大跨度橋梁抗震設計減震隔震橋研究梁橋課件

1、大跨橋梁抗震設計減震隔震橋研究碩0606班肖赟061215571.大跨橋梁抗震設計現狀目前，國內外現有的絕大多數橋梁工程抗震設計規(guī)范只適用于中等跨徑的普通橋梁，超過適用范圍的大跨度橋梁的抗震設計，則無規(guī)范可循。許多設計規(guī)范只適用于跨徑150m以下的梁橋。對于大跨橋梁的抗震設計國內外已經進行了許多的研究，取得了許多科研成果，不過大跨橋梁抗震設計目前還是沒有一個統(tǒng)一的標準。2.大跨橋梁抗震設計特點，難點與中等跨徑普通橋梁相比，大跨度橋梁的地震反應比較復雜，相應地，抗震設計也比較復雜。如高階振型的影響比較明顯，以及需要考慮多點激振和行波效應、各種復雜的非線性因素、樁土結構相互作用等。另一方面，又沒有

2、可遵循的抗震設計規(guī)范。因此，大跨度橋梁的抗震設計目前還比較困難。由于工程項目建設期短，而專業(yè)科研人員又不能參與設計，只能被動地進行橋梁結構在地震作用下的強度變形驗算，因而不能將先進的抗震設計思想充分應用于抗震設計，影響抗震設計的效果。3.基本的橋梁震害上部結構落梁破壞，這是最為常見的橋梁震害之一。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構的震害。 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，最常見的嚴重破壞情況是墩臺毀損，主梁墜落。這種嚴重破壞，大都發(fā)生在地震的高烈度地區(qū)，而且一般是地質體條件較差的橋梁。 橋梁震害圖片5.大跨橋梁抗

3、震設計大跨度橋梁的抗震設計是一項綜合性的工作。目前國內采用得是三水準設防目標，兩階段抗震設計方法。此外還提出了基于性能得設計方法。這是今后抗震研究方向。 大跨橋梁抗震設計兩水平的抗震設計方法（twolevel design approach）要求結構在兩個概率水平的地震作用下分別達到兩個不同的性能標準。能力設計思想要求在一座橋梁內部建立合理的強度級配，以保證地震破壞只發(fā)生在預定的部位，而且是可控制的。 大跨橋梁抗震設計 大跨度橋梁抗震設計實用方法認為，大跨度橋梁的抗震設計應分兩個階段進行：（1）在方案設計階段進行抗震概念設計，選擇較理想的抗震結構體系；（2）在初步或技術設計階段進行延性抗震設計

4、，并根據能力設計思想進行抗能力分析、驗算，必要時要進行減、隔震設計以提高結構的抗震能力。6.大跨橋梁抗震概念設計70年代以來，人們在總結大地震災害經驗中發(fā)現：對結構抗震設計來說，“概念設計”，（Conceptual Design）比“計算設計”（Numerical Design）更為重要。 由于地震動的不確定性和復雜性，再加上結構計算模型的假定與實際情況的差異，使“計算設計”很難有效地控制結構的抗震性能。因而，不能完全依賴“計算”。結構抗震性能的決定因素是良好的“概念設計”。在橋梁的方案設計階段，不能僅僅根據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

5、構體系。 大跨橋梁抗震概念設計誠然，橋梁的長度、跨徑、橋寬以及平面布置要受到地形條件及交通流量的制約，但從抗震設計的觀點來看，還有很大的余地。例如上部結構和橋墩的連接形式，橋墩形式，橋墩截面形式等等?？傊?，要從內力和變形兩個方面綜合考慮，選擇整體抗震性能好的方案。尤其值得注意的是，大跨度橋梁的過渡孔在地震中較易遭受破壞，在方案設計時要特別更視過渡孔處連接構造的設計。 大跨橋梁抗震概念設計為了同時保證橋梁結構的經濟性和抗震安全性，通常允許橋梁結構在強震下進入塑性工作狀態(tài)，在預期的部位形成塑性鉸以耗散能量，但不允許出現脆性破壞。對于橋梁結構，通常希望塑性鉸出現在便于檢查和易于修復的，并且經過特殊配

6、筋的墩柱處，而一般不希望上部結構和基礎等處出現塑性鉸。 7.大跨橋梁延性抗震設計橋梁的延性抗震設計應分兩個階段進行 （1）對于預期會出現塑性鉸的部位進行仔細的配筋設計； （2）對整個橋梁結構進行抗震能力分析驗算，確保其抗震安全性。這兩個階段可以有反復，直到通過抗震能力驗算，或者進行減、隔震設計以提高抗震能力。大跨橋梁延性抗震設計 塑性鉸區(qū)橫向鋼筋設計 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滿足這兩個要求。 大跨橋梁延性抗震設計 橋梁結構抗震能力分析、驗算 橋梁結構抗震能力驗算的任務是采用非線性時程分析方法，并通過恰當的抗震分析

7、驗算，確保整體結構與薄弱部位的抗震安全性。因此，首先要確定抗震設防的兩個水準及對應的地震輸入，再分別計算出結構的地震反應，并根據兩個水準地震作用下結構的性能要求驗算結構的抗彎強度及彎曲延性，特別要驗算結構的剪切強度，確保不出現剪切脆性破壞。大跨橋梁延性抗震設計 橋梁結構抗震能力分析、驗算地震動輸入的確定 抗震設防標準確定 國內外各規(guī)范中的基本烈度相當于50年基準期10%超越概率的地震烈度，其重現期為475年。根據我國建筑工程抗震設計規(guī)范,90年代出提出的大跨橋梁抗震設防標準取為： 遭遇概率水平為P1(50年基準期10%超越概率，重現期為475年)的地震時，要求橋梁震后只需簡易整修，幾小時后即可

8、正常使用，進行正常使用極限狀態(tài)的抗震驗算； 遭遇概率水平為P2(中等地震區(qū)100年基準期10%超越概率、或強地震區(qū)50年基準期3%超越概率，重現期分別為950年或1642年)的地震時，要求橋梁只能發(fā)生可修復的破壞，進行可修復破壞極限狀態(tài)的抗震驗算。 大跨橋梁延性抗震設計 橋梁結構抗震能力分析、驗算地震動輸入的確定 地震動輸入有兩種，即反應譜和地震動加速度時程。反應譜一般根據場地條件和設防標準選取，相對較簡單;而地震加速度時程的選取則比較復雜，可以直接利用強震記錄，或采用人工地震加速度時程。大跨橋梁延性抗震設計 橋梁結構抗震能力分析、驗算正常使用極限狀態(tài)抗震驗算 正常使用極限狀態(tài)是橋梁在震后只需

9、簡易整修，幾小時后即可正常使用的臨界狀態(tài)。在中震作用下，在預期會出現塑性鉸的部位，結構可以屈服，產生小量的塑性變形，但要滿足兩個條件： a.保護層混凝土不發(fā)生剝落； b.裂縫寬度較小，經簡易修復就可正常使用，通常認為不超過2mm。 大跨橋梁延性抗震設計 橋梁結構抗震能力分析、驗算 為了確保橋梁結構能滿足正常使用極限狀態(tài)的要求，在進行抗震驗算時，可以取截面受壓邊緣混凝土的最大壓應變?yōu)?.004，而受拉鋼筋的最大拉應變?yōu)?.015。試驗表明，通常當受壓邊緣混凝土的壓應變?yōu)?.0060.10時，混凝土才開始剝落。因此，應變?yōu)?.004是混凝土開始破壞的保守估計。而取0.015是為了保證裂縫寬度不超過

10、1mm保守取值)。根據這一極限條件，對塑性鉸處截面進行彎矩-曲率關系分析，進一步可以得到允許的塑性轉角作為正常使用極限狀態(tài)的驗算標準。大跨橋梁延性抗震設計 橋梁結構抗震能力分析、驗算可修復破壞極限狀態(tài)抗彎驗算 可修復破壞極限狀態(tài)是橋梁在震后經過表面修復，仍然可以正常使用的臨界狀態(tài)。在大震作用下，允許橋梁結構發(fā)生顯著破壞，如產生較寬的彎曲裂縫，需要進行環(huán)氧注射修復，以防止日后鋼筋的腐蝕；發(fā)生保護層混凝土的嚴重剝落，需要進行置換。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計 橋梁結構抗震能力分析、驗算 采用這一極限壓應變值，對塑性鉸處

11、截面進行彎矩曲率關系分析，進一步可以得到該截面的極限塑性轉角，作為可修復破壞極限狀態(tài)的驗算標準。大跨橋梁延性抗震設計 橋梁結構抗震能力分析、驗算抗剪強度驗算 在強震作用下，為了依靠墩柱塑性鉸的塑性變形能力耗散能量，以降低對結構強度的要求，必須保證在塑性鉸區(qū)或結構的其它部位絕不出現剪切破壞。因為鋼筋混凝土墩柱中的剪力傳遞在很大程度上依賴于混凝土的抗拉和抗壓強度，因而剪切破壞是脆性的，伴隨著強度、剛度的快速降低。在歷次大地震中，很多橋梁結構的破壞就是由墩柱的剪切破壞引起的。因此，必須特別進行抗剪強度驗算。大跨橋梁延性抗震設計 橋梁結構抗震能力分析、驗算 要求出橋梁鋼筋混凝土墩柱可能達到的最大彎曲強

12、度及其對應剪力，在輸人概率水平為P2的地震加速度時程進行非線性地震反應分析時，鋼筋和混凝土的強度要采用極限強度，而不是名義強度。因此，程序中實際上生成極限破壞面，并根據該破壞面判斷結構是否進入塑性工作狀態(tài)，從而進行彈塑性地震反應分析，求出墩柱可能會承受的最大剪力Q。大跨橋梁延性抗震設計 橋梁結構抗震能力分析、驗算 當墩柱中形成塑性鉸之后，構件的剪切強度就是彎曲延性的函數了。因為塑性鉸的轉動會增大斜裂縫的寬度，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及墩柱的抗剪強度R，如QR，則墩柱的抗剪強度滿足要求，不會發(fā)生剪切破壞，否則，要修改設計或進行

13、減、隔震設計，重新進行抗震能力分析驗算。8.大跨橋梁減震、隔震設計減震、隔震技術是簡便、經濟、先進的工程抗震手段。減震是利用特制減震構件或裝置，使之在強震時率先進入塑性區(qū)，產生大阻尼，大量消耗進人結構體系的能量；而隔震則是利用隔震體系，設法阻止地震能量進入主體結構。在實踐中，有時把這兩種體系合二為一。 減、隔震裝置是通過增大結構主要振型的周期使其落在地震能量較少的范圍內或增大結構的能量耗散能力來達到減小結構地震反應的目的的。結構控制理論的引入，實際上是結構減震、隔震技術的延伸與擴展。 大跨橋梁減震、隔震設計大量研究表明，最適宜進行減、隔震設計的情況主要有3種：橋梁墩柱較剛性，即自振周期較小；橋

14、梁很不規(guī)則，如墩柱的高度變化較大，有可能導致受力不均勻；預測的場地地震運動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，要根據結構特點和場地地震動特點決定是否要進行減、隔震設計，以及采取什么減、隔震裝置。 大跨橋梁減震、隔震設計 進行減、隔震設計時，應將重點放在提高吸收能量能力從而增大阻尼和分散地震力上，不可過分追求加長周期。另一方面，應選用作用機構簡單的減、隔震裝置，并在其力學性能明確的范圍內使用。普通板式橡膠支座構造簡單、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摩擦耗能

15、，對減小內力反應有顯著的效果，而且其效果對輸人地震波的頻譜特性不敏感，但由于它不能提供恢復力，常常會使梁體與墩、臺之間的相對位移過大。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、隔震設計在進行抗震設計時，要根據結構特點和場地地震動的頻率特性，通過選用合適的減、隔震裝置、相應參數以及設置方案，合理分配結構的受力和變形，從而達到提高結構抗震能力的目的。減、隔震設計的效果，同樣需要進行非線性地震反應分析來驗證。因此，對經過減、隔震設計的橋梁結構，依然要進行抗震能力分析驗算。如果驗算不通過，則應修改減、隔震設計，重新進行抗震能力分析驗算，直到滿足要求為止。 大跨度橋梁抗震設計抗震概念設計延性抗震設計減、隔震設計初步概念設計建立簡單的計算模式動力特性分析地震反應估算進行延性抗震設計較理想的抗震體系薄弱位置分析確定修改設計方案否塑性鉸區(qū)橫向鋼筋設計抗震能力分析地震輸入確定正常使用極限狀態(tài)抗彎驗算抗剪