第4章 桥梁墩台的抗震计算1

1桥梁结构抗震SeismicDesignforBridgeStructures土木工程学院2010.8主要内容第四章桥梁抗震设计SeismicDesignforBridges„4.1铁路工程抗震设计规范GB(50111-2006)介绍„4.2桥梁抗震设计实例„4.3桥台抗震设计计算„4.4支座抗震计算„4.5抗震措施3.0.1A铁路工程应根据铁路等级及其在路网中的重要性和修复（抢修）的难易程度，分为A类、B类、C类、D类四个抗震设防类别。各类别铁路工程的划分应符合表3.0.1A的规定。表3.0.1A铁路工程抗震设防类别的划分——1.客货共线铁路混凝土简支梁跨度大于等于48m；简支钢梁跨度大于等于64m；混凝土连续梁主跨大于等于80m；连续钢梁主跨大于等于96m；2.高速铁路及客运专线（含城际铁路）跨度大于等于40m的桥梁；3.墩高大于等于40m的桥梁；4.常水位水深大于8m的桥梁；5.技术复杂、修复困难的特殊结构桥梁。B类水下隧道—跨越大江、大河，且技术复杂、修复困难的特殊结构桥梁A类隧道路基桥梁属A、C类以外的其他铁路隧道工程属C类以外的其他路基工程属A、B、C类以外的其他铁路桥梁D类1.高速铁路及客运专线（含城际铁路）的隧道和明洞；2.通过活动断裂带、浅埋、偏压、采空区及矿区、繁华城区、特大跨度（b15m）的隧道和明洞。近距离交叉的隧道衬砌，高速铁路及客运专线（含城际铁路）洞口、浅埋、偏压、明洞地段及繁华城区隧道衬砌。1.修复困难的陡坡、深挖、高填路基；高速铁路及客运专线（含城际铁路）的路基。1.高速铁路及客运专线（含城际铁路）的普通桥梁；2.墩高大于30m小于40m的桥梁；常水位水深5m～8m的桥梁。C类表3.0.1B-1各类工程的重要性系数Ci1.01.01.0D类1.01.01.1C类1.01.01.5B类———A类罕遇地震设计地震多遇地震工程类别表3.0.1B-1各类工程的抗震设防措施等级《铁路工程抗震设计规范》中规定铁路工程的抗震性能要求如下：„性能要求Ⅰ：地震后不损坏或轻微损坏，能够保持其正常使用功能；结构处于弹性工作阶段；„性能要求Ⅱ：地震后可能损坏，经修补，短期内能恢复其正常使用功能；结构整体处于非弹性工作阶段；„性能要求Ⅲ：地震后可能产生较大破坏，但不出现整体倒塌，经抢修后可限速通车；结构处于弹塑性工作阶段。钢筋混凝土桥墩采用延性设计的简化方法；B类桥梁及新结构桥梁：采用非线性时程反应分析法采用静力法连续梁支座可采用反应谱法D类桥梁：采用反应谱法；B，C类桥梁及新结构桥梁：反应谱法或时程反应分析法分析方法达到抗震性能要求Ⅲ达到抗震性能要求Ⅱ达到抗震性能要求Ⅰ抗震设防目标钢筋混凝土桥墩的桥梁桥台、桥梁上、下部结构连接构造桥梁构筑物罕遇地震设计地震多遇地震地震动水准表桥梁在不同地震动的抗震设防目标及分析方法《铁路工程抗震设计规范》的适用范围：„跨度小于150m的钢梁及跨度小于120m铁路钢筋混凝土和预应力混凝土等梁式桥的抗震设计。„桥梁抗震验算时，应分别计算顺桥向和横桥向的水平地震作用。对于抗震设防烈度为9度的悬臂结构和预应力混凝土刚构桥等，还应计入竖向地震作用的影响。„竖向地震作用可按结构恒载和活载总和的7%计入，或按水平地震基本加速度α的65%进行动力分析。„位于非岩石地基上的桥梁抗震设计，应计入地基变形的影响。„桥梁抗震验算荷载，应为地震作用与下表所列的荷载进行最不利组合。一般规定表桥梁荷载列车活载产生的土压力离心力列车竖向静活载活荷载静水压力及浮力土压力结构自重恒载荷载名称荷载分类1.双线桥只考虑单线活载2.验算桥墩桥台时，应采用常水位设计，常水位包括地表水或地下水„位于常水位水深超过5m的桥墩，应计入地震动水压力对桥墩的作用。„桥梁抗震验算时，应分别按有车、无车进行计算。当桥上有车时，顺桥向不计活荷载引起的地震力，横桥向只计50%活荷载引起的地震力且作用在轨顶以上2m处。活荷载垂直力均计100%。„桥上有车时，顺桥向不计活载地震力的原因是，由于车轮的滚动作用，地面运动的加速度只有很少一部分传递到列车上，但列车的重力仍可以传递到桥墩上。因此，纵向不计活载产生的地震力，而活载垂直力计100%。„活载横向地震力，只有地震时恰好桥上有列车时才会产生，但地震时桥上有车的机率较小。即便有车，由于车架上有弹簧，对横向振动有一定的减震作用，活载地震力也会有所折减。因此规范规定计50%的活载地震力。对双线铁路按单线活载计。钢筋混凝土桥墩：按非线性时程反应分析法进行下部结构延性验算或最大位移分析验算连接构造墩身及基础：强度、偏心及稳定性验算其它梁式桥及B类桥梁可按简化法进行延性验算验算连接构造墩身及基础：强度及稳定性验算钢筋混凝土桥墩一般不验算，但应增设护面钢筋验算连接构造墩身及基础：强度、偏心及稳定性验算混凝土桥墩简支梁桥罕遇地震设计地震多遇地震结构形式抗震检算内容抗震检算内容及方法桥梁在多遇地震时抗震验算的规定如下：„1)基础底面的合力偏心距，应符合下表的规定。≤1.0ρσ0≤200kPa的土层≤1.2ρσ0200kPa的土层≤1.5ρ上项以外的其它岩石≤2.0ρ未风化至风化颇重的硬质岩石e地基土„ρ为基础底面计算方向的核心半径。抗震验算规定„2)砌石及混凝土截面合力偏心距，应符合下表规定。表砌石及混凝土截面合力偏心距≤0.7S圆形≤0.8S矩形及其它形状e截面形状S为截面形心至最大压应力边缘的距离。„3）建筑材料容许应力的修正系数，应符合下表的规定。1.5剪应力、拉、压应力钢材1.5压应力1.0剪应力、弯曲拉应力混凝土和石砌体修正系数应力类别材料名称表建筑材料容许应力修正系数„4）滑动稳定系数不应小于1.1。„5）倾覆稳定系数不应小于1.3。（一)计算图式„《铁路工程抗震设计规范》规定，简支梁桥的抗震计算可采用单墩力学模型进行简化计算，条件许可时也可采用全桥力学模型进行计算，并计入梁部及桥面系刚度的影响。桥墩地震作用计算全桥力学模型横桥向顺桥向桥墩抗震计算的单墩模型图中，„δ11——基础平动柔度系数。当基底或承台底作用单位水平力时，基础底面产生的水平位移(m/kN)；岩石地基δ11=0。„δ22——基础转动柔度系数。当基底或承台底作用单位弯矩时，基础底面产生的转角(rad/kN.m)；岩石地基δ22=0。„mb——桥墩顶处换算质点的质量(t)。„顺桥向：mb=md；横桥向：mb=m1+md。„md——桥墩顶梁体质量(t)，等跨桥墩顺桥向、横桥向和不等跨桥墩横桥向均为相邻两孔梁及桥面质量之和的一半，不等跨桥墩顺桥向为较大一跨梁及桥面质量之和。„梁体的地震作用顺桥向位于支座中心，横桥向位于梁高的1/2处。„m1——桥墩顶活荷载反力换算的质量(t)。„lb——质心距桥墩顶的高度(m)。„mi——桥墩第i段的质量(t)。计算非岩石地基基础的柔度系数δ11、δ22、δ12时，应计土的弹性抗力，按下列公式计算。(1)明挖、沉井基础底面的地基柔度系数„ⅰ)置于非岩石地基上的基础(包括基础置于岩石风化层内和置于风化层面上)。)18()6(60402004011WaChmbhmbWaChmb⋅⋅+⋅⋅⋅⋅⋅⋅⋅+⋅⋅=δWaChmb⋅⋅+⋅⋅=040221836δ地基柔度系数的计算公式ⅱ)明挖、沉井底面嵌入岩层内较浅的基础„δ11=δ12=0„式中，b0——基础侧面土抗力的计算宽度(m)，按现行《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB10002.5）的规定计算。明挖基础侧面土抗力的计算宽度应由基础的平均尺寸确定。„m——非岩石地基系数的比例系数(kN/m4)。WaChmb⋅⋅+⋅⋅=04022612δ表非岩石地基系数的比例系数80000～120000块石土、漂石土630000～80000砾砂、角砾土、圆砾土、碎石土、卵石土520000～30000半干硬的粘性土、粗砂410000～20000硬塑粘性土0.5Il≥0，细砂、中砂35000～10000软塑粘性土1Il≥0.5，粉砂23000～5000流塑粘性土Il≥1，淤泥1m(kN/m4)土的名称序号„h——基础底面位于地面以下或一般冲刷线以下的深度(m)。„C0——基础底面竖向地基系数(kN/m3)，按现行《铁路桥涵地基和基础设计规范》（TB10002.5）的规定计算。„a——基础底面顺外力作用方向的基础长度(m)。„W——计算方向基础底截面抵抗矩(m3)。„δ12——当基础底或承台底作用单位弯矩时，基础底面产生的水平位移(m/kN.m)。(2)桩基础承台底面的地基柔度系数，应按现行《铁路桥涵地基和基础设计规范》TB10002.5的方法计算。（二）地震力计算公式„《铁路工程抗震设计规范》中规定的设计地震时地震力计算公式为：式中，FijE——j振型点的水平震力(kN)。Ci——桥梁的重要性系数。α——水平地震基本加速度。EijijjijiFCxmαβγ=⋅⋅⋅⋅⋅EffijijjjMCkJαβγ=⋅⋅⋅⋅⋅„βj——j振型动力放大系数，按下图计算。„γj——振型参与系数。„xfj——振型基础质心处的振型坐标。„mf——基础的质量(t)。„xij——振型在段桥墩质心处的振型坐标。„MijE——非岩石地基的基础或承台质心处的振型地震力矩(kN.m)。„kfj——j振型基础质心角变位的振型函数(1/m)。„Jf——基础对质心轴的转动惯量(t.m2)。ff222ffffiijjijiijjjimxmxmxmxJkγ⋅+⋅=⋅+⋅+⋅∑∑表水平地震基本加速度0.64g0.57g0.38g0.32g0.21g0.11g罕遇地震0.14g0.1g0.07g0.05g0.04g0.02g多遇地震0.4g0.3g0.2g0.15g0.1g0.05g设计地震（Ag）9度8度7度6度设防烈度图7.2.3动力放大系数β曲线0.900.650.450.35三区0.750.550.400.30二区0.650.450.350.25一区IVIIIIII场地类别特征周期分区特征周期Tg(s)根据场地类别和地震动参数区划确定的地震动反应谱特征周期Tg应按表7.2.3取值。„地震作用效应弯矩、剪力、位移，一般可取前三阶振型遇合，按下式计算：„式中，SiE——地震作用下，i点的作用效应弯矩、剪力或位移；„SijE——在j振型地震作用下，i点的作用效应弯矩、剪力或位移。∑==312jijEiESS桥梁抗震设计实例沉井墩身液化层底原地面桥梁结构简图6m4=189m3=181m2=21.2m1=86.89.518.27.9410.64E1I1=12.08*10E2I2=17.2*10E3I3=316*10666E4I4=3160*10桥梁抗震设计实例18.5836.787.9426.1435.6418.227.79.57.9418.29.518.29.59.510.6446.28111110.647.9418.29.5作用在各质点处水平作用力下的弯矩图桥梁抗震设计实例6185.1261.8418.990.6261.8430.9112.670.461018.9912.677.970.350.620.460.350.09−⎡⎤⎢⎥⎢⎥=×⎢⎥⎢⎥⎣⎦桥梁抗震设计实例2810261111221810612112212810613112213141122145.9616105.88881046.281.3209105.9616105.88881046.2835.641.0309105.9616105.88881046.2827.70.81105HHHHHHHδδδδδδδδ−−−−−−−−−=+=×+××=×=+=×+×××=×=+=×+×××=×=+=810628102622112228106231122328124112242.9616105.88881046.289.50.32105.9616105.88881035.640.81105.9616105.88881027.735.640.64105.9616105.888810HHHHHδδδδδδ−−−−−−−−−−−×+×××=×=+==×+××=