第五章 橋梁工程抗震設(shè)計(jì)2.ppt

1、5.3 抗震概念設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)包含了兩個(gè)設(shè)計(jì)范疇，即概念設(shè)計(jì)和參數(shù)設(shè)計(jì)。抗震概念設(shè)計(jì)是從概念上，特別是從結(jié)構(gòu)總體上考慮抗震的工程決策；參數(shù)設(shè)計(jì)主要是地震作用計(jì)算、構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算、結(jié)構(gòu)變形驗(yàn)算等。 抗震概念設(shè)計(jì)定義：在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先著眼于結(jié)構(gòu)的總體地震反應(yīng)，按照結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制和破壞過程，靈活運(yùn)用抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，全面合理地解決結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的基本問題，既注意總體布置上的大原則，又顧及到關(guān)鍵部位的細(xì)節(jié)，從根本上提高結(jié)構(gòu)的抗震能力。,5.3.1 一般原則,對(duì)采用抗震結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的延性橋梁，在概念設(shè)計(jì)階段，除了要考慮抗震設(shè)計(jì)基本原則之外，還必須重點(diǎn)考慮以下各個(gè)要點(diǎn)： 1）應(yīng)明確結(jié)構(gòu)中抵抗水平地震作用的

2、墩臺(tái)的位置和數(shù)量； 2）應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度和位移延性之間，取得適當(dāng)?shù)木猓?3）在選擇結(jié)構(gòu)塑性變形機(jī)制時(shí)，宜使預(yù)期的塑性鉸出現(xiàn)在易于發(fā)現(xiàn)和易于修復(fù)的結(jié)構(gòu)部位； 4）應(yīng)明確結(jié)構(gòu)體系中的延性構(gòu)件和能力保護(hù)構(gòu)件。,5.3.2 抗震結(jié)構(gòu)類型,建于地震區(qū)工程結(jié)構(gòu)，可選擇三種不同的抗震結(jié)構(gòu)類型：,強(qiáng)度設(shè)計(jì),剛性設(shè)計(jì) 增加結(jié)構(gòu)剛度和基礎(chǔ)構(gòu)成剛性體系導(dǎo)致結(jié)構(gòu)高度、跨度等受到嚴(yán)重限制，束縛地震多發(fā)區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)步。 柔性設(shè)計(jì) 通過減小結(jié)構(gòu)剛度，減小作用于結(jié)構(gòu)的地震荷載強(qiáng)度，大震時(shí)可能由于結(jié)構(gòu)變形過大導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞、倒塌， 小震和常規(guī)荷載下，由于剛度過低難以滿足結(jié)構(gòu)正常使用要求。,延性設(shè)計(jì),適當(dāng)控制剛度分布，結(jié)構(gòu)構(gòu)件地

3、震時(shí)進(jìn)入非彈性變形狀態(tài)以消耗地震能量，保證結(jié)構(gòu)不倒。 結(jié)構(gòu)構(gòu)件集兩種功能于一身，即結(jié)構(gòu)的使用功能和抗震性能，存在著局限性。 延性設(shè)計(jì)是在承載能力不下降的前提下具有較大的塑延性設(shè)計(jì)，并利用滯回耗能。 橋梁中的塑性鉸按延性設(shè)計(jì)，其他部分則按能力保護(hù)原則設(shè)計(jì)，即保持彈性。,滯回曲線,由于材料的彈塑性性質(zhì)，當(dāng)荷載大于一定程度后，在卸荷時(shí)產(chǎn)生殘余變形，即荷載為零而變形不回到零，稱之為“滯后”現(xiàn)象。 這樣經(jīng)過一個(gè)荷載循環(huán)，荷載-位移曲線就形成了一個(gè)環(huán)，將此環(huán)線叫做滯回環(huán)，多個(gè)滯回環(huán)就組成了滯回曲線。,滯回曲線物理意義：,地震時(shí)，結(jié)構(gòu)處于地震能量場(chǎng)內(nèi)，地震將能量輸入結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)有一個(gè)能量吸收和耗散的持續(xù)過程。

4、 當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)入彈塑性狀態(tài)時(shí)，其抗震性能主要取決于構(gòu)件耗能的能力。滯回曲線中加荷階段荷載位移曲線下所包圍的面積可以反映結(jié)構(gòu)吸收能量的大小；而卸荷時(shí)的曲線與加載曲線所包圍的面積即為耗散的能量。 這些能量是通過材料的內(nèi)摩阻或局部損傷（如開裂、塑性鉸轉(zhuǎn)動(dòng)等）而將能量轉(zhuǎn)化為熱能散失到空間中去。 因此滯回曲線中滯回環(huán)的面積是被用來評(píng)定結(jié)構(gòu)耗能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。,結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì),通過結(jié)構(gòu)上設(shè)置的控制裝置，由其和結(jié)構(gòu)共同抵御地震和風(fēng)。 分類 主動(dòng)控制 半主動(dòng)控制 被動(dòng)控制 混合控制,結(jié)構(gòu)控制設(shè)計(jì)存在問題,a. 主動(dòng)控制需要外部巨大的能源，災(zāi)害時(shí)難以保證； b. 主動(dòng)控制的遲時(shí)效應(yīng)； c. 許多被動(dòng)控制措施（TMD、

5、TLD）在小震和常規(guī)風(fēng)荷載下，有較好的控制效果，可提高舒適度。但在大震、颶風(fēng)時(shí)，難以保證結(jié)構(gòu)的安全性； d. 控制系統(tǒng)要求比結(jié)構(gòu)更高的可靠性，造價(jià)高。,5.3.3 結(jié)構(gòu)體系選擇,1）應(yīng)具有明確的計(jì)算簡(jiǎn)圖和合理的地震作用傳遞途徑。 2）應(yīng)具備必要的抗震承載力、良好的變形能力和消耗地震能量的能力。 3）宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部消弱或突變形成薄弱部位；對(duì)可能出現(xiàn)的薄弱部位，應(yīng)采取有效措施提高抗震能力（主要是延性）。,4）宜建造在堅(jiān)硬的場(chǎng)地上，應(yīng)盡可能避開發(fā)震斷層及其它不利地段和危險(xiǎn)地段；對(duì)建在可能液化地基或軟土地基上的橋梁，應(yīng)對(duì)地基進(jìn)行處理；對(duì)不得不建于發(fā)震斷層或其它不利地段和危險(xiǎn)地

6、段上的橋梁，應(yīng)進(jìn)行專門研究。 5）破壞位置宜出現(xiàn)在便于檢查和便于修復(fù)的部位。,5.3.4 場(chǎng)地、地基與基礎(chǔ),一、場(chǎng)地選擇 在橋位選擇時(shí)，應(yīng)充分利用對(duì)抗震有利的地段，避開不利地段，以避免或減輕在地震作用下因地基變形或地基失效對(duì)公路橋梁造成的破壞。 除次要公路橋梁（指中斷交通對(duì)政治、經(jīng)濟(jì)和國(guó)防沒有較大影響的公路橋梁）外，不應(yīng)在危險(xiǎn)地段建造公路橋梁。,二、地基、基礎(chǔ)設(shè)計(jì),弱粘性土層、液化土和嚴(yán)重不均勻土層不宜直接用做公路橋梁的地基。當(dāng)難以避免時(shí)，應(yīng)探明其埋藏和分布情況，采取以下的抗震措施： （1）在軟弱粘性土層、液化土層或嚴(yán)重不均勻土層上，不宜修建大跨度超靜定橋梁。,（2）在軟弱粘性土層、液化土層和

7、不穩(wěn)定的河岸處建橋時(shí)，對(duì)于大、中橋，可適當(dāng)增加橋長(zhǎng)，合理布置橋孔，使墩、臺(tái)避開地震時(shí)可能發(fā)生滑動(dòng)的岸坡或地形突變的不穩(wěn)定地段。 否則，應(yīng)采取措施增強(qiáng)基礎(chǔ)抗側(cè)移的剛度和加大基礎(chǔ)埋置深度；對(duì)于小橋，可在兩橋臺(tái)基礎(chǔ)之間設(shè)置支撐梁或采用漿砌片(塊)石滿鋪河床。,（3）在軟弱粘性土層、液化土層或嚴(yán)重不均勻土層上建橋時(shí)，還應(yīng)根據(jù)具體情況采取下列措施： 換土或采用砂樁。換土方法適用于軟弱粘性土層或液化土層較薄、埋藏較淺的情況，先將軟弱粘性土層或可液化土挖去，然后分層回填非液化土，并逐層夯實(shí)。 減輕結(jié)構(gòu)自重，加大基底面積，減少基底偏心。 增加基礎(chǔ)埋置深度，使基礎(chǔ)穿過液化土層。 采用樁基礎(chǔ)或沉井基礎(chǔ)。,5.3.

8、5 理想的結(jié)構(gòu)體系,從橋梁抗震角度出發(fā)，理想的橋梁結(jié)構(gòu)體系應(yīng) 是： （1）從幾何線形上看，橋梁應(yīng)是直的，墩臺(tái)應(yīng)與橋軸方向垂直，因?yàn)閺潣蚧蛐睒蚴沟卣鸱磻?yīng)復(fù)雜化；橋梁各墩高度應(yīng)相差不大，墩高不等會(huì)導(dǎo)致橋墩剛度變化，使抗側(cè)力橋墩中剛度較大的易于最先破壞。,（2）從結(jié)構(gòu)布局上看，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)是連續(xù)的，并使用盡可能少的伸縮縫；橋梁應(yīng)保持小跨徑；彈性支座應(yīng)布置在多個(gè)橋墩上；各橋墩的強(qiáng)度和剛度在各個(gè)方向上都應(yīng)相同。 （3）從質(zhì)量分布上看，橋梁上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量應(yīng)輕。 （4）從場(chǎng)地條件上看，基礎(chǔ)應(yīng)建造在堅(jiān)硬場(chǎng)地上。,5.3.6 材料方面的考慮,結(jié)構(gòu)抗震性能：木結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)的抗震性能較優(yōu)，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)次之，磚、石及

9、素混凝土結(jié)構(gòu)最差。 預(yù)期采用新一代建筑材料建造的結(jié)構(gòu)抗震性能優(yōu)良。,一、無約束混凝土（普通混凝土）,從試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，各種反復(fù)荷載（變形）下無約束混凝土的包絡(luò)線都與單調(diào)加載的全曲線十分接近； 而且，由包絡(luò)線上的峰值點(diǎn)給出的抗壓強(qiáng)度和峰值應(yīng)變也與單調(diào)加載的相應(yīng)值無明顯的差別。 這說明在反復(fù)荷載（變形）作用下，無約束混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線的包絡(luò)線可以取為單調(diào)荷載下的相應(yīng)曲線。,二、約束混凝土,對(duì)混凝土橋梁，由于無約束混凝土的極限壓應(yīng)變較低，通常僅為0.0040.005，相應(yīng)的截面最大塑性轉(zhuǎn)角也較低，所以，往往無法提供結(jié)構(gòu)在地震動(dòng)下所需的位移延性。 為提高混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的延性，就需要采用約束混凝土的概念。

10、約束混凝土數(shù)量足夠、配置合理的橫向箍筋和縱向鋼筋一起，對(duì)核心混凝土起到約束，并能夠有效地限制混凝土的橫向膨脹，維持核心混凝土的完整，提高核心混凝土的極限壓應(yīng)力，阻止縱向受壓鋼筋可能出現(xiàn)的屈曲。最重要的是，核心混凝土受壓區(qū)在破壞之前，能夠維持較無約束混凝土高得多的壓應(yīng)變。,5.3.7 限制條件,受功能要求、路線走向以及橋址地質(zhì)條件等因素的制約，橋梁結(jié)構(gòu)體系的選擇受到很大的限制。 （1）路線走向 對(duì)橋梁抗震結(jié)構(gòu)體系的要求常常與路線走向相矛盾。從抗震角度來說，理想的橋梁結(jié)構(gòu)應(yīng)是越簡(jiǎn)單、越規(guī)則越好。因此，希望橋梁是直的，各跨分布均勻，各墩的高度基本相同。但這通常難于做到，例如在城市橋梁中，為了適應(yīng)路線

11、走向，大量采用彎、坡、斜橋和立交橋。,（2）橋址地質(zhì)條件的制約,橋址的地質(zhì)條件對(duì)橋長(zhǎng)、跨數(shù)以及橋墩的布置均有很大的影響。在基礎(chǔ)施工困難的地帶或深水河床，通常采用大跨、少墩的布置方案。 通常情況下，地震波傳播到地表附近不同質(zhì)點(diǎn)的時(shí)刻并不相同。如果地震波在傳播到地表過程中不產(chǎn)生反射、折射和干涉、疊加、彌散等現(xiàn)象，則地表不同質(zhì)點(diǎn)的地震動(dòng)將具有同一波形，只是相位不同。這種地震動(dòng)稱為空間相關(guān)的地震動(dòng)。,由于實(shí)際土層的復(fù)雜性，地震動(dòng)不可能是空間相關(guān)的，即相干的。對(duì)于大跨徑橋梁或多跨的長(zhǎng)橋，不同位置橋墩的地震動(dòng)往往是相干的，而且同步的可能性很小，輸入地震動(dòng)的非一致性和空間相干性的影響不可忽略，這種效應(yīng)稱為地震動(dòng)的行波效應(yīng)。 對(duì)于建造在局部地質(zhì)條件相差很大的場(chǎng)地的情況，例如跨越峽谷的橋梁，行波效應(yīng)將更加顯著。橋梁常?？缭讲环€(wěn)定的地段，如果必須將橋墩建在地震作用下有潛在危險(xiǎn)的陡坡或岸坡上，則需要增加樁的嵌固深度，或采取特殊的保護(hù)措施。,橋梁還可能跨越地震中易液化的場(chǎng)地，如果可能的話，應(yīng)避