大型桥梁抗震能力理论策略

1、大型桥梁抗震能力理论策略研究思路问题的提出u 改善桥梁结构抗震性能无外乎两种途径：即降低地震需求和增强结构抗震能力。目前，已有多种方法策略，比如：结构体系的选择、减隔震设计、结构控制、延性设计等等。体系的选择体系的选择延性类型的选择延性类型的选择塑性耗能机制的选择塑性耗能机制的选择地震力传递相对均匀体系地震力传递相对均匀体系动力特性与场地特性相适应动力特性与场地特性相适应被动控制被动控制( (减隔震设计减隔震设计) )主动控制主动控制结构控制结构控制设计设计策略策略体系策略体系策略局部策略局部策略1.地震力传递相对均匀体系2.结构动力特性与场地特性相适应3.组合梁桥抗震能力潜力与优势4.经济有

2、效的抗震措施（拉索减震支座、局部应用钢 钎维混凝土和钢护筒等）大型桥梁的抗震能力设计策略1.1 横向地震力传递相对均匀体系 利用连续梁桥的等效简化分析模型，分析结构振动特性和受力特点; 结合反应谱理论,针对不同场地情况,探讨桥墩刚度分布对横桥向抗震性能的影响； 提出改善受力的可行性方案,通过实际工程进行有限元验证。主要内容：主要内容：图图1.2(a) 变形前的结构体系变形前的结构体系图图1.2(b) 变形后的结构体系变形后的结构体系 连续梁桥横桥向简化分析模型连续梁桥内力、位移反应简化计算公式ikKP2_iixKPx平动位移转动位移墩顶位移2_iiiiikixKPxxKPx墩顶剪力2_iiii

3、iiiixKPxxKPKKF质量中心位移22iiiMxKPxKP等代体系刚度12_21iiiMexKxKPK频率ieemK周期eT2动力放大系数上部结构水平加速度峰值maxAa横向水平地震力maxAmmaP代入改善横桥向桥墩受力的可行性方案 工程概况工程概况: :本桥是一座等跨度的本桥是一座等跨度的2525跨跨T T形连续梁桥，每跨形连续梁桥，每跨2929m m分成分成 五联，第一联五联，第一联3 3跨，第二联跨，第二联7 7跨，其余各跨，其余各5 5跨。跨。 图1.3 某连续梁桥模型图地震动输入反应谱理论反应谱理论：图图1.4 规范反应谱曲线规范反应谱曲线弹性反应谱方法通过反应谱概念巧妙的将

4、动力问题静力化，使得复杂的结构弹性反应谱方法通过反应谱概念巧妙的将动力问题静力化，使得复杂的结构地震反应计算变得简单易行，目前世界各国规范都把它作为一种基本的分析地震反应计算变得简单易行，目前世界各国规范都把它作为一种基本的分析手段。手段。 类场地的特征周期较短，若结构类场地的特征周期较短，若结构柔性，即自振周期大于特征周期，自柔性，即自振周期大于特征周期，自振周期的增大将使动力放大系数大幅振周期的增大将使动力放大系数大幅度减小；度减小； 类场地的特征周期长，长周期类场地的特征周期长，长周期结构在软土地基上将导致墩顶位移结构在软土地基上将导致墩顶位移很大，所以刚性短周期结构是有利很大，所以刚性

5、短周期结构是有利的。的。原型桥墩顶位移、墩底内力汇总表原型桥墩顶位移、墩底内力汇总表墩号墩型类场地类场地墩顶位移（m）剪应力（MPa）正应力（MPa）墩顶位移（m）剪应力（MPa）正应力（MPa）1双0.0244.6304.3420.0479.2908.7222双0.0470.9611.1680.0951.8932.3213独0.0710.3927.6300.1421.46115.7993独0.0710.3927.6300.1421.46115.7994独0.0660.0714.7410.1330.2208.9605独0.0610.0794.3820.1230.2167.7576独0.0550

6、.1084.8900.1100.2757.4677独0.0500.0813.8440.1010.2046.2758独0.0470.2554.1600.0950.6577.4099独0.0430.2604.8170.0860.8829.84710独0.0390.6509.1610.0782.59118.289类场地的改善方案 类场地的改善方案 类场地的特征周期较短，若结构柔性，即自振周期大于特征周期，类场地的特征周期较短，若结构柔性，即自振周期大于特征周期，自振周期的增大将使动力放大系数大幅度减小；自振周期的增大将使动力放大系数大幅度减小；地震能量集中在短周期范围内，柔性长周期体系是较好的选择地

7、震能量集中在短周期范围内，柔性长周期体系是较好的选择; ;在刚度较大桥墩墩体中间设置纵向竖缝，减小横桥向等代体系刚度，在刚度较大桥墩墩体中间设置纵向竖缝，减小横桥向等代体系刚度，调整了全联的刚度分布。调整了全联的刚度分布。图1.5 设置纵向竖缝类场地的改善方案反应峰值类场地的改善方案反应峰值墩顶位移墩底剪应力墩底正应力(m)(MPa)(MPa)1双0.022084.3414.0712双0.044240.9111.1033加竖缝0.066470.212.4563独0.066470.212.4564独0.064950.0664.8475独0.063350.0654.0286独0.06030.084

8、.4147独0.058620.0633.7598加竖缝0.058150.2712.749加竖缝0.05630.2042.31110加竖缝0.054350.3694.106墩号墩型 类场地的改善方案 类场地的改善方案从类场地的反应谱曲线可以看到：在软弱地基上，能量大部分集中在长周期范围内，刚性的短周期结构可以避免大强度的地震反应；针对这种情况，应采取转换分联方式，并增大关键点横桥向刚度的办法增大等代体系刚度，调整刚度分布，并改善受力；改善分联方式应立足于使一联内，尤其是起控制作用的一联内桥墩刚度分布均匀合理；增大关键点刚度的目的是控制墩顶位移峰值，具体做法是将独柱墩分解为双柱墩，并设置系梁。图1

9、.6 独柱墩分解为双柱墩类场地的改善方案反应峰值类场地的改善方案反应峰值 横向墩刚度墩顶位移墩底剪应力墩底正应力(kN/m)(m)(MPa)(MPa)1双5.21E+050.029725.8425.4782双5.26E+040.059531.1971.4643独7.64E+030.089460.9159.3623独7.64E+030.089460.9159.3624独3.17E+030.098240.1796.7945独2.80E+030.107890.2077.326独2.49E+030.118120.2688.3067独2.80E+030.126620.2548.6768双2.46E+04

10、0.139612.7771.773墩号墩型小 结： 目的：减小墩底应力 峰值和墩顶位移核心问题：如何减小关键一联的转动位移坚实场地软土地基选择柔性长周期结构选择刚性短周期结构措施：在某些独柱墩上设置纵向竖缝减小横桥向刚度措施：改变制动墩或伸缩缝的位置，并将某些独柱墩分解为同体积的双柱墩增大横桥向刚度1.2 纵向地震力传递相对均匀体系 纵向飘浮体系(斜拉桥、悬索桥) 连续梁式桥体系措施：1）均匀受力；2）滑动+限位常用体系常用体系：u 飘浮体系斜拉桥塔梁间设置弹性拉索装置改变结构传力途径(a) 拉索刚度对结构周期的影响(b) 拉索刚度对梁端位移的影响(c) 拉索刚度对塔底弯矩的影响(d) 拉索刚

11、度对塔底剪力的影响2.1 结构动力特性与场地特性相适应：超大跨斜拉桥示例u 从飘浮体系结构的动力特性和最基本的地震反应入手，突出影从飘浮体系结构的动力特性和最基本的地震反应入手，突出影响结构动力特性的主要参数，寻求可以明显减小位移反映并兼顾响结构动力特性的主要参数，寻求可以明显减小位移反映并兼顾内力的若干新桥型和可行性方案，达到提高柔性体系抗震性能的内力的若干新桥型和可行性方案，达到提高柔性体系抗震性能的目的，为斜拉桥跨度的飞跃打下良好的基础。目的，为斜拉桥跨度的飞跃打下良好的基础。 加速度反应谱和位移反应谱图2.1反应谱曲线0 .00 .51 .01 .52 .02 .53 .024681

12、01 21 4AmplificationofGroundAccelerationP e r io d ( s )1 63 .50 .00 .20 .40 .60 .81 .01 .21 .40Displacement(m)A c c e le r a tio nD is p la c e m e n t苏通大桥的抗震分析图2.2 苏通大桥模型图基本周期基本周期 T=13.395s，反对称纵飘振型，反对称纵飘振型梁端位移梁端位移1.031m, 塔顶位移塔顶位移1.106m立体桥塔方案图2.3立体桥塔模型WeightofTower（kN）StiffnessofTower（KN/m）Weightof

13、Beam（kN）OriginalScheme6.377E+056.780E+035.370E+05SpacialTowerScheme1.165E+066.550E+045.370E+05表2.1主梁、桥塔的物理特性6 06 0300210901234yx06 012yx0zz6 06 0300210901234yx06 012yx0zz表表2.2 2.2 立体塔模型的振型和周期立体塔模型的振型和周期阶数阶数周期（周期（s s）频率（频率（HzHz）振型模式振型模式1 17.3167.3160.1367 0.1367 侧向对称弯曲侧向对称弯曲2 25.873 5.873 0.17030.170

14、3反对称纵飘反对称纵飘3 34.587 4.587 0.2180 0.2180 竖向对称弯曲竖向对称弯曲4 43.475 3.475 0.2878 0.2878 竖向反对称弯曲竖向反对称弯曲5 52.832 2.832 0.35310.3531侧向反对称弯曲侧向反对称弯曲6 62.6712.6710.3744 0.3744 竖向对称弯曲竖向对称弯曲7 72.246 2.246 0.4452 0.4452 桥塔侧向同向弯曲桥塔侧向同向弯曲8 82.243 2.243 0.4458 0.4458 桥塔侧向异向弯曲桥塔侧向异向弯曲9 92.236 2.236 0.4472 0.4472 竖向反对称弯

15、曲竖向反对称弯曲10102.231 2.231 0.4482 0.4482 竖向对称弯曲竖向对称弯曲 位移反应的比较 OriginalModelLongitudinalDisplacement(m)CrossDisplacement(m)BeamEnd（left）1.0310.165BeamEnd（right）1.0310.166TowerTop（left）1.1060.198TowerTop（right）1.1060.198Midspan1.0350.951SpacialTowerModelLongitudinalDisplacement(m)CrossDisplacement(m)Beam

16、End（left）0.4370.139BeamEnd（right）0.4370.139TowerTop（left）0.3910.410TowerTop（right）0.3910.410Midspan0.4460.871表表2.3 关键点位移的比较关键点位移的比较内力反应的比较Table2.4 塔底内力的比较塔底内力的比较原型原型编号编号N(kN)V2(kN)M1(kN.m)左塔塔底左塔塔底11.070E+053.092E+042.290E+0621.070E+053.094E+042.290E+06立体塔模型立体塔模型编号编号N(kN)V2(kN)M1(kN.m)左塔塔底左塔塔底12.142E

17、+053.218E+042.035E+0622.142E+053.219E+042.035E+0632.162E+053.216E+042.034E+0642.163E+053.216E+042.034E+06u在纵向竖向输入地震波的情况下，立体塔底总弯矩是原型的1.78倍，但每根塔柱底面承担的弯矩是原型的88%，因此，该方案并没有给塔底受力造成很大的负担。部分地锚式斜拉桥图2.4第一阶反对称纵飘Self-anchoredPartially Ground-anchored地锚斜拉桥的简化模型msubKtKcFig.2.5SimplifiedModelofPartiallyGround-anch

18、oredCable-stayedBridge2coscclEAnK图 2.6 地锚谢拉桥的动力特性cTsubKKMT2关键点位移反应的比较关键点位移反应的比较左梁端(m)右梁端(m)左塔顶(m)右塔顶(m)跨中(m)苏通大桥1.0311.0311.1061.1061.035地锚方案0.8890.8890.9140.9140.892减小幅度14%14%18%18%14%u 部分地锚式斜拉桥可以有效减小结构的特征周期，降低梁端、塔顶位移，有效改善了结构的抗震性能。对周期较长的大跨度斜拉桥，不会使塔底截面内力超过允许范围。所以，从抗震概念设计的角度，部分地锚式斜拉桥是一种优良的桥型。 其他可供参考的

19、结构形式香港汀九斜拉桥设计构思香港汀九斜拉桥设计构思其他可供参考的结构形式3.1 组合梁桥抗震潜力及性能研究 钢-混凝土组合梁和混凝土桥墩组成的体系具有良好的力学性能和经济性能，在国内外应用越来越多。其优势具体表现在以下方面：v 组合梁桥的优势组合梁桥的优势 与混凝土桥相比，高度较低、自重轻、地震作用小，相应使得结构的延性提高、基础造价降低。同钢桥相比，减小用钢量，增大刚度，增强结构抗火性和耐久性等。在经济上具有很大优势。据法国统计，当跨径为30m至110m，特别是60m至80m范围内，钢混凝土组合桥的单位面积造价要低于混凝土桥18%。某城市高架中一座四跨连续梁桥图3.1 某城市高架中一座四跨

20、连续梁桥组合梁桥抗震潜力及性能研究v 桥梁构造尺寸桥梁构造尺寸 下面以某四跨连续梁桥为例，通过建立简化的单自由度模型，利用反应谱方法，详细分析混凝土主梁和组合结构主梁两种方案的地震响应。主梁桥墩形式墩高(m）上部结构质量(t)方案1钢筋混凝土钢筋混凝土实心墩实心墩73899.5方案2钢钢混凝土组合梁混凝土组合梁空心墩空心墩71474.0Km图3.2 单自由度模型图3.3 规范反应谱组合梁桥抗震潜力及性能研究v 简化分析模型及方法简化分析模型及方法图3.5 水平地震力系数E与质量比的关系图3.4 反应谱值与质量比的关系 0.00.20.40.60.81.01.21.41.60.20.30.40.

21、50.60.70.80.91.01.1S/Smax质量比 类场地 类场地 类场地 类场地0.00.20.40.60.81.01.21.41.60500100015002000250030003500 类场地 类场地 类场地 类场地水平地震力系数E质量比组合梁桥抗震潜力及性能研究v 上部结构质量上部结构质量m的影响的影响 在、类场地条件下，水平地震力仅为混凝土主梁方案的61.5%，地震力需求减小了38.5%； 类场地下，组合结构桥梁水平地震力减小更加明显，仅为混凝土方案的51.1%，地震力需求减小近一半。 组合梁桥抗震潜力及性能研究表3.1 两主梁方案抗震性能比较（质量不同）主梁方案上部结构重量

22、（t）质量比m/m0周期（s）场地类型反应谱值水平地震力系数E方案一预应力混凝土主梁3899.51.000 0.880 类场地0.284 1108.386 类场地0.398 1551.741 类场地0.512 1995.095 类场地0.739 2881.804 方案二组合结构主梁14740.378 0.541 类场地0.462 681.450 类场地0.647 954.030 类场地0.832 1226.609 类场地1.000 1474.000 v 混凝土梁和组合梁的抗震潜力及性能比较混凝土梁和组合梁的抗震潜力及性能比较组合梁桥抗震潜力及性能研究表3-2 两主梁方案抗震性能比较（轴压比一致

23、）主梁方案上部结构重量（t）刚度比 周期（s）场地类型反应谱值水平地震力系数E方案一预应力混凝土主梁3899.51.000 0.880 类场地0.284 1108.386 类场地0.398 1551.741 类场地0.512 1995.095 类场地0.739 2881.804 方案二组合结构主梁14740.600 0.541 类场地0.358 527.849 类场地0.501 738.988 类场地0.645 950.128 类场地0.931 1372.407 在、类场地条件下，水平地震力仅为混凝土主梁方案的47.6%，地震力需求减小了52.4%；且桥墩混凝土较实心墩节省了62.2%，抗震性

24、能和经济性都得到了大幅提高。 组合梁桥抗震潜力及性能研究通过前面的介绍，我们可以得到以下结论： 结构质量减轻可以使桥梁地震力需求减小； 当轴压比一致时，结构质量减小使结构受到的地震力明显 减小； 组合梁桥地震需求小，对结构的抗震性能和经济性有很大 提高；v 小结小结柔性墩抗震策略刚性墩抗震策略4 经济有效的抗震措施4.1 拉索减震支座的设计、试验及工程应用v 设计设计 减隔震支座很多，但即有效又经济的少； 常用的滑动支座+弹性索措施，锚固位置细部构造复杂。 图4.1 设计理念示意 开发新支座的原因？开发新支座的原因？ 设计理念设计理念 =摩擦力拉索减隔震支座在罕遇地震作用下，通过剪断抗剪螺栓的

25、方法将固定支座变为活动支座，并用拉索限制因此引起的过大墩梁相对位移。 (1)正常使用状态时，在不超过正常行程的范围内，拉索不起限位作用，拉索减震支座与盆式橡胶支座相同 ；(2)在遭遇小震及中等烈度地震的情况下，固定支座抗剪螺栓原则上不允许剪断，以避免震后更换支座；(3)在桥梁结构遭遇罕遇地震时，固定支座抗剪螺栓剪断，隔离上部结构与桥墩之间地震力的传递；同时由拉索限制因此造成的过大位移。 性能目标性能目标 组成组成 拉索减震支座的设计、试验及工程应用3.拉索1.盆式支座2.抗剪螺栓图4.2 (a) 固定拉索减震支座组成图4.2(b) 拉索减震支座实物照片主要设计参数主要设计参数 拉索长度，根据几

26、何投影关系确定。 拉索刚度，拉索刚度的合理取值由参数分析确定。 抗剪螺栓强度，取10%20%的竖向承载力。拉索减震支座的设计、试验及工程应用水平位移水平位移能力强能力强竖向承载竖向承载力大力大 技术成熟技术成熟，造价较低，造价较低限位能力强限位能力强拉索减震支拉索减震支座座精确的分析精确的分析恢复力模型恢复力模型拉索减震支座的设计、试验及工程应用图4.3 试验用支座v试验试验了解拉索减震支座行为性能，研究位移幅值、竖向力对支座性能基本参数如摩阻系数、滞回性能的影响。 拟静力试验在同济大学的2000吨动、静电液伺服加载系统上进行。 水平位移采用拉线式位移计进行量测，竖向力和水平力的测量采用伺服加

27、载 系统自带的力传感器采集。 试验目的试验目的 加载及数据采集加载及数据采集拉索减震支座的设计、试验及工程应用图4.4 加载制度工况编号支座类型竖向力(kN)最大水平位移(mm)1滑动2000802滑动4000803滑动5000804固定50001000510152025303540-100-50050100位移(mm)加载周数加载制度（1）工况1工况3：竖向荷载保持恒定，水平荷载等幅位移控制的加载方式，以10mm为一个等级，每级加载循环3次。（2）工况4：竖向荷载保持恒定，水平荷载等幅、变幅相结合的位移控制加载方式，080mm范围内，以10mm为一个等级，80100mm范围内，以5mm为一个

28、等级，每级加载循环3次。 试验工况试验工况 加载制度加载制度 拉索减震支座的设计、试验及工程应用摩擦系数工 况1工 况2工 况3工 况40.0080.0100.0120.0140.0160.0180.0200.0220.024静摩擦系数工况 去极值平均值 算述平均值静摩擦系数随竖向力的增加而减小；动摩擦系数比静摩擦系数小；工况4比工况3略大，抗剪螺栓剪切面对摩擦面的影响。 试验结果分析试验结果分析 图4.5 静摩擦系数工 况1工 况2工 况3工 况4-0.015-0.010-0.0050.0000.0050.0100.015动摩擦系数工况 从正向负方向加载 从负向正方向加载图4.6 动摩擦系数

29、拉索减震支座的设计、试验及工程应用图4.7 滞回曲线-80-60-40-20020406080-100-50050100150200水平力 (kN)水平位移(mm)-100-80-60-40-20020406080-100-50050100150200水平力 (kN)水平位移(mm)-100-80-60-40-20020406080-100-50050100150200250水平力 (kN)水平位移 (mm)-100-80-60-40-20020406080100-2000200400600水平力 (kN)水平位移 (mm) 各工况的滞回曲线比较一致，滞回曲线可划分为两段：摩擦耗能段和拉索限位

30、段； 摩擦段耗能性能稳定，不同竖向压力下大致相同； 拉索限位段刚度较大，限位效果明显。工况1工况2工况3工况4曲线不对称的原因拉索减震支座的设计、试验及工程应用-100-80-60-40-20020406080-100-50050100150200水平力(kN)水平位移(mm) 工况1 工况2 工况3-100-80-60-40-20020406080100-200-1000100200300400500600700水平力(kN)水平位移(mm) 工况3 工况4骨架曲线图4.8各工况骨架曲线比较u各工况骨架曲线基本吻合。在拉索起作用开始后，斜率基本相同，说明拉索的作用比较稳定。拉索减震支座的设计

31、、试验及工程应用图3.8(a)不同竖向荷载图3.8(b)不同加载位移v数值模拟数值模拟 恢复力模式恢复力模式 图4.9恢复力模式(a)盆式支座；(b)拉索；(c)拉索减震支座-100-80-60-40-20020406080100-200-1000100200300400500600700水平力(kN)水平位移(mm) 工况3 工况4拉索减震支座由盆式支座与拉索组合而成，其恢复力也可以由二者组合而成。拉索减震支座的设计、试验及工程应用+=-0.15-0.10-0.050.000.050.100.15-6000-4000-200002000400060008000水平力(kN)水平位移(m)-1

32、00-80-60-40-20020406080-100-50050100150200水平力 (kN)水平位移(mm)SAP2000SAP2000中的模拟方法中的模拟方法 盆式支座采用Wen塑性单元模拟，拉索采用多段线弹性连接单元模拟；在支座底板施加固定约束，在顶板施加竖向力和水平力对试验过程进行模拟。图4.10SAP2000模型图4.11滞回曲线比较拉索拉索减震支座的设计、试验及工程应用图4.12 模拟与试验对比 摩擦耗能段与试验结果基本一致； 限位段因刚度取值与试验的误差，略有不同。 模拟结果与试验结果对比模拟结果与试验结果对比 拉索减震支座的设计、试验及工程应用-0.12-0.09-0.0

33、6-0.030.000.030.060.090.12-800-600-400-2000200400600800Horizontal load (kN)Horizontal displacement (m) Experimental curve Numerical curve图4.13 计算模型以某四跨连续梁为例，如图所示。3#墩设置两个固定盆式支座，其他墩均设置一个双向滑动支座和一个单向滑动盆式支座。在分析中，假定桥墩保持弹性，仅考虑了支座非线性。 有效性分析有效性分析 工况固定墩墩底内力反应墩梁相对位移(m)剪力(kN)弯矩(kNm)边墩固定墩工况32546.91620023.580.108

34、-工况7788.7186000.050.140.12(-)/-76%-86%27%-表3.1 有效性分析固定墩墩底剪力和弯矩分别下降76%和86%，而边墩墩梁相对位移仅增加27%；具有良好的限位能力，且能够显著地减小固定墩所受的地震力。分析了两种工况：工况3#墩采用固定盆式支座；工况3#墩采用固定型拉索减震支座。地震动输入为N-S方向的El-Centro波拉索减震支座的设计、试验及工程应用 拉索刚度的合理取值拉索刚度的合理取值 01234560.130.140.150.160.17墩梁相对位移(m)拉索刚度(X1.0e+05kN)01234562000040000600008000010000

35、0120000140000墩底弯矩(kNm)拉索刚度(X1.0e+05kN) （a）梁端位移与拉索刚度关系(b)固定墩墩底弯矩与拉索刚度关系图4.14 参数敏感性分析墩梁相对位移随着刚度的增大迅速减小，但减小的速度越来越小，超过某个值后，贡献甚微。固定墩墩底弯矩随拉索刚度的增大而增大。拉索的刚度并不是越大越好，而是要找到一个合适的平衡点，以墩梁相对位移为主要依据，兼顾墩底内力。拉索减震支座的设计、试验及工程应用v 拉索减震支座在九堡大桥中的应用拉索减震支座在九堡大桥中的应用全桥孔跨布置为：55+285m+90（北侧引桥）+3210m（主桥）+90+985+55m（南侧引桥），全长1855m。引

36、桥为等截面连续组合箱梁桥，主桥为连续结合梁钢拱组合体系桥。图4.15 杭州九堡大桥有限元模型 工程简介工程简介 拉索减震支座的设计、试验及工程应用 桩基能力验算结果桩基能力验算结果 工况位置最不利单桩的需求抗弯能力(kNm)是否通过最不利轴力P(kN)弯矩M(kNm)100年3%（纵向竖向输入）PN26284.5517278.6020830PN110306.9812620.4322390*PS1-1255.2215140.1317140PS26741.5116323.8921020100年3%（横向竖向输入）PN28360.3021555.0721660PN18563.5221265.3521

37、740*PS17854.2623128.5421460PS29446.1719096.5222080表3.2 一般冲刷工况,主桥拉索减震支座的设计、试验及工程应用工况位置最不利单桩的需求抗弯能力(kNm)是否通过最不利轴力P(kN)弯矩M(kNm)100年3%（纵向竖向输入）PN29633.0518446.6822150PN110871.6715390.7322590*PS11545.5922936.4818640PS29590.6918483.3222130100年3%（横向竖向输入）PN211269.2020040.3022720PN110755.5123253.4622550*PS111

38、491.3821323.0122800PS211195.5019372.8922700表3.3 局部冲刷工况,主桥一般冲刷和局部冲刷工况，主桥均出现桩基能力不足情况；纵向输入时，主桥固定墩PS1桩基能力不足；横向输入时，主桥固定墩PS1及相邻墩PN1的桩基抗震能力不足，一般冲刷工况，PN2也只是勉强满足地震需求。拉索减震支座的设计、试验及工程应用 原方案支座验算原方案支座验算 分别对一般冲刷和局部冲刷两种工况下，支座在纵、横向地震波输入时的剪切强度进行验算；主桥的所有固定支座（包括纵、横两个方向）在P2概率水平地震作用下的水平剪力均远大于竖向承载力的20%，必然会出现剪坏。引桥的固定墩支座、边

39、墩支座在地震横向输入下亦会出现剪切破坏。 改进方案改进方案-拉索减震支座方案拉索减震支座方案 允许主桥各墩和引桥固定墩及边墩上的支座在受约束方向剪断，用拉索限制因此而产生的过大墩梁相对位移，即建议在这些墩上安装拉索减震支座。拉索减震支座的设计、试验及工程应用 自由行程的确定自由行程的确定 取值原则：（1）要大于温度产生的伸缩量，保证正常使用状态下，支座的自由变形；（2）要小于地震作用下支座全部剪断后产生的墩梁相对变形，即保证拉索起作用；（3）同一联桥梁各支座自由行程应相同。根据以上3条原则，确定拉索支座的自由行程u0。北引桥主桥南引桥纵向0.0600.1200.140横向0.010.010.0

40、1表3.4 自由行程建议值（单位：m）拉索减震支座的设计、试验及工程应用 拉索刚度的合理取值拉索刚度的合理取值 0102030400.140.160.180.200.220.240.26支座变形(m)拉索刚度(kNm)104 支座ARC-PS1a1 支座ARC-PS1a2051015202530175018001850190019502000墩底剪力(kN)拉索刚度(kNm)1040510152025300.0150.0200.0250.0300.0350.0400.045支座变形(m)拉索刚度(kNm)10405101520253019502000205021002150墩底剪力(kN)拉索

41、刚度(kNm)1040510152025300.0200.0250.0300.0350.0400.045支座变形(m)拉索刚度(kNm)104左图为墩底剪力与拉索刚度关系；右图为支座变形与拉索刚度关系；主桥、北引桥和南引桥各固定墩墩底剪力随着刚度的增大而增大，规律大致相同；支座变形随着拉索刚度的增大而减小。随着拉索刚度的增大，支座变形的变化越趋于缓和，而此时，墩底剪力却有较大的增长；主桥拉索减震支座的纵向拉索刚度取3105kNm；南、北引桥拉索减震支座的纵向拉索刚度取2105kNm。横向刚度取值方法相同。主桥PS1北引桥PN4南引桥PS5拉索减震支座的设计、试验及工程应用 减震有效性分析减震有

42、效性分析 通过对墩底剪力和弯矩的比较可知，固定墩墩底内力有大幅度减小，最大可减小至仅为原方案的30%，而其它各墩内力又不至于增加太多；对支座变形的对比结果可以看出，拉索支座可以有效地限制住因支座剪断而产生的过大位移，拉索减震支座方案的支座变形量约为原设计方案因支座剪断而产生的位移的70%左右；拉索减震支座的设计、试验及工程应用4.2 局部采用钢纤维混凝土(SFRC)桥墩抗震能力评价v SFRCSFRC本构模型本构模型材料本构性能的研究是结构理论研究和工程设计的基础，材料本构关系的精度极大程度上决定着计算结果能否正确地反映结构行为的实际状况；SFRC主要与基体强度、体积掺量和长径比有关；工程应用

43、中，体积掺量一般02%，长径比一般5080。桥墩截面由保护层和核心砼两部分组成；对无约束SFRC，已有很多种模型，国内外不少于10个；箍筋约束SFRC本构模型研究较少；Ramesh (2003,India),Mansur(1997,Singapore),Ganesan(1990,India),Tanigawa(1981,Japan)本文选用BarrosandFiguerias于1999年提出的本构模型。为什么选这个？FrancescoBencardino(2008,Italy)0.0000.0020.0040.0060.0080.0100.0120.0140.0160.0180.0200510

44、152025 应力(MPa)应变 C30普通混凝土 Vf=0.5% SFRC Vf=1.0% SFRC Vf=1.5% SFRC Vf=2.0% SFRCLf/Df=75(a)长径比为60(b) 长径比为75 图4.1SFRC的应力-应变曲线无约束无约束SFRCSFRC 局部采用钢纤维混凝土(SFRC)桥墩抗震能力评价0.0021 5(1)cccccff0.140.004syhcuccff将无约束SFRC的峰值应变代替式（4.1）中的0.002，用极限应变代替式（4.2）中的0.004即可。（4.1）（4.2）对于箍筋约束SFRC本构模型，本文以Mander模型为基础，采用以下方法构建： 箍筋

45、约束箍筋约束SFRCSFRC 2003年，印度学者K.Ramesh通过90个试件的试验，得到一个本构模型，其中：箍筋和钢纤维的贡献分别考虑。由于采用的约束指标与我们常用的不同，故未采用。经计算，与Ramesh结果比较一致。局部采用钢纤维混凝土(SFRC)桥墩抗震能力评价v 为什么要局部使用为什么要局部使用价格昂贵，1%的掺量使造价增大一倍；“好钢用在刀刃上”， 局部使用对整体造价增加不多。 经济原因经济原因 力学可行性力学可行性 英国学者在试验中发现，局部采用与全部采用对构件弯曲性能增强效果大致相同；钢纤维对普通混凝土性能的改善主要在延性和韧性方面； 塑性铰是一个局部区域。 局部采用钢纤维混凝

46、土(SFRC)桥墩抗震能力评价v 局部局部SFRCSFRC合理长度合理长度cycyfyfyMfMf由于桥墩的弯矩是沿墩高线性变化的，所以当墩底截面的弯矩达到时，要使普通钢筋混凝土也正好进入屈服，所需要的的表达式为：fyMcl图4.2计算图式两点说明：1.2.计算局部SFRC合理长度时还应考虑材料超强的影响。常规桥梁墩柱超强系数在1.21.6之间。桥墩处于低轴压比范围，建议超强系数取1.3；摘自殷鹏程硕士论文局部采用钢纤维混凝土(SFRC)桥墩抗震能力评价v 曲率延性系数曲率延性系数参数截面材料(1/m)(1/m)C30普通混凝土0.0012250.01978 16.15 -Lf/Df=60Vf=0.5%0.0011790.03827 32.45 2.01Vf=1.0%0.0011750.04133 35.17 2.18Vf=1.5%0.0011710.04507 38.50 2.38Vf=2.0%0.0011660.04875 41.79 2.59Lf/Df=75Vf=0.5%0.0011780.03919 33.26 2.06Vf=1.0%0.0011730.04340 37.00 2.29Vf=1.5%0.0011670.04823 41.32 2.56Vf=2.0%0.0011620.05285 45.49 2.82yukk注：为SF