第二章桥梁抗震设计基本要求.docx

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1、第二章 桥梁抗震设计基本要求 精心整理 第二章桥梁抗震设计基本要求 主要内容：桥梁抗震设计基本原则、桥梁抗震设计流程，桥梁抗震设防标准、地震动输入的选择、 桥梁抗震概念设计。 基本要求：掌握桥梁抗震设计基本原则、理解和掌握桥梁抗震设防标准、掌握地震动输入的选择要 求、掌握桥梁抗震概念设计基本原则。 重点：桥梁抗震设防标准的确定、地震动输入的选择和桥梁抗震概念设计。 2.1抗抗震设防标准是科学性和政策性（或社会性）的结合。科学性就是要严格按照现行的有关规范要求进行工程场地地震安全性评价工作，是的评价结果较好地符合实际，具有较好的可重复性。政策性则要考虑到工程类型、重要程度、投资强度风险程度等。我

2、国还属于发展中国家，财力物力有限。国家总的防灾政策决定了抗震设防标准不宜过高。随着科学技术的进步和国民经济地发展，以及人们放在意识的加强，抗震设防标准也在逐渐提高。 抗震设防标准工程设防类别 系指根据工程结构遭遇地震破坏后可能产生的经济损失和社会影响程度，以及在抗震救灾中的作用，对其所做的抗震重要性类别划分。一般分为四类，也有的行业工程分为二类或三类。 抗震设防标准设防地震 系指针对不同重要性类别的工程，采用特定安全水准的地震作用强度，常以一定概率水平下的地震烈度或地震动参数来表达。在现行的多种抗震设计规范中称为“设防烈度”。 抗震设防标准抗震设防目标 系指工程结构通过抗震设计所达到的宏观抗震

3、目标。设防目标同设计方法有关。比如，对于建 又要 设50 2.1.2 通过抗震设防，减轻公路桥梁的地震破坏，保证人民生命财产安全，减少经济损失，更好地发挥公路交通网在抗震救灾中的作用。具体具体通过“两水准”的抗震设防要求和“两阶段”的抗震设计方法实现。 “两水准”抗震设防目标 近几十年来，美国、日本及我国等国家的地震工程专家先后提出了分类设防的抗震设计思想，即“小震不坏，中震可修，大震不倒”。这一抗震设计思想表示为以下三个要求：在小震（多遇地震）作用下，结构物不许修理，仍可正常使用；在中震（偶遇地震）作用下，结构物无重大损坏， 经修复后仍可继续使用；在大震（罕遇地震）作用下，结构物可能产生重大

4、破坏，但不致倒塌。 我国公路桥梁抗震设计细则（JTG/TB02012022）以及城市桥梁抗震设计规范（CJJ1662022）分别两个等级的地震动参数：E1地震作用和E2地震作用，进行两个阶段的抗震设计；即：当遭受E1地震作用时，一般不受损坏或不需修理可继续使用。当遭受E2地震作用时，应保证不致倒塌或产生严重结构损坏，经临时加固后可供维持应急交通使用。 表1各设防类别桥梁的抗震设防目标 进行构 桥梁工程在其使用期内，要承受多种作用的影响，包括永久作用、可变作用和偶然作用三大类。地震是桥梁工程的一种偶然作用，在试用期内不一定会出现，但一旦出现，对结构的影响很大。桥梁工程必须首先确保运行功能，即满足

5、永久作用和可变作用的要求，这是静力设计的目标。其次。保证桥梁工程在地震下的安全性也非常重要，因此要进行抗震设计。目前，桥梁工程的抗震设计一般配合静力设计进行，并贯穿桥梁结构设计的全过程。 与静力设计一样，桥梁工程的抗震设计也是一项综合性的工作。桥梁抗震设计的任务，是选择合理的结构形式，并为结构提供较强的抗震能力。具体来说，要正确选择能够有效地抵抗地震作用 的结构形式，合理地分配结构的刚度、质量和阻尼等的分布，并正确估计地震可能对结构造成的破坏，以便通过结构、构造和其他抗震措施，使损失控制在限定的范围内。 桥梁工程的抗震设计过程一般包括七个步骤，即抗震设防标准选定、地震输入选择、抗震概念设计、延

6、性抗震设计（或减隔震设计）、地震反应分析、抗震性能验算以及抗震措施选择，如图所示。 并进行 2.2 桥梁场地地震安全性评价 地震安全性评价是指对具体建设工程地区或场址周围的地震地质、地球物理、地震活动性、地形变化等进行研究，采用地震危险性概率分析方法，按照工程应采用的分先概率水准，科学地给出相应的工程规划和设计所需的有关抗震设防要求的地震动参数和基础资料。 地震安全性评价工作一般包括地震危险性分析、场地土层地震反应分析和场地的地震地质灾害评价三部分。 地震危险性是指某一场地（或某一区域、地区、国家）在一定时期内可能遭受到的最大地震破坏影响，可以用地震烈度或地面运动参数来表示。目前，场地的地震危

7、险性分析普遍采用概率方法，具 体要求包括：查明工程场地周围地震环境和地震活动性，判定并划分出潜在震源的位置、规模和地震活动频度，给出可能的真元模式，确定各潜在震源的发震概率，最后根据地震动衰减规律和地震危险性分析的概率模型，计算出场地不同地震动参数的概率曲线，给出不同概率水准下的地震动参数峰值，得到基岩的地震反应谱，以及地震持续时间。 将地震危险性分析得到的基岩地震加速度反应谱进行标准化处理，得到目标反应谱，进一步合并基岩加速度时程，作为场地地震反应分析的地震输入。对于水平层、横向不均匀性较小的场地，可采用一维剪切模型进行场地土层地震反应分析，该模型为覆盖在基岩上的一系列完全理想的已知层后、

8、时程， 式中,g T 为水平式中，我国城市桥梁抗震设计规范则采用了建筑抗震设计规范相同的反应谱形式，有效周期成分至6s,分别在g g T T 5区段和g g T T 65区段采用不同的下降段，其水平设计加速度反应谱直S 由下式确定： 式中，g T 为反应谱特征周期，根据地震动参数区域图选取，其中计算8、9度E2地震作用时，特征周期宜增加0.05s ；2为结构的阻尼调整系数，阻尼比为0.05时取1.0，阻尼比不等于0.05时按式计算；为g g T T 5区段曲线衰减指数，阻尼比为0.05时取0.9，阻尼比不等于0.05时按式计算；1 为g g T T 65区段直线下降段下降斜率调整系数，阻尼比为

9、0.05时取0.02，阻尼比不等于0.05时按式计算；T 为结构自震周期；max S 为水平设计加速度反应谱最大值，按式计算。 式中， 为结构实际阻尼比；A 为E1或E2地震作用下水平向地震动峰值加速度。 对于竖向地震作用，我国公路桥梁抗震设计细则和城市桥梁抗震设计规范均采用竖向地震动加速度反应谱由水平向设计加速度反应谱乘以竖向/水平向谱比函数 R 得到。其中，基岩场地R 取0.65，一般土层场地根据下式取值； 式中，T 采用即加接近，原则上持续时间） 计规范均规定不得少于3组（对于地震反应分析结果，3组须取最大值，7组可取平均值）。 地震作用的属于偶然作用，通常只与永久作用进行组合。永久作用

10、通常包括结构重力（恒载）、预应力、土压力、水压力，而地震作用通常包括地震动的作用和地震土压力、水压力等。进行桥梁抗震设计时，应进行包括各种作用效应的最不利组合。 在地震作用下，除了结构内力反应以外，支座以及梁端等位移反应需要特别关注，为防止发生支座脱落或桥梁震害，我国城市桥梁抗震设计规范规定在进行支座位移验算时，还应考虑50%均匀温度作用效应。 按承载能力极限状态设计时，作用效应S 应考虑作用效应的基本组合，必要时尚应考虑作用效 应的偶然组合。 偶然组合 公路桥涵通用设计规范：永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应（标准值、准永久值、频遇值）、一种偶然作用标准值效应的组合。偶然作用的效应分

11、项系数取1.0，地震作用标准值按桥梁抗震设计细则规定采用。 建筑结构荷载规范：偶然组合的设计值宜按下列规定确定偶然荷载的代表值（标准值）不乘分项系数；与偶然荷载同时出现的其他荷载可根据观测资料和工程经验采用适当的代表值。各 1 2 2.3 20）的 重视数值设计，而是为了给抗震计算创造有利条件，使计算分析结果更能反映地震时结构反应的实际情况。这两者是相辅相成的，作为一个正确的抗震设计，必须重视抗震设计概念设计，灵活而又合理地运用抗震设计思想。 调查与分析桥梁的震害及产生的原因是建立正确的抗震设计方法，采取有效抗震措施的科学依据。国内外地震工作者历来都很重视震害的调查研究。可以说，桥梁抗震设计的

12、历史，也是人类对桥梁震害认识的历史。近20余年发生的几次大地震使桥梁结构遭到了严重破坏，但也使我们获得了关于结构地震反应的极其宝贵的资料，从而可以对抗震设计理论和设计方法进行检讨、修正和发展， 是桥梁抗震设计水平不断的得到提高。 大量的震害分析表明，引起桥梁震害的原因主要有死个：所发生的地震强度超过了抗震设防标准，这是无法预料的；桥梁场地对抗震不利，地震引起地基失效或地基变形；桥梁结构设计、施工错误；桥梁结构本身抗震能力不足。 从结构抗震设计的观点出发，可以将桥梁震害归为两大类，即地基失效引起的破坏和结构强烈振动引起的破坏。两者破坏的原因不同：前者属于静力作用，是由于地基失效产生的相对位移引起

13、的结构破坏；后者属于动力作用，是由于振动产生的惯性力引起的破坏。 1 2 缺陷， 1 2 横向位移以及扭转位移。一般来说，设置伸缩缝的地方比较容易发生位移震害。在破坏性地震中，最为常见的是桥梁上部结构的纵向位移和落梁震害。如果上部结构的位移超出了墩、台等的支承面，则会发生更为严重的落梁震害。上部结构发生落梁时，如果撞击桥墩，还会给下部结构带来很大的破坏。当然，桥梁支座和桥墩的毁坏也会导致上部结构的坠落。 3）上部结构的碰撞震害 如果相邻结构的间距过小，在地震中就有可能会发生碰撞，产生非常大的撞击力，从而使结构受到破坏。桥梁在地震中的碰撞，比较典型的有：相邻跨上部结构的碰撞，上部结构与桥台的碰撞

14、，以 及相邻桥梁间的碰撞。 桥梁支座历来被认为是桥梁结构体系中抗震性能比较薄弱的一个环节，在历次破坏性地震中，支座的震害现象都叫普遍。如在日本阪神地震中，支座损坏的比例达到了调查总数的28%。支座的破坏形式一般表现为支座位移，锚固螺栓拔出、剪断，活动支座脱落，以及支座本身构造上的破坏等。其原因主要是支座设计没有充分考虑抗震的要求，连接与支挡等构造措施不足，以及某些支座形式和材料本身的缺陷。 支座的破坏会引起结构的传力路径改变，甚至是中断，从而对结构其他部位的抗震产生影响， 1) 墩柱基脚的震害相当少见，但一旦出现，则可能导致墩梁倒塌的严重后果。 2)框架墩的震害 城市高架桥中城建的框架墩，在地

15、震中有不少震害的例子。框架墩的震害主要表现为：盖梁的破坏，墩柱的破坏，以及节点的破坏。盖梁的破坏形式主要有：剪切强度不足（当地震力和重力叠加时）引起的剪切破坏，盖梁负弯矩钢筋的过早截断引起的弯曲破坏，以及盖梁钢筋的锚固长度不够引起的破坏。墩柱的破坏形式与其他墩柱类似，而节点的破坏主要是剪切破坏。 3)桥台的震害 在历年的地震中，桥台的震害较为常见。除了地基丧失承载力（如砂土液化）等引起的桥台滑移外，桥台的震害主要表现为台身与上部结构（如梁）的碰撞破坏，以及桥台向后倾斜。 桥梁基础破坏是国内外许多震害的重要震害现象之一。大量震害资料表明：地基失效（如土体滑移和砂土液化）是桥梁基础产生震害的主要原

16、因。 （卓卫东、细则4.1、叶爱君） 合理的抗震设计，要求设计出来的结构，在强度、刚度和延性等指标上有最佳的组合，使结构能够经济地实现抗震设防的目标，要达到这个要求，就需要设计工程师深入了解对结构地震反应有重要影响的基本因素，并具有丰 性， 水平将直接影响到结构的地震破坏程度。这是因为结构延性的发挥即意味着结构在设计地震动作用下将经历若干次反复的弹塑性变形循环，也即意味着结构将出现一定程度的破坏。一般情况下，结构经历的非弹性变形越大，其破坏程度也越高。因此，在设计抗震结构时，应当在三个hi强度和延性水平之间取得适当的均衡。 传统的静力设计思想认为，理想的设计是使结构各构件都具有近似相等的安全度

17、，即结构中不要存在局部的薄弱环节。但由于结构各构件的重要程度并不相同，实际上即使是对于静力设计而言，等安全度设计思想也并不合适，对于抗震设计，则更是存在严重的缺陷。 能力设计思想强调强度安全度差异，即在不同构件（延性购机和能力保护构件不适宜发生非弹性变形的构件统称为能力保护构件）和不同破坏模式（延性破坏和脆性破坏模式）之间确立不同的强度安全度。通过强度安全度差异，确保结构在大地震下以延性形式反应，不发生脆性的破坏模式。 应力图使工程结构具有多道抵抗地震侧向力的体系，则在强地震动过程中，一道防线破坏后尚有第二道防线可以支承结构，避免倒塌。因此，超静定结构优于同种类型的静定结构。与建筑构造相比，桥梁结构在这方面可利用的余地通常并不大。 思考题 1、 2、 50 分别为对延性构件和能力保护构件进行设计时的地震动输入标准，均以设防烈度地震动峰值加速度为基础乘以抗震重要性系数确定。） 2、地震中桥梁常见的震害有哪些？如何预防？（常见震害：上部结构移位与落梁、上部结构碰撞、支座移位、支座受剪、桥梁墩柱破坏、桥台破坏、地基失效等。主梁限位装置和适当的主梁搁置长度对落梁十分有效；合理的支座设