混凝土结构梁式桥抗震设计原理与要求

混凝土结结构梁式式桥抗震震设计原原理与要要求本章教学学目标与与要求1、了解公路路钢筋混混凝土梁梁式桥的的震害特特征及主主要原因因2、掌握桥桥梁抗震震设计计计算原理理3、熟悉桥桥梁延性性抗震设设计要求求4、了解桥桥梁减隔隔震设计计原理5、熟悉桥桥梁抗震震构造措措施导入案例例1976年唐山市市发生7.8级大地震震，解放放军战士士星夜驰驰奔，赶赶赴灾区区抢救，，但蓟运运河、滦滦河上的的两座大大型公路路桥梁因因地震而而塌落，，切断了了唐山与与天津和和关外的的公路交交通，严严重影响响救援工工作的迅迅速开展展。可见见地震不不仅会造造成房屋屋建筑的的破坏，，而且也也会给桥桥梁结构构造成损损坏。因因此，桥桥梁结构构仍然需需要抗震震设计，，如何进行行抗震设设计？与与房屋抗抗震设计计又有何何异同？？我们可以以通过本本章学习习得到了了解。9.1震害特征征及其原原因1.桥墩弯曲曲破坏对于钢筋筋混凝土土桥墩，，高柔的的桥墩多多为弯曲曲型破坏坏，粗矮矮的桥墩墩多为为剪切型型破坏，，长细比比介于两两者之间间的则呈呈现弯剪剪型破坏坏。常出出现桥墩墩轻微开开裂、保保护层混混凝土剥剥落，严严重的则则受压区区混凝土土崩溃、、钢筋裸裸露屈曲曲，从而而导致变变形过大大而破坏坏。（a）出现水水平弯曲曲裂缝；；（b）纵筋达达到屈服服；（（c）塑性铰铰形成；；（d）钢筋压压屈(或拉断)桥墩弯曲曲破坏桥墩弯曲曲破坏2.桥墩剪切切破坏(a)出现斜向向裂缝；；(b)出现交叉叉斜裂缝缝；(c)交叉裂缝缝发展；；(d)脆性的剪剪切破坏坏剪切破坏坏3.落梁破坏坏破坏机理理阪神地震震时日本本西宫大大桥破坏坏4.支座破坏坏5.桥台破坏坏6.基础破坏坏9.2桥梁抗震震设计原原理《公路桥梁梁抗震设设计细则则》(JTG/TB02-01-2008)（以下简简称《细则》），根据据公路桥桥梁的重要性和修复(抢修)的难易程程度，将桥梁梁抗震设设防分为为A类、B类、C类和D类四个抗震震设防类类别，分分别对应应不同的抗抗震设防防标准和和设防目目标。A类桥梁的抗抗震设防防目标是是E1地震作用用(重现期约约为475年)下不应发发生损伤伤，E2地震作用用(重现期约约为2000年)下可产生生有限损损伤，但但地震后后应能立立即维持持正常交交通通行行；B,C类桥梁的抗抗震设防防目标是是E1地震作用用(重现期约约为50-100年)下不应发发生损伤伤，E2地震作用用(重现期约约为475-2000年)下不致倒倒塌或产产生严重重结构损损伤，经经临时加加固后可可供维持持应急交交通使用用；D类桥梁的抗抗震设防防目标是是E1地震作用用(重现期约约为25年)下不应发发生损伤伤。因此此，《细则》实质上是是采用“两水平设设防、两两阶段设设计”；D类桥梁采用用“一水平设设防、一一阶段设设计”。桥梁抗震设防类别适用范围A类单跨跨径超过150m的特大桥B类单跨跨径不超过150m的高速公路、一级公路上的桥梁，单跨跨径不超过150m的二级公路上的特大桥、大桥C类二级公路上的中桥、小桥，单跨跨径不超过150m的三、四级公路上的特大桥、大桥D类三、四级公路上的中桥、小桥各桥梁抗抗震设防防类别适适用范围围桥梁抗震设防类别设防目标E1地震作用E2地震作用A类一般不受损坏或不需修复可继续使用可发生局部轻微损伤，不需修复或经简单修复可继续使用B类一般不受损坏或不需修复可继续使用应保证不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可供维持应急交通使用C类一般不受损坏或不需修复可继续使用应保证不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可供维持应急交通使用D类一般不受损坏或不需修复可继续使用各设防类类别桥梁梁的抗震震设防目目标抗震设防烈度桥梁分类67890.05g0.1g0.15g0.2g0.3g0.4gA类7899更高，专门研究B类78899≥9C类677889D类677889各类公路路桥梁抗抗震设防防措施等等级9.2.2地震作用用分量选选取与组组合《细则》规定各类类桥梁结结构的地地震作用用，应按按下列原原则考虑虑：（1）一般情情况下，，公路桥桥梁可只考虑水水平向地地震作用用，直线桥桥可分别别考虑顺桥向X和横桥向Y的地震作作用；抗抗震设防防烈度为为8度和9度的拱式式结构、、长悬臂臂桥梁结结构和大大跨度结结构，以以及竖向向作用引引起的地地震效应应很重要要时，应应同时考考虑顺桥向X、横桥向向Y和竖向Z的地震作作用。（2）采用反应谱法或功率谱法法同时考虑虑三个正交方方向(水平向X、Y和竖向Z)的地震作用用时，可分分别单独计计算X向地震作用用产生的最最大效应EX，Y向地震作用用产生的最最大效应EY，与Z向地震作用用产生的最最大效应EZ。总的设计计最大地震震作用效应应E按下式计算。。SRSS法（3）当采用时时程分析法法时，应同同时输人三三个方向分分量的一组组地震动时时程计算地地震作用效效应。9.2.3桥梁地震作作用的计算算1.水平设计加加速度反应应谱抗震重要性性系数场地系数阻尼调整系系数抗震设防烈烈度和水平平向设计基基本地震动动加速度峰峰值A抗震设防烈度6度7度8度9度A0.05g0.10(0.15)g0.20(0.30)g0.40g9.2.4抗震计算方方法（1）单一方向向的地震作作用效应(内力、位移移)，一般可采采用SRSS方法，按式式(9-7)确定：（2）当结构相相邻两阶振振型的自振振周期和()接近时，即即和之比满满足（9-8），应采用用CQC方法按式(9-9)计算地震作作用效应。。周期比相关系数9.2.6规则桥梁地地震作用的的计算根据地震震震害调查，，桥梁上部部结构直接接受震破坏坏的情况很很少，主要要的破坏在在墩台部位位，因此，，桥梁抗震的重点点在于墩台的抗震震设计。1.桥墩抗震计计算简图(1)柔性墩。《细则》在确定柔性性桥墩的基基本周期和和地震作用用时，均按单墩模模型考虑。其理由如如下：一是是桥墩所支支承的上部部构造重量量远较墩本本身的重量量为大，两两者比值一一般为5:1~8:1；二是它们们均属柔性性结构；三三是计算简简单，可满满足工程上上所要求的的精度。(2)多排桩基础础上的桥墩墩及实体墩墩。由于公路桥桥梁墩身一一般不高，，因此在确确定地震作用时时一般只考考虑第一阶阶振型，而将高阶阶振型贡献献略去不计计。考虑到墩身身在横桥向向和顺桥向向的刚度不不同，在计计算时两个个方向分别别采用不同同的振型。在确定基本周期时，仍可以以简化为单质点处理实体墩墩的结构计计算简图也也可采用自自由端等代代刚度的悬悬臂杆，其其基本周期期简化为单单质点体系系求得。在在确定地震作用时，将墩身身分为若干分段按按多质点体体系计算。。2.重力式桥墩墩水平地震震作用计算算计算简图顺桥向横桥向3.柱式墩顺桥桥向水平地地震作用计计算柱式墩计算算简图如图图所示，顺顺桥向水平平地震荷载载可采用下下列简化公公式计算：：计算简图换算质点重重力上部结构的的重力墩身重力盖梁的重力力墩身重力换换算系数顺桥向支座座顶面上的的单位水平力力在墩身计算算高度H/2处引起的水水平位移与与支座顶面面处的水平平位移之比比值4.采用板式橡橡胶支座的的梁桥水平平地震作用用计算(略)5.桥台水平地地震作用计计算梁桥桥台的的地震作用用与土在地地震时的压压力有关，，这是一个个结构与地地基和基础础与填土之之间的相互互作用问题题。公路桥桥台一般具具有截面大大而高度低低的特点，，对于轻型桥桥台因缺少少动力特性性的观测和和试验研究究资料，故故采用静力力法计算作用于台身身重心处的的水平地震震作用基础顶面以以上台身的的重力地震主动土土压力地震动水压压力6.地震主动土土压力和动动水压力《细则》规定，E1地震作用抗抗震设计阶阶段，应考考虑地震时时动水压力力和主动土土压力的影影响，在E2地震作用抗抗震设计阶阶段，一般般不需考虑虑。7.梁桥结构基基本周期的的近似计算算1）梁桥桥墩墩基本周期期的近似公公式。梁桥桥墩的的基本周期期可通过实实测、试验验或理论计计算确定。。一般情况况下，可按按下列近似似公式计算算各类桥墩墩的基本周周期。柔性墩换算质点重重力实体墩顺桥桥向实体墩横桥桥向9.3桥梁延性抗抗震设计9.3.1延性抗震设设计原则延性抗震设设计是指允许桥桥梁结构发发生塑性变变形，不仅仅用构件的的强度作为为衡量结构构性能的指指标，同时时要校核构构件的延性性能力是否否满足要求求。延性抗抗震设计时时，允许发生塑塑性变形的的构件叫延延性构件。能力保护设设计原则的基本本思想在于于：通过设设计，使结结构体系中中的延性构件和能力保护构构件形成强度等级差异，确保保结构构件件不发生脆脆性的破坏坏模式。(1)选择合理的的结构布局；(2)选择地震中中预期出现现的弯曲塑性铰的合合理位置，保证结构构能形成一一个适当的的塑性耗能能机制；通通过强度和和延性设计计，确保潜潜在塑性铰铰区域截面面的延性能能力；(3)确立适当的的强度等级，确保预期期出现弯曲曲塑性铰的的构件不发发生脆性破破坏模式(如剪切破坏坏、黏结破破坏等)，并确保脆脆性构件和和不宜用于于耗能的构构件(能力保护构构件)处于弹性反反应范围。。塑性铰按能力保护护设计原则则，应考虑虑以下几方方面：①塑性铰的位位置一般选择出出现在墩柱上，墩柱作为为延性构件件设计，可可以发生弹弹塑性变形形，耗散地地震能量。。②墩柱的设计计剪力值按能力设计计方法计算算，应为与与柱的极限弯矩(考虑超强系系数)所对应的剪剪力。③盖梁、结点点及基础按能力保护护构件设计计，其设计弯矩、、设计剪力力和设计轴轴力应为与柱的的极限弯矩(考虑超强系系数)所对应的弯弯矩、剪力力和轴力9.3.2能力保护构构件计算钢筋混凝土土构件的剪剪切破坏属属于脆性破破坏，是一一种危险的的破坏模式式；对于抗抗震结构来来说，墩柱柱剪切破坏坏还会大大大降低结构构的延性能能力。因此此，为了保保证钢筋混混凝土墩柱柱不发生剪切切破坏，应采用能力保护设设计原则进进行延性墩墩柱的抗剪剪设计。因此，进行行钢筋混凝凝土延性墩柱的抗剪验算算时，墩柱的纵纵向和横向向剪力设计计值应根据据可能出现现塑性铰处处按实配钢钢筋，并采采用材料强强度标准值值和轴压力力计算出的的弯矩承载载能力，考考虑超强系系数来计算算。如何计算?，=1.2《细则》规定：延性性墩柱沿顺顺桥向和横横桥向剪力设计值可按按下列规定定计算：（1）延性墩柱柱沿顺桥向向剪力设计计值底部区域为为潜在塑性性铰区域时顶、底部区区域均为潜潜在塑性铰铰区域时(2)延性墩柱沿沿横桥向剪剪力设计值值底部区域为为潜在塑性性铰区域时顶、底部区区域均为潜潜在塑性铰铰区域时在双柱墩和和多柱墩桥桥的抗震设设计中，钢钢筋混凝土土墩柱作为为延性构件件产生弹塑塑性变形耗耗散地震能能量，而盖梁、基础等作为能力保保护构件保保持弹性。应采用能力力保护设计计原则进行行盖梁的设计。根根据能力保护设设计原则，盖梁的抗弯强度度应大于盖梁可能在地震震中承受的的最大、最最小弯矩(对应于墩柱柱塑性铰处处截面可能能达到的正正、负弯矩矩承载能力力)。弯矩设计值值剪力设计值值由于在地震震过程中，，如基础发发生损伤，，难以发现现并且维修修困难，因因此要求采用能力保保护设计原原则进行基基础计算和和设计，以保证基基础在达到到它预期的的强度之前前，墩柱已已超过其弹弹性反应范范围。梁桥桥基础沿横横桥向、顺顺桥向的弯弯矩、剪力力和轴力设设计值应根根据墩柱底部可可能出现塑塑性铰处的弯矩承载载能力(考虑超强系系数)、剪力设计计值和相应应的墩柱最最不利轴力力来计算，，在计算这这些设计值值时应和自自重产生的的内力组合合。沿横桥向沿顺桥向9.3.3墩柱强度验验算对于B类、C类桥梁，顺桥桥向和横桥桥向El地震作用效效应和永久久作用效应应组合后，，应按现行行的公路桥桥涵设计规规范有关偏偏心受压构构件的规定定验算桥墩的强度度。对于计算长长度与矩形形截面计算算方向的尺寸之比小小于2.5(或墩柱的计计算长度与与圆形截面面直径之比比小于2.5)的矮墩，其主要破破坏模式为为剪切破坏坏，为脆性性破坏，没没有延性，，因此顺桥桥向和横桥桥向E2地震作用效效应和永久久作用效应应组合后，，应按现行行的公路桥桥涵设计规规范相关规规定验算桥桥墩的强度度。箍筋提供的的抗剪能力力剪力设计值值9.3.4墩柱变形验验算对于B类、C类桥梁，在在E2地震作用下下，一般情情况应按式式(9.36)验算潜在塑塑性铰区域域沿顺桥向向和横桥向向的塑性转转动能力，，但对于规规则桥梁，，可按式(9.42)验算桥墩墩墩顶的位移移；对于高高宽比小于于2.5的矮墩，可可不验算桥桥墩的变形形，但应验验算强度。。（1）桥墩潜在塑性铰区域域转动能力力验算。在E2地震作用下下，潜在塑塑性铰区域域的塑性转转角塑性铰区域域的最大容容许转角塑性铰区域域的最大容容许转角等效塑性铰铰长度(cm)取最小值等效屈服曲曲率\极限曲率取2.0悬臂墩的高度或塑性铰截截面到反弯弯点的距离（2）桥墩墩顶顶的位移验验算。对于规则桥桥梁，在E2地震作用下下，可只按按下式验算算桥墩墩顶顶的位移在E2地震作用下下墩顶的位位移(cm)桥墩容许位位移(cm)周期的调整整系数墩顶水平位位移9.3.5支座抗震验验算(1)板式橡胶支支座的抗震震验算。1）支座厚度度验算2）支座抗滑滑稳定性验验算(2)盆式支座的的抗震验算算。1）活活动动盆盆式式支支座座2）固固定定盆盆式式支支座座(略)9.4桥梁梁减减隔隔震震设设计计9.4.1减隔隔震震技技术术应应用用范范围围《细则则》规定定，，当当满满足足下下列列条条件件之之一一的的桥桥梁梁，，可采采用用减减隔隔震震设设计计：（1）桥桥墩墩为为刚刚性性墩墩，，桥桥梁梁的的基基本本周周期期比比较较短短；；（2）桥桥墩墩高高度度相相差差较较大大时时；；（3）桥桥址址区区的的预预期期地地面面运运动动特特性性比比较较明明确确，，主主要要能能量量集集中中在在高高频频段段时时。。当存存在在以以下下情情况况之之一一时时，，不不宜宜采采用用减减隔隔震震设设计计：：（1）地地震震作作用用下下，，场场地地可可能能失失效效；；（2）下下部部结结构构刚刚度度小小，，桥桥梁梁的的基基本本周周期期比比较较长长；；（3）位位于于软软弱弱场场地地，，延延长长周周期期可可能能引引起起地地基基和和桥桥梁梁共共振振；；（4）支支座座中中可可能能出出现现负负反反力力。。9.4.2减隔隔震震桥桥梁梁设设计计原原则则（1）当采采用用隔隔震震技技术术时时，，应应保保证证设设计计的的结结构构抗抗震震性性能能高高于于不不采采用用隔隔震震技技术术的的抗抗震震性性能能；；（2）要求求隔隔震震结结构构应应具具有有一一定定的的刚刚度度和和屈屈服服强强度度，，保保证证在在正正常常使使用用荷荷载载下下(如风风、、制制动动力力等等)结构构不不发发生生有有害害屈屈服服和和振振动动；；（3）必须须对对伸伸缩缩缝缝装装置置、、相相邻邻梁梁间间限限位位装装置置、、防防落落梁梁装装置置等等进进行行合合理理的的设设计计，，以以满满足足位位移移需需求求，，并并对对施施工工质质量量给给予予明明确确规规定定;（4）采用用减减隔隔震震设设计计的的桥桥梁梁，，在在地地震震作作用用下下应应以以隔隔震震装装置置抗抗震震为为主主，，非非弹弹性性变变形形和和耗耗能能宜宜主主要要集集中中于于这这些些装装置置，，而而其其他他构构件件(如桥桥墩墩等等)的抗抗震震为为辅辅；；（5）减隔隔震震桥桥梁梁抗抗震震分分析析时时，，可可分分别别考考虑虑顺顺桥桥向向和和横横桥桥向向的的地地震震作作用用，，位位于于抗抗震震设设防防烈烈度度8度、、9度区区的的桥桥梁梁，，考考虑虑竖竖向向地地震震效效应应和和水水平平地地震震效效应应的的不不利利组组合合；；（6）要求求减减隔隔震震装装置置性性能能可可靠靠，，且且震震后后可可对对这这些些构构件件进进行行检检测测、、鉴鉴定定及及维维护护；；（7）计算算减减隔隔震震桥桥梁梁地地震震作作用用效效应应时时，，宜宜取取全全桥桥模模型型进进行行分分析析，，并并考考虑虑伸伸缩缩装装置置、、桩桩土土相相互互作作用用等等因因素素。。9.4.3减隔隔震震装装置置及及抗抗震震验验算算减隔隔震震装装置置整体体型型减减隔隔震震装装置置：（1）铅铅芯芯橡橡胶胶支支座座；；（2）高高阻阻尼尼橡橡胶胶支支座座；；（3）摩摩擦擦摆摆式式减减隔隔震震支支座座。。分离离型型减减隔隔震震装装置置：（1）橡橡胶胶支支座座十十金金属属阻阻尼尼器器；；（2）橡橡胶胶支支座座十十摩摩擦擦阻阻尼尼器器；；（3）橡橡胶胶支支座座+黏性性材材料料阻阻尼尼器器。。减隔隔震震装装置置进行行抗抗震震验验算算的的内内容容(1)对于于橡橡胶胶型型减减隔隔震震装装置置，，在在E1地震震作作用用下下产产生生的的剪剪切切应应变变应应小小于于100%，在在E2地震震作作用用下下产产生生的的剪剪切切应应变变应应小小于于250%，并并验验算算其其稳稳定定性性；；(2)非橡橡胶胶型型减减隔隔震震装装置置，，应应根根据据具具体体的的产产品品指指标标进进行行验验算算；；(3)应对对减减隔隔震震装装置置在在正正常常使使用用条条件件下下的的性性能能进进行行验验算算。。9.5桥梁梁抗抗震震构构造造措措施施9.5.1一般般抗抗震震构构造造措措施施（1）6度区抗震措施施规定1）简支梁梁端端至墩、台帽帽或盖梁边缘缘应有一定的的距离(图9.17)，其最小值(cm)按下式计算梁9.5桥梁抗震构造造措施9.5.1一般抗震构造造措施2）斜桥梁端至墩墩、台帽或盖盖梁边缘应有有一定的距离离，其最小值值(cm)按下式计算取取最大值9.5桥梁抗震构造造措施9.5.1一般抗震构造造措施3）曲线桥梁端端至墩、台帽帽或盖梁边缘缘应有一定的的距离，其最最小值(cm)按下式计算取取最大值9.5桥梁抗震构造造措施9.6.1一般抗震构造造措施（2）7度区抗震措施施规定1）桥台胸墙应适当加强，，并在梁与梁梁之间和梁与与桥台胸墙之之间加装橡胶胶垫或其他弹弹性衬垫，以以缓和冲击作作用和限制梁梁的位移，其其构造示意如如图梁9.5桥梁抗震构造造措施9.5.1一般抗震构造造措施（3）8度区抗震措施施规定1）应采用合理理的限位装置置，防止结构构相邻构件产产生过大的相相对位移，设设限位装置。。2）梁桥活动支支座，不应采采用摆柱支座座;当采用辊轴支支座时，应采采取限位措施施。梁限位装置9.5桥梁抗震构造造措施9.5.1一般抗震构造造措施（3）8度区抗震措施施规定3）石砌或混凝凝土墩、台和和拱圈的最低低砂浆强度等等级，应按现现行《公路污工桥涵涵设计规范》(JTGD61)的要求提高一一级采用。4）桥梁下部为为钢筋混凝土土结构时，其其混凝土强度度等级不应低低于C25。5）基础宜置于于基岩或坚硬硬土层上。基基础底面宜采采用平面形式式。当基础置置于基岩上时时，方可采用用阶梯形式。。（4）9度区抗震措施施规定1）梁桥各片梁梁间必须加强强横向连接，，以提高上部部结构的整体体性。当采用用桁架体系时时，必须加强强横向稳定性性。2）桥梁墩、台台采用多排桩桩基础时，宜宜设置斜桩。。3）桥台台背和和锥坡的填料料不宜采用砂砂类土，填土土应逐层夯实实，并注意采采取排水措施施。4）梁桥活动支支