大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)減震隔震橋研究梁橋課件

1、大跨橋梁抗震設(shè)計(jì)減震隔震橋研究碩0606班肖赟061215571.大跨橋梁抗震設(shè)計(jì)現(xiàn)狀目前，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的絕大多數(shù)橋梁工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范只適用于中等跨徑的普通橋梁，超過(guò)適用范圍的大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)，則無(wú)規(guī)范可循。許多設(shè)計(jì)規(guī)范只適用于跨徑150m以下的梁橋。對(duì)于大跨橋梁的抗震設(shè)計(jì)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)進(jìn)行了許多的研究，取得了許多科研成果，不過(guò)大跨橋梁抗震設(shè)計(jì)目前還是沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。2.大跨橋梁抗震設(shè)計(jì)特點(diǎn)，難點(diǎn)與中等跨徑普通橋梁相比，大跨度橋梁的地震反應(yīng)比較復(fù)雜，相應(yīng)地，抗震設(shè)計(jì)也比較復(fù)雜。如高階振型的影響比較明顯，以及需要考慮多點(diǎn)激振和行波效應(yīng)、各種復(fù)雜的非線性因素、樁土結(jié)構(gòu)相互作用等。另一方面，又沒(méi)有

2、可遵循的抗震設(shè)計(jì)規(guī)范。因此，大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)目前還比較困難。由于工程項(xiàng)目建設(shè)期短，而專(zhuān)業(yè)科研人員又不能參與設(shè)計(jì)，只能被動(dòng)地進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)在地震作用下的強(qiáng)度變形驗(yàn)算，因而不能將先進(jìn)的抗震設(shè)計(jì)思想充分應(yīng)用于抗震設(shè)計(jì)，影響抗震設(shè)計(jì)的效果。3.基本的橋梁震害上部結(jié)構(gòu)落梁破壞，這是最為常見(jiàn)的橋梁震害之一。橋墩部位兩跨梁相互撞擊的破壞 。由于地基失效引起的上部結(jié)構(gòu)的震害。 墩柱失效引起的落梁破壞。 4.梁式橋梁震害 梁式橋梁（鋼板梁及鋼筋混凝土梁等）遭受地震時(shí)，最常見(jiàn)的嚴(yán)重破壞情況是墩臺(tái)毀損，主梁墜落。這種嚴(yán)重破壞，大都發(fā)生在地震的高烈度地區(qū)，而且一般是地質(zhì)體條件較差的橋梁。 橋梁震害圖片5.大跨橋梁抗

3、震設(shè)計(jì)大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)是一項(xiàng)綜合性的工作。目前國(guó)內(nèi)采用得是三水準(zhǔn)設(shè)防目標(biāo)，兩階段抗震設(shè)計(jì)方法。此外還提出了基于性能得設(shè)計(jì)方法。這是今后抗震研究方向。 大跨橋梁抗震設(shè)計(jì)兩水平的抗震設(shè)計(jì)方法（twolevel design approach）要求結(jié)構(gòu)在兩個(gè)概率水平的地震作用下分別達(dá)到兩個(gè)不同的性能標(biāo)準(zhǔn)。能力設(shè)計(jì)思想要求在一座橋梁內(nèi)部建立合理的強(qiáng)度級(jí)配，以保證地震破壞只發(fā)生在預(yù)定的部位，而且是可控制的。 大跨橋梁抗震設(shè)計(jì) 大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)實(shí)用方法認(rèn)為，大跨度橋梁的抗震設(shè)計(jì)應(yīng)分兩個(gè)階段進(jìn)行：（1）在方案設(shè)計(jì)階段進(jìn)行抗震概念設(shè)計(jì)，選擇較理想的抗震結(jié)構(gòu)體系；（2）在初步或技術(shù)設(shè)計(jì)階段進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì)

4、，并根據(jù)能力設(shè)計(jì)思想進(jìn)行抗能力分析、驗(yàn)算，必要時(shí)要進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)以提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。6.大跨橋梁抗震概念設(shè)計(jì)70年代以來(lái)，人們?cè)诳偨Y(jié)大地震災(zāi)害經(jīng)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，“概念設(shè)計(jì)”，（Conceptual Design）比“計(jì)算設(shè)計(jì)”（Numerical Design）更為重要。 由于地震動(dòng)的不確定性和復(fù)雜性，再加上結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的假定與實(shí)際情況的差異，使“計(jì)算設(shè)計(jì)”很難有效地控制結(jié)構(gòu)的抗震性能。因而，不能完全依賴(lài)“計(jì)算”。結(jié)構(gòu)抗震性能的決定因素是良好的“概念設(shè)計(jì)”。在橋梁的方案設(shè)計(jì)階段，不能僅僅根據(jù)功能要求和靜力分析就決定方案的取舍，而要綜合考慮橋梁的抗震性能，盡可能選擇良好的抗震結(jié)

5、構(gòu)體系。 大跨橋梁抗震概念設(shè)計(jì)誠(chéng)然，橋梁的長(zhǎng)度、跨徑、橋?qū)捯约捌矫娌贾靡艿降匦螚l件及交通流量的制約，但從抗震設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看，還有很大的余地。例如上部結(jié)構(gòu)和橋墩的連接形式，橋墩形式，橋墩截面形式等等。總之，要從內(nèi)力和變形兩個(gè)方面綜合考慮，選擇整體抗震性能好的方案。尤其值得注意的是，大跨度橋梁的過(guò)渡孔在地震中較易遭受破壞，在方案設(shè)計(jì)時(shí)要特別更視過(guò)渡孔處連接構(gòu)造的設(shè)計(jì)。 大跨橋梁抗震概念設(shè)計(jì)為了同時(shí)保證橋梁結(jié)構(gòu)的經(jīng)濟(jì)性和抗震安全性，通常允許橋梁結(jié)構(gòu)在強(qiáng)震下進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，在預(yù)期的部位形成塑性鉸以耗散能量，但不允許出現(xiàn)脆性破壞。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)，通常希望塑性鉸出現(xiàn)在便于檢查和易于修復(fù)的，并且經(jīng)過(guò)特殊配

6、筋的墩柱處，而一般不希望上部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)等處出現(xiàn)塑性鉸。 7.大跨橋梁延性抗震設(shè)計(jì)橋梁的延性抗震設(shè)計(jì)應(yīng)分兩個(gè)階段進(jìn)行 （1）對(duì)于預(yù)期會(huì)出現(xiàn)塑性鉸的部位進(jìn)行仔細(xì)的配筋設(shè)計(jì)； （2）對(duì)整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震能力分析驗(yàn)算，確保其抗震安全性。這兩個(gè)階段可以有反復(fù)，直到通過(guò)抗震能力驗(yàn)算，或者進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)以提高抗震能力。大跨橋梁延性抗震設(shè)計(jì) 塑性鉸區(qū)橫向鋼筋設(shè)計(jì) 橫向鋼筋不僅約束混凝土，保證截面的延性，而且要保證縱向鋼筋不壓潰屈曲。因此，塑性鉸區(qū)的橫向鋼筋的配置要同時(shí)滿(mǎn)足這兩個(gè)要求。 大跨橋梁延性抗震設(shè)計(jì) 橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力分析、驗(yàn)算 橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力驗(yàn)算的任務(wù)是采用非線性時(shí)程分析方法，并通過(guò)恰當(dāng)?shù)目拐鸱治?/p>

7、驗(yàn)算，確保整體結(jié)構(gòu)與薄弱部位的抗震安全性。因此，首先要確定抗震設(shè)防的兩個(gè)水準(zhǔn)及對(duì)應(yīng)的地震輸入，再分別計(jì)算出結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，并根據(jù)兩個(gè)水準(zhǔn)地震作用下結(jié)構(gòu)的性能要求驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的抗彎強(qiáng)度及彎曲延性，特別要驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的剪切強(qiáng)度，確保不出現(xiàn)剪切脆性破壞。大跨橋梁延性抗震設(shè)計(jì) 橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力分析、驗(yàn)算地震動(dòng)輸入的確定 抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)確定 國(guó)內(nèi)外各規(guī)范中的基本烈度相當(dāng)于50年基準(zhǔn)期10%超越概率的地震烈度，其重現(xiàn)期為475年。根據(jù)我國(guó)建筑工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范,90年代出提出的大跨橋梁抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)取為： 遭遇概率水平為P1(50年基準(zhǔn)期10%超越概率，重現(xiàn)期為475年)的地震時(shí)，要求橋梁震后只需簡(jiǎn)易整修，幾小時(shí)后即可

8、正常使用，進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)的抗震驗(yàn)算； 遭遇概率水平為P2(中等地震區(qū)100年基準(zhǔn)期10%超越概率、或強(qiáng)地震區(qū)50年基準(zhǔn)期3%超越概率，重現(xiàn)期分別為950年或1642年)的地震時(shí)，要求橋梁只能發(fā)生可修復(fù)的破壞，進(jìn)行可修復(fù)破壞極限狀態(tài)的抗震驗(yàn)算。 大跨橋梁延性抗震設(shè)計(jì) 橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力分析、驗(yàn)算地震動(dòng)輸入的確定 地震動(dòng)輸入有兩種，即反應(yīng)譜和地震動(dòng)加速度時(shí)程。反應(yīng)譜一般根據(jù)場(chǎng)地條件和設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)選取，相對(duì)較簡(jiǎn)單;而地震加速度時(shí)程的選取則比較復(fù)雜，可以直接利用強(qiáng)震記錄，或采用人工地震加速度時(shí)程。大跨橋梁延性抗震設(shè)計(jì) 橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力分析、驗(yàn)算正常使用極限狀態(tài)抗震驗(yàn)算 正常使用極限狀態(tài)是橋梁在震后只需

9、簡(jiǎn)易整修，幾小時(shí)后即可正常使用的臨界狀態(tài)。在中震作用下，在預(yù)期會(huì)出現(xiàn)塑性鉸的部位，結(jié)構(gòu)可以屈服，產(chǎn)生小量的塑性變形，但要滿(mǎn)足兩個(gè)條件： a.保護(hù)層混凝土不發(fā)生剝落； b.裂縫寬度較小，經(jīng)簡(jiǎn)易修復(fù)就可正常使用，通常認(rèn)為不超過(guò)2mm。 大跨橋梁延性抗震設(shè)計(jì) 橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力分析、驗(yàn)算 為了確保橋梁結(jié)構(gòu)能滿(mǎn)足正常使用極限狀態(tài)的要求，在進(jìn)行抗震驗(yàn)算時(shí)，可以取截面受壓邊緣混凝土的最大壓應(yīng)變?yōu)?.004，而受拉鋼筋的最大拉應(yīng)變?yōu)?.015。試驗(yàn)表明，通常當(dāng)受壓邊緣混凝土的壓應(yīng)變?yōu)?.0060.10時(shí)，混凝土才開(kāi)始剝落。因此，應(yīng)變?yōu)?.004是混凝土開(kāi)始破壞的保守估計(jì)。而取0.015是為了保證裂縫寬度不超過(guò)

10、1mm保守取值)。根據(jù)這一極限條件，對(duì)塑性鉸處截面進(jìn)行彎矩-曲率關(guān)系分析，進(jìn)一步可以得到允許的塑性轉(zhuǎn)角作為正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)。大跨橋梁延性抗震設(shè)計(jì) 橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力分析、驗(yàn)算可修復(fù)破壞極限狀態(tài)抗彎驗(yàn)算 可修復(fù)破壞極限狀態(tài)是橋梁在震后經(jīng)過(guò)表面修復(fù)，仍然可以正常使用的臨界狀態(tài)。在大震作用下，允許橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著破壞，如產(chǎn)生較寬的彎曲裂縫，需要進(jìn)行環(huán)氧注射修復(fù)，以防止日后鋼筋的腐蝕；發(fā)生保護(hù)層混凝土的嚴(yán)重剝落，需要進(jìn)行置換。但是，不允許發(fā)生橫向約束鋼筋的斷裂和縱向鋼筋的壓潰屈曲，核心混凝土要保持完整，不需置換。大跨橋梁延性抗震設(shè)計(jì) 橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力分析、驗(yàn)算 采用這一極限壓應(yīng)變值，對(duì)塑性鉸處

11、截面進(jìn)行彎矩曲率關(guān)系分析，進(jìn)一步可以得到該截面的極限塑性轉(zhuǎn)角，作為可修復(fù)破壞極限狀態(tài)的驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)。大跨橋梁延性抗震設(shè)計(jì) 橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力分析、驗(yàn)算抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算 在強(qiáng)震作用下，為了依靠墩柱塑性鉸的塑性變形能力耗散能量，以降低對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，必須保證在塑性鉸區(qū)或結(jié)構(gòu)的其它部位絕不出現(xiàn)剪切破壞。因?yàn)殇摻罨炷炼罩械募袅鬟f在很大程度上依賴(lài)于混凝土的抗拉和抗壓強(qiáng)度，因而剪切破壞是脆性的，伴隨著強(qiáng)度、剛度的快速降低。在歷次大地震中，很多橋梁結(jié)構(gòu)的破壞就是由墩柱的剪切破壞引起的。因此，必須特別進(jìn)行抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算。大跨橋梁延性抗震設(shè)計(jì) 橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力分析、驗(yàn)算 要求出橋梁鋼筋混凝土墩柱可能達(dá)到的最大彎曲強(qiáng)

12、度及其對(duì)應(yīng)剪力，在輸人概率水平為P2的地震加速度時(shí)程進(jìn)行非線性地震反應(yīng)分析時(shí)，鋼筋和混凝土的強(qiáng)度要采用極限強(qiáng)度，而不是名義強(qiáng)度。因此，程序中實(shí)際上生成極限破壞面，并根據(jù)該破壞面判斷結(jié)構(gòu)是否進(jìn)入塑性工作狀態(tài)，從而進(jìn)行彈塑性地震反應(yīng)分析，求出墩柱可能會(huì)承受的最大剪力Q。大跨橋梁延性抗震設(shè)計(jì) 橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力分析、驗(yàn)算 當(dāng)墩柱中形成塑性鉸之后，構(gòu)件的剪切強(qiáng)度就是彎曲延性的函數(shù)了。因?yàn)樗苄糟q的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)增大斜裂縫的寬度，從而降低骨料咬合作用所傳遞的剪力，因而降低了剪切強(qiáng)度。 比較鋼筋混凝土墩柱可能承受的最大剪力Q及墩柱的抗剪強(qiáng)度R，如QR，則墩柱的抗剪強(qiáng)度滿(mǎn)足要求，不會(huì)發(fā)生剪切破壞，否則，要修改設(shè)計(jì)或進(jìn)行

13、減、隔震設(shè)計(jì)，重新進(jìn)行抗震能力分析驗(yàn)算。8.大跨橋梁減震、隔震設(shè)計(jì)減震、隔震技術(shù)是簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)、先進(jìn)的工程抗震手段。減震是利用特制減震構(gòu)件或裝置，使之在強(qiáng)震時(shí)率先進(jìn)入塑性區(qū)，產(chǎn)生大阻尼，大量消耗進(jìn)人結(jié)構(gòu)體系的能量；而隔震則是利用隔震體系，設(shè)法阻止地震能量進(jìn)入主體結(jié)構(gòu)。在實(shí)踐中，有時(shí)把這兩種體系合二為一。 減、隔震裝置是通過(guò)增大結(jié)構(gòu)主要振型的周期使其落在地震能量較少的范圍內(nèi)或增大結(jié)構(gòu)的能量耗散能力來(lái)達(dá)到減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的目的的。結(jié)構(gòu)控制理論的引入，實(shí)際上是結(jié)構(gòu)減震、隔震技術(shù)的延伸與擴(kuò)展。 大跨橋梁減震、隔震設(shè)計(jì)大量研究表明，最適宜進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)的情況主要有3種：橋梁墩柱較剛性，即自振周期較?。粯?/p>

14、梁很不規(guī)則，如墩柱的高度變化較大，有可能導(dǎo)致受力不均勻；預(yù)測(cè)的場(chǎng)地地震運(yùn)動(dòng)的能量主要集中在高頻分量，而低頻分量的能量較少(淺震、近震、巖石地基)。 因此，要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和場(chǎng)地地震動(dòng)特點(diǎn)決定是否要進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)，以及采取什么減、隔震裝置。 大跨橋梁減震、隔震設(shè)計(jì) 進(jìn)行減、隔震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)將重點(diǎn)放在提高吸收能量能力從而增大阻尼和分散地震力上，不可過(guò)分追求加長(zhǎng)周期。另一方面，應(yīng)選用作用機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單的減、隔震裝置，并在其力學(xué)性能明確的范圍內(nèi)使用。普通板式橡膠支座構(gòu)造簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定，已在橋梁中廣泛使用。但它只能提供一定的柔性，井無(wú)顯著的阻尼性能，因此減、隔震效果有限。而聚四氟乙烯滑板支座能有效地通過(guò)摩擦耗能

15、，對(duì)減小內(nèi)力反應(yīng)有顯著的效果，而且其效果對(duì)輸人地震波的頻譜特性不敏感，但由于它不能提供恢復(fù)力，常常會(huì)使梁體與墩、臺(tái)之間的相對(duì)位移過(guò)大。因此，聚四氟乙烯滑板支座最好能與阻尼器或防止落梁的裝置配套使用， 大跨橋梁減震、隔震設(shè)計(jì)在進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，要根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和場(chǎng)地地震動(dòng)的頻率特性，通過(guò)選用合適的減、隔震裝置、相應(yīng)參數(shù)以及設(shè)置方案，合理分配結(jié)構(gòu)的受力和變形，從而達(dá)到提高結(jié)構(gòu)抗震能力的目的。減、隔震設(shè)計(jì)的效果，同樣需要進(jìn)行非線性地震反應(yīng)分析來(lái)驗(yàn)證。因此，對(duì)經(jīng)過(guò)減、隔震設(shè)計(jì)的橋梁結(jié)構(gòu)，依然要進(jìn)行抗震能力分析驗(yàn)算。如果驗(yàn)算不通過(guò)，則應(yīng)修改減、隔震設(shè)計(jì)，重新進(jìn)行抗震能力分析驗(yàn)算，直到滿(mǎn)足要求為止。 大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)抗震概念設(shè)計(jì)延性抗震設(shè)計(jì)減、隔震設(shè)計(jì)初步概念設(shè)計(jì)建立簡(jiǎn)單的計(jì)算模式動(dòng)力特性分析地震反應(yīng)估算進(jìn)行延性抗震設(shè)計(jì)較理想的抗震體系薄弱位置分析確定修改設(shè)計(jì)方案否塑性鉸區(qū)橫向鋼筋設(shè)計(jì)抗震能力分析地震輸入確定正常使用極限狀態(tài)抗彎驗(yàn)算抗剪