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1、5.3 抗震概念设计结构抗震设计包含了两个设计范畴，即结构抗震设计包含了两个设计范畴，即概念设计概念设计和参数设计和参数设计。抗震概念设计是从概念上，特别是。抗震概念设计是从概念上，特别是从结构总体上考虑抗震的工程决策从结构总体上考虑抗震的工程决策；参数设计主参数设计主要是地震作用计算、构件强度验算、结构变形验要是地震作用计算、构件强度验算、结构变形验算算等。等。抗震概念设计定义：在进行结构设计时，首先着抗震概念设计定义：在进行结构设计时，首先着眼于结构的眼于结构的总体地震反应总体地震反应，按照结构的破坏机制，按照结构的破坏机制和破坏过程，灵活运用抗震设计准则，全面合理和破坏过程，灵活运用抗震
2、设计准则，全面合理地解决结构设计中的基本问题，地解决结构设计中的基本问题，既注意总体布置既注意总体布置上的大原则，又顾及到关键部位的细节上的大原则，又顾及到关键部位的细节，从根本，从根本上提高结构的抗震能力。上提高结构的抗震能力。5.3.1 一般原则对对采用抗震结构概念设计的延性桥梁采用抗震结构概念设计的延性桥梁，在概念设计阶段，在概念设计阶段，除了要考虑抗震设计基本原则之外，还必须重点考虑以下除了要考虑抗震设计基本原则之外，还必须重点考虑以下各个要点：各个要点：1 1）应明确结构中）应明确结构中抵抗水平地震作用的抵抗水平地震作用的墩台的位置和数量；墩台的位置和数量；2 2）应在结构设计）应在
3、结构设计强度和位移延性强度和位移延性之间，取得之间，取得适当的均衡适当的均衡；3 3）在选择结构塑性变形机制时，宜使）在选择结构塑性变形机制时，宜使预期的塑性铰出现在预期的塑性铰出现在易于发现和易于修复的结构部位易于发现和易于修复的结构部位；4 4）应明确结构体系中的）应明确结构体系中的延性构件和能力保护构件延性构件和能力保护构件。5.3.2 抗震结构类型建于地震区工程结构，可选择三种不同的抗震结构类型：建于地震区工程结构，可选择三种不同的抗震结构类型：强度设计刚性设计刚性设计 增加结构刚度和基础构成刚性体系增加结构刚度和基础构成刚性体系导致结构高度、跨度导致结构高度、跨度等受到严重限制等受到
4、严重限制，束缚地震多发区结构设计进步。，束缚地震多发区结构设计进步。柔性设计柔性设计 通过减小结构刚度，减小作用于结构的地震荷载强度，通过减小结构刚度，减小作用于结构的地震荷载强度，大震时大震时可能由于结构变形过大可能由于结构变形过大导致结构破坏、倒塌导致结构破坏、倒塌，要要求。小震和常规荷载下，由于刚度过低难以满足结构正求。小震和常规荷载下，由于刚度过低难以满足结构正常使用常使用延性设计适当控制刚度分布适当控制刚度分布，结构构件地震时进入，结构构件地震时进入非弹性变形非弹性变形状态以消耗地震能量状态以消耗地震能量，保证结构不倒。，保证结构不倒。结构构件集两种功能于一身，即结构的使用功能和抗结
5、构构件集两种功能于一身，即结构的使用功能和抗震性能，存在着局限性。震性能，存在着局限性。延性设计是在承载能力不下降的前提下具有较大的塑延性设计是在承载能力不下降的前提下具有较大的塑延性设计，并利用延性设计，并利用滞回耗能滞回耗能。桥梁中的桥梁中的塑性铰按延性设计塑性铰按延性设计，其他部分则按能力保护其他部分则按能力保护原则设计，即保持弹性。原则设计，即保持弹性。滞回曲线由于材料的由于材料的弹塑性性质弹塑性性质，当，当荷载大于一定程度荷载大于一定程度后，后，在卸荷时产生在卸荷时产生残余变形残余变形，即荷载为零而，即荷载为零而变形不回到变形不回到零零，称之为，称之为“滞后滞后”现象。现象。这样经过
6、一个荷载循环，这样经过一个荷载循环，荷载荷载-位移曲线位移曲线就形成了一就形成了一个环，将此环线叫做个环，将此环线叫做滞回环滞回环，多个滞回环就组成了，多个滞回环就组成了滞回曲线滞回曲线。滞回曲线物理意义：地震时，结构处于地震能量场内，地震将能量输入结构，地震时，结构处于地震能量场内，地震将能量输入结构，结构有一个能量吸收和耗散的持续过程结构有一个能量吸收和耗散的持续过程。当结构进入弹塑性状态时，其抗震性能主要取决于当结构进入弹塑性状态时，其抗震性能主要取决于构件构件耗能的能力耗能的能力。滞回曲线中。滞回曲线中加荷阶段加荷阶段荷载位移曲线下所荷载位移曲线下所包围的面积可以反映结构包围的面积可以
7、反映结构吸收能量的大小吸收能量的大小；而；而卸荷卸荷时的时的曲线与加载曲线所包围的面积即为曲线与加载曲线所包围的面积即为耗散的能量耗散的能量。这些能量是通过材料的内摩阻或局部损伤（如开裂、塑这些能量是通过材料的内摩阻或局部损伤（如开裂、塑性铰转动等）而将能量性铰转动等）而将能量转化为热能散失到空间中去转化为热能散失到空间中去。因此滞回曲线中因此滞回曲线中滞回环的面积滞回环的面积是被用来评定结构耗能的是被用来评定结构耗能的一项重要指标。一项重要指标。结构控制设计通过结构上设置的控制装置，由其和结构共同抵御地震和风。分类主动控制半主动控制被动控制混合控制结构控制设计存在问题a.主动控制需要外部巨大
8、的能源，灾害时难以保证；b.主动控制的迟时效应；c.许多被动控制措施（TMD、TLD）在小震和常规风荷载下，有较好的控制效果，可提高舒适度。但在大震、飓风时，难以保证结构的安全性；d.控制系统要求比结构更高的可靠性，造价高。5.3.3 结构体系选择1）应具有明确的应具有明确的计算简图计算简图和和合理的地震作用传递途合理的地震作用传递途径径。2 2）应具备必要的）应具备必要的抗震承载力、良好的变形能力和消耗抗震承载力、良好的变形能力和消耗地震能量的能力地震能量的能力。3 3）宜具有合理的刚度和承载力分布，）宜具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部消弱避免因局部消弱或突变形成薄弱部位或突变形成薄弱
9、部位；对可能出现的薄弱部位，应；对可能出现的薄弱部位，应采取采取有效措施提高抗震能力（主要是延性）有效措施提高抗震能力（主要是延性）。4）宜建造在坚硬的场地上，应尽可能避开发震断层及其它不利地段和危险地段；对建在可能液化地基或软土地基上的桥梁，应对地基进行处理；对不得不建于发震断层或其它不利地段和危险地段上的桥梁，应进行专门研究。5）破坏位置宜出现在便于检查和便于修复的部位。5.3.4 场地、地基与基础一、场地选择在桥位选择时，应充分利用对抗震有利的地段，避开不利地段，以避免或减轻在地震作用下因地基变形或地基失效对公路桥梁造成的破坏。除次要公路桥梁（指中断交通对政治、经济和国防没有较大影响的公
10、路桥梁）外，不应在危险地段建造公路桥梁。二、地基、基础设计弱粘性土层、液化土和严重不均匀土层不宜直接用做公路桥梁的地基。当难以避免时，应探明其埋藏和分布情况，采取以下的抗震措施：（1）在软弱粘性土层、液化土层或严重不均匀土层上，不宜修建大跨度超静定桥梁。（2）在软弱粘性土层、液化土层和不稳定的河岸处建桥时，对于大、中桥，可适当增加桥长，合理布置桥孔，使墩、台避开地震时可能发生滑动的岸坡或地形突变的不稳定地段。否则，应采取措施增强基础抗侧移的刚度和加大基础埋置深度；对于小桥，可在两桥台基础之间设置支撑梁或采用浆砌片(块)石满铺河床。（3 3）在软弱粘性土层、液化土层或严重不均匀土）在软弱粘性土层
11、、液化土层或严重不均匀土层上建桥时，还应根据具体情况采取下列措施：层上建桥时，还应根据具体情况采取下列措施：换土或采用砂桩。换土或采用砂桩。换土方法适用于软弱粘性土换土方法适用于软弱粘性土层或液化土层较薄、埋藏较浅的情况，先将软弱层或液化土层较薄、埋藏较浅的情况，先将软弱粘性土层或可液化土挖去，然后分层回填非液化粘性土层或可液化土挖去，然后分层回填非液化土，并逐层夯实。土，并逐层夯实。减轻结构自重减轻结构自重，加大基底面积，减少基底偏心。，加大基底面积，减少基底偏心。增加基础埋置深度增加基础埋置深度，使基础穿过液化土层。，使基础穿过液化土层。采用采用桩基础或沉井基础桩基础或沉井基础。5.3.5
12、 理想的结构体系从桥梁抗震角度出发，理想的桥梁结构体系应是：（1）从几何线形上看，桥梁应是直的，墩台应与桥轴方向垂直，因为弯桥或斜桥使地震反应复杂化；桥梁各墩高度应相差不大，墩高不等会导致桥墩刚度变化，使抗侧力桥墩中刚度较大的易于最先破坏。（2）从结构布局上看，上部结构应是连续的，并使用尽可能少的伸缩缝；桥梁应保持小跨径；弹性支座应布置在多个桥墩上；各桥墩的强度和刚度在各个方向上都应相同。（3）从质量分布上看，桥梁上部结构的质量应轻。（4）从场地条件上看，基础应建造在坚硬场地上。5.3.6 材料方面的考虑结构抗震性能：结构抗震性能：木结构、钢结构木结构、钢结构的抗震性能较优，的抗震性能较优，钢
13、钢筋混凝土结构筋混凝土结构次之，次之，砖、石及素混凝土砖、石及素混凝土结构最差。结构最差。预期采用新一代建筑材料建造的结构抗震性能优良。预期采用新一代建筑材料建造的结构抗震性能优良。一、无约束混凝土（普通混凝土）从试验中发现，各种反复荷载（变形）下无约束混凝土的从试验中发现，各种反复荷载（变形）下无约束混凝土的包络线都与单调加载的全曲线十分接近；包络线都与单调加载的全曲线十分接近；而且，由包络线上的峰值点给出的抗压强度和峰值应变也而且，由包络线上的峰值点给出的抗压强度和峰值应变也与单调加载的相应值无明显的差别。与单调加载的相应值无明显的差别。这说明在反复荷载（变形）作用下，无约束混凝土应力这说
14、明在反复荷载（变形）作用下，无约束混凝土应力-应变曲线的包络线可以取为单调荷载下的相应曲线。应变曲线的包络线可以取为单调荷载下的相应曲线。二、约束混凝土对混凝土桥梁，由于对混凝土桥梁，由于无约束混凝土的极限压应变较低无约束混凝土的极限压应变较低，通，通常仅为常仅为0.0040.0050.0040.005，相应的截面最大塑性转角也较低，相应的截面最大塑性转角也较低，所以，往往无法提供结构在地震动下所需的位移延性。所以，往往无法提供结构在地震动下所需的位移延性。为提高混凝土桥梁结构的延性，就需要采用约束混凝土的为提高混凝土桥梁结构的延性，就需要采用约束混凝土的概念。概念。约束混凝土约束混凝土数量足
15、够、配置合理的数量足够、配置合理的横向箍筋和横向箍筋和纵向钢筋纵向钢筋一起，对核心混凝土起到约束，并能够有效地限一起，对核心混凝土起到约束，并能够有效地限制混凝土的横向膨胀，维持核心混凝土的完整，提高核心制混凝土的横向膨胀，维持核心混凝土的完整，提高核心混凝土的极限压应力，阻止纵向受压钢筋可能出现的屈曲。混凝土的极限压应力，阻止纵向受压钢筋可能出现的屈曲。最重要的是，核心混凝土受压区在破坏之前，能够维持较最重要的是，核心混凝土受压区在破坏之前，能够维持较无约束混凝土高得多的压应变。无约束混凝土高得多的压应变。5.3.7 限制条件受功能要求、路线走向以及桥址地质条件等因素的制约，受功能要求、路线
16、走向以及桥址地质条件等因素的制约，桥梁结构体系的选择受到很大的限制。桥梁结构体系的选择受到很大的限制。（1 1）路线走向）路线走向对桥梁抗震结构体系的要求常常与路线走向相矛盾。从抗对桥梁抗震结构体系的要求常常与路线走向相矛盾。从抗震角度来说，理想的桥梁结构应是震角度来说，理想的桥梁结构应是越简单、越规则越好越简单、越规则越好。因此，希望桥梁是直的，各跨分布均匀，各墩的高度基本因此，希望桥梁是直的，各跨分布均匀，各墩的高度基本相同。但这通常难于做到，例如在城市桥梁中，为了适应相同。但这通常难于做到，例如在城市桥梁中，为了适应路线走向，大量采用弯、坡、斜桥和立交桥。路线走向，大量采用弯、坡、斜桥和
17、立交桥。（2）桥址地质条件的制约桥址的地质条件对桥长、跨数以及桥墩的布置均有很大桥址的地质条件对桥长、跨数以及桥墩的布置均有很大的影响。在基础施工困难的地带或深水河床，通常采用的影响。在基础施工困难的地带或深水河床，通常采用大跨、少墩的布置方案大跨、少墩的布置方案。通常情况下，地震波传播到地表附近不同质点的时刻并通常情况下，地震波传播到地表附近不同质点的时刻并不相同。如果地震波在传播到地表过程中不产生反射、不相同。如果地震波在传播到地表过程中不产生反射、折射和干涉、叠加、弥散等现象，则地表不同质点的地折射和干涉、叠加、弥散等现象，则地表不同质点的地震动将具有同一波形，只是相位不同。这种地震动称
18、为震动将具有同一波形，只是相位不同。这种地震动称为空间相关的地震动。空间相关的地震动。由于实际土层的复杂性，地震动不可能是空间相关的，由于实际土层的复杂性，地震动不可能是空间相关的，即相干的。对于大跨径桥梁或多跨的长桥，不同位置桥即相干的。对于大跨径桥梁或多跨的长桥，不同位置桥墩的地震动往往是相干的，而且同步的可能性很小，输墩的地震动往往是相干的，而且同步的可能性很小，输入地震动的非一致性和空间相干性的影响不可忽略，这入地震动的非一致性和空间相干性的影响不可忽略，这种效应称为种效应称为地震动的行波效应地震动的行波效应。对于建造在局部地质条件相差很大的场地的情况，例如对于建造在局部地质条件相差很
19、大的场地的情况，例如跨越峡谷的桥梁，行波效应将更加显著。桥梁常常跨越跨越峡谷的桥梁，行波效应将更加显著。桥梁常常跨越不稳定的地段，如果必须将桥墩建在地震作用下有潜在不稳定的地段，如果必须将桥墩建在地震作用下有潜在危险的陡坡或岸坡上，则需要增加桩的嵌固深度，或采危险的陡坡或岸坡上，则需要增加桩的嵌固深度，或采取特殊的保护措施。取特殊的保护措施。桥梁还可能跨越地震中易液化的场地，如果可能的话，应桥梁还可能跨越地震中易液化的场地，如果可能的话，应避免把桥墩建造在这样的场地上。避免把桥墩建造在这样的场地上。如果桥址无法改变，就需要考虑改善地基条件的办法，并如果桥址无法改变，就需要考虑改善地基条件的办法，并对场地进行处理，以降低液化的可能性。对场地进行处理，以降低液化的可能性。在结构布局上，一种是采用简支梁，并通过构造措施连接在结构布局上，一种是采用简支梁，并通过构造措施连接在一起，以防落梁。这种方法在过去的地震中并没有特别在一起，以防落梁。这种方法在过去的地震中并没有特别成功。成功。另一种替代的方案是确保另一种替代的方案是确保上部结构与桥墩完全固结上部结构与桥墩完全固结，并使，并使桩基础穿过易液化土层直达坚硬的土层里。这种方案可以桩基础穿过易液化土层直达坚硬的土层里。这种方案可以避免由于液化导致地基失效的可能性。避免由于液化导致地基失效的可能性。