1、第9章 混凝土结构梁式桥抗震设计,第9章 混凝土结构梁式桥抗震设计,本章教学目标与要求 1、了解公路钢筋混凝土梁式桥的震害特征及主要原因 2、掌握桥梁抗震设计计算原理 3、熟悉桥梁延性抗震设计要求 4、了解桥梁减隔震设计原理 5、熟悉桥梁抗震构造措施,导入案例1976年唐山市发生 7.8级大地震，解放军战士星夜驰奔，赶赴灾区抢救，但蓟运河、滦河上的两座大型公路桥梁因地震而塌落，切断了唐山与天津和关外的公路交通，严重影响救援工作的迅速开展。可见地震不仅会造成房屋建筑的破坏，而且也会给桥梁结构造成损坏。因此，桥梁结构仍然需要抗震设计，如何进行抗震设计？与房屋抗震设计又有何异同？ 我们可以通过本章学
2、习得到了解。,9.1震害特征及其原因,1.桥墩弯曲破坏对于钢筋混凝土桥墩，高柔的桥墩多为弯曲型破坏，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。常出现桥墩轻微开裂、保护层混凝土剥落，严重的则受压区混凝土崩溃、钢筋裸露屈曲，从而导致变形过大而破坏。,（a）出现水平弯曲裂缝 ；（b）纵筋达到屈服 ；（c）塑性铰形成；（d）钢筋压屈(或拉断),桥墩弯曲破坏,桥墩弯曲破坏,2. 桥墩剪切破坏,(a) 出现斜向裂缝 ；(b) 出现交叉斜裂缝；(c) 交叉裂缝发展；(d) 脆性的剪切破坏,剪切破坏,3.落梁破坏,破坏机理,阪神地震时日本西宫大桥破坏,4.支座破坏,5.桥台破坏 6.基
3、础破坏,9.2桥梁抗震设计原理,公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B02-01-2008)（以下简称细则），根据公路桥梁的重要性和修复(抢修)的难易程度，将桥梁抗震设防分为A类、B类、C类和D类四个抗震设防类别，分别对应不同的抗震设防标准和设防目标。 A类桥梁的抗震设防目标是E1地震作用(重现期约为475年)下不应发生损伤，E2地震作用(重现期约为2000年)下可产生有限损伤，但地震后应能立即维持正常交通通行；B,C类桥梁的抗震设防目标是E1地震作用(重现期约为50-100年)下不应发生损伤，E2地震作用(重现期约为475-2000年)下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
4、使用；D类桥梁的抗震设防目标是E1地震作用(重现期约为25年)下不应发生损伤。因此，细则实质上是采用“两水平设防、两阶段设计”；D类桥梁采用“一水平设防、一阶段设计”。,各桥梁抗震设防类别适用范围,各设防类别桥梁的抗震设防目标,各类公路桥梁抗震设防措施等级,9.2.2地震作用分量选取与组合,细则规定各类桥梁结构的地震作用，应按下列原则考虑： （1）一般情况下，公路桥梁可只考虑水平向地震作用，直线桥可分别考虑顺桥向X和横桥向Y的地震作用；抗震设防烈度为8度和9度的拱式结构、长悬臂桥梁结构和大跨度结构，以及竖向作用引起的地震效应很重要时，应同时考虑顺桥向X、横桥向Y和竖向Z的地震作用。 （2）采用
5、反应谱法或功率谱法同时考虑三个正交方向(水平向X、Y和竖向Z)的地震作用时，可分别单独计算X向地震作用产生的最大效应EX，Y向地震作用产生的最大效应EY，与Z向地震作用产生的最大效应EZ。总的设计最大地震作用效应E按 下式计算。,SRSS法,（3）当采用时程分析法时，应同时输人三个方向分量的一组地震动时程计算地震作用效应。,9.2.3桥梁地震作用的计算,1.水平设计加速度反应谱,抗震重要性系数,场地系数,阻尼调整系数,抗震设防烈度和水平向设计基本地震动加速度峰值A,9.2.4抗震计算方法 （1）单一方向的地震作用效应(内力、位移)，一般可采用SRSS方法，按式(9-7)确定：,（2）当结构相邻
6、两阶振型的自振周期和()接近时，即和之比满足（9-8），应采用CQC方法按式(9-9)计算地震作用效应。,周期比,相关系数,9.2.6规则桥梁地震作用的计算,根据地震震害调查，桥梁上部结构直接受震破坏的情况很少，主要的破坏在墩台部位，因此，桥梁抗震的重点在于墩台的抗震设计。1.桥墩抗震计算简图,(1) 柔性墩。细则在确定柔性桥墩的基本周期和地震作用时，均按单墩模型考虑。其理由如下：一是桥墩所支承的上部构造重量远较墩本身的重量为大，两者比值一般为5:18: 1；二是它们均属柔性结构；三是计算简单，可满足工程上所要求的精度。,(2) 多排桩基础上的桥墩及实体墩。由于公路桥梁墩身一般不高，因此在确定
7、地震作用时一般只考虑第一阶振型，而将高阶振型贡献略去不计。考虑到墩身在横桥向和顺桥向的刚度不同，在计算时两个方向分别采用不同的振型。在确定基本周期时，仍可以简化为单质点处理实体墩的结构计算简图也可采用自由端等代刚度的悬臂杆，其基本周期简化为单质点体系求得。在确定地震作用时，将墩身分为若干分段按多质点体系计算。,2. 重力式桥墩水平地震作用计算,计算简图,顺桥向,横桥向,3. 柱式墩顺桥向水平地震作用计算柱式墩计算简图如图所示，顺桥向水平地震荷载可采用下列简化公式计算：,计算简图,换算质点重力,上部结构的重力,墩身重力,盖梁的重力,墩身重力换算系数,顺桥向支座顶面上的单位水平力在墩身计算高度 H
8、/2处引起的水平位移与支座顶面处的水平位移之比值,4.采用板式橡胶支座的梁桥水平地震作用计算(略) 5.桥台水平地震作用计算梁桥桥台的地震作用与土在地震时的压力有关，这是一个结构与地基和基础与填土之间的相互作用问题。公路桥台一般具有截面大而高度低的特点，对于轻型桥台因缺少动力特性的观测和试验研究资料，故采用静力法计算,作用于台身重心处的水平地震作用,基础顶面以上台身的重力,地震主动土压力,地震动水压力,6.地震主动土压力和动水压力细则规定，E1地震作用抗震设计阶段，应考虑地震时动水压力和主动土压力的影响，在E2地震作用抗震设计阶段，一般不需考虑。,7.梁桥结构基本周期的近似计算 1）梁桥桥墩基
9、本周期的近似公式。梁桥桥墩的基本周期可通过实测、试验或理论计算确定。一般情况下，可按下列近似公式计算各类桥墩的基本周期。,柔性墩,换算质点重力,实体墩顺桥向,实体墩横桥向,9. 3桥梁延性抗震设计 9.3.1延性抗震设计原则延性抗震设计是指允许桥梁结构发生塑性变形，不仅用构件的强度作为衡量结构性能的指标，同时要校核构件的延性能力是否满足要求。延性抗震设计时，允许发生塑性变形的构件叫延性构件。能力保护设计原则的基本思想在于：通过设计，使结构体系中的延性构件和能力保护构件形成强度等级差异，确保结构构件不发生脆性的破坏模式。,(1) 选择合理的结构布局； (2) 选择地震中预期出现的弯曲塑性铰的合理
10、位置，保证结构能形成一个适当的塑性耗能机制；通过强度和延性设计，确保潜在塑性铰区域截面的延性能力； (3) 确立适当的强度等级，确保预期出现弯曲塑性铰的构件不发生脆性破坏模式(如剪切破坏、黏结破坏等)，并确保脆性构件和不宜用于耗能的构件(能力保护构件)处于弹性反应范围。,塑性铰,按能力保护设计原则，应考虑以下几方面： 塑性铰的位置一般选择出现在墩柱上，墩柱作为延性构件设计，可以发生弹塑性变形，耗散地震能量。 墩柱的设计剪力值按能力设计方法计算，应为与柱的极限弯矩(考虑超强系数)所对应的剪力。盖梁、结点及基础按能力保护构件设计，其设计弯矩、设计剪力和设计轴力应为与柱的极限弯矩(考虑超强系数)所对
11、应的弯矩、剪力和轴力,9.3.2能力保护构件计算,钢筋混凝土构件的剪切破坏属于脆性破坏，是一种危险的破坏模式；对于抗震结构来说，墩柱剪切破坏还会大大降低结构的延性能力。因此，为了保证钢筋混凝土墩柱不发生剪切破坏，应采用能力保护设计原则进行延性墩柱的抗剪设计。 因此，进行钢筋混凝土延性墩柱的抗剪验算时，墩柱的纵向和横向剪力设计值应根据可能出现塑性铰处按实配钢筋，并采用材料强度标准值和轴压力计算出的弯矩承载能力，考虑超强系数来计算。,如何计算?,，,=1.2,细则规定：延性墩柱沿顺桥向和横桥向剪力设计值可按下列规定计算： （1）延性墩柱沿顺桥向剪力设计值,底部区域为潜在塑性铰区域时,顶、底部区域均
12、为潜在塑性铰区域时,(2) 延性墩柱沿横桥向剪力设计值,底部区域为潜在塑性铰区域时,顶、底部区域均为潜在塑性铰区域时,在双柱墩和多柱墩桥的抗震设计中，钢筋混凝土墩柱作为延性构件产生弹塑性变形耗散地震能量，而盖梁、基础等作为能力保护构件保持弹性。应采用能力保护设计原则进行盖梁的设计。根据能力保护设计原则，盖梁的抗弯强度应大于盖梁可能在地震中承受的最大、最小弯矩(对应于墩柱塑性铰处截面可能达到的正、负弯矩承载能力)。,弯矩设计值,剪力设计值,由于在地震过程中，如基础发生损伤，难以发现并且维修困难，因此要求采用能力保护设计原则进行基础计算和设计，以保证基础在达到它预期的强度之前，墩柱已超过其弹性反应
13、范围。梁桥基础沿横桥向、顺桥向的弯矩、剪力和轴力设计值应根据墩柱底部可能出现塑性铰处的弯矩承载能力(考虑超强系数)、剪力设计值和相应的墩柱最不利轴力来计算，在计算这些设计值时应和自重产生的内力组合。,沿横桥向,沿顺桥向,9.3.3墩柱强度验算对于B类、C类桥梁，顺桥向和横桥向El地震作用效应和永久作用效应组合后，应按现行的公路桥涵设计规范有关偏心受压构件的规定验算桥墩的强度。对于计算长度与矩形截面计算方向的尺寸之比小于2.5(或墩柱的计算长度与圆形截面直径之比小于2.5)的矮墩，其主要破坏模式为剪切破坏，为脆性破坏，没有延性，因此顺桥向和横桥向E2地震作用效应和永久作用效应组合后，应按现行的公
14、路桥涵设计规范相关规定验算桥墩的强度。,箍筋提供的抗剪能力,剪力设计值,9.3.4墩柱变形验算对于B类、C类桥梁，在E2地震作用下，一般情况应按式(9.36)验算潜在塑性铰区域沿顺桥向和横桥向的塑性转动能力，但对于规则桥梁，可按式(9.42 )验算桥墩墩顶的位移；对于高宽比小于2. 5的矮墩，可不验算桥墩的变形，但应验算强度。 （1）桥墩潜在塑性铰区域转动能力验算。,在E2地震作用下，潜在塑性铰区域的塑性转角,塑性铰区域的最大容许转角,塑性铰区域的最大容许转角,等效塑性铰长度(cm),取最小值,等效屈服曲率极限曲率,取2.0,悬臂墩的高度或塑性铰截面到反弯点的距离,（2）桥墩墩顶的位移验算。
15、对于规则桥梁，在E2地震作用下，可只按下式验算桥墩墩顶的位移,在E2地震作用下墩顶的位移(cm),桥墩容许位移(cm),周期的调整系数,墩顶水平位移,9.3.5支座抗震验算 (1)板式橡胶支座的抗震验算。 1）支座厚度验算2）支座抗滑稳定性验算 (2)盆式支座的抗震验算。 1）活动盆式支座2）固定盆式支座(略),9.4桥梁减隔震设计9.4.1减隔震技术应用范围细则规定，当满足下列条件之一的桥梁，可采用减隔震设计：（1）桥墩为刚性墩，桥梁的基本周期比较短；（2）桥墩高度相差较大时；（3）桥址区的预期地面运动特性比较明确，主要能量集中在高频 段时。当存在以下情况之一时，不宜采用减隔震设计：（1）地
16、震作用下，场地可能失效；（2）下部结构刚度小，桥梁的基本周期比较长；（3）位于软弱场地，延长周期可能引起地基和桥梁共振；（4）支座中可能出现负反力。,9.4.2减隔震桥梁设计原则（1）当采用隔震技术时，应保证设计的结构抗震性能高于不采用隔震技术的抗震性能；（2）要求隔震结构应具有一定的刚度和屈服强度，保证在正常使用荷载下(如风、制动力等)结构不发生有害屈服和振动；（3）必须对伸缩缝装置、相邻梁间限位装置、防落梁装置等进行合理的设计，以满足位移需求，并对施工质量给予明确规定;（4）采用减隔震设计的桥梁，在地震作用下应以隔震装置抗震为主，非弹性变形和耗能宜主要集中于这些装置，而其他构件(如桥墩等)
17、的抗震为辅；（5） 减隔震桥梁抗震分析时，可分别考虑顺桥向和横桥向的地震作用，位于抗震设防烈度8度、9度区的桥梁，考虑竖向地震效应和水平地震效应的不利组合；（6）要求减隔震装置性能可靠，且震后可对这些构件进行检测、鉴定及维护；（7）计算减隔震桥梁地震作用效应时，宜取全桥模型进行分析，并考虑伸缩装置、桩土相互作用等因素。,9.4.3减隔震装置及抗震验算减隔震装置整体型减隔震装置：（1）铅芯橡胶支座；（2）高阻尼橡胶支座；（3）摩擦摆式减隔震支座。分离型减隔震装置：（1）橡胶支座十金属阻尼器；（2）橡胶支座十摩擦阻尼器；（3）橡胶支座+黏性材料阻尼器。减隔震装置进行抗震验算的内容(1)对于橡胶型减
18、隔震装置，在E1地震作用下产生的剪切应变应小 于100 %，在E2地震作用下产生的剪切应变应小于250 %，并验算其稳定性；(2)非橡胶型减隔震装置，应根据具体的产品指标进行验算；(3)应对减隔震装置在正常使用条件下的性能进行验算。,9.5桥梁抗震构造措施,9.5.1一般抗震构造措施 （1）6度区抗震措施规定1）简支梁梁端至墩、台帽或盖梁边缘应有一定的距离(图9.17)，其最小值(cm)按下式计算,梁,9.5桥梁抗震构造措施,9.5.1一般抗震构造措施 2） 斜桥梁端至墩、台帽或盖梁边缘应有一定的距离，其最小值(cm)按下式计算取最大值,9.5桥梁抗震构造措施,9.5.1一般抗震构造措施 3）
19、曲线桥梁端至墩、台帽或盖梁边缘应有一定的距离，其最小值(cm)按下式计算取最大值,9.5桥梁抗震构造措施,9.6.1一般抗震构造措施 （2）7度区抗震措施规定1）桥台胸墙应适当加强，并在梁与梁之间和梁与桥台胸墙之间加装橡胶垫或其他弹性衬垫，以缓和冲击作用和限制梁的位移，其构造示意如图,梁,9.5桥梁抗震构造措施,9.5.1一般抗震构造措施 （3）8度区抗震措施规定1）应采用合理的限位装置，防止结构相邻构件产生过大的相对位移，设限位装置。2）梁桥活动支座，不应采用摆柱支座;当采用辊轴支座时，应采取限位措施。,梁限位装置,9.5桥梁抗震构造措施,9.5.1一般抗震构造措施 （3）8度区抗震措施规定
20、3）石砌或混凝土墩、台和拱圈的最低砂浆强度等级，应按现行公路污工桥涵设计规范(JTG D61)的要求提高一级采用。 4）桥梁下部为钢筋混凝土结构时，其混凝土强度等级不应低于C25 。 5）基础宜置于基岩或坚硬土层上。基础底面宜采用平面形式。当基础置于基岩上时，方可采用阶梯形式。（4）9度区抗震措施规定 1）梁桥各片梁间必须加强横向连接，以提高上部结构的整体性。当采用桁架体系时，必须加强横向稳定性。 2）桥梁墩、台采用多排桩基础时，宜设置斜桩。 3）桥台台背和锥坡的填料不宜采用砂类土，填土应逐层夯实，并注意采取排水措施。 4）梁桥活动支座应采取限制其竖向位移的措施。,9.5桥梁抗震构造措施,9.
21、5.2延性构造措施 （1）墩柱结构构造措施。1）加密区的长度不应小于墩柱弯曲方向截面宽度的1.0或墩柱上弯矩超过最大弯矩80%的的范围；当墩柱的高度与横截面高度之比小于2.5时，墩柱加密区的长度应取全高；2）加密箍筋的最大间距不应大于l0cm或6，或；其中，为纵向钢筋的直径，为墩柱弯曲方向的截面宽度；3）箍筋的直径不应小于l0mm；,对于抗震设防烈度7度、8度地区，圆形、矩形墩柱潜在塑性铰区域内加密箍筋的最小体积含箍率,圆形截面,矩形截面,9.5桥梁抗震构造措施,9.5.2延性构造措施 （1）墩柱结构构造措施。,当采用空心截面墩柱时，潜在塑性铰区域内应配置内外两层环形箍筋，在内外两层环形箍筋之
22、间应配置足够的拉筋，如图9.23所示，加密箍筋的配置和最小体积含箍率应满足前面所述规定。,9.5桥梁抗震构造措施,9.5.2延性构造措施 （2）节点构造措施。,节点中的横向含箍率不应小于对于塑性铰加密区域含箍率的要求，竖向箍筋、横向箍筋、立柱纵筋也应符合相应要求。,8.4背景知识工程结构减震控制包括隔震、消能减震和各种被动控制、主动控制、混合控制等内容。传统的抗震结构体系是通过“加强结构”的途径来提高结构的抗震能力，但结构减震控制体系则是通过调整结构动力特性的途径，大大减小了结构在地震（或强风）中的振动反应，从而保护结构以及结构内部的设备、仪器、网络和装饰物等不受任何损害。这是一种采用新概念、新机理的新结构体系、新理论和新技术方法。在很多情况下，它更加安全和经济，它为工程结构的地震防护、减振抗风提供了一条崭新的途径，日益引起国内外学术界、工程界的兴趣和重视。目前，这个新领域仍处于不断发展和完善的阶段，随着技术的成熟和现代化社会的发展，工程结构减震控制技术将会越来越广泛地被应用，将取得显著的社会效益和经济效益。,本章小结本章主要介绍了基础隔震、消能减震体系的减震机理、工作特性和适用范围，基础隔震设计的水平向减震系数确定方法和构造措施，还介绍了消能减震结构的设计要点和设计步骤。,
