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结构抗震性能传统设计方法能力设计法塑性铰出现位置不明确预定的构件部位塑性铰的布局随机预先选择局部延性需求难以估计与整体延性直接联系结构整体抗震性能难以预测可预测防止结构倒塌破坏概率有限最大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：①选择合理的结构布局；②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；③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。地震基本烈度桥梁分类67890.05g0.1g0.15g0.2g0.3g0.4gA7899更高，专门研究B78899≥9C677889D677889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。①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。②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。③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gggTTTTSTTsSsTTSS)/(1.01.0)45.05.5(maxmaxmax10T(s)0.1Tg0SmaxS5.2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Smaxmax2.25isdSCCCA桥梁抗震设防类型路线等级及构造物重要性修正系数E1地震作用E2地震作用A单跨跨径超过150m的特大桥1.01.7B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的二级公路上的特大桥、大桥0.43（0.5）1.3（1.7）C二级公路上的中、小桥，单跨