抗震结构设计-桥梁结构的抗震设计.pptx
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1、1.1.桥梁上部结构的震害桥梁上部结构的震害 按震害产生原因的不同,可分为上部结构的自身震害、按震害产生原因的不同,可分为上部结构的自身震害、移位震害和碰撞震害。移位震害和碰撞震害。(1)(1)自身震害自身震害 在地震中比较少见,发现此类震害中主在地震中比较少见,发现此类震害中主要是钢结构的局部屈曲破坏。要是钢结构的局部屈曲破坏。(2)(2)移位震害移位震害 在破坏性地震中极为常见,一般都是发在破坏性地震中极为常见,一般都是发生在设置伸缩缝处,表现为有纵向、横向和扭转位移,常生在设置伸缩缝处,表现为有纵向、横向和扭转位移,常会引起落梁。会引起落梁。(3)(3)碰撞震害碰撞震害 见于相邻结构间距
2、设置过小,较典型的见于相邻结构间距设置过小,较典型的是相邻跨上部结构的碰撞,上部结构与桥台的碰撞,以及是相邻跨上部结构的碰撞,上部结构与桥台的碰撞,以及相邻桥梁之间的碰撞。相邻桥梁之间的碰撞。2.2.桥梁支座震害桥梁支座震害 桥梁支座的震害现象都比较常见,其原因主要是:桥梁支座的震害现象都比较常见,其原因主要是:u 支座在设计时没有充分考虑抗震的要求支座在设计时没有充分考虑抗震的要求u 连接和支挡等构造措施不足连接和支挡等构造措施不足u 一些支座形式和材料本身存在问题。一些支座形式和材料本身存在问题。支座破坏常会造成落梁。支座破坏常会造成落梁。支座的破坏形式常表现为:支座的破坏形式常表现为:支
3、座的位移、脱空,锚固螺栓被拔出或剪断,活动支座支座的位移、脱空,锚固螺栓被拔出或剪断,活动支座的脱落及支座本身的损坏等。的脱落及支座本身的损坏等。3.3.桥梁下部结构震害桥梁下部结构震害 (1)(1)墩柱破坏墩柱破坏 大量震害资料表明,桥梁中大多采用的是钢大量震害资料表明,桥梁中大多采用的是钢筋混凝土墩柱,其破坏形式大多为弯曲和剪切破坏。筋混凝土墩柱,其破坏形式大多为弯曲和剪切破坏。墩柱弯曲破坏墩柱弯曲破坏 此种破坏在地震中很常见,其破坏属于此种破坏在地震中很常见,其破坏属于延性的,常见的有混凝土开裂、剥落、压溃和钢筋的裸露、延性的,常见的有混凝土开裂、剥落、压溃和钢筋的裸露、弯曲等,同时会有
4、很大的塑性变形。其原因主要是:约束箍弯曲等,同时会有很大的塑性变形。其原因主要是:约束箍筋配置不足、纵向钢筋的搭接或焊接不牢靠所导致的墩柱延筋配置不足、纵向钢筋的搭接或焊接不牢靠所导致的墩柱延性能力不足。性能力不足。墩柱剪切破坏墩柱剪切破坏 桥梁墩柱的剪切破坏也是比较常见的,桥梁墩柱的剪切破坏也是比较常见的,是属于脆性破坏的,常会造成墩柱及以上结构的倒塌,是桥是属于脆性破坏的,常会造成墩柱及以上结构的倒塌,是桥梁遭受致命破坏的重要原因。梁遭受致命破坏的重要原因。墩柱基脚破坏墩柱基脚破坏 这种破坏很少见,但一旦发生,就有可这种破坏很少见,但一旦发生,就有可能会导致墩梁倒塌的严重后果。能会导致墩梁
5、倒塌的严重后果。3.3.桥梁下部结构震害桥梁下部结构震害 (2)(2)框架墩震害框架墩震害 框架墩多见于城市的高架桥中,有盖框架墩多见于城市的高架桥中,有盖梁的破坏、墩柱的破坏和节点的破坏。盖梁的破坏形式有:梁的破坏、墩柱的破坏和节点的破坏。盖梁的破坏形式有:剪切强度不足引起的剪切破坏;盖梁负弯矩钢筋的截断引剪切强度不足引起的剪切破坏;盖梁负弯矩钢筋的截断引起的弯曲破坏;盖梁钢筋的锚固长度不够引起的破坏;墩起的弯曲破坏;盖梁钢筋的锚固长度不够引起的破坏;墩柱的破坏与上面提到的墩柱破坏相似;节点的破坏形式主柱的破坏与上面提到的墩柱破坏相似;节点的破坏形式主要是剪切破坏。要是剪切破坏。(3)(3)
6、桥台震害桥台震害 桥台的震害现象在历次的地震中是比较桥台的震害现象在历次的地震中是比较常见的。如:桥台和梁的碰撞破坏;桥台墙体的开裂;桥常见的。如:桥台和梁的碰撞破坏;桥台墙体的开裂;桥台的倾斜等。还有的是因为地基丧失承载力而造成的桥台台的倾斜等。还有的是因为地基丧失承载力而造成的桥台位移和坍塌等震害。位移和坍塌等震害。4.4.桥梁基础震害桥梁基础震害 桥梁基础震害原因主要:地基失效桥梁基础震害原因主要:地基失效(如地基滑移和地基液化如地基滑移和地基液化)。桩基础的震害除了地基失效外,也有上部结构传下来的惯性桩基础的震害除了地基失效外,也有上部结构传下来的惯性力而引起的桩基剪切和弯曲破坏,更有
7、由于桩基设计存在缺陷力而引起的桩基剪切和弯曲破坏,更有由于桩基设计存在缺陷而导致的,如桩基深入稳定土层的长度不能满足要求,或桩基而导致的,如桩基深入稳定土层的长度不能满足要求,或桩基顶与承台连接强度不够等。顶与承台连接强度不够等。桩基能越过可液化土层,比无桩基础的抗震能力要强。桩基桩基能越过可液化土层,比无桩基础的抗震能力要强。桩基础的震害具有一定的隐蔽性,不容易被发现,当发现上部结构础的震害具有一定的隐蔽性,不容易被发现,当发现上部结构被破坏时,可能桩基础的破坏已相当严重了。被破坏时,可能桩基础的破坏已相当严重了。5.5.桥梁震害的启示桥梁震害的启示 桥梁震害的内因主要是由于桥梁结构和构造两
8、方面存在缺陷桥梁震害的内因主要是由于桥梁结构和构造两方面存在缺陷而产生的。可以通过合理选择结构形式和加强抗震能力设计等而产生的。可以通过合理选择结构形式和加强抗震能力设计等来减轻、减少震害的产生。来减轻、减少震害的产生。重视桥梁结构的总体设计,找出理想的抗震结构体系;重视桥梁结构的总体设计,找出理想的抗震结构体系;重视延性抗震设计,同时一定要避免出现脆性破坏;重视延性抗震设计,同时一定要避免出现脆性破坏;重视加强局部构造设计,以避免存在构造缺陷;重视加强局部构造设计,以避免存在构造缺陷;重视桥梁的支承连接部位的抗震设计,开发有效的防落梁重视桥梁的支承连接部位的抗震设计,开发有效的防落梁构件;构
9、件;对于复杂结构体系桥梁,要进行空间动力时程分析;对于复杂结构体系桥梁,要进行空间动力时程分析;重重视研究应用减隔震技术来加强结构抗震能力。视研究应用减隔震技术来加强结构抗震能力。第二节第二节 抗震设计的一般规定抗震设计的一般规定 一、桥梁结构抗震设防的目标、分类和标准一、桥梁结构抗震设防的目标、分类和标准 抗震设防从我国目前的具体情况出发,本着确保重点和节抗震设防从我国目前的具体情况出发,本着确保重点和节约投资的原则,根据桥梁的重要性和在抗震救灾中的作用,将约投资的原则,根据桥梁的重要性和在抗震救灾中的作用,将桥梁分为桥梁分为A类、类、B类、类、C类、类、D类类四个抗震设防类别。四个抗震设防
10、类别。1.1.桥梁抗震设防目标桥梁抗震设防目标 地震重现期地震重现期一定场地重复出现大于或等于给定地震的平均一定场地重复出现大于或等于给定地震的平均 时间间隔。时间间隔。地震作用按重现期的长短划分为两类:地震作用按重现期的长短划分为两类:一类是工程场地重现期较短的地震作用称为一类是工程场地重现期较短的地震作用称为E1,对应于第一对应于第一级设防标准;级设防标准;另一类是工程场地重现期较长的地震作用称为另一类是工程场地重现期较长的地震作用称为E2,对应于第对应于第二级设防水准。二级设防水准。各类桥梁的抗震设防目标各类桥梁的抗震设防目标 A A类桥梁:类桥梁:中震中震(E1(E1地震作用,重现期约
11、为地震作用,重现期约为475475年年)不坏,不坏,大震大震(E2(E2地震作用,重现期约为地震作用,重现期约为20002000年年)可修;可修;B B、C C类桥梁:类桥梁:小震小震(E1(E1地震作用,重现期约为地震作用,重现期约为5050100100年年)不坏,不坏,中震中震(重现期约为重现期约为475475年年)可修,可修,大震大震(E2(E2地震作用,重现期约为地震作用,重现期约为20002000年年)不倒;不倒;D D类桥梁:类桥梁:小震小震(重现期约为重现期约为2525年年)不坏。不坏。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
12、轻微损伤,不需修复或经简单修复可继续使用B类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类各设防类别桥梁的抗震设防目标各设防类别桥梁的抗震设防目标 2.2.桥梁抗震设防分类桥梁抗震设防分类 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 各桥梁抗震设防类别适用范围各桥梁抗震设防类别适
13、用范围 对抗震救灾以及在经济、国防上具有重要意义的桥梁或破对抗震救灾以及在经济、国防上具有重要意义的桥梁或破坏后修复坏后修复(抢修抢修)困难的桥梁,可按国家批准权限,报请批准后,困难的桥梁,可按国家批准权限,报请批准后,提高设防类别。提高设防类别。3.3.桥梁抗震设防标准桥梁抗震设防标准 抗震设防烈度桥梁分类67890.05g0.10g0.15g0.20g0.30g0.40gA类7899更高,专门研究B类788999C类677889D类677889桥梁分类E1地震作用E2地震作用A类1.01.7B类0.43(0.5)1.3(1.7)C类0.341.0D类0.23桥梁的抗震设防措施等级桥梁的抗震
14、设防措施等级 桥梁的抗震重要性系数桥梁的抗震重要性系数Ci 注:高速公路和一级公路上的特大桥、大桥,其抗震重要性系数取注:高速公路和一级公路上的特大桥、大桥,其抗震重要性系数取B B类括号类括号内的值。内的值。二、抗震设计的一般规定二、抗震设计的一般规定 总结历次桥梁震害教训和当前水平,进行抗震设计时应考总结历次桥梁震害教训和当前水平,进行抗震设计时应考虑以下因素:虑以下因素:1.1.桥位的选择桥位的选择2.2.避免或减轻在地震作用下因地基变形或地基失效造成的破坏避免或减轻在地震作用下因地基变形或地基失效造成的破坏 3.3.根据减轻震害和便于修复根据减轻震害和便于修复(抢修抢修)的原则,合理确
15、定设计方案的原则,合理确定设计方案 4.4.尽可能地提高结构和构件的强度及延性,避免脆性破坏尽可能地提高结构和构件的强度及延性,避免脆性破坏5.5.加强桥梁结构的整体性加强桥梁结构的整体性6.6.在设计中要提出保证施工质量的基本要求和必要措施在设计中要提出保证施工质量的基本要求和必要措施第三节第三节 桥梁工程抗震设计桥梁工程抗震设计 抗震设计一般包括三个方面:抗震设计一般包括三个方面:选择合理有效的结构布局;选择合理有效的结构布局;合理分配结构的刚度和阻尼等参数,充分利用构件和合理分配结构的刚度和阻尼等参数,充分利用构件和材料的承载及变形能力;材料的承载及变形能力;合理评估结构在地震中可能造成
16、的破坏,通过构造和合理评估结构在地震中可能造成的破坏,通过构造和抗震措施,将损失控制在预期范围内。抗震措施,将损失控制在预期范围内。一、桥梁抗震设计流程一、桥梁抗震设计流程 (1)(1)通过第一阶段的抗震设计通过第一阶段的抗震设计(E1(E1地震作用地震作用),达到和以前的规,达到和以前的规范基本相当的抗震水平了;通过第二阶段的抗震设计范基本相当的抗震水平了;通过第二阶段的抗震设计(E2(E2地震作地震作用用),保证结构具有足够的延性能力,通过验算,可确保结构,保证结构具有足够的延性能力,通过验算,可确保结构的延性能力大于延性要求。的延性能力大于延性要求。(2)(2)通过引入能力保护原则,确保
17、了塑性铰只在选定的位置出通过引入能力保护原则,确保了塑性铰只在选定的位置出现,并且不出现剪切破坏等破坏模式。现,并且不出现剪切破坏等破坏模式。(3)(3)通过抗震构造措施设计,确保结构具有足够的位移能力。通过抗震构造措施设计,确保结构具有足够的位移能力。桥梁抗震设计应采用图桥梁抗震设计应采用图8-18-1的抗震设计流程进行。的抗震设计流程进行。抗震设防标准选定结合抗震概念设计原则,进行恒载和活载下的结构设计,确定结构参数是否为特殊桥梁是否进行减隔震设计是否为6度地区墩高是否高过40m斜拉桥、悬索桥、单跨跨径150m以上的桥梁和拱桥7度及7度以上地区常规桥梁设计流程图(图8-2、图8-3)减隔振
18、桥梁抗震措施墩身第一阶振型有效质量低于60%,且结构进入弹塑性工作范围专门研究图图8-1 8-1 抗震设计总流程图抗震设计总流程图 抗震概念设计桥梁抗震设防分类抗震构造措施等级场地划分桥梁抗震重要性系数抗震措施地震作用规则与非规则桥梁划分简化计算满足否D类桥梁满足否D类桥梁、圬工工拱桥E1地震作用下水平地震力计算,桥墩抗弯强度验算墩柱有效抗弯刚度E2地震作用下结构地震力计算,位移计算墩柱有效抗弯刚度E2地震作用下结构地震力和变形计算建立线性或非线性动力模型计算方法选用E1地震作用下结构受力计算,桥墩抗弯强度验算基础、盖梁、桥墩抗剪、支座等能力保护构件地震力计算结构构件强度与变形验算流程图满足否
19、结束图8-2 7度及7度以上地区常规桥梁总体设计流程 7度及7度以上地区常规桥梁结构构件设计强度与变形验算E1地震作用墩台、基础、主拱强度和支座验算D类桥梁、圬工拱桥、重力式桥墩和桥台E2地震作用拱桥梁桥主拱圈、桥面系、联结系桥墩、拱上立柱、支座和基础非规则桥梁规则桥梁矮墩塑性铰转动能力验算桥墩强度验算位移验算能力保护构件强度验算桥墩抗剪验算基础验算盖梁验算支座验算构造细节设计桥墩箍筋构造结点配筋构造桥墩纵筋构造图8-3 7度及7度以上地区常规桥梁结构构件抗震设计流程 二、抗震概念设计二、抗震概念设计 根据震害和工程的抗震经验等,总结出来的基本抗震设根据震害和工程的抗震经验等,总结出来的基本抗
20、震设计思想和原则,并能够正确适用地解决结构的整体设计方案、计思想和原则,并能够正确适用地解决结构的整体设计方案、细部构造和材料使用,以达到合理的抗震设计。细部构造和材料使用,以达到合理的抗震设计。理想的桥梁结构体系:理想的桥梁结构体系:(1)(1)几何线形上:桥最好是直的,各桥墩尤其是沿着轴向几何线形上:桥最好是直的,各桥墩尤其是沿着轴向的墩高要相同,这样可使受到的地震力接近均匀,提高整体结的墩高要相同,这样可使受到的地震力接近均匀,提高整体结构的刚度和抗震能力。构的刚度和抗震能力。(2)(2)结构布局上:桥面要连续,伸缩缝越少越好,因为简结构布局上:桥面要连续,伸缩缝越少越好,因为简支桥梁在
21、地震中容易落梁;基础要建在比较完整的岩体或坚硬支桥梁在地震中容易落梁;基础要建在比较完整的岩体或坚硬密实的土层上,可大大地减少结构的位移;桥跨是小跨径,这密实的土层上,可大大地减少结构的位移;桥跨是小跨径,这样具有较高的延性能力;桥墩的刚度和强度在各个方向都相同;样具有较高的延性能力;桥墩的刚度和强度在各个方向都相同;弹性支座布设在多个桥墩上,可分散地震力;桥台和桥墩应与弹性支座布设在多个桥墩上,可分散地震力;桥台和桥墩应与桥轴向垂直等。桥轴向垂直等。参数参数值但跨最大跨径90m墩高30m单墩高度与直径过宽度比大于2.5且小于10跨数23456曲线桥梁圆心角及半径R单跨30且一联累计90,同时
22、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支座类型 普通板式橡胶支座、盆式支座(铰接约束)等。使用滑板支座、减隔震支座等属于非规则桥梁下部结构类型 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,远离断层规则桥梁的定义规则桥梁的定义 桥梁分类地震作用B类C类D类规则非规则规则非规则规则非规则E1SM/MMMM/THSM/MMMM/THSM/MMMME2SM/MMTHSM/MMTH桥梁抗震分析可采用的计算方法桥梁抗震分析可采用的计算方法 l 对于规则桥梁,只要进行简化的计算和设计校核步骤,就对于规则桥
23、梁,只要进行简化的计算和设计校核步骤,就可以很好地把握其在地震作用下的动力响应特性,并使设计的可以很好地把握其在地震作用下的动力响应特性,并使设计的结构满足预期的性能要求。结构满足预期的性能要求。l 对于非规则桥梁,其动力响应特性较复杂,采用简化计算对于非规则桥梁,其动力响应特性较复杂,采用简化计算方法不能很好地把握其动力响应特性,因此就需要采用比较复方法不能很好地把握其动力响应特性,因此就需要采用比较复杂的分析方法和设计校核过程,才能确保其在实际地震作用下杂的分析方法和设计校核过程,才能确保其在实际地震作用下的性能也可满足抗震设计要求。具体的计算方法下见表。的性能也可满足抗震设计要求。具体的
24、计算方法下见表。注:注:THTH为线性或非线性时程计算方法;为线性或非线性时程计算方法;SMSM为单振型反应谱或功率谱方法;为单振型反应谱或功率谱方法;MMMM 为多振型反应谱或功率谱方法。为多振型反应谱或功率谱方法。三、桥梁延性抗震设计三、桥梁延性抗震设计 在抗震设计中,除了强度和刚度外,还必须重视结构的延在抗震设计中,除了强度和刚度外,还必须重视结构的延性。性。为了保证结构的延性,同时又要最大限度地避免地震破坏为了保证结构的延性,同时又要最大限度地避免地震破坏的随机性,新西兰学者的随机性,新西兰学者ParkPark等在等在2020世纪世纪7070年代中期,提出了结年代中期,提出了结构抗震设
25、计理论中的又一重要原则构抗震设计理论中的又一重要原则能力保护设计原则能力保护设计原则(Philosophy of Capacity Design),(Philosophy of Capacity Design),并在新西兰混凝土设计规并在新西兰混凝土设计规范范(NZS3101,1982)(NZS3101,1982)中最早得到了应用。之后这个原则先后被美中最早得到了应用。之后这个原则先后被美国、欧洲的一些国家和日本等国家的桥梁抗震规范所采用。国、欧洲的一些国家和日本等国家的桥梁抗震规范所采用。1.1.桥梁延性抗震设计桥梁延性抗震设计能力保护设计原则的基本思想:能力保护设计原则的基本思想:通过设计
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