工程结构抗震课件：第十章 桥梁抗震设计概要-1

1、第十章桥梁抗震设计概要中国桥梁规范：公路桥梁、市政桥梁、铁路桥梁工程结构抗震10.1 概述桥梁是重要的社会基础设施，建设费用高、且公共性强。桥梁是区域抗震防灾、危机管理的一个组成部分，地震破坏将带来重大的次生灾害（道路是一个城市的生命线）。自唐山地震以来，我国开始考虑桥梁的抗震设计。桥梁基本组成梁式桥：连续、简支、曲线、直线、正交、斜交拱桥：圬拱、混凝土拱、钢拱、钢管混凝土拱、上中下承刚构桥：斜腿、直腿、T构等斜拉桥：双索面、单索面等悬索桥10.2 桥梁地震破坏实例1）横向移动分隔带撞击破坏2）纵向移动3）承载能力不足百花大桥桥墩破坏情况小渔洞大桥完全垮塌 日本阪神地震震害资料支座破坏落梁破坏

2、台湾921地震弯曲破坏地震时桥梁破坏特征（1）上部结构因强度低导致结构破坏的例子比较少（2）地基基础除液化外因承载力问题引起的破坏实例比较少（3）主要的破坏： 桥墩的剪切破坏 结构延性不足 落梁破坏 支座损伤等。 独柱式结构尤为严重，弯曲破坏具有良好的抗塌能力弯曲破坏的机理4个阶段：当弯矩达到开裂强度时截面出现水平弯曲裂缝；随着裂缝的发展和荷载强度的提高，受拉侧的纵筋达到屈服强度；随着变形量的增大，保护层混凝土脱落、塑性铰范围扩大；钢筋压屈（或拉断）和内部混凝土压碎、崩裂。剪切破坏的机理4个阶段来描述：截面弯矩达到开裂强度时截面出现水平弯曲裂缝；随着裂缝的发展和荷载强度的提高，柱内出现斜方向的

3、剪切裂缝；局部剪切裂缝增大，箍筋屈服导致剪切裂缝进一步增长；发生脆性的剪切破坏。剪切破坏弯剪破坏弯曲变形10.3 公路桥梁抗震设计细则10.3.1 总体情况两阶段设计：E1地震重现期为467年，E2地震重现期大约2700年。 重要性分类：分A-D类，A类相当于建筑物的甲类。设防目标：E1地震作用时不损坏或不需修复可继续使用；E2地震作用时，A 类桥梁震后可继续使用，B、C类桥梁震后可修。适用范围：跨径小于150m的混凝土梁桥、圬工或混凝土拱桥。斜拉桥和悬索桥、跨径超过 150m 的特大跨径梁桥和拱桥只给出抗震设计原则。大于9度地区的桥梁和有特殊要求的大跨度或特殊桥梁，其抗震设计应作专门研究。

4、抗震设计范围：A、B 和C 类桥梁进行E1和E2作用下的抗震设计。D 类桥梁只进行E1作用下的抗震设计。 10.3.2 桥梁抗震设防分类和设防标准A类桥梁是主跨超过 150m 的特大桥，B类桥梁是指除 A 类以外的高速公路和一级公路上的桥梁及二级公路上的大桥、特大桥等，C类桥梁是指属A、B、D类以外的公路桥梁，D类桥梁是指位于三、四级公路上的中桥、小桥。各类桥梁的设防标准各类桥梁的重要性系数10.3.3 场地和地基场地分类同建筑物抗震设计规范液化判断以及处理基本同建筑物抗震设计规范地基承载能力验算以及桩基验算基本同建筑物抗震设计规范10.3.4 地震作用 1）一般情况下只考虑水平向地震作用，直

5、线桥可分别考虑顺桥向和横桥向的地震作用。 2）竖向地震作用：设防烈度为8度和9度时的拱式结构、长悬臂桥梁结构和大跨度结构，应同时考虑竖向地震作用（与建筑物相似）。 3）地震作用分量组合当同时考虑三个方向的地震作用时，总的地震作用效应为： 其中，EX、EY和EZ分别为X、Y 和Z方向上的地震作用最大效应。4）计算方法：可以用设计加速度反应谱、设计地震动时程和设计地震动功率谱表达。5）加速度反应谱：阻尼比为5 的水平设计加速度反应谱Smax=2.25CiCsCdA式中，Ci为重要性系数、Cs为场地系数、Cd为阻尼调整系数、A 为设计基本地震加速度峰值竖向设计加速度反应谱由水平向设计加速度反应谱乘以

6、下式给出的竖向/水平向谱比函数R。 基岩场地： R=0.65 （偏于安全考虑）土层场地： 10.3.5 计算方法抗震分析时可将桥梁划分为规则桥梁和非规则桥梁两类，分别采用对应的方法。时程计算方法、反应谱法在第5章已经作了详细的阐述，桥梁结构与建筑结构之间没有本质的区别，但计算模型比较详细，振动特性和内力计算一般采用相同模型。抗震设计方法类别：A类抗震设计方法类别：B类规则非规则规则非规则E1地震作用SM/MMMM/THSM/MMSM/MME2地震作用SM/MMMM/TH注：TH为线性或非线性时程计算方法；SM为单振型反应谱；MM为多振型反应谱法。规则桥梁的定义参 数参数值单跨最大跨径 90m墩

7、高30m单墩长细比大于2.5且小于10跨数23456及半径R90，同时曲梁半径 R20b（b为桥宽）跨与跨间最大跨长比3221.51.5轴压比 0.3跨与跨间桥墩最大刚度比4432下部结构类型桥墩为单柱墩、双柱框架墩、多柱排架墩地基条件不易液化、侧向滑移或易冲刷的场地，远离断层2）对设计地震动时程（即输入地震波）的要求做过地震安全性评价的桥址，设计地震动时程要根据专门的工程场地地震安全性评价的结果确定。 未做过地震安全性评价的桥址，可根据设计加速度反应谱，按随机合成方法生成设计加速度时程；为考虑地震动的随机性，每组设计加速度时程要有三条以上，且要保证任意二时程间由相关系数的值小于0.1。地震作

8、用下，线性时程法的计算结果不宜小于反应谱法计算结果的80%。 3）抗震分析方法的规定适用于跨度不超过150m的梁桥、拱桥等常规桥梁的抗震分析。墩高超过40m，墩身第一阶振型有效质量低于60，且结构进入塑性的高墩桥梁应进行专门研究。桥台台身的地震惯性力:可按静力法计算考虑主动土压力和被动土压力作用。截面特性:E1地震作用,常规桥梁结构抗震计算按毛截面;E2地震作用考虑弹塑性响应的构件需要考虑钢筋影响。D类桥梁、圬工拱桥、重力式桥墩和桥台只进行E1地震作用下的抗震分析。中国规范，等效屈服点根据图中两个阴影面积相等求得。10.3.6 延性设计的容许地震损伤位置基础、盖梁、梁体、节点、剪切强度按能力保

9、护构件设计（即地震时不容许发生这些破坏），损伤发生在桥墩。这是根据地震以后修复难易程度、是否发生致命性倒塌破坏来考虑的。即使对桥墩，损伤截面位置也使限定的，发生在墩底、墩顶和墩底。这是根据地震损伤对结构延性性能的影响程度决定的。在墩底截面进入塑性的结构，延性优于中间截面进入塑性的结构。塑性截面位置的影响10.3.7 建模原则采用反映结构空间动力特性的振动模型：一般采用杆系结构计算，质量为集中质量（因为低阶振型对结构地震响应的影响非常大）不考虑塑性（不容许发生损伤或者不会发生损伤）的构件，用弹性梁单元；相反考虑塑性影响的单元采用弹塑性梁单元。细长的单元（长细比大于8），宜考虑P-效应。滑动支座考

10、虑摩擦力的耗能。考虑场地变形的影响。10.3.8 规则桥梁结构计算方法(也可以不用这些方法)规则桥梁水平地震力采用反应谱方法时，应考虑上部结构、支座、桥墩及基础等刚度的影响。重力式桥墩的水平地震力，采用反应谱方法计算时，作用于桥墩质点 i 的水平地震力可按下列公式计算。S1h 相应水平方向的加速度反应谱值；1 桥墩顺桥向或横桥向的基本振型参与系数；X1i 桥墩基本振型在第 i 分段重心处的相对水平位移； Xf 考虑地基变形时，顺桥向作用于支座顶面或横桥向作用于上部结构质量重心上的单位水平力在一般冲刷线或基础顶面引起的水平位移或支座顶面或上部结构质量重心处的水平位移之比值； Hi 一般冲刷线或基

11、础顶面至墩身各分段重心处的垂直距离(m)；H 桥墩计算高度，即一般冲刷线或基础顶面至支座顶面或上部结构质量重心的垂直距离（m）； B 顺桥向或横桥向的墩身最大宽度（m）；Gi=0 桥梁上部结构重力，对于简支梁桥，顺桥向地震力时为相应于墩顶固定支座的一孔梁的重力；横桥向地震力时为相邻两孔梁重力的一半； Gi=I,2,3 桥墩墩身各分段的重力。规则性桥梁的柱式墩，采用反应谱方法计算时, 其顺桥向水平地震力可采用下列简化公式计算。Ehtp 作用于支座顶面的水平地震力； Gtp 支座顶面处换算质点重力；Gs 桥梁上部结构的重力，简支梁桥为相应于墩顶固定支座的一孔梁的重力；连续梁桥为相邻两孔梁重力之和的

12、一半； Gcp 盖梁的重力； Gp 墩身重力，对于扩大基础，为基础顶面以上墩身的重力；对于桩基础，为一般冲刷线以上墩身的重力； 墩身重力换算系数；Xf1/2 考虑地基变形时，顺桥向作用于支座顶面上的单位水平力在墩身计算高度H/2处引起的水平位移与支座顶面处的水平位移之比值。 采用板式橡胶支座的规则性桥梁，采用反应谱方法计算时，其顺桥向水平地震力按下列计算：1）全联均采用板式橡胶支座的连续梁桥或桥面连续、顺桥向具有足够强度的抗震联结措施的简支梁，其水平地震力可按下述简化方法计算： 上部结构对板式橡胶支座顶面处产生的水平地震力：Eihs 上部结构对第 i 号墩板式橡胶支座顶面处产生的水平地震力；k

13、itp 第i 号墩组合抗推刚度kip 第i 号墩板式橡胶支座抗推刚度；kis 第i 号桥墩墩顶抗推刚度； Gsp 一联上部结构的总重力墩身水平地震力（1） 实体墩由墩身自重在墩身质点 i 的水平地震力（2）柱式墩由墩身自重在板式橡胶支座顶面产生的水平地震力采用板式橡胶支座的多跨简支梁桥，对刚性墩可按单墩单梁计算；对柔性墩应考虑支座与上、下部结构的偶联作用，按下图进行计算。在E2地震作用下，可按下式计算墩顶的纵向和横向水平位移为=c （弹性位移和弹塑性位移之间的关系） 10.3.9 能力保护构件计算要点E2 地震作用如结构未进入塑性，可用E2地震作用下的计算结果设计桥梁墩柱的剪力、桥梁基础和盖梁

14、。进入塑性的墩柱，顺桥向和横桥向的剪力设计值 Vc0：强剪根据两端的最大弯矩计算，并考虑超强系数0 （1.2）Mszc、Mx zc为墩柱上、下端截面按实配钢筋，采用材料标准强度值和轴压力计算的沿纵桥向的正截面受弯承载力所对应的弯矩值；Mshc、Mxhc为墩柱上、下端截面按实配钢筋，采用材料标准强度值和轴压力计算的沿横桥向正截面受弯承载力所对应的弯矩值； Hn一般取为墩柱的净长度，但是对于单柱墩横桥向计算时应取梁体截面形心到墩柱底截面的垂直距离。 盖梁弯矩设计值Mp0：强梁弱柱的原则盖梁剪力设计值Vc0：强剪计算的原则MG由结构重力产生的弯矩MRpc，MLpc：横梁左右端截面按实配钢筋， 采用材料标准强度值计算的正截面受弯承载力所对应的弯矩值； L0横梁的净跨长度。基础设计根据墩底截面的抵抗能力计算并考虑超强系数计算。 10.3.10 强度与变形验算E1地震作用下,结构在弹性范围内工作,基本不损伤；E2地震作用下，桥墩(延性构件)可发生损伤，产生弹塑性变形，耗散地震能量，但桥墩的塑性饺区域应具有足够的塑性转动能力。E2地震下，桥梁基础、盖梁、梁体以及墩柱的抗剪、拱桥的主拱圈和桥面系基本不发生损伤。 拱桥的桥墩、基础和拱上立柱的抗震性能可按梁桥的要求进行抗震设计。