工程結(jié)構(gòu)抗震課件：第十章 橋梁抗震設(shè)計概要-1

1、第十章橋梁抗震設(shè)計概要中國橋梁規(guī)范：公路橋梁、市政橋梁、鐵路橋梁工程結(jié)構(gòu)抗震10.1 概述橋梁是重要的社會基礎(chǔ)設(shè)施，建設(shè)費用高、且公共性強(qiáng)。橋梁是區(qū)域抗震防災(zāi)、危機(jī)管理的一個組成部分，地震破壞將帶來重大的次生災(zāi)害（道路是一個城市的生命線）。自唐山地震以來，我國開始考慮橋梁的抗震設(shè)計。橋梁基本組成梁式橋：連續(xù)、簡支、曲線、直線、正交、斜交拱橋：圬拱、混凝土拱、鋼拱、鋼管混凝土拱、上中下承剛構(gòu)橋：斜腿、直腿、T構(gòu)等斜拉橋：雙索面、單索面等懸索橋10.2 橋梁地震破壞實例1）橫向移動分隔帶撞擊破壞2）縱向移動3）承載能力不足百花大橋橋墩破壞情況小漁洞大橋完全垮塌 日本阪神地震震害資料支座破壞落梁破壞

2、臺灣921地震彎曲破壞地震時橋梁破壞特征（1）上部結(jié)構(gòu)因強(qiáng)度低導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞的例子比較少（2）地基基礎(chǔ)除液化外因承載力問題引起的破壞實例比較少（3）主要的破壞： 橋墩的剪切破壞 結(jié)構(gòu)延性不足 落梁破壞 支座損傷等。 獨柱式結(jié)構(gòu)尤為嚴(yán)重，彎曲破壞具有良好的抗塌能力彎曲破壞的機(jī)理4個階段：當(dāng)彎矩達(dá)到開裂強(qiáng)度時截面出現(xiàn)水平彎曲裂縫；隨著裂縫的發(fā)展和荷載強(qiáng)度的提高，受拉側(cè)的縱筋達(dá)到屈服強(qiáng)度；隨著變形量的增大，保護(hù)層混凝土脫落、塑性鉸范圍擴(kuò)大；鋼筋壓屈（或拉斷）和內(nèi)部混凝土壓碎、崩裂。剪切破壞的機(jī)理4個階段來描述：截面彎矩達(dá)到開裂強(qiáng)度時截面出現(xiàn)水平彎曲裂縫；隨著裂縫的發(fā)展和荷載強(qiáng)度的提高，柱內(nèi)出現(xiàn)斜方向的

3、剪切裂縫；局部剪切裂縫增大，箍筋屈服導(dǎo)致剪切裂縫進(jìn)一步增長；發(fā)生脆性的剪切破壞。剪切破壞彎剪破壞彎曲變形10.3 公路橋梁抗震設(shè)計細(xì)則10.3.1 總體情況兩階段設(shè)計：E1地震重現(xiàn)期為467年，E2地震重現(xiàn)期大約2700年。 重要性分類：分A-D類，A類相當(dāng)于建筑物的甲類。設(shè)防目標(biāo)：E1地震作用時不損壞或不需修復(fù)可繼續(xù)使用；E2地震作用時，A 類橋梁震后可繼續(xù)使用，B、C類橋梁震后可修。適用范圍：跨徑小于150m的混凝土梁橋、圬工或混凝土拱橋。斜拉橋和懸索橋、跨徑超過 150m 的特大跨徑梁橋和拱橋只給出抗震設(shè)計原則。大于9度地區(qū)的橋梁和有特殊要求的大跨度或特殊橋梁，其抗震設(shè)計應(yīng)作專門研究。

4、抗震設(shè)計范圍：A、B 和C 類橋梁進(jìn)行E1和E2作用下的抗震設(shè)計。D 類橋梁只進(jìn)行E1作用下的抗震設(shè)計。 10.3.2 橋梁抗震設(shè)防分類和設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)A類橋梁是主跨超過 150m 的特大橋，B類橋梁是指除 A 類以外的高速公路和一級公路上的橋梁及二級公路上的大橋、特大橋等，C類橋梁是指屬A、B、D類以外的公路橋梁，D類橋梁是指位于三、四級公路上的中橋、小橋。各類橋梁的設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)各類橋梁的重要性系數(shù)10.3.3 場地和地基場地分類同建筑物抗震設(shè)計規(guī)范液化判斷以及處理基本同建筑物抗震設(shè)計規(guī)范地基承載能力驗算以及樁基驗算基本同建筑物抗震設(shè)計規(guī)范10.3.4 地震作用 1）一般情況下只考慮水平向地震作用，直

5、線橋可分別考慮順橋向和橫橋向的地震作用。 2）豎向地震作用：設(shè)防烈度為8度和9度時的拱式結(jié)構(gòu)、長懸臂橋梁結(jié)構(gòu)和大跨度結(jié)構(gòu)，應(yīng)同時考慮豎向地震作用（與建筑物相似）。 3）地震作用分量組合當(dāng)同時考慮三個方向的地震作用時，總的地震作用效應(yīng)為： 其中，EX、EY和EZ分別為X、Y 和Z方向上的地震作用最大效應(yīng)。4）計算方法：可以用設(shè)計加速度反應(yīng)譜、設(shè)計地震動時程和設(shè)計地震動功率譜表達(dá)。5）加速度反應(yīng)譜：阻尼比為5 的水平設(shè)計加速度反應(yīng)譜Smax=2.25CiCsCdA式中，Ci為重要性系數(shù)、Cs為場地系數(shù)、Cd為阻尼調(diào)整系數(shù)、A 為設(shè)計基本地震加速度峰值豎向設(shè)計加速度反應(yīng)譜由水平向設(shè)計加速度反應(yīng)譜乘以

6、下式給出的豎向/水平向譜比函數(shù)R。 基巖場地： R=0.65 （偏于安全考慮）土層場地： 10.3.5 計算方法抗震分析時可將橋梁劃分為規(guī)則橋梁和非規(guī)則橋梁兩類，分別采用對應(yīng)的方法。時程計算方法、反應(yīng)譜法在第5章已經(jīng)作了詳細(xì)的闡述，橋梁結(jié)構(gòu)與建筑結(jié)構(gòu)之間沒有本質(zhì)的區(qū)別，但計算模型比較詳細(xì)，振動特性和內(nèi)力計算一般采用相同模型。抗震設(shè)計方法類別：A類抗震設(shè)計方法類別：B類規(guī)則非規(guī)則規(guī)則非規(guī)則E1地震作用SM/MMMM/THSM/MMSM/MME2地震作用SM/MMMM/TH注：TH為線性或非線性時程計算方法；SM為單振型反應(yīng)譜；MM為多振型反應(yīng)譜法。規(guī)則橋梁的定義參 數(shù)參數(shù)值單跨最大跨徑 90m墩

7、高30m單墩長細(xì)比大于2.5且小于10跨數(shù)23456及半徑R90，同時曲梁半徑 R20b（b為橋?qū)挘┛缗c跨間最大跨長比3221.51.5軸壓比 0.3跨與跨間橋墩最大剛度比4432下部結(jié)構(gòu)類型橋墩為單柱墩、雙柱框架墩、多柱排架墩地基條件不易液化、側(cè)向滑移或易沖刷的場地，遠(yuǎn)離斷層2）對設(shè)計地震動時程（即輸入地震波）的要求做過地震安全性評價的橋址，設(shè)計地震動時程要根據(jù)專門的工程場地地震安全性評價的結(jié)果確定。 未做過地震安全性評價的橋址，可根據(jù)設(shè)計加速度反應(yīng)譜，按隨機(jī)合成方法生成設(shè)計加速度時程；為考慮地震動的隨機(jī)性，每組設(shè)計加速度時程要有三條以上，且要保證任意二時程間由相關(guān)系數(shù)的值小于0.1。地震作

8、用下，線性時程法的計算結(jié)果不宜小于反應(yīng)譜法計算結(jié)果的80%。 3）抗震分析方法的規(guī)定適用于跨度不超過150m的梁橋、拱橋等常規(guī)橋梁的抗震分析。墩高超過40m，墩身第一階振型有效質(zhì)量低于60，且結(jié)構(gòu)進(jìn)入塑性的高墩橋梁應(yīng)進(jìn)行專門研究。橋臺臺身的地震慣性力:可按靜力法計算考慮主動土壓力和被動土壓力作用。截面特性:E1地震作用,常規(guī)橋梁結(jié)構(gòu)抗震計算按毛截面;E2地震作用考慮彈塑性響應(yīng)的構(gòu)件需要考慮鋼筋影響。D類橋梁、圬工拱橋、重力式橋墩和橋臺只進(jìn)行E1地震作用下的抗震分析。中國規(guī)范，等效屈服點根據(jù)圖中兩個陰影面積相等求得。10.3.6 延性設(shè)計的容許地震損傷位置基礎(chǔ)、蓋梁、梁體、節(jié)點、剪切強(qiáng)度按能力保

9、護(hù)構(gòu)件設(shè)計（即地震時不容許發(fā)生這些破壞），損傷發(fā)生在橋墩。這是根據(jù)地震以后修復(fù)難易程度、是否發(fā)生致命性倒塌破壞來考慮的。即使對橋墩，損傷截面位置也使限定的，發(fā)生在墩底、墩頂和墩底。這是根據(jù)地震損傷對結(jié)構(gòu)延性性能的影響程度決定的。在墩底截面進(jìn)入塑性的結(jié)構(gòu)，延性優(yōu)于中間截面進(jìn)入塑性的結(jié)構(gòu)。塑性截面位置的影響10.3.7 建模原則采用反映結(jié)構(gòu)空間動力特性的振動模型：一般采用桿系結(jié)構(gòu)計算，質(zhì)量為集中質(zhì)量（因為低階振型對結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的影響非常大）不考慮塑性（不容許發(fā)生損傷或者不會發(fā)生損傷）的構(gòu)件，用彈性梁單元；相反考慮塑性影響的單元采用彈塑性梁單元。細(xì)長的單元（長細(xì)比大于8），宜考慮P-效應(yīng)?；瑒又ё?/p>

10、慮摩擦力的耗能。考慮場地變形的影響。10.3.8 規(guī)則橋梁結(jié)構(gòu)計算方法(也可以不用這些方法)規(guī)則橋梁水平地震力采用反應(yīng)譜方法時，應(yīng)考慮上部結(jié)構(gòu)、支座、橋墩及基礎(chǔ)等剛度的影響。重力式橋墩的水平地震力，采用反應(yīng)譜方法計算時，作用于橋墩質(zhì)點 i 的水平地震力可按下列公式計算。S1h 相應(yīng)水平方向的加速度反應(yīng)譜值；1 橋墩順橋向或橫橋向的基本振型參與系數(shù)；X1i 橋墩基本振型在第 i 分段重心處的相對水平位移； Xf 考慮地基變形時，順橋向作用于支座頂面或橫橋向作用于上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量重心上的單位水平力在一般沖刷線或基礎(chǔ)頂面引起的水平位移或支座頂面或上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量重心處的水平位移之比值； Hi 一般沖刷線或基

11、礎(chǔ)頂面至墩身各分段重心處的垂直距離(m)；H 橋墩計算高度，即一般沖刷線或基礎(chǔ)頂面至支座頂面或上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量重心的垂直距離（m）； B 順橋向或橫橋向的墩身最大寬度（m）；Gi=0 橋梁上部結(jié)構(gòu)重力，對于簡支梁橋，順橋向地震力時為相應(yīng)于墩頂固定支座的一孔梁的重力；橫橋向地震力時為相鄰兩孔梁重力的一半； Gi=I,2,3 橋墩墩身各分段的重力。規(guī)則性橋梁的柱式墩，采用反應(yīng)譜方法計算時, 其順橋向水平地震力可采用下列簡化公式計算。Ehtp 作用于支座頂面的水平地震力； Gtp 支座頂面處換算質(zhì)點重力；Gs 橋梁上部結(jié)構(gòu)的重力，簡支梁橋為相應(yīng)于墩頂固定支座的一孔梁的重力；連續(xù)梁橋為相鄰兩孔梁重力之和的

12、一半； Gcp 蓋梁的重力； Gp 墩身重力，對于擴(kuò)大基礎(chǔ)，為基礎(chǔ)頂面以上墩身的重力；對于樁基礎(chǔ)，為一般沖刷線以上墩身的重力； 墩身重力換算系數(shù)；Xf1/2 考慮地基變形時，順橋向作用于支座頂面上的單位水平力在墩身計算高度H/2處引起的水平位移與支座頂面處的水平位移之比值。 采用板式橡膠支座的規(guī)則性橋梁，采用反應(yīng)譜方法計算時，其順橋向水平地震力按下列計算：1）全聯(lián)均采用板式橡膠支座的連續(xù)梁橋或橋面連續(xù)、順橋向具有足夠強(qiáng)度的抗震聯(lián)結(jié)措施的簡支梁，其水平地震力可按下述簡化方法計算： 上部結(jié)構(gòu)對板式橡膠支座頂面處產(chǎn)生的水平地震力：Eihs 上部結(jié)構(gòu)對第 i 號墩板式橡膠支座頂面處產(chǎn)生的水平地震力；k

13、itp 第i 號墩組合抗推剛度kip 第i 號墩板式橡膠支座抗推剛度；kis 第i 號橋墩墩頂抗推剛度； Gsp 一聯(lián)上部結(jié)構(gòu)的總重力墩身水平地震力（1） 實體墩由墩身自重在墩身質(zhì)點 i 的水平地震力（2）柱式墩由墩身自重在板式橡膠支座頂面產(chǎn)生的水平地震力采用板式橡膠支座的多跨簡支梁橋，對剛性墩可按單墩單梁計算；對柔性墩應(yīng)考慮支座與上、下部結(jié)構(gòu)的偶聯(lián)作用，按下圖進(jìn)行計算。在E2地震作用下，可按下式計算墩頂?shù)目v向和橫向水平位移為=c （彈性位移和彈塑性位移之間的關(guān)系） 10.3.9 能力保護(hù)構(gòu)件計算要點E2 地震作用如結(jié)構(gòu)未進(jìn)入塑性，可用E2地震作用下的計算結(jié)果設(shè)計橋梁墩柱的剪力、橋梁基礎(chǔ)和蓋梁

14、。進(jìn)入塑性的墩柱，順橋向和橫橋向的剪力設(shè)計值 Vc0：強(qiáng)剪根據(jù)兩端的最大彎矩計算，并考慮超強(qiáng)系數(shù)0 （1.2）Mszc、Mx zc為墩柱上、下端截面按實配鋼筋，采用材料標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值和軸壓力計算的沿縱橋向的正截面受彎承載力所對應(yīng)的彎矩值；Mshc、Mxhc為墩柱上、下端截面按實配鋼筋，采用材料標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值和軸壓力計算的沿橫橋向正截面受彎承載力所對應(yīng)的彎矩值； Hn一般取為墩柱的凈長度，但是對于單柱墩橫橋向計算時應(yīng)取梁體截面形心到墩柱底截面的垂直距離。 蓋梁彎矩設(shè)計值Mp0：強(qiáng)梁弱柱的原則蓋梁剪力設(shè)計值Vc0：強(qiáng)剪計算的原則MG由結(jié)構(gòu)重力產(chǎn)生的彎矩MRpc，MLpc：橫梁左右端截面按實配鋼筋， 采用材料標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度值計算的正截面受彎承載力所對應(yīng)的彎矩值； L0橫梁的凈跨長度?；A(chǔ)設(shè)計根據(jù)墩底截面的抵抗能力計算并考慮超強(qiáng)系數(shù)計算。 10.3.10 強(qiáng)度與變形驗算E1地震作用下,結(jié)構(gòu)在彈性范圍內(nèi)工作,基本不損傷；E2地震作用下，橋墩(延性構(gòu)件)可發(fā)生損傷，產(chǎn)生彈塑性變形，耗散地震能量，但橋墩的塑性餃區(qū)域應(yīng)具有足夠的塑性轉(zhuǎn)動能力。E2地震下，橋梁基礎(chǔ)、蓋梁、梁體以及墩柱的抗剪、拱橋的主拱圈和橋面系基本不發(fā)生損傷。 拱橋的橋墩、基礎(chǔ)和拱上立柱的抗震性能可按梁橋的要求進(jìn)行抗震設(shè)計。