大跨度桥梁抗震设计减震隔震桥研究梁桥.ppt

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1、大跨桥梁抗震设计 减震隔震桥研究,硕0606班 肖赟 06121557,1.大跨桥梁抗震设计现状,目前，国内外现有的绝大多数桥梁工程抗震设计规范只适用于中等跨径的普通桥梁，超过适用范围的大跨度桥梁的抗震设计，则无规范可循。许多设计规范只适用于跨径150m以下的梁桥。 对于大跨桥梁的抗震设计国内外已经进行了许多的研究，取得了许多科研成果，不过大跨桥梁抗震设计目前还是没有一个统一的标准。,2.大跨桥梁抗震设计特点，难点,与中等跨径普通桥梁相比，大跨度桥梁的地震反应比较复杂，相应地，抗震设计也比较复杂。如高阶振型的影响比较明显，以及需要考虑多点激振和行波效应、各种复杂的非线性因素、桩土结构相互作用等

2、。 另一方面，又没有可遵循的抗震设计规范。因此，大跨度桥梁的抗震设计目前还比较困难。 由于工程项目建设期短，而专业科研人员又不能参与设计，只能被动地进行桥梁结构在地震作用下的强度变形验算，因而不能将先进的抗震设计思想充分应用于抗震设计，影响抗震设计的效果。,3.基本的桥梁震害上部结构,落梁破坏，这是最为常见的桥梁震害之一。 桥墩部位两跨梁相互撞击的破坏 。 由于地基失效引起的上部结构的震害。 墩柱失效引起的落梁破坏。,基本的桥梁震害下部结构,桥梁墩台和基础的震害是由于受到较大的水平地震力的作用所致。高柔性的桥墩多为弯曲破坏，粗矮的桥墩多为剪切型破坏，长细比介于两者之间的则呈现弯剪型破坏。此外，

3、配筋设计不当还会引起盖梁和桥墩的节点部位破坏。,4.梁式桥梁震害,梁式桥梁（钢板梁及钢筋混凝土梁等）遭受地震时，最常见的严重破坏情况是墩台毁损，主梁坠落。这种严重破坏，大都发生在地震的高烈度地区，而且一般是地质体条件较差的桥梁。,桥梁震害图片,梁式桥梁震害因素,地震烈度高，设计上又没有考虑抗震设防。这些桥一般位于地震烈度9-11度区域，大部分都是解放后新建的，但是过去的规范中没有关于抗震方面的要求。 地质条件差，砂土液化现象严重，是这些桥梁破坏的重要因素。 桥端路堤下沉，岸坡向河心滑移，台间距离缩短。 支座不适应抗震要求。 墩、台等下部结构断裂或者倒塌。这个可能分为两种情况：一是墩、台的强度不

4、够；另一种情况是地震引起桥梁的上部结构坠落，从而将墩台结构砸坏。,5.大跨桥梁抗震设计,大跨度桥梁的抗震设计是一项综合性的工作。 目前国内采用得是三水准设防目标，两阶段抗震设计方法。 此外还提出了基于性能得设计方法。这是今后抗震研究方向。,大跨桥梁抗震设计,两水平的抗震设计方法（twolevel design approach）要求结构在两个概率水平的地震作用下分别达到两个不同的性能标准。 能力设计思想要求在一座桥梁内部建立合理的强度级配，以保证地震破坏只发生在预定的部位，而且是可控制的。,大跨桥梁抗震设计,大跨度桥梁抗震设计实用方法认为，大跨度桥梁的抗震设计应分两个阶段进行： （1）在方案设

5、计阶段进行抗震概念设计，选择较理想的抗震结构体系； （2）在初步或技术设计阶段进行延性抗震设计，并根据能力设计思想进行抗能力分析、验算，必要时要进行减、隔震设计以提高结构的抗震能力。,6.大跨桥梁抗震概念设计,70年代以来，人们在总结大地震灾害经验中发现：对结构抗震设计来说，“概念设计”，（Conceptual Design）比“计算设计”（Numerical Design）更为重要。 由于地震动的不确定性和复杂性，再加上结构计算模型的假定与实际情况的差异，使“计算设计”很难有效地控制结构的抗震性能。因而，不能完全依赖“计算”。 结构抗震性能的决定因素是良好的“概念设计”。在桥梁的方案设计阶段

6、，不能仅仅根据功能要求和静力分析就决定方案的取舍，而要综合考虑桥梁的抗震性能，尽可能选择良好的抗震结构体系。,大跨桥梁抗震概念设计,诚然，桥梁的长度、跨径、桥宽以及平面布置要受到地形条件及交通流量的制约，但从抗震设计的观点来看，还有很大的余地。例如上部结构和桥墩的连接形式，桥墩形式，桥墩截面形式等等。 总之，要从内力和变形两个方面综合考虑，选择整体抗震性能好的方案。 尤其值得注意的是，大跨度桥梁的过渡孔在地震中较易遭受破坏，在方案设计时要特别更视过渡孔处连接构造的设计。,大跨桥梁抗震概念设计,为了同时保证桥梁结构的经济性和抗震安全性，通常允许桥梁结构在强震下进入塑性工作状态，在预期的部位形成塑

7、性铰以耗散能量，但不允许出现脆性破坏。 对于桥梁结构，通常希望塑性铰出现在便于检查和易于修复的，并且经过特殊配筋的墩柱处，而一般不希望上部结构和基础等处出现塑性铰。,大跨桥梁抗震概念设计,为了保证所选定的结构体系在桥址的场地条件下确实是良好的抗震体系，须进行分析： 首先，应建立桥梁结构的计算图式，分析结构的动力特性，从而对结构的动力性能有一个初略的了解。 然后，用反应谱方法估算结构的地震反应，画出反应包络图。结合结构设计分析结构的抗震薄弱部位，并进一步分析是否能通过配筋或构造设计保证这些部位的抗震安全性。 最后，根据以上分析结果，综合评判抗震结构体系的优劣，决定是否要修改设计方案。,7.大跨桥

8、梁延性抗震设计,桥梁的延性抗震设计应分两个阶段进行 （1）对于预期会出现塑性铰的部位进行仔细的配筋设计； （2）对整个桥梁结构进行抗震能力分析验算，确保其抗震安全性。这两个阶段可以有反复，直到通过抗震能力验算，或者进行减、隔震设计以提高抗震能力。,大跨桥梁延性抗震设计 塑性铰区横向钢筋设计,横向钢筋不仅约束混凝土，保证截面的延性，而且要保证纵向钢筋不压溃屈曲。因此，塑性铰区的横向钢筋的配置要同时满足这两个要求。,大跨桥梁延性抗震设计 塑性铰区横向钢筋设计,我国公路桥梁抗震设计规范规定8、9度区桥梁墩柱加密区段箍筋的配置要满足：圆形截面应采用螺旋式箍筋，间距不大于10cm，箍筋直径不小于8mm；

9、矩形截面的最小体积含箍率。纵桥向和横桥向均为0.3%。与国外规范相比，含箍率很小，而且没有考虑纵向钢筋压溃屈曲破坏，因而是很不够的。 美国的AASHTO规范和欧洲规范对体积含箍率的规定比较一致，特别是欧洲规范对横向约束钢筋的配置有非常详细的规定。 但是，三国规范都有一条相同的规定，要求螺旋式箍筋的接头必须焊接；矩形箍筋应有145的弯钩，并伸入混凝土核芯之内。,大跨桥梁延性抗震设计 桥梁结构抗震能力分析、验算,桥梁结构抗震能力验算的任务是采用非线性时程分析方法，并通过恰当的抗震分析验算，确保整体结构与薄弱部位的抗震安全性。因此，首先要确定抗震设防的两个水准及对应的地震输入，再分别计算出结构的地震

10、反应，并根据两个水准地震作用下结构的性能要求验算结构的抗弯强度及弯曲延性，特别要验算结构的剪切强度，确保不出现剪切脆性破坏。,大跨桥梁延性抗震设计 桥梁结构抗震能力分析、验算,地震动输入的确定 抗震设防标准确定 国内外各规范中的基本烈度相当于50年基准期10%超越概率的地震烈度，其重现期为475年。根据我国建筑工程抗震设计规范,90年代出提出的大跨桥梁抗震设防标准取为： 遭遇概率水平为P1(50年基准期10%超越概率，重现期为475年)的地震时，要求桥梁震后只需简易整修，几小时后即可正常使用，进行正常使用极限状态的抗震验算； 遭遇概率水平为P2(中等地震区100年基准期10%超越概率、或强地震

11、区50年基准期3%超越概率，重现期分别为950年或1642年)的地震时，要求桥梁只能发生可修复的破坏，进行可修复破坏极限状态的抗震验算。,大跨桥梁延性抗震设计 桥梁结构抗震能力分析、验算,地震动输入的确定 地震动输入有两种，即反应谱和地震动加速度时程。反应谱一般根据场地条件和设防标准选取，相对较简单;而地震加速度时程的选取则比较复杂，可以直接利用强震记录，或采用人工地震加速度时程。,大跨桥梁延性抗震设计 桥梁结构抗震能力分析、验算,正常使用极限状态抗震验算 正常使用极限状态是桥梁在震后只需简易整修，几小时后即可正常使用的临界状态。在中震作用下，在预期会出现塑性铰的部位，结构可以屈服，产生小量的

12、塑性变形，但要满足两个条件： a.保护层混凝土不发生剥落； b.裂缝宽度较小，经简易修复就可正常使用，通常认为不超过2mm。,大跨桥梁延性抗震设计 桥梁结构抗震能力分析、验算,为了确保桥梁结构能满足正常使用极限状态的要求，在进行抗震验算时，可以取截面受压边缘混凝土的最大压应变为0.004，而受拉钢筋的最大拉应变为0.015。试验表明，通常当受压边缘混凝土的压应变为0.0060.10时，混凝土才开始剥落。因此，应变为0.004是混凝土开始破坏的保守估计。而取0.015是为了保证裂缝宽度不超过1mm保守取值)。根据这一极限条件，对塑性铰处截面进行弯矩-曲率关系分析，进一步可以得到允许的塑性转角作为

13、正常使用极限状态的验算标准。,大跨桥梁延性抗震设计 桥梁结构抗震能力分析、验算,可修复破坏极限状态抗弯验算 可修复破坏极限状态是桥梁在震后经过表面修复，仍然可以正常使用的临界状态。在大震作用下，允许桥梁结构发生显著破坏，如产生较宽的弯曲裂缝，需要进行环氧注射修复，以防止日后钢筋的腐蚀；发生保护层混凝土的严重剥落，需要进行置换。但是，不允许发生横向约束钢筋的断裂和纵向钢筋的压溃屈曲，核心混凝土要保持完整，不需置换。,大跨桥梁延性抗震设计 桥梁结构抗震能力分析、验算,可以说，横向钢筋开始发生断裂是桥梁墩柱可修复与否的临界条件。因此，确定与这一临界条件相对应的受压边缘混凝土极限压应变是进行可修复破坏

14、极限状态抗震验算的基础。 由横向约束钢筋达到最大应力时所释放的总应变能，与混凝土由于横向钢筋的约束作用而吸收的能量相等的条件，可以得出受压边缘混凝土极限压应变的保守估计：,大跨桥梁延性抗震设计 桥梁结构抗震能力分析、验算,采用这一极限压应变值，对塑性铰处截面进行弯矩曲率关系分析，进一步可以得到该截面的极限塑性转角，作为可修复破坏极限状态的验算标准。,大跨桥梁延性抗震设计 桥梁结构抗震能力分析、验算,抗剪强度验算 在强震作用下，为了依靠墩柱塑性铰的塑性变形能力耗散能量，以降低对结构强度的要求，必须保证在塑性铰区或结构的其它部位绝不出现剪切破坏。因为钢筋混凝土墩柱中的剪力传递在很大程度上依赖于混凝

15、土的抗拉和抗压强度，因而剪切破坏是脆性的，伴随着强度、刚度的快速降低。在历次大地震中，很多桥梁结构的破坏就是由墩柱的剪切破坏引起的。因此，必须特别进行抗剪强度验算。,大跨桥梁延性抗震设计 桥梁结构抗震能力分析、验算,为了确保钢筋混凝土墩柱不发生剪切破坏，必须采用能力设计思想进行抗震验算。能力设计思想已被美国AASHTO规范和欧洲规范（EURDCODE8）采用。根据能力设计思想，墩柱的剪切强度要大于墩柱可能承受的最大剪力（对应子塑性铰处截面可能达到的最大弯曲强度）。因此，抗剪强度验算要解决两个问题： （a）求出墩柱可能达到的最大弯曲强度及其对应剪力； （b）求出墩柱的抗剪强度。,大跨桥梁延性抗震

16、设计 桥梁结构抗震能力分析、验算,要求出桥梁钢筋混凝土墩柱可能达到的最大弯曲强度及其对应剪力，在输人概率水平为P2的地震加速度时程进行非线性地震反应分析时，钢筋和混凝土的强度要采用极限强度，而不是名义强度。因此，程序中实际上生成极限破坏面，并根据该破坏面判断结构是否进入塑性工作状态，从而进行弹塑性地震反应分析，求出墩柱可能会承受的最大剪力Q。,大跨桥梁延性抗震设计 桥梁结构抗震能力分析、验算,当墩柱中形成塑性铰之后，构件的剪切强度就是弯曲延性的函数了。因为塑性铰的转动会增大斜裂缝的宽度，从而降低骨料咬合作用所传递的剪力，因而降低了剪切强度。 比较钢筋混凝土墩柱可能承受的最大剪力Q及墩柱的抗剪强

17、度R，如QR，则墩柱的抗剪强度满足要求，不会发生剪切破坏，否则，要修改设计或进行减、隔震设计，重新进行抗震能力分析验算。,8.大跨桥梁减震、隔震设计,减震、隔震技术是简便、经济、先进的工程抗震手段。减震是利用特制减震构件或装置，使之在强震时率先进入塑性区，产生大阻尼，大量消耗进人结构体系的能量；而隔震则是利用隔震体系，设法阻止地震能量进入主体结构。在实践中，有时把这两种体系合二为一。 减、隔震装置是通过增大结构主要振型的周期使其落在地震能量较少的范围内或增大结构的能量耗散能力来达到减小结构地震反应的目的的。 结构控制理论的引入，实际上是结构减震、隔震技术的延伸与扩展。,大跨桥梁减震、隔震设计,

18、大量研究表明，最适宜进行减、隔震设计的情况主要有3种： 桥梁墩柱较刚性，即自振周期较小； 桥梁很不规则，如墩柱的高度变化较大，有可能导致受力不均匀； 预测的场地地震运动的能量主要集中在高频分量，而低频分量的能量较少(浅震、近震、岩石地基)。 因此，要根据结构特点和场地地震动特点决定是否要进行减、隔震设计，以及采取什么减、隔震装置。,大跨桥梁减震、隔震设计,进行减、隔震设计时，应将重点放在提高吸收能量能力从而增大阻尼和分散地震力上，不可过分追求加长周期。 另一方面，应选用作用机构简单的减、隔震装置，并在其力学性能明确的范围内使用。 普通板式橡胶支座构造简单、性能稳定，已在桥梁中广泛使用。但它只能

19、提供一定的柔性，井无显著的阻尼性能，因此减、隔震效果有限。 而聚四氟乙烯滑板支座能有效地通过摩擦耗能，对减小内力反应有显著的效果，而且其效果对输人地震波的频谱特性不敏感，但由于它不能提供恢复力，常常会使梁体与墩、台之间的相对位移过大。因此，聚四氟乙烯滑板支座最好能与阻尼器或防止落梁的装置配套使用，,大跨桥梁减震、隔震设计,在进行抗震设计时，要根据结构特点和场地地震动的频率特性，通过选用合适的减、隔震装置、相应参数以及设置方案，合理分配结构的受力和变形，从而达到提高结构抗震能力的目的。 减、隔震设计的效果，同样需要进行非线性地震反应分析来验证。因此，对经过减、隔震设计的桥梁结构，依然要进行抗震能力分析验算。如果验算不通过，则应修改减、隔震设计，重新进行抗震能力分析验算，直到满足要求为止。,谢谢！,总之要进行正确有效的扰震设计，必须从分析桥梁的震害人手，提出一个大跨度桥梁抗震设计的实用方法，并逐一解决地震输人，地震反应分析，延性设计及验算，以及减、隔震设计等问题。,