔震装置构造示意图4 桥梁减震设计1 抗剪螺栓4 四氟滑板7 防尘密封装置2 限位装置5 中座板8 下座板3 球面不锈钢滑板6 上座板双曲面球型减隔震支座结构示意图双曲面球型减隔震支座的应用情况序号项目应用的设计1苏通长江大桥江苏省交通设计院2佛山平胜大桥湖南省交通设计院3上海长江大桥上海市政设计院4玉蒙铁路工程铁二院同济大学与洛阳725所共同研制4 桥梁减震设计支座设计计算F = W D + mW (sgn D& )= WRWWK=+ mDKeffRhR=4mWDbæ R ö1 2efféæW öù2p êç R ÷D + mW úDT = 2pç÷ëèømûè g ø= 2 ×pD R + m4 桥梁减震设计4 桥梁减震设计分离型减隔震装置橡胶支座+金属阻尼器FD+钢阻尼器工作机理a弯曲梁b悬臂弯曲梁