4.桥梁抗震设计解读

北京交通大学土木建筑工程学院工程结构抗震学赵冠远第四章桥梁抗震设计part1、公路桥抗震设计1、桥梁抗震设计理论的发展桥梁震害震害机理、原因分析对策（选线、设计、措施）抗震标准规范解析实验抗震设计理论的发展1、桥梁抗震设计理论的发展地震反应分析方法静力计算动力计算反应谱分析弹性动力时程分析非线性时程分析静力弹塑性分析实测地震记录的积累计算分析理论的提高对结构损伤破坏过程的深刻认识1、桥梁抗震设计理论的发展抗震设防方法单水平设防多级设防多阶段设计小震不坏、中震可修、大震不倒两阶段或三阶段设计：强度设计、延性设计地震的随机性和复杂性经济因素1、桥梁抗震设计理论的发展抗震设计方法强度设计延性设计抗震结构减隔震结构主动/半主动控制2、公路桥梁抗震设计规范《公路工程抗震设计规范》（JTJ004-89）桥梁抗震设计部分内容废止《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/TB02-01-2008）2.1旧规范的局限性采用的设防水准均为50年基准期10%超越概率，重要结构物的设防等级用重要性系数来体现。单一水准设防，采用基于强度一阶段设计；弹性地震力采用综合影响系数折减考虑结构进入塑性的性能。2.1旧规范的局限性采用综合影响系数考虑结构进入塑性（延性），但塑性铰保证延性的细节构造不明确，综合影响系数取值模糊并且明显不合理。对于墩柱抗剪、基础抗震设计和验算没有规定，实际应用时存在错误，没有引入能力保护设计的思想。2.2新规范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。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。地震作用部分的修订，反应谱周期到10秒，并给出了场地修正系数；给出了时程地震波的选用原则。2.2新规范要点增加了桥梁抗震分析建模原则和抗震分析方法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尽可能吸收了美国、日本现行抗震设计规范的理念和方法，吸取了近十年桥梁震害的教训，弥补了89规范的不足。4、细则适用范围适用于单跨跨径不超过150m的混凝土梁桥、圬工或混凝土拱桥（常规桥梁）斜拉桥、悬索桥、单跨跨径超过150m的特大跨径梁桥、拱桥可以参照抗震设计原则进行设计（特殊桥梁）适用于抗震设防烈度6~9度地区的公路桥设计，大于9度应作专门研究5桥梁抗震设防分类6抗震设防目标采用两水平设防、两阶段设计的思想7抗震重要性系数Ci桥梁分类E1E2重要性系数重现期重要性系数重现期A类1.0475年1.72000年B类0.43(0.5)75年（100年）1.3(1.7)1000年（2000年）C类0.3450年1.0475年D类0.2325年高速公路、一级公路上大桥、特大桥，重要性系数取括号内的值要点通过抗震重要性系数调整设计地震动参数，不同抗震分类桥梁对应的E1、E2地震作用的重现期不同两水平设防、两阶段设计桥梁分类E1E2A类不应发生损伤有限损伤B类同上不倒塌或产生严重损伤，临时加固后可满足应急交通C类同上同上D类同上D类桥梁一水平设防、一水平设计8抗震设计过程抗震概念设计：桥位场地选择、合理的结构选型与布置、恰当的抗震体系抗震验算与设计：E1作用下，强度设计（分析、强度验算）E2作用下，延性设计（分析、变形验算）抗震构造措施9、抗震设计总流程图9、常规桥梁总体设计流程9、常规桥梁结构构件抗震设计流程9、常规桥梁结构构件抗震设计流程10地震作用反应谱取值：按E1和E2地震重要性系数乘设计基本地震动加速度峰值A抗震设防烈度6789A0.05g0.10（0.15）g0.20（0.3）g0.40g表3.2.2抗震设防烈度和水平向设计基本地震动加速度值A10地震作用桥梁结构地震作用考虑的原则一般情况下，公路桥梁可只考虑水平向地震作用，直线桥可分别考虑顺桥向和横桥向的地震作用。设防烈度为8度和9度时的拱式结构、长悬臂桥梁结构和大跨度结构，以及竖向作用引起的地震效应很重要时，应同时考虑顺桥向X、横桥向Y和竖向Z的地震作用。地震作用分量组合采用反应谱法或功率谱法同时考虑三个正交方向的地震作用时，可分别单独计算各方向地震作用产生的最大效应，然后组合。10.1一般规定10地震作用当采用时程分析法时，应同时输入三个方向分量的一组地震动时程计算地震作用效应。进行直线桥梁地震反应分析时，可分别考虑沿顺桥向和横桥向两个水平方向地震输入。进行曲线桥梁地震反应分析时，可分别沿相邻两桥墩连线方向和垂直于连线水平方向多方向地震输入，以确定最不利地震水平输入方向。地震作用可以用设计加速度反应谱、设计地震动时程和设计地震动功谱表达。给出的是S谱值，不同于原来的动力放大系数beta谱值最大周期10秒大于Tg段都是以1/T的斜率下降10地震作用水平设计加速度反应谱gggTTTTSTTsSsTTSS)/(1.01.0)45.05.5(maxmaxmax10T(s)0.1Tg0SmaxS10.2设计加速度反应谱10地震作用公路工程抗震设计规范（JTJ004-89）中给出动力放大系数β谱建筑抗震设计规范（GB50011-2001）中给出水平地震影响系数α谱maxmaxgguuumaxmaxmaxggguuuguk10地震作用水平设计加速度反应谱最大值10地震作用场地特征周期Tg场地特征周期Tg，按场址位置在《中国地震动反应谱特征周期区划图》上读取后，根据场地类别，按下表取值。10地震作用阻尼调整系数10地震作用竖向设计加速度反应谱◇竖向设计加速度反应谱由水平设计加速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10地震作用做过地震安全性评价的桥址，设计地震动时程要根据专门的工程场地地震安全性评价的结果确定。未作地震安全性评价的桥址，可根据本细则设计加速度反应谱，合成与其兼容的设计加速度时程；也可选用与设计地震震级、距离大体相近的实际地震动加速度记录，通过时域方法调整，使其反应谱与本细则设计加速度反应谱兼容。为考虑地震动的随机性，设计加速度时程不得少于三组（条），且应保证任意二时程间由下式定义的相关系数ρ的值小于0.110.3地震动时程11抗震分析适用范围：常规桥梁11.1一般规定单跨跨径不超过150m的混凝土梁桥、圬工或混凝土拱桥等常规桥梁的抗震分析，墩高不超过40m，墩身第一阶振型有效质量大于60%。11抗震分析地震作用B类C类D类规则非规则规则非规则规则非规则E1SM/MMMM/THSM/MMMM/THSM/MMMME2SM/MMTHSM/MMTH————表中：TH：代表线性和非线性时程计算方法SM：单模态反应谱和功率谱方法MM：多模态反应谱和功率谱方法表6.1.4桥梁抗震分析可采用的计算方法11抗震分析截面特性取值11抗震分析◇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。11抗震分析11.2梁桥延性抗震设计11抗震分析单元质量可采用集中质量代表；墩柱和梁体的单元划分应反映结构的实际动力特性；支座单元应反映支座的力学特性混凝土结构的阻尼比可取为0.05；进行时程分析时，可采用瑞利阻尼计算模型应考虑相邻结构和边界条件的影响。11抗震分析11.3建模原则11抗震分析惯性力kufSucfDumfI阻尼力弹性力)()()()(tumtuctkutp)(tumg11抗震分析经典解法gumkuucum)t(u)t(u)t(uPCk/ptwsinBtwcosA)t(u0nn二阶线性微分方程杜哈梅积分将外荷载视为由时间间隔非常短的冲击荷载组成的结构反应为对各冲击荷载反应之和Responsetoimpulse1Responsetoimpulse2ResponsetoimpulseTotalResponse11抗震分析数值方法可适用于线性和非线性领域中心差分法、常加速度法、线性加速度法Newmark-法、Wilson-法不同参数对应的逐步积分法11抗震分析11抗震分析11.4反应谱法SRSS方法组合CQC方法组合11抗震分析振幅频谱持续时间11抗震分析11.5时程分析方法地震动三要素时程分析的最终结果，当采用3组时程波计算时，应取3组计算结果的最大值；当采用7组时程波计算时，可取7组结果的平均值。11抗震分析在E1地震作用下，线性时程法的计算结果不应小于反应谱法计算结果的80%。优点：带有统计特性；给出结构地震反应的最大值；缺点：目前只适用于线性分析；各振型都是取最大值计算的；11抗震分析反应谱法时程分析法优点：适用于线性和非线性的情况；给出随时间变化的结构反应；缺点：地震波有随机性，计算结果也带有随机性；和其他工况组合时麻烦一些。11抗震分析11.6能力保护构件计算12强度与变形验算12.1一般规定12.2B类、C类桥梁抗震强度验算12强度与变形验算12强度与变形验算12强度与变形验算12强度与变形验算12强度与变形验算12强度与变形验算12强度与变形验算12强度与变形验算等效屈服曲率、极限破坏状态的曲率12强度与变形验算13延性构造细节设计13延性构造细节设计13延性构造细节设计13延性构造细节设计13延性构造细节设计13延性构造细节设计14构造措施延性构造措施：最低含箍率、箍筋约束形式、配筋率、纵筋截断、节点构造形式防落梁、限位措施…