1、第四交通设计院技术交流第四交通设计院技术交流 汇报人：宫玉明汇报人：宫玉明桥梁震害桥梁震害分析分析1抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念2抗震设计与计算要抗震设计与计算要点点3对抗震设计的探讨对抗震设计的探讨4桥梁震害分析与抗震设计桥梁震害分析与抗震设计地震宏观震害地震宏观震害1典型桥梁震害典型桥梁震害2桥梁震害特征桥梁震害特征3桥梁震害启示桥梁震害启示41 桥梁震害分析桥梁震害分析 汶川地震汶川地震后，四川省交通厅组织全国后，四川省交通厅组织全国11家设计单位对四川重灾区国省主家设计单位对四川重灾区国省主干线公路上的桥梁进行震害调查和检测，共调查检测干线公路上的桥梁进行震害调查和检测，共调查
2、检测公路桥梁公路桥梁1657座座。1 1 桥梁震害分析桥梁震害分析汶川地震震区桥梁桥型比例表桥 型座数所占比例完好及轻微破坏中度破坏严重破坏损毁简支体系桥梁133780.68%82.87%9.35%7.03%0.75%拱 桥28617.26%87.75%7.00%4.20%1.05%连续梁桥332.00%72.73%12.12%9.09%6.06%连续刚构10.06%/100%/ 桥墩形式：桥墩形式：桥墩几乎均为双柱式桥墩，桥墩几乎均为双柱式桥墩，5座桥梁设独柱式桥墩，其中座桥梁设独柱式桥墩，其中4座座桥采用矩形独柱墩，桥采用矩形独柱墩，1座桥采用圆柱形独柱墩。座桥采用圆柱形独柱墩。桥梁宏观震
3、害桥梁宏观震害1 1：次生地质灾害对桥梁的破坏巨大：次生地质灾害对桥梁的破坏巨大彻底关大桥映秀岸垮塌3孔映秀至汶川公路一碗水顺河桥被崩塌体砸毁4孔1 1 桥梁震害分析桥梁震害分析映秀至卧龙公路鱼子溪2号桥被落石砸垮映秀至汶川公路桃关岷江桥被落石砸垮桥梁宏观震害桥梁宏观震害1 1：次生地质灾害对桥梁的破坏巨大：次生地质灾害对桥梁的破坏巨大1 1 桥梁震害分析桥梁震害分析映秀附近严重破坏桥梁与断层带的相互位置关系图穿越地表活穿越地表活动断裂带及动断裂带及断裂带附近断裂带附近2km范围内范围内的桥梁容易的桥梁容易发生毁灭性发生毁灭性破坏破坏 桥梁宏观震害桥梁宏观震害2 2：近场地震的影响巨大：近场地
4、震的影响巨大1 1 桥梁震害分析桥梁震害分析G213线百花大桥跨塌的第五联桥 百花百花大桥距活动断层约大桥距活动断层约1.0Km，第五联桥整体垮塌，同时残存部分，第五联桥整体垮塌，同时残存部分90的桥的桥墩出现压溃墩出现压溃现象。现象。 桥梁宏观震害桥梁宏观震害2 2：近场地震的影响巨大：近场地震的影响巨大映秀顺河桥穿过中央断裂带，全部倒塌1 1 桥梁桥梁震害震害分析分析斜桥移位普遍较大，在梁体产生纵桥向移位的同时也带来横桥向位移 百花大桥位于小半径曲线上的第五联跨塌，其它联虽破坏严重，但未发生垮塌 桥梁宏观震害桥梁宏观震害3 3：弯、斜桥破坏比直线桥严重：弯、斜桥破坏比直线桥严重1 1 桥梁
5、震害分析桥梁震害分析地震宏观震害地震宏观震害1典型桥梁震害典型桥梁震害2桥梁震害特征桥梁震害特征3桥梁震害启示桥梁震害启示41 桥梁震害分析桥梁震害分析 庙子坪大桥庙子坪大桥：主桥为连续刚构，引桥为：主桥为连续刚构，引桥为T T梁，采用梁，采用板式橡胶支座板式橡胶支座，桥墩较高，震后落梁。，桥墩较高，震后落梁。百花大桥百花大桥庙子坪大桥庙子坪大桥G2131345679111315171921232501251252201750都江堰汶川1 1 桥梁震害分析桥梁震害分析(a)第5孔落梁Detail ADetail B1 1 桥梁震害分析桥梁震害分析1 1 桥梁震害分析桥梁震害分析 百花大桥位于岷
6、江右岸，桥长495.55m，最大墩高30.87m。上部采用钢筋砼连续梁和50m简支T梁组合：425+525+50+325+520+220，平面位于R=150的圆曲线（左偏）、L=192.601的直线以及R=66的圆曲线（右偏）上。第5联桥跨，即5-20米连续梁整体倾覆，完全破坏。1 1 桥梁震害分析桥梁震害分析联 号第 5 联第 6 联墩编号13141516（固定）171819（固定）20墩高(m)30.329.929.726.922.218.17.1桥台1 1 桥梁震害分析桥梁震害分析典型的桥墩底部破坏倾斜19号墩1 1 桥梁震害分析桥梁震害分析桥墩节点破坏墩底剪切破坏1 1 桥梁桥梁震害震
7、害分析分析地震宏观震害地震宏观震害1典型桥梁震害典型桥梁震害2桥梁震害特征桥梁震害特征3桥梁震害启示桥梁震害启示4桥梁震害分析桥梁震害分析映秀岷江大桥简支梁桥，主梁横向移位映秀岷江大桥简支梁桥，主梁横向移位1.2m桥梁震害桥梁震害主梁移位主梁移位1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析寿江大桥简支梁桥，主梁纵向移位寿江大桥简支梁桥，主梁纵向移位60cm1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析桥梁震害桥梁震害主梁移位主梁移位21独秀峰大桥主梁纵横向移位，最大达独秀峰大桥主梁纵横向移位，最大达15cm， 并并有明显转动有明显转动1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析桥梁震害桥梁震害主梁移位主梁移位映秀顺河映秀顺河桥桥纵
8、向落梁纵向落梁1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析支座滑移变形1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析桥梁震害桥梁震害支座失效支座失效支座脱空1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析桥梁震害桥梁震害支座失效支座失效支座与钢板错位1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析桥梁震害桥梁震害支座失效支座失效支座纵向滑移1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析桥梁震害桥梁震害支座失效支座失效支座横向移位1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析桥梁震害桥梁震害支座失效支座失效盆式支座限位块破坏桥梁震害桥梁震害支座失效支座失效1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析盆式支座限位块破坏桥梁震害桥梁震害支座失效支座失效1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析锚固螺栓剪断
9、支座位移过大1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析碰撞型桥梁震害桥梁震害挡块损坏挡块损坏斜剪型挡块破坏的主要形式1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析水平剪切型桥梁震害桥梁震害挡块损坏挡块损坏1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析墩顶压溃湔江河大桥桥梁震害桥梁震害桥墩损坏桥墩损坏1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析墩顶塑性铰湔江河大桥、南坝大桥盖梁开裂湔江河大桥盖梁开裂十分少见，但在该桥中，多个盖梁出现了此现象。1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析墩顶剪切破坏映秀顺河桥墩底开裂1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析1995年日本阪神大地震洛马-普雷塔大地震1999年台湾集集地震1 1 桥梁桥梁
10、震害分析震害分析日本阪神（日本阪神（19951995）桥台前墙剪切破坏桥台侧墙跨塌或剪切破坏桥梁震害桥梁震害桥台损坏桥台损坏1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析百花大桥0台肋板式桥台开裂百花大桥20台胸墙破坏小黄沟中桥桥台侧墙剪切裂缝渔子溪4号桥桥台侧墙、前墙开裂桥梁震害桥梁震害桥台损坏桥台损坏1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析桥梁震害桥梁震害基础损坏基础损坏地震宏观震害地震宏观震害1典型桥梁震害典型桥梁震害2桥梁震害特征桥梁震害特征3桥梁震害启示桥梁震害启示41 1 桥梁桥梁震害分析震害分析垮塌、移位、落梁、墩身破坏、桥台破坏、垮塌、移位、落梁、墩身破坏、桥台破坏、
11、地基破坏、支座破坏、伸缩缝破坏地基破坏、支座破坏、伸缩缝破坏砸坏、挤压横移砸坏、挤压横移桥梁震害直接震害间接震害 桥位选择桥位选择应应充分考虑地形和地质充分考虑地形和地质条件条件，尽量远离滑坡、崩塌地段，尽量远离滑坡、崩塌地段，对于必须通过不良地质病害的桥位应进行处治。对于必须通过不良地质病害的桥位应进行处治。 桥位要桥位要尽量远离断裂带尽量远离断裂带，尤其应避免与断裂带小角度交叉。同时选，尤其应避免与断裂带小角度交叉。同时选择易于修复的桥梁方案，并制定相应的应急预案。择易于修复的桥梁方案，并制定相应的应急预案。 在地震高烈度地区应在地震高烈度地区应尽量少采用斜桥尽量少采用斜桥，斜、弯桥在设计
12、时应考虑多，斜、弯桥在设计时应考虑多方向地震输入。方向地震输入。1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析垮塌、移位、落梁、墩身破坏、桥台破坏、垮塌、移位、落梁、墩身破坏、桥台破坏、地基破坏、支座破坏、伸缩缝破坏地基破坏、支座破坏、伸缩缝破坏砸坏、挤压横移砸坏、挤压横移桥梁震害直接震害间接震害 重视概念设计重视概念设计，选择合理的结构抗震体系选择合理的结构抗震体系。 合理选择和布置支座合理选择和布置支座，尽可能由多个桥墩分担水平地震力。，尽可能由多个桥墩分担水平地震力。 综合应用综合应用增大主梁搁置长度、设置纵横向挡块、设置防落梁装置增大主梁搁置长度、设置纵横向挡块、设置防落梁装置等等方法，应对落梁震害
13、。方法，应对落梁震害。 合理设置墩柱的箍筋合理设置墩柱的箍筋，增强延性变形能力；，增强延性变形能力；避免剪切破坏避免剪切破坏。1 1 桥梁桥梁震害分析震害分析抗震概念设计抗震概念设计1P-M-P-M-曲线曲线2延性抗震原理延性抗震原理3能力设计方法能力设计方法42 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念抗震设计流程抗震设计流程 抗震概念设计抗震概念设计确定地震作用确定地震作用 建立计算模型建立计算模型 E1地震力与强度验算地震力与强度验算 确定确定P-M-曲线曲线 E2地震力与位移验算地震力与位移验算 能力保护构件计算能力保护构件计算延性构造细节与
14、抗震措施延性构造细节与抗震措施 概念设计包含概念设计包含场地场地与地基、桥梁结构型式、与地基、桥梁结构型式、抗震耗能体系、抗震构造措施、减隔震抗震耗能体系、抗震构造措施、减隔震体系体系 等方等方面内容，既有定性分析，也有定量分析。面内容，既有定性分析，也有定量分析。 结构结构抗震设计抗震设计 概念设计概念设计 数值设计数值设计2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念定义：定义：根据地震灾害和工程经验等归纳的抗震基根据地震灾害和工程经验等归纳的抗震基本设计原则和设计思想，进行桥梁结构总体布置、本设计原则和设计思想，进行桥梁结构总体布置、确定细部构造的过程确定细部构造的过程。理想的理想的桥梁抗
15、震结构体系：桥梁抗震结构体系：(1) 几何线形：几何线形：直桥，各墩高度相差不大。直桥，各墩高度相差不大。(2) 结构布局：结构布局：上部结构连续，伸缩缝尽可能少；桥梁保持小上部结构连续，伸缩缝尽可能少；桥梁保持小跨径跨径；多个桥墩上设置弹性支座；多个桥墩上设置弹性支座；各个桥墩的强度和刚度在各各个桥墩的强度和刚度在各个方向都相同；基础建造在坚硬场地上。个方向都相同；基础建造在坚硬场地上。2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念桥梁概念设计流程：桥梁概念设计流程： 初拟设计方案初拟设计方案简单计算模型简单计算模型 动力特性分析动力特性分析 地震反应估算地震反应估算 抗震薄弱部位分析抗震薄弱
16、部位分析 较好的抗震体系较好的抗震体系 延性设计延性设计常规桥梁概念设计要点：常规桥梁概念设计要点：（1 1）一联内任意两桥墩）一联内任意两桥墩组合组合刚度比宜刚度比宜 0.5 0.5。（2 2）一联内相邻桥墩组合刚度比宜）一联内相邻桥墩组合刚度比宜 0.75 0.75。（3 3）相邻联基本周期比宜）相邻联基本周期比宜 0.7 0.7。（4 4）不满足以上要求的，宜采用）不满足以上要求的，宜采用调整支座剪切刚度调整支座剪切刚度、调整墩柱尺调整墩柱尺寸或配筋率寸或配筋率的方法来改变桥墩组合刚度比或相邻联周期比。的方法来改变桥墩组合刚度比或相邻联周期比。（3 3）双柱墩或多柱墩在横桥向地震作用下，
17、应考虑盖梁可能出现）双柱墩或多柱墩在横桥向地震作用下，应考虑盖梁可能出现的正负弯矩交替作用。的正负弯矩交替作用。2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念EQPlasticHinge抗震体系抗震体系1 1：桥梁的塑性变形、耗能部位位于桥墩：桥梁的塑性变形、耗能部位位于桥墩2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念EQSeismicIsolation抗震体系抗震体系2 2：桥梁的耗能部位位于桥梁上下部连接构件：桥梁的耗能部位位于桥梁上下部连接构件2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念抗震体系抗震体系3 3：混合型，上下部连接构件和桥墩均：混合型，上下部连接构件和桥墩均 具有塑性变形和耗
18、能的作用具有塑性变形和耗能的作用抗震体系抗震体系4 4：墩柱、基础弹性，墩柱、基础弹性，上部结构塑性变上部结构塑性变形形钢桥钢桥EQDuctileSuperstructure2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念抗震概念设计抗震概念设计1P-M-P-M-曲线曲线2延性抗震原理延性抗震原理3能力设计方法能力设计方法42 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念yy中 性 轴ixyix形 心 轴oAiiyi2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念 条带法条带法基于钢筋和混凝土的弹塑性本构关系，利用材基于钢筋和混凝土的弹塑性本构关系，利用材料力学方法
19、获得截面的料力学方法获得截面的P-M-P-M-曲线，计算过程简单，方便曲线，计算过程简单，方便快捷。快捷。基本假定：基本假定：l 截面变形维持平截面与构件截面变形维持平截面与构件轴线垂直轴线垂直l 不考虑钢筋与混凝土之间的不考虑钢筋与混凝土之间的 滑移滑移l 不考虑剪切应变不考虑剪切应变2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念 MIDASMIDAS中提供了多种钢筋中提供了多种钢筋和混凝土的弹塑性本构关系，和混凝土的弹塑性本构关系，对于常规桥梁推荐采用如下：对于常规桥梁推荐采用如下：钢筋钢筋双折线双折线混凝土混凝土ManderMander延性抗震延性抗震定义定义2 2 抗震设计的重要概念抗震
20、设计的重要概念 材料、构件或结构的延性，通常定义为在材料、构件或结构的延性，通常定义为在初始强度没有明初始强度没有明显退化情况下的非弹性变形能力。显退化情况下的非弹性变形能力。 承受较大非弹性变形，同时强度没有明显下降的能力承受较大非弹性变形，同时强度没有明显下降的能力 利用滞回特性吸收能量的能力利用滞回特性吸收能量的能力材料材料的延性的延性: : 发生了较大的非弹性变形，强度没有明显下降发生了较大的非弹性变形，强度没有明显下降构件构件的延性：局部延性的延性：局部延性结构结构的延性：整体延性的延性：整体延性在地震动（随机反复荷载）作用下，结构和构件的在地震动（随机反复荷载）作用下，结构和构件的
21、延性会有所降低。延性会有所降低。延性抗震延性抗震恢复力恢复力2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5051015202530354045-30-20-100102030 模型2 轴压比：15%含箍率：0.40%配筋率：1.13%砼强度：19.4横向力(KN)墩顶横向位移(mm) -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5051015202530354045-40-30-20-10010203040模型3 轴压比：20%含箍率：0.57%配筋率：1.54%砼强度：19.4横向力(KN)墩顶横向位移
22、(mm)截面尺寸：10cm10cm墩高：100cm保护层厚度：1.5cm实测恢复力曲线实测恢复力曲线2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念（1 1）曲率延性系数）曲率延性系数 MmaxMyMu屈服点开裂点弯矩最大点失效点截面弯矩曲率关系示意图yu塑性铰区截面的极限曲率塑性铰区截面的极限曲率与屈服曲率之比与屈服曲率之比：yu（2 2）位移延性系数）位移延性系数构件的最大构件的最大位移与屈服位移与屈服位移之比：位移之比：yu结构的位移延性系数结构的位移延性系数 与结构的与结构的布置有关布置有关钢筋混凝土截面的屈服曲率：*截面最外层受拉钢筋初始屈服时（适筋构件）*截面混凝土受压区最外层纤维初次
23、达到峰值应变值时（超筋构件或高轴压比构件）极限曲率：*被箍筋约束的核心混凝土达到极限压应变*临界截面的抗弯能力下降到最大弯矩值的85%。延性抗震延性抗震延性指标延性指标延性抗震延性抗震延性与变形能力延性与变形能力2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念变形能力延性 y u 变形抗力RRy位移延性系数u/y 延性、位移延性系数和变形能力 柔性高墩与延性矮墩的比较 sy ty su tu 变形抗力R 矮墩的力-位移曲线 高墩的力-位移曲线s6t3一一个结构或构件可能有个结构或构件可能有较大的延性，但最大位较大的延性，但最大位移延性系数却可能移延性系数却可能较低！较低！一个结构或构件可能有一个结
24、构或构件可能有较大的变形能力，但它较大的变形能力，但它实际可利用的延性却可实际可利用的延性却可能较低！能较低！2.4 2.4 延性抗震延性抗震延性的意义延性的意义2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念 纯粹依靠强度抗震不经济，希望利用延性抗震，即利用塑性铰减小地震力，并耗散能量。 使结构具有能够适应大地震激起的反复的弹塑性变形循环的滞回延性 地震输入能量=结构的动能+弹性应变能+阻尼耗能+滞回耗能延性抗震是以结构出现一定程度的损坏为代价。通过延性构件在地震动下发生的反复的弹塑性变形循环，耗散掉大量的地震输入能量，保证结构的抗震安全。强度强度变形变形能量能量 滞回耗能与弹性应变能示意图 为
25、了为了提高钢筋混凝土墩柱的延性性能，通常用做成密排螺旋筋提高钢筋混凝土墩柱的延性性能，通常用做成密排螺旋筋或箍筋形式的横向约束钢筋来约束混凝土或箍筋形式的横向约束钢筋来约束混凝土。 影响影响钢筋混凝土墩柱延性的因素：钢筋混凝土墩柱延性的因素：桥墩截面、纵筋配置、轴压比、混凝土标号、箍筋含量及配置方案桥墩截面、纵筋配置、轴压比、混凝土标号、箍筋含量及配置方案延性抗震延性抗震钢筋混凝土柱延性设计钢筋混凝土柱延性设计 ( (a) a) 圆形箍筋或螺旋筋圆形箍筋或螺旋筋 ( (b) b) 配置交叉拉筋的矩形箍筋配置交叉拉筋的矩形箍筋 ( (c)c)部分重叠的箍筋部分重叠的箍筋2 2 抗震设计的重要概念
26、抗震设计的重要概念横向横向钢筋的约束钢筋的约束作用作用箍筋箍筋对核心混凝土的约束作用对核心混凝土的约束作用 纵向钢筋纵向钢筋的约束作用的约束作用普通普通约束混凝土的应力应变曲线约束混凝土的应力应变曲线 当混凝土中的应力较低时，混凝土不受约束。当混凝土中的应力接近单当混凝土中的应力较低时，混凝土不受约束。当混凝土中的应力接近单轴强度时，内部开裂不断发展，横向应变变得很大，于是横向钢筋受拉，混轴强度时，内部开裂不断发展，横向应变变得很大，于是横向钢筋受拉，混凝土就变成受约束的了。横向箍筋能有效地限制混凝土的横向膨胀，改善核凝土就变成受约束的了。横向箍筋能有效地限制混凝土的横向膨胀，改善核心混凝土的
27、应力应变关系，并阻止纵向钢筋屈曲心混凝土的应力应变关系，并阻止纵向钢筋屈曲2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念延性抗震延性抗震，必须保证结构具有的延性，必须保证结构具有的延性（延性能力）（延性能力）超过预期超过预期地震动所地震动所能激起的最大非弹性变形能激起的最大非弹性变形（延（延性需求）性需求）。 要要充分发挥延性能力，必须采用充分发挥延性能力，必须采用能力设计方法能力设计方法进行延性设计进行延性设计延性能力延性能力延性需求延性需求规则桥梁：简化的延性抗震设计复杂桥梁：非线性动力时程分析抗震概念设计抗震概念设计1P-M-P-M-曲线曲线2延
28、性抗震原理延性抗震原理3能力设计方法能力设计方法42 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念 (a) 脆性链子脆性链子 (b)延性链子延性链子PP脆性链子，强度为脆性链子，强度为Pib延性链子，强度延性链子，强度为为Pd脆性链子，强度为脆性链子，强度为P PibibP能力保护设计能力保护设计原理的简单范例原理的简单范例P基本原理：基本原理：在结构体系在结构体系中的延性构件和能力保中的延性构件和能力保护构件之间建立强度安护构件之间建立强度安全等级差异（如同保险全等级差异（如同保险丝），以确保结构不会丝），以确保结构不会发生脆性的破坏模式。发生脆性的破坏模式。能力设计方法能力设计方法基本原理基本原理
29、2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念采用能力设计方法进行延性抗震设计，一般分为三步：采用能力设计方法进行延性抗震设计，一般分为三步： (1)(1) 选定选定潜在塑性铰位置，对塑性铰区截面进行强度和潜在塑性铰位置，对塑性铰区截面进行强度和延延 性性设计设计(2) (2) 延性构件中脆性破坏模式检算延性构件中脆性破坏模式检算(3) (3) 能力保护构件设计能力保护构件设计结构抗震性能结构抗震性能传统传统方法方法能力设计方法能力设计方法塑性铰出现位置塑性铰出现位置塑性铰的布局塑性铰的布局局部延性需求局部延性需求结构整体抗震性能结构整体抗震性能防止结构倒塌破坏概率防止结构倒塌破坏概率不明确不明
30、确随机随机难以估计难以估计难以预测难以预测有限有限预定的构件部位预定的构件部位预先选择预先选择与整体延性需求直接联系与整体延性需求直接联系可以预测可以预测概率意义上的最大限度概率意义上的最大限度抗震设计方法比较抗震设计方法比较2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念能力设计方法能力设计方法潜在塑性铰的位置潜在塑性铰的位置潜在潜在塑性铰位置的选择塑性铰位置的选择选择结构中预期出现的塑性铰位置时，应能选择结构中预期出现的塑性铰位置时，应能使结构获得使结构获得最优的耗能最优的耗能，并尽可能使预期的塑性铰出现在，并尽可能使预期的塑性铰出现在易于发现易于发
31、现和易于修复和易于修复的结构部位。的结构部位。设计地震力设计设计地震力与位移延性系数关系地震力与位移延性系数关系 延性延性结构根据延性能结构根据延性能力的发挥程度分为：力的发挥程度分为：完全完全延性结构延性结构有限有限延性结构延性结构完全完全弹性结构弹性结构 桥梁桥梁结构的延性类型选择：结构的延性类型选择：普通公路桥梁：完全延性结构型式普通公路桥梁：完全延性结构型式重要性桥梁：有限延性结构型式重要性桥梁：有限延性结构型式关键性桥梁：完全弹性结构型式关键性桥梁：完全弹性结构型式2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念能力设计方法能力设计方法选择位移延性水平选择位移延性水平支座支座盖梁盖梁墩柱
32、墩柱抗剪抗剪结点结点基础基础Add Your Text2 2 抗震设计的重要概念抗震设计的重要概念能力设计方法能力设计方法能力保护构件能力保护构件相关情况介绍相关情况介绍1规则桥梁简化计算规则桥梁简化计算2复杂桥梁建模复杂桥梁建模3减隔震设计减隔震设计43 抗震设计与计算要点抗震设计与计算要点 高地震烈度区公路项目高地震烈度区公路项目3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算 高地震烈度区公路项目高地震烈度区公路项目3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算（1 1）公路工程抗震规范公路工程抗震规范（JTG B02-2013JTG B02-2013）（2 2）公路桥梁抗震设计细则公路桥梁抗震设计细则（JT
33、G/T B02-01-2008JTG/T B02-01-2008）（3 3）城市桥梁抗震设计规范城市桥梁抗震设计规范（CJJ 166-2011CJJ 166-2011）（4 4）建筑抗震设计规范建筑抗震设计规范（GB50011-2010GB50011-2010） 设计规范设计规范3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算设计软件设计软件（1 1）结构力学）结构力学求解器求解器（2 2） MIDASMIDAS（3 3） SAP2000SAP2000 基于性能的抗震设计基于性能的抗震设计是是0808细则的基本思想，采用两细则的基本思想，采用两水平设防（水平设防（EI/E2EI/E2）、两阶段设计（弹性）
34、、两阶段设计（弹性/ /延性），结构延性），结构在受到不同水平地震（不同概率地震）作用下的性能达在受到不同水平地震（不同概率地震）作用下的性能达到一组预期的性能目标。到一组预期的性能目标。 延性抗震：延性抗震：通过结构选定部位的塑性变形（形成塑通过结构选定部位的塑性变形（形成塑性铰）来抵抗地震作用性铰）来抵抗地震作用 能力能力保护保护原则：原则：确保确保塑性铰只在选定的位置出现，塑性铰只在选定的位置出现，并且不出现剪切破坏等破坏模式并且不出现剪切破坏等破坏模式。 抗震设防理念抗震设防理念3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算抗震设计流程抗震设计流程 抗震概念设
35、计抗震概念设计确定地震作用确定地震作用 建立计算模型建立计算模型 E1地震力与强度验算地震力与强度验算 确定确定P-M-曲线曲线 E2地震力与位移验算地震力与位移验算 能力保护构件计算能力保护构件计算延性构造细节与抗震措施延性构造细节与抗震措施 相关情况介绍相关情况介绍1规则桥梁简化计算规则桥梁简化计算2复杂桥梁建模复杂桥梁建模3减隔震设计减隔震设计43 3 抗震设计与计算抗震设计与计算 08 08细则中，参考国外规范对规则桥梁做了范围限定，具体的限细则中，参考国外规范对规则桥梁做了范围限定，具体的限制较多：制较多：（1 1）跨数不多、跨径不大）跨数不多、跨径不大（2 2）几何尺寸、质量、刚度
36、无突变）几何尺寸、质量、刚度无突变（3 3）相邻桥墩刚度差异小）相邻桥墩刚度差异小（4 4）桥墩长细比在一定范围）桥墩长细比在一定范围（5 5）桥址地形、地质情况好）桥址地形、地质情况好 山区高速的常规桥梁一般在山区高速的常规桥梁一般在桥墩长细比和刚度比桥墩长细比和刚度比方面不容易满方面不容易满足。足。 规则桥梁简化计算规则桥梁简化计算3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算 规则桥梁的地震反应以第一振型为主，可以略去高阶振型的响应，用单振型反应谱法单振型反应谱法分析。 规则桥梁的上部结构自重远大于下部结构自重（5:1以上），可以采用单质点模型单质点模型。 规则桥梁简化计算规则桥梁简化计算3 3
37、抗震设计与计算抗震设计与计算规则桥梁规则桥梁单墩模型（固定墩）重力式桥墩重力式桥墩多质点模型，柱式桥墩柱式桥墩单质点模型采用板式橡胶支座的桥梁采用板式橡胶支座的桥梁按支座与墩身耦联刚度分配顺桥向水平地震力 规则桥梁简化计算规则桥梁简化计算3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算 单质点模型单质点模型：将质量集中布置在支座顶面，在质点上作用一个水平集中力 规则桥梁简化计算规则桥梁简化计算3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算多质点模型多质点模型：将上部质量集中布置在支座顶面，下部质量分段布置在该段质心上，在支座顶面作用一个水平集中力 挠曲线挠曲线：采用结构力学求解器或有限元软件求解。考虑地基变形可采用
38、以下两种方法： 有效嵌固法有效嵌固法 土弹簧法土弹簧法规则桥梁简化计算规则桥梁简化计算3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算相关情况介绍相关情况介绍1规则桥梁简化计算规则桥梁简化计算2复杂桥梁建模复杂桥梁建模3减隔震设计减隔震设计43 抗震设计与计算要点抗震设计与计算要点车辆车辆地地震震风载风载3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算动力特性动力特性( )( )( )( )M u tC u tK u tF t 有限元模型有限元模型3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算刚度模拟刚度模拟 挠曲刚度、剪切刚度、轴向挠曲刚度、剪切刚度、轴向拉压刚度、扭转刚度；拉压刚度、扭转刚度；质量模拟质量模拟包括平动质量和
39、转动惯量；包括平动质量和转动惯量；边界条件模拟边界条件模拟支座、伸缩缝、其它结构、支座、伸缩缝、其它结构、基础等。基础等。主梁的模拟：主梁的模拟：脊梁脊梁式、二梁式、式、二梁式、梁式、三梁式梁式、三梁式脊梁式脊梁式优点：把截面所有的挠曲、扭转刚度、质量、转动惯量集中在中间节点；优点：把截面所有的挠曲、扭转刚度、质量、转动惯量集中在中间节点；缺点：无法计入横梁的刚度及主梁的约束扭转刚度；缺点：无法计入横梁的刚度及主梁的约束扭转刚度；适用：闭口整体箱梁。适用：闭口整体箱梁。3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算二梁式二梁式优点：节点数少，可充分考虑横梁的质量、刚度，主梁可提供部分约束优点：节点数少，
40、可充分考虑横梁的质量、刚度，主梁可提供部分约束扭转刚度；扭转刚度；缺点：断面的横向刚度失真；缺点：断面的横向刚度失真；适用：双分离主梁。适用：双分离主梁。3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算(1)(1)固定支座固定支座铰接铰接(2)(2)滑动支座滑动支座双线性弹塑性弹簧双线性弹塑性弹簧 聚四氟乙烯滑板式支座；聚四氟乙烯滑板式支座； 盆式橡胶支座（滑动支座盆式橡胶支座（滑动支座）固定支座固定支座单向滑动盆式橡胶支座单向滑动盆式橡胶支座支座的模拟支座的模拟滑板式支座滑板式支座3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算KeKe(3)(3)普通板式橡胶支座普通板式橡胶支座线性弹簧线性弹簧3 3 抗震设计与计
41、算抗震设计与计算(4)(4)隔隔震震支座：铅芯支座：铅芯橡胶橡胶支座、高支座、高阻尼橡胶阻尼橡胶支座、支座、LNRLNR、HDRHDR、NDQZNDQZ等等3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算基础的模拟基础的模拟(1)(1)扩大基础扩大基础、沉井基础、锚锭处理为、沉井基础、锚锭处理为固结；固结；(2)(2)桩基础桩基础一般采用以下两种模拟方法：一般采用以下两种模拟方法： 边界元上加弹簧刚度边界元上加弹簧刚度 桩单元加土弹簧桩单元加土弹簧 3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算时程分析的必要性：时程分析的必要性： 对于复杂大跨桥型，对于复杂大跨桥型，反应谱法与时程法的计算结果相差反应谱法与时程法的
42、计算结果相差较大较大，现行的反应谱分析方法有待于进一步发展。，现行的反应谱分析方法有待于进一步发展。 为了进一步了解为了进一步了解地震作用下桥梁结构的性能地震作用下桥梁结构的性能，考虑结构，考虑结构材料的塑性及几何变形的非线性是必要的材料的塑性及几何变形的非线性是必要的结构非线性：结构非线性： 几何非线性几何非线性大变形（缆索、梁、柱）大变形（缆索、梁、柱） 材料非线性材料非线性非线性应力应变关系非线性应力应变关系 边界条件非线性边界条件非线性接触问题（支座、伸缩缝、挡块、接触问题（支座、伸缩缝、挡块、地基）地基）3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算推倒法简介推倒法简介静力弹塑性方法（静力弹塑
43、性方法（PUSH-0VERPUSH-0VER） 推倒方法是一种与反应谱相结合的静力非线性分析方法，以弹性推倒方法是一种与反应谱相结合的静力非线性分析方法，以弹性反应谱为基础，将结构简化为等效单自由度体系。反应谱为基础，将结构简化为等效单自由度体系。 基本原理：基本原理：按一定的水平荷载加载方式，对结构施加单调递增的按一定的水平荷载加载方式，对结构施加单调递增的水平荷载，逐步将结构推至一个给定的目标位移来研究分析结构的性水平荷载，逐步将结构推至一个给定的目标位移来研究分析结构的性能，从而判断结构及构件的变形、受力、是否满足设计要求。能，从而判断结构及构件的变形、受力、是否满足设计要求。 基本假定
44、：基本假定： 结构反应可由单一振型控制结构反应可由单一振型控制; ; 在整个时程反应中在整个时程反应中, ,振型形状保持不变。振型形状保持不变。3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算POPO法计算方法：法计算方法：(1) (1) 建立结构的计算模型、构件的物理参数和恢复力模型等；建立结构的计算模型、构件的物理参数和恢复力模型等；(2) (2) 计算结构在竖向荷载作用下的内力；计算结构在竖向荷载作用下的内力；(3) (3) 将地震力等效为与第一振型等效的水平荷载模式。在结构各层的质心处，将地震力等效为与第一振型等效的水平荷载模式。在结构各层的质心处，沿高度施加以上形式的水平荷载。确定其大小的原则是
45、：水平力产生的内力与沿高度施加以上形式的水平荷载。确定其大小的原则是：水平力产生的内力与前一步计算的内力叠加后，恰好使一个或一批杆件开裂或屈服；前一步计算的内力叠加后，恰好使一个或一批杆件开裂或屈服；(4) (4) 对于开裂或屈服的杆件，对其刚度进行修改后，再增加一级荷载，又使得对于开裂或屈服的杆件，对其刚度进行修改后，再增加一级荷载，又使得一个或一批杆件开裂或屈服；一个或一批杆件开裂或屈服；(5) (5) 不断重复步骤（不断重复步骤（3 3）、（）、（4 4），直至结构达到某一目标位移或发生破坏，），直至结构达到某一目标位移或发生破坏，将此时的结构的变形和承载力与允许值比较，以此来判断是否满
46、足将此时的结构的变形和承载力与允许值比较，以此来判断是否满足“大震不倒大震不倒”的要求。的要求。3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算静力弹塑性方法适用条件：静力弹塑性方法适用条件：(1)(1)面对结构，可直观地确定整体倒塌机制中各个面对结构，可直观地确定整体倒塌机制中各个 塑性铰的形成过程塑性铰的形成过程; ;(2)(2)静力方法，能给出结构在地震作用下的性能；静力方法，能给出结构在地震作用下的性能；(3)(3)适用于结构振动以第一振型为主、基本周期在适用于结构振动以第一振型为主、基本周期在2 2 秒以内的结构。秒以内的结构。3 3 抗震设计与计算抗震设计与计算相关情况介绍相关情况介绍1规则桥
47、梁简化计算规则桥梁简化计算2复杂桥梁建模复杂桥梁建模3减隔震设计减隔震设计43 抗震设计与计算要点抗震设计与计算要点 减减隔震技术是一种简便、经济、先进的工程抗震手段。隔震技术是一种简便、经济、先进的工程抗震手段。 减震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，大量消耗进入结构体系的能量区，产生大阻尼，大量消耗进入结构体系的能量； 隔隔震震则利用隔震体系，设法阻止地震能量进入主体结构则利用隔震体系，设法阻止地震能量进入主体结构。 在在实践中，常常实践中，常常把减震和隔震两种把减震和隔震两种体系合二为一体系合二为一。通
48、过。通过选择适选择适当的减隔震装置与设置位置当的减隔震装置与设置位置, ,可以达到可以达到控制结构内力分布与大小控制结构内力分布与大小的目的目的。的。3 3 抗震设计与计算要点抗震设计与计算要点3 3 抗震设计与计算要点抗震设计与计算要点采用减隔震技术的附加好处采用减隔震技术的附加好处：1 1）通过合理设计减隔震系统，可改善地震力在下部结构各支座间的分）通过合理设计减隔震系统，可改善地震力在下部结构各支座间的分布，以保护基础、墩台等，必要时还可保护上部结构。布，以保护基础、墩台等，必要时还可保护上部结构。 2)2)有些减隔震支座在正常使用条件下，由温度、收缩、徐变等变形引起有些减隔震支座在正常
49、使用条件下，由温度、收缩、徐变等变形引起的抗力很小。（可在超多跨连续梁桥中采用）的抗力很小。（可在超多跨连续梁桥中采用） 3 3 抗震设计与计算要点抗震设计与计算要点加速度反应谱阻尼减少周期延长加速度谱周期 （T）位移反应谱阻尼减少周期延长位移谱周期 （T） 减隔震技术的减隔震技术的基本原理：基本原理： 采用柔性支承延长结构周期，减小结构地震反应；采用柔性支承延长结构周期，减小结构地震反应； 采用阻尼器装置耗散能量，限制结构位移；采用阻尼器装置耗散能量，限制结构位移； 保证结构在正常使用荷载作用下具有足够的刚度保证结构在正常使用荷载作用下具有足够的刚度 3 3 抗震设计与计算要点抗震设计与计算
50、要点桥梁桥梁减隔震减隔震系统组成：系统组成： 柔性支承装置柔性支承装置 （橡胶支座、滚轴、滑板、缆索悬吊）；（橡胶支座、滚轴、滑板、缆索悬吊）； 阻尼装置（滞回阻尼、摩擦阻尼、粘滞阻尼、液压摩擦阻尼）；阻尼装置（滞回阻尼、摩擦阻尼、粘滞阻尼、液压摩擦阻尼）； 安全措施安全措施 （运营荷载下的安全措施、提供活动空间的构造、防落梁构造）（运营荷载下的安全措施、提供活动空间的构造、防落梁构造）耗能装置的滞回曲线A 弹塑性阻尼装置B 摩擦阻尼装置C 粘弹性阻尼装置D 粘滞阻尼装置3 3 抗震设计与计算要点抗震设计与计算要点减减隔震技术与延性抗震设计的比较隔震技术与延性抗震设计的比较原理类似：原理类似：
