桥梁结构的抗震设计课件PPT(61页)

1、第三章 桥梁结构的抗震设计李顺龙 博士哈尔滨工业大学交通科学与工程学院桥梁与隧道工程系桥梁结构抗震与抗风本章目录3.1 桥梁结构抗震设防原则3.2 地基的抗震设计3.3 梁桥的抗震设计3.4 大跨度桥梁抗震设计实例3.1 桥梁结构抗震设防原则总目标桥梁抗震的目标是减轻桥梁工程的地震破坏，保障人民生命财产的安全，减少经济损失。因此，既要使震前用于抗震设防的经济投入不超过我国当前的经济能力，又要使地震中桥梁的破坏程度限制在人们可以承受的范围内。换言之，需要在经济与安全之间进行合理的平衡，这是桥梁抗震设防的合理安全度原则。抗震设防的目标地震是一种随机性极强的自然灾害，不可能保证结构在地震作用下的绝对

2、安全，也不可能不抗震设防，如何办？使用寿命期内对不同频度和强度的地震，要求结构具有不同的抵抗能力，使设计的结构在未来地震作用下发生破坏的概率为社会所接受，同时为当前的经济条件所允许。合理的抗震设计应满足经济和安全之间的合理平衡，三水准（中国）3.1 桥梁结构抗震设防原则抗震设防的目标具体通过“三水准”的抗震设防要求和“两阶段”的抗震设计方法实现。三水准：“小震”“中震”“大震”;地震影响50年超越概率地震重现期众值烈度(Im) 小震63.2%50年基本烈度(I0) 中震10%475年罕遇烈度(Is) 大震2-3%1642-2475年一般关系 烈度： Im=I0-1.55, Is500m/s，故

3、d0 = 7.5m。 (2)计算剪切波速 查表知vse在250-500m/s之间，且d0 5m，故属于II类场地 土层底部深度(m)土层厚度(m)岩土名称(m)土层剪切波速(m/s)1.51.5杂填土1803.52.0粉土2407.54.0细沙31015.58.0砾沙5203.2.1 场地场地类别桥梁工程场地内存在发震断裂时，应对断裂的工程影响进行评价：对符合下列规定之一的情况，可忽略发震断裂错动对桥梁的影响：抗震设防烈度小于8度；非全新世活动断裂；抗震设防烈度为8度和9度时，前第四纪基岩隐伏断裂的土层覆盖厚度分别大于60m和90m。对不符合本条1款规定的情况，应避开主断裂带。其避让距离不宜小

4、于对发震断裂最小避让距离的规定。A类桥梁应尽量避开主断裂，抗震设防烈度为8度和9度的地区，其避开主断裂的距离为桥墩边缘至主断裂带外缘不宜小于300和500mA类桥梁以下桥梁宜采用跨径较小便于修复的结构当桥位无法避开发震断裂时，宜将全部桥墩台布置在断层的同一盘(最好是下盘)上。 地基在地震作用下的稳定性对基础及上部结构的内力分布是比较敏感的，因此确保地震时地基基础能够承受上部结构传下来的竖向和水平地震作用以及倾覆力矩而不发生过大变形和不均匀沉降是地基基础抗震设计的基本要求。地基基础抗震设计的一般要求同一结构单元不宜设置在性质截然不同的地基土层上；同一结构单元不宜部分采用天然地基而另外部分采用桩基

5、；地基有软弱土、可液化土、新近填土或严重不均匀土层时，宜加强基础的整体性和刚性；根据具体情况，选择对抗震有利的基础类型，在抗震验算时应尽量考虑结构、基础和地基的相互作用影响，使之能反映地基基础在不同阶段上的工作状态。3.2.2 天然地基与基础的抗震验算3.2.2 天然地基与基础的抗震验算地基抗震验算效应组合地基抗震验算时，应采用地震作用效应与永久作用效应组合天然地基在地震作用下的抗震承载力验算地基土抗震承载力地震是偶发事件，地基抗震承载力安全系数可比静载时降低；多数土在有限次的动载下，强度较静载下稍高。faE：调整后的地基抗震承载力设计值 ：地基抗震承载力调整系数fa：深宽修正后的地基承载力特

6、征值3.2.2 天然地基与基础的抗震验算天然地基在地震作用下的抗震承载力验算地基土抗震承载力岩土名称和性状岩石，稍密的碎石土，密实的砾、粗、中砂， 的粘性土和粉土1.5中密、稍密的碎石土，中密和稍密的砾、粗、中砂，密实和中密的细、粉砂 的粘性土和粉土1.3稍密的细、粉砂， 的粘性土和粉土，新近沉积的粘性土和粉土1.1淤泥，淤泥质土，松散的砂，填土1.0地基土抗震承载力调整系数3.2.3 液化土与软土地基地基土的液化什么是液化：处于地下水位以下的饱和砂土和粉土的土颗粒结构受到地震作用时将趋于密实，使空隙水压力急剧上升，而在地震作用的短暂时间内，这种急剧上升的空隙水压力来不及消散，使有效压力减小，

7、当有效压力完全消失时，土颗粒处于悬浮状态之中。这时，土体完全失去抗剪强度而显示出近于液体的特性。影响场地土液化的主要因素：土层的地质年代；土层的土粒的组成和密实程度；砂土层埋置深度和地下水位深度；地震烈度和地震持续时间。3.2.3 液化土与软土地基地基土液化的判别液化判别的一般原则和处理对存在饱和砂土和粉土（不含黄土）的地基，除6度外，应进行液化判别；存在液化土层的地基，应根据桥梁的抗震设防类别、地基液化等级，结合具体情况采取相应措施；初步判断以地质年代、粘粒含量、地下水位及上覆非液化土层厚度等作为判断条件；地质年代为第四纪晚更新世（Q3）及以前时，7、8度可判为不液化；当粉土的粘粒（粒径小于

8、0.005mm的颗粒)含量百分率在7、8和9度时分别大于10、13和16可判为不液化；3.2.3 液化土与软土地基液化的判别初步判断采用天然地基的建筑，当上覆非液化土层厚度和地下水位深度符合下列条件之一时，可不考虑液化影响。:上覆非液化土层厚度（m)，计算时宜将淤泥和淤泥质土层扣除；:基础埋置深度(m),不超过2m时采用2m；:地下水位深度（m)，宜按桥梁使用期内年平均最高水位采用，也可按近期内年最高水位采用；:液化土特征深度（m)9m8m7m砂土8m7m6m粉土987烈度饱和土类别液化土特征深度液化的判别1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12345678910dw(m)不考虑液化影响

9、区须进一步判别区1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 12345678910dw(m)不考虑液化影响区须进一步判别区粉土砂土假定基础埋深db=2时，以上3个公式可用图表示为：3.2.3 液化土与软土地基3.2.3 液化土与软土地基液化的判别标准贯入试验判别（细判）钻孔至试验土层上15cm处,用63.5公斤穿心锤，落距为76cm，打击土层，打入30cm所用的锤击数记作N63.5，称为标贯击数。用N63.5与规范规定的临界值Ncr比较来确定是否会液化。:地下水位深度（m) :饱和土标准贯入试验点深度（m):粘粒含量百分率，当小于3或是砂土时，均应取3:液化判别标准贯入锤击数基准值3.2.3 液

10、化土与软土地基液化指数与液化等级同一烈度下，液化层的厚度愈厚愈浅，地下水位愈高，实测标准贯入锤击数与临界标准贯入锤击数相差愈大，液化愈严重，带来的危害也愈大。液化指数（判断液化的定量指标）:判别深度内每一个钻孔标准贯入试验点总数；:分别为i点标准贯入锤击数的实测值和临界值，当实测值大于临界值时取临界值的取值；:第i点所代表的土层厚度（m)；:第i层考虑单位土层厚度的层位影响权系数，0-5m，取10，20m取0。3.2.3 液化土与软土地基液化指数与液化等级由液化指数，按下表确定液化等级判别深度20m时的液化指标判别深度15m时的液化指标 严重 中等 轻微液化等级液化等级与相应的震害液化等级 地

11、面喷水冒砂情况 对建筑物的危害情况轻微地面无喷水冒砂，或仅在洼地、诃边有零星的喷水冒砂点危害性小，一般不致引起明显的震害中等喷水冒砂可能性大，从轻微到严重均有，多数属中等危害性较大，可造成不均匀沉陷和开裂，有时不均匀沉陷可达200mm严重一般喷水冒砂都很严重，地面变形很明显危害性大，不均匀沉陷可能大于200mm，高重心结构可能产生不允许的倾斜3.2.3 液化土与软土地基例题：某工程按照8度设防，其工程地质年代属Q4，钻孔资料自上而下为：砂土层至2.1m，砂砾层至4.4m，细砂至8.0m，粉质粘土层至15m；砂土层及细砂层黏粒含量均低于8%；地下水位深度1.0m；基础埋深1.5m；设计地震场地分

12、组属于第一组，试验结果见下表。试对该工程场地液化可能做出评价。测点测源深度dsi(m)标贯值Ni测点土层厚di(m)标贯下限值Ncridi中点的深度Zi (m)WiIlE 11.451.19.41.55105.1525.071.1134.95105.0836.0111.0146.091.9347.0161.015解：(1)初判Q4；基础埋深db =1.5m，液化土特征深度d0 =8.0m，上层非液化土du =0.0m，地下水位深度dw =1.0m，则d0 + db -3=6.5 dw =1.0m d0 + db -2=7.5 du =0.0m 1.5d0 + 2db -4.5=11.5 dw+

13、 du =1.0m cNcri，为不液化土层。3.2.3 液化土与软土地基3.2.3 液化土与软土地基计算层位移影响函数：第一点，地下水位为1.0m，故上界为1.0m，故第二点，上界为砂砾层，故上界为4.4m，故第三点，第2-4点位于同一土层(细砂层)，第三点代表的土层厚度中点为6m，W3 = 9。依据公式计算各层液化指数，最终得到液化指数为12.16，液化等级为中等。3.2.3 液化土与软土地基可液化地基的抗震措施全部消除地基液化沉陷采用桩基时，桩端深入液化深度以下稳定土层中的长度（不包括桩尖部分），应按计算确定，且对碎石土，砾、粗、中砂，坚硬粘性土和密实粉土尚不应小于0.5m，对其他非岩石

14、尚不应小于1.5m；当液化土层较平坦、均匀时，可按下表选用抗液化措施地基和上部结构处理，或其它经济的措施可不采取措施可不采取措施D类全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且对地基和上部结构处理基础和上部结构处理，或更高要求的措施基础和上部结构处理，亦可不采取措施C类全部消除液化沉陷全部消除液化沉陷，或部分消除液化沉陷且对地基和上部结构处理部分消除液化沉陷，或对地基和上部结构处理AB类严重中等轻微地基的液化等级桥梁类别3.2.3 液化土与软土地基全部消除地基液化沉陷采用深基础时，基础底面埋入液化深度以下稳定土层中的深度不小于1m采用加密法（如振冲、振动加密、砂桩挤密、强夯等）加固时，应处理至液化深

15、度下界，且处理后土层的标准贯入锤击数的实测值不宜大于相应的临界值；用非液化土替换全部液化土层；采用加密法或换土法处理时，在基础边缘以外的处理宽度，应超过基础底面下处理深度的1/2且不小于基础宽度的1/5。部分消除地基液化沉陷处理深度应使处理后的地基液化指数减少，当判别深度为15m时，其值不宜大于4，当判别深度为20m时，其值不宜大于5；对独立基础与条形基础，尚不应小于基础底面下液化特征深度和基础宽度的较大值。3.2.3 液化土与软土地基部分消除地基液化沉陷处理深度范围内，应挖除其液化土层或采用加密法加固，使处理后土层的标准贯入锤击数实测值不小于相应的临界值。基础边缘以外的处理宽度与全部清除地基

16、液化沉陷时的要求相同。基础和上部结构处理选择合适的基础埋置深度；调整基础底面积，减少基础偏心；加强基础的整体性和刚性；减轻荷载，增强上部结构的整体刚度和均匀对称性，避免采用对不均匀沉降敏感的结构形式等； 梁桥的抗震设计只是下部结构，上部结构的地震荷载相当一质量块，作用点的位置：顺桥向为支座顶面；横桥向为上部结构质量中心。位于非岩石地基上的桥梁桥墩抗震设计，应计入地基变形的影响。3.3 梁桥的抗震设计3.3 梁桥的抗震设计(固定支座)3. 规则桥梁重力式桥墩顺桥向和横桥向的水平地震力为作用于质点 i 的水平地震荷载（kN）相应水平方向的加速度反应谱值一般冲刷线或基础顶面至墩身各分 段重心处垂直距

17、离(m)桥墩上部结构重力(kN)，对于简支 梁桥，计算顺桥向地震力时为相应 于墩顶固定支座的一孔梁的重力； 计算横桥向地震力时为相邻两孔梁 重力的一半。桥墩第i段重力3.3 梁桥的抗震设计(固定支座)墩顶作用单位水平力F 在墩顶引起的水平位移 un 和地基变形引起墩底水平位移 u0顺桥向 H/B 5时方程两边同时除以,将墩顶位移取为,其他为相对值桥墩基本阵型在第i分段重心处的相对水平位移因位于非岩石地基上的实体墩，因地基变形引起的平移和转动在墩的总位移中占的比例很大，所以墩的基本振型为倒梯形。横桥向 H/B 5 时， 墩身简化成深梁，则基本振型为：3.3 梁桥的抗震设计(固定支座) 墩顶作用单

18、位水平力在墩顶引起的水平位移 和地基变形引起墩底 水平位移之比 顺桥向或横桥向墩身最大宽度 桥墩计算高度BB桥墩顺桥向或横桥向的基本阵型参与系数推导：阵型参与系数定义3.3 梁桥的抗震设计(固定支座)规范公式 与第二章理论分析的联系等效静力为水平设计加速度反应谱最大值，即为阵型参与系数，即为第i个质点的等效静力为3.3 梁桥的抗震设计(固定支座)3.3 梁桥的抗震设计(固定支座)4. 规则桥梁的柱式桥墩顺桥向的水平地震力为与实体墩相比，因为墩身的质量比上部结构要小得多，按上部结构质量重心处的一个集中质量加上墩身折算质量后的单自由度体系计算，因此计算式中少振型参与项 和 。支座顶面处的换算质点重

19、力（kN）其中：梁桥上部结构重力（kN）盖梁重力（kN）墩身重力（kN）墩身重力换算系数3.3 梁桥的抗震设计(固定支座)因其弯曲变形较大，基本振型可取双折线，即：当 时当 时振型函数：墩顶作用单位水平力，考虑地基变形时，引起墩底水平位移和在墩顶引起的水平位移之比 考虑地基变形时，顺桥向作用支座顶面上的单位水平力在墩身H/2处引起的水平位移与支座顶面处的水平位移之比值。桥墩结构的自振周期或基本周期 T1 的估计静力等效即为桥墩结构体系的广义质量根据定义，广义质量的表达式为假定桥墩结构体系的形函数即为单位力作用下的位移则广义质量3.3 梁桥的抗震设计(固定支座)实体墩顺桥向3.3 梁桥的抗震设计

20、(固定支座)规范规定的广义质量的公式是以等截面桥墩为基础的，应用时需要特别注意3.3 梁桥的抗震设计(固定支座)表示在顺桥向或横桥向作用于支座顶面或上部结构重心上单位水平力在该点引起的水平位移(m/kN)，对于实体墩，计算横桥向基本周期时，一般应考虑剪切变形的影响；对于扩大基础、多排桩基础和沉井基础，应当考虑地基变形。即为桥墩结构的广义刚度例题：混凝土墩，墩高=8.5，沉井基础，井深24米，位于软塑粘性土地基上，上部结构重量SP=3430kN，地震烈度，类场地，墩身总重P=3812.2kN。求：(a)桥墩的第一振型(b)墩的横桥向地震力。作业：推导规则桥梁柱式墩的广义质量计算公式10份基本振型

21、：将墩身分为五段，则基本振型函数 i0 1 2 3 4 5 Hi1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 X1i10.8970.7940.6900.5870.484墩身自重分为10份, 每份3.3 梁桥的抗震设计(固定支座)3.3 梁桥的抗震设计(固定支座)换算质点重力：墩顶柔度系数（墩顶作用单位力所引起的位移）：基本周期：基本振型参与系数：3.3 梁桥的抗震设计(橡胶支座)5. 连续梁桥顺桥向水平地震力：全桥均采用板式橡胶支座（相当于柔性排架墩中的一联）将上部结构地震力分配到各墩按各墩刚度进行分配一联上部结构产生的总地震力第号墩板式橡胶支座顶面地震力第号墩组合抗推刚度第号墩板式橡胶支座抗推刚度

22、第号墩板式橡胶支座数目板式橡胶支座剪切模量(kN/m2)，一般取1200 (kN/m2)板式橡胶支座面积板式橡胶支座总厚度板式橡胶支座面积相应于一联上部结构的桥墩个数第i号桥墩的墩顶抗侧刚度(kN/m)一联上部结构的总重力(kN)先将第号墩的板式橡胶支座并联，然后再与第号墩墩顶抗推刚度串联3.3 梁桥的抗震设计(橡胶支座)3.3 梁桥的抗震设计(橡胶支座)作业：采用板式橡胶支座的梁桥，桥墩基本周期按两个质点体系的公式计算：相应于一联上部结构所对应的全部桥墩抗推刚度之和（kN/m）；一联上部结构的总重力；与一联上部结构相对应的各桥墩重力对支座顶面换算重力之和。相应于一联上部结构所对应的全部橡胶支座抗推刚度之和（kN/m）3.3 梁桥的抗震设计3.3 梁桥的抗震设计6. 桥台桥台的水平地震荷载：等效静力法，地震力作用在质量重心处桥台台背的主动土压力：无液化有液化地震时作用