1、混凝土結構梁式橋抗震設計原理與要求,本章教學目標與要求 1、了解公路鋼筋混凝土梁式橋的震害特征及主要原因 2、掌握橋梁抗震設計計算原理 3、熟悉橋梁延性抗震設計要求 4、了解橋梁減隔震設計原理 5、熟悉橋梁抗震構造措施,導入案例 1976年唐山市發(fā)生 7.8級大地震,解放軍戰(zhàn)士星夜馳奔,趕赴災區(qū)搶救,但薊運河、灤河上的兩座大型公路橋梁因地震而塌落,切斷了唐山與天津和關外的公路交通,嚴重影響救援工作的迅速開展.可見地震不僅會造成房屋建筑的破壞,而且也會給橋梁結構造成損壞.因此,橋梁結構仍然需要抗震設計,如何進行抗震設計？與房屋抗震設計又有何異同？ 我們可以通過本章學習得到了解.,9.1震害特征及

2、其原因,1.橋墩彎曲破壞 對于鋼筋混凝土橋墩,高柔的橋墩多為彎曲型破壞,粗矮的橋 墩多為剪切型破壞,長細比介于兩者之間的則呈現(xiàn)彎剪型破壞.常出現(xiàn)橋墩輕微開裂、保護層混凝土剝落,嚴重的則受壓區(qū)混凝土崩潰、鋼筋裸露屈曲,從而導致變形過大而破壞.,（a）出現(xiàn)水平彎曲裂縫 ；（b）縱筋達到屈服 ；（c）塑性鉸形成；（d）鋼筋壓屈(或拉斷),橋墩彎曲破壞,橋墩彎曲破壞,2. 橋墩剪切破壞,(a) 出現(xiàn)斜向裂縫 ；(b) 出現(xiàn)交叉斜裂縫；(c) 交叉裂縫發(fā)展；(d) 脆性的剪切破壞,剪切破壞,3.落梁破壞,破壞機理,阪神地震時日本西宮大橋破壞,4.支座破壞,5.橋臺破壞 6.基礎破壞,9.2橋梁抗震設計原

3、理,公路橋梁抗震設計細則(JTG/T B02-01-2008)（以下簡稱細則）,根據(jù)公路橋梁的重要性和修復(搶修)的難易程度,將橋梁抗震設防分為A類、B類、C類和D類四個抗震設防類別,分別對應不同的抗震設防標準和設防目標. A類橋梁的抗震設防目標是E1地震作用(重現(xiàn)期約為475年)下不應發(fā)生損傷,E2地震作用(重現(xiàn)期約為2000年)下可產(chǎn)生有限損傷,但地震后應能立即維持正常交通通行；B,C類橋梁的抗震設防目標是E1地震作用(重現(xiàn)期約為50-100年)下不應發(fā)生損傷,E2地震作用(重現(xiàn)期約為475-2000年)下不致倒塌或產(chǎn)生嚴重結構損傷,經(jīng)臨時加固后可供維持應急交通使用；D類橋梁的抗震設防目標

4、是E1地震作用(重現(xiàn)期約為25年)下不應發(fā)生損傷.因此,細則實質上是采用“兩水平設防、兩階段設計”；D類橋梁采用“一水平設防、一階段設計”.,各橋梁抗震設防類別適用范圍,各設防類別橋梁的抗震設防目標,各類公路橋梁抗震設防措施等級,9.2.2地震作用分量選取與組合,細則規(guī)定各類橋梁結構的地震作用,應按下列原則考慮： （1）一般情況下,公路橋梁可只考慮水平向地震作用,直線橋可分別考慮順橋向X和橫橋向Y的地震作用；抗震設防烈度為8度和9度的拱式結構、長懸臂橋梁結構和大跨度結構,以及豎向作用引起的地震效應很重要時,應同時考慮順橋向X、橫橋向Y和豎向Z的地震作用. （2）采用反應譜法或功率譜法同時考慮三

5、個正交方向(水平向X、Y和豎向Z)的地震作用時,可分別單獨計算X向地震作用產(chǎn)生的最大效應EX,Y向地震作用產(chǎn)生的最大效應EY,與Z向地震作用產(chǎn)生的最大效應EZ.總的設計最大地震作用效應E按 下式計算.,SRSS法,（3）當采用時程分析法時,應同時輸人三個方向分量的一組地震動時程計算地震作用效應.,9.2.3橋梁地震作用的計算,1.水平設計加速度反應譜,抗震重要性系數(shù),場地系數(shù),阻尼調整系數(shù),抗震設防烈度和水平向設計基本地震動加速度峰值A,9.2.4抗震計算方法 （1）單一方向的地震作用效應(內力、位移),一般可采用SRSS方法,按式(9-7)確定：,（2）當結構相鄰兩階振型的自振周期和()接近

6、時,即和之比滿足（9-8）,應采用CQC方法按式(9-9)計算地震作用效應.,周期比,相關系數(shù),9.2.6規(guī)則橋梁地震作用的計算,根據(jù)地震震害調查,橋梁上部結構直接受震破壞的情況很少,主要的破壞在墩臺部位,因此,橋梁抗震的重點在于墩臺的抗震設計. 1.橋墩抗震計算簡圖,(1) 柔性墩. 細則在確定柔性橋墩的基本周期和地震作用時,均按單墩模型考慮.其理由如下：一是橋墩所支承的上部構造重量遠較墩本身的重量為大,兩者比值一般為5:18: 1；二是它們均屬柔性結構；三是計算簡單,可滿足工程上所要求的精度.,(2) 多排樁基礎上的橋墩及實體墩. 由于公路橋梁墩身一般不高,因此在確定地震作用時一般只考慮第

7、一階振型,而將高階振型貢獻略去不計.考慮到墩身在橫橋向和順橋向的剛度不同,在計算時兩個方向分別采用不同的振型. 在確定基本周期時,仍可以簡化為單質點處理實體墩的結構計算簡圖也可采用自由端等代剛度的懸臂桿,其基本周期簡化為單質點體系求得.在確定地震作用時,將墩身分為若干分段按多質點體系計算.,2. 重力式橋墩水平地震作用計算,計算簡圖,順橋向,橫橋向,3. 柱式墩順橋向水平地震作用計算 柱式墩計算簡圖如圖所示,順橋向水平地震荷載可采用下列簡化公式計算：,計算簡圖,換算質點重力,上部結構的重力,墩身重力,蓋梁的重力,墩身重力換算系數(shù),順橋向支座頂面上的單位水平力在墩身計算高度 H/2處引起的水平位

8、移與支座頂面處的水平位移之比值,4.采用板式橡膠支座的梁橋水平地震作用計算(略) 5.橋臺水平地震作用計算 梁橋橋臺的地震作用與土在地震時的壓力有關,這是一個結構與地基和基礎與填土之間的相互作用問題.公路橋臺一般具有截面大而高度低的特點,對于輕型橋臺因缺少動力特性的觀測和試驗研究資料,故采用靜力法計算,作用于臺身重心處的水平地震作用,基礎頂面以上臺身的重力,地震主動土壓力,地震動水壓力,6.地震主動土壓力和動水壓力 細則規(guī)定,E1地震作用抗震設計階段,應考慮地震時動水壓力和主動土壓力的影響,在E2地震作用抗震設計階段,一般不需考慮.,7.梁橋結構基本周期的近似計算 1）梁橋橋墩基本周期的近似公

9、式. 梁橋橋墩的基本周期可通過實測、試驗或理論計算確定.一般情況下,可按下列近似公式計算各類橋墩的基本周期.,柔性墩,換算質點重力,實體墩順橋向,實體墩橫橋向,9. 3橋梁延性抗震設計 9.3.1延性抗震設計原則 延性抗震設計是指允許橋梁結構發(fā)生塑性變形,不僅用構件的強度作為衡量結構性能的指標,同時要校核構件的延性能力是否滿足要求.延性抗震設計時,允許發(fā)生塑性變形的構件叫延性構件. 能力保護設計原則的基本思想在于：通過設計,使結構體系中的延性構件和能力保護構件形成強度等級差異,確保結構構件不發(fā)生脆性的破壞模式.,(1) 選擇合理的結構布局； (2) 選擇地震中預期出現(xiàn)的彎曲塑性鉸的合理位置,保

10、證結構能形成一個適當?shù)乃苄院哪軝C制；通過強度和延性設計,確保潛在塑性鉸區(qū)域截面的延性能力； (3) 確立適當?shù)膹姸鹊燃?確保預期出現(xiàn)彎曲塑性鉸的構件不發(fā)生脆性破壞模式(如剪切破壞、黏結破壞等),并確保脆性構件和不宜用于耗能的構件(能力保護構件)處于彈性反應范圍.,塑性鉸,按能力保護設計原則,應考慮以下幾方面： 塑性鉸的位置一般選擇出現(xiàn)在墩柱上,墩柱作為延性構件設計,可以發(fā)生彈塑性變形,耗散地震能量. 墩柱的設計剪力值按能力設計方法計算,應為與柱的極限彎矩(考慮超強系數(shù))所對應的剪力. 蓋梁、結點及基礎按能力保護構件設計,其設計彎矩、設計剪力和設計軸力應為與柱的極限彎矩(考慮超強系數(shù))所對應的彎

11、矩、剪力和軸力,9.3.2能力保護構件計算,鋼筋混凝土構件的剪切破壞屬于脆性破壞,是一種危險的破壞模式；對于抗震結構來說,墩柱剪切破壞還會大大降低結構的延性能力.因此,為了保證鋼筋混凝土墩柱不發(fā)生剪切破壞,應采用能力保護設計原則進行延性墩柱的抗剪設計. 因此,進行鋼筋混凝土延性墩柱的抗剪驗算時,墩柱的縱向和橫向剪力設計值應根據(jù)可能出現(xiàn)塑性鉸處按實配鋼筋,并采用材料強度標準值和軸壓力計算出的彎矩承載能力,考慮超強系數(shù)來計算.,如何計算?,=1.2,細則規(guī)定：延性墩柱沿順橋向和橫橋向剪力設計值可按下列規(guī)定計算： （1）延性墩柱沿順橋向剪力設計值,底部區(qū)域為潛在塑性鉸區(qū)域時,頂、底部區(qū)域均為潛在塑性

12、鉸區(qū)域時,(2) 延性墩柱沿橫橋向剪力設計值,底部區(qū)域為潛在塑性鉸區(qū)域時,頂、底部區(qū)域均為潛在塑性鉸區(qū)域時,在雙柱墩和多柱墩橋的抗震設計中,鋼筋混凝土墩柱作為延性構件產(chǎn)生彈塑性變形耗散地震能量,而蓋梁、基礎等作為能力保護構件保持彈性. 應采用能力保護設計原則進行蓋梁的設計.根據(jù)能力保護設計原則,蓋梁的抗彎強度應大于蓋梁可能在地震中承受的最大、最小彎矩(對應于墩柱塑性鉸處截面可能達到的正、負彎矩承載能力).,彎矩設計值,剪力設計值,由于在地震過程中,如基礎發(fā)生損傷,難以發(fā)現(xiàn)并且維修困難,因此要求采用能力保護設計原則進行基礎計算和設計,以保證基礎在達到它預期的強度之前,墩柱已超過其彈性反應范圍.梁

13、橋基礎沿橫橋向、順橋向的彎矩、剪力和軸力設計值應根據(jù)墩柱底部可能出現(xiàn)塑性鉸處的彎矩承載能力(考慮超強系數(shù))、剪力設計值和相應的墩柱最不利軸力來計算,在計算這些設計值時應和自重產(chǎn)生的內力組合.,沿橫橋向,沿順橋向,9.3.3墩柱強度驗算 對于B類、C類橋梁,順橋向和橫橋向El地震作用效應和永久作用效應組合后,應按現(xiàn)行的公路橋涵設計規(guī)范有關偏心受壓構件的規(guī)定驗算橋墩的強度. 對于計算長度與矩形截面計算方向的尺寸之比小于2.5(或墩柱的計算長度與圓形截面直徑之比小于2.5)的矮墩,其主要破壞模式為剪切破壞,為脆性破壞,沒有延性,因此順橋向和橫橋向E2地震作用效應和永久作用效應組合后,應按現(xiàn)行的公路橋

14、涵設計規(guī)范相關規(guī)定驗算橋墩的強度.,箍筋提供的抗剪能力,剪力設計值,9.3.4墩柱變形驗算 對于B類、C類橋梁,在E2地震作用下,一般情況應按式(9.36)驗算潛在塑性鉸區(qū)域沿順橋向和橫橋向的塑性轉動能力,但對于規(guī)則橋梁,可按式(9.42 )驗算橋墩墩頂?shù)奈灰?；對于高寬比小?. 5的矮墩,可不驗算橋墩的變形,但應驗算強度. （1）橋墩潛在塑性鉸區(qū)域轉動能力驗算.,在E2地震作用下,潛在塑性鉸區(qū)域的塑性轉角,塑性鉸區(qū)域的最大容許轉角,塑性鉸區(qū)域的最大容許轉角,等效塑性鉸長度(cm),取最小值,等效屈服曲率極限曲率,取2.0,懸臂墩的高度或塑性鉸截面到反彎點的距離,（2）橋墩墩頂?shù)奈灰乞炈? 對

15、于規(guī)則橋梁,在E2地震作用下,可只按下式驗算橋墩墩頂?shù)奈灰?在E2地震作用下墩頂?shù)奈灰?cm),橋墩容許位移(cm),周期的調整系數(shù),墩頂水平位移,9.3.5支座抗震驗算 (1)板式橡膠支座的抗震驗算. 1）支座厚度驗算 2）支座抗滑穩(wěn)定性驗算 (2)盆式支座的抗震驗算. 1）活動盆式支座 2）固定盆式支座(略),9.4橋梁減隔震設計 9.4.1減隔震技術應用范圍 細則規(guī)定,當滿足下列條件之一的橋梁,可采用減隔震設計： （1）橋墩為剛性墩,橋梁的基本周期比較短； （2）橋墩高度相差較大時； （3）橋址區(qū)的預期地面運動特性比較明確,主要能量集中在高頻 段時. 當存在以下情況之一時,不宜采用減隔震

16、設計： （1）地震作用下,場地可能失效； （2）下部結構剛度小,橋梁的基本周期比較長； （3）位于軟弱場地,延長周期可能引起地基和橋梁共振； （4）支座中可能出現(xiàn)負反力.,9.4.2減隔震橋梁設計原則 （1）當采用隔震技術時,應保證設計的結構抗震性能高于不采用隔震技術的抗震性能； （2）要求隔震結構應具有一定的剛度和屈服強度,保證在正常使用荷載下(如風、制動力等)結構不發(fā)生有害屈服和振動； （3）必須對伸縮縫裝置、相鄰梁間限位裝置、防落梁裝置等進行合理的設計,以滿足位移需求,并對施工質量給予明確規(guī)定; （4）采用減隔震設計的橋梁,在地震作用下應以隔震裝置抗震為主,非彈性變形和耗能宜主要集中于這

17、些裝置,而其他構件(如橋墩等)的抗震為輔； （5） 減隔震橋梁抗震分析時,可分別考慮順橋向和橫橋向的地震作用,位于抗震設防烈度8度、9度區(qū)的橋梁,考慮豎向地震效應和水平地震效應的不利組合； （6）要求減隔震裝置性能可靠,且震后可對這些構件進行檢測、鑒定及維護； （7）計算減隔震橋梁地震作用效應時,宜取全橋模型進行分析,并考慮伸縮裝置、樁土相互作用等因素.,9.4.3減隔震裝置及抗震驗算 減隔震裝置 整體型減隔震裝置： （1）鉛芯橡膠支座； （2）高阻尼橡膠支座； （3）摩擦擺式減隔震支座. 分離型減隔震裝置： （1）橡膠支座十金屬阻尼器； （2）橡膠支座十摩擦阻尼器； （3）橡膠支座+黏性材料

18、阻尼器. 減隔震裝置進行抗震驗算的內容 (1)對于橡膠型減隔震裝置,在E1地震作用下產(chǎn)生的剪切應變應小 于100 %,在E2地震作用下產(chǎn)生的剪切應變應小于250 %,并驗算其穩(wěn)定性； (2)非橡膠型減隔震裝置,應根據(jù)具體的產(chǎn)品指標進行驗算； (3)應對減隔震裝置在正常使用條件下的性能進行驗算.,9.5橋梁抗震構造措施,9.5.1一般抗震構造措施 （1）6度區(qū)抗震措施規(guī)定 1）簡支梁梁端至墩、臺帽或蓋梁邊緣應有一定的距離(圖9.17),其最小值(cm)按下式計算,梁,9.5橋梁抗震構造措施,9.5.1一般抗震構造措施 2） 斜橋梁端至墩、臺帽或蓋梁邊緣應有一定的距離,其最小值(cm)按下式計算取

19、最大值,9.5橋梁抗震構造措施,9.5.1一般抗震構造措施 3）曲線橋梁端至墩、臺帽或蓋梁邊緣應有一定的距離,其最小值(cm)按下式計算取最大值,9.5橋梁抗震構造措施,9.6.1一般抗震構造措施 （2）7度區(qū)抗震措施規(guī)定 1）橋臺胸墻應適當加強,并在梁與梁之間和梁與橋臺胸墻之間加裝橡膠墊或其他彈性襯墊,以緩和沖擊作用和限制梁的位移,其構造示意如圖,梁,9.5橋梁抗震構造措施,9.5.1一般抗震構造措施 （3）8度區(qū)抗震措施規(guī)定 1）應采用合理的限位裝置,防止結構相鄰構件產(chǎn)生過大的相對位移,設限位裝置. 2）梁橋活動支座,不應采用擺柱支座;當采用輥軸支座時,應采取限位措施.,梁限位裝置,9.5

20、橋梁抗震構造措施,9.5.1一般抗震構造措施 （3）8度區(qū)抗震措施規(guī)定 3）石砌或混凝土墩、臺和拱圈的最低砂漿強度等級,應按現(xiàn)行公路污工橋涵設計規(guī)范(JTG D61)的要求提高一級采用. 4）橋梁下部為鋼筋混凝土結構時,其混凝土強度等級不應低于C25 . 5）基礎宜置于基巖或堅硬土層上.基礎底面宜采用平面形式.當基礎置于基巖上時,方可采用階梯形式. （4）9度區(qū)抗震措施規(guī)定 1）梁橋各片梁間必須加強橫向連接,以提高上部結構的整體性.當采用桁架體系時,必須加強橫向穩(wěn)定性. 2）橋梁墩、臺采用多排樁基礎時,宜設置斜樁. 3）橋臺臺背和錐坡的填料不宜采用砂類土,填土應逐層夯實,并注意采取排水措施. 4）梁橋活動支座應采取限制其豎向位移的措施.,9.5橋梁抗震構造措施,9.5.2延性構造措施 （1）墩柱結構構造措施. 1）加密區(qū)的長度不應小于墩柱彎曲方向截面寬度的1.0或墩柱上彎矩超過最大彎矩80%的的范圍；當墩柱的高度與橫截面高度之比小于2.5時,墩柱加密區(qū)的長度應取全高； 2）加密箍筋的最大間距不應大于l0cm或6,或；其中,為縱向鋼筋的直徑,為墩柱彎曲方向的截面寬度； 3）箍筋的直徑不應