1、第八章第八章 桥梁结构的抗震设计桥梁结构的抗震设计 第一节第一节 震害现象及其分析震害现象及其分析 l 引起桥梁震害的原因主要有四个方面：引起桥梁震害的原因主要有四个方面：地震使得地基失效或地基变形；地震使得地基失效或地基变形；实际发生的地震强度大于抗震设防的标准；实际发生的地震强度大于抗震设防的标准；桥梁的结构设计和施工不满足要求；桥梁的结构设计和施工不满足要求；桥梁结构本身的抗震能力不足。桥梁结构本身的抗震能力不足。l 从结构抗震设计来分析，可将桥梁震害划分为两类：从结构抗震设计来分析，可将桥梁震害划分为两类：静力作用的破坏，即地基失效变形引起的破坏；静力作用的破坏，即地基失效变形引起的破
2、坏；动力作用的破坏，即结构的强烈震动导致的破坏。动力作用的破坏，即结构的强烈震动导致的破坏。1.1.桥梁上部结构的震害桥梁上部结构的震害 按震害产生原因的不同，可分为上部结构的自身震害、按震害产生原因的不同，可分为上部结构的自身震害、移位震害和碰撞震害。移位震害和碰撞震害。(1)(1)自身震害自身震害 在地震中比较少见，发现此类震害中主在地震中比较少见，发现此类震害中主要是钢结构的局部屈曲破坏。要是钢结构的局部屈曲破坏。(2)(2)移位震害移位震害 在破坏性地震中极为常见，一般都是发在破坏性地震中极为常见，一般都是发生在设置伸缩缝处，表现为有纵向、横向和扭转位移，常生在设置伸缩缝处，表现为有纵
3、向、横向和扭转位移，常会引起落梁。会引起落梁。(3)(3)碰撞震害碰撞震害 见于相邻结构间距设置过小，较典型的见于相邻结构间距设置过小，较典型的是相邻跨上部结构的碰撞，上部结构与桥台的碰撞，以及是相邻跨上部结构的碰撞，上部结构与桥台的碰撞，以及相邻桥梁之间的碰撞。相邻桥梁之间的碰撞。2.2.桥梁支座震害桥梁支座震害 桥梁支座的震害现象都比较常见，其原因主要是：桥梁支座的震害现象都比较常见，其原因主要是：u 支座在设计时没有充分考虑抗震的要求支座在设计时没有充分考虑抗震的要求u 连接和支挡等构造措施不足连接和支挡等构造措施不足u 一些支座形式和材料本身存在问题。一些支座形式和材料本身存在问题。支
4、座破坏常会造成落梁。支座破坏常会造成落梁。支座的破坏形式常表现为：支座的破坏形式常表现为：支座的位移、脱空，锚固螺栓被拔出或剪断，活动支座支座的位移、脱空，锚固螺栓被拔出或剪断，活动支座的脱落及支座本身的损坏等。的脱落及支座本身的损坏等。3.3.桥梁下部结构震害桥梁下部结构震害 (1)(1)墩柱破坏墩柱破坏 大量震害资料表明，桥梁中大多采用的是大量震害资料表明，桥梁中大多采用的是钢筋混凝土墩柱，其破坏形式大多为弯曲和剪切破坏。钢筋混凝土墩柱，其破坏形式大多为弯曲和剪切破坏。墩柱弯曲破坏墩柱弯曲破坏 此种破坏在地震中很常见，其破坏属于此种破坏在地震中很常见，其破坏属于延性的，常见的有混凝土开裂、
5、剥落、压溃和钢筋的裸露、延性的，常见的有混凝土开裂、剥落、压溃和钢筋的裸露、弯曲等，同时会有很大的塑性变形。其原因主要是：约束箍弯曲等，同时会有很大的塑性变形。其原因主要是：约束箍筋配置不足、纵向钢筋的搭接或焊接不牢靠所导致的墩柱延筋配置不足、纵向钢筋的搭接或焊接不牢靠所导致的墩柱延性能力不足。性能力不足。墩柱剪切破坏墩柱剪切破坏 桥梁墩柱的剪切破坏也是比较常见的，桥梁墩柱的剪切破坏也是比较常见的，是属于脆性破坏的，常会造成墩柱及以上结构的倒塌，是桥是属于脆性破坏的，常会造成墩柱及以上结构的倒塌，是桥梁遭受致命破坏的重要原因。梁遭受致命破坏的重要原因。墩柱基脚破坏墩柱基脚破坏 这种破坏很少见，
6、但一旦发生，就有可这种破坏很少见，但一旦发生，就有可能会导致墩梁倒塌的严重后果。能会导致墩梁倒塌的严重后果。3.3.桥梁下部结构震害桥梁下部结构震害 (2)(2)框架墩震害框架墩震害 框架墩多见于城市的高架桥中，有盖框架墩多见于城市的高架桥中，有盖梁的破坏、墩柱的破坏和节点的破坏。盖梁的破坏形式有：梁的破坏、墩柱的破坏和节点的破坏。盖梁的破坏形式有：剪切强度不足引起的剪切破坏；盖梁负弯矩钢筋的截断引剪切强度不足引起的剪切破坏；盖梁负弯矩钢筋的截断引起的弯曲破坏；盖梁钢筋的锚固长度不够引起的破坏；墩起的弯曲破坏；盖梁钢筋的锚固长度不够引起的破坏；墩柱的破坏与上面提到的墩柱破坏相似；节点的破坏形式
7、主柱的破坏与上面提到的墩柱破坏相似；节点的破坏形式主要是剪切破坏。要是剪切破坏。(3)(3)桥台震害桥台震害 桥台的震害现象在历次的地震中是比较桥台的震害现象在历次的地震中是比较常见的。如：桥台和梁的碰撞破坏；桥台墙体的开裂；桥常见的。如：桥台和梁的碰撞破坏；桥台墙体的开裂；桥台的倾斜等。还有的是因为地基丧失承载力而造成的桥台台的倾斜等。还有的是因为地基丧失承载力而造成的桥台位移和坍塌等震害。位移和坍塌等震害。4.4.桥梁基础震害桥梁基础震害 桥梁基础震害原因主要：地基失效桥梁基础震害原因主要：地基失效(如地基滑移和地基液化如地基滑移和地基液化)。桩基础的震害除了地基失效外，也有上部结构传下来
8、的惯性桩基础的震害除了地基失效外，也有上部结构传下来的惯性力而引起的桩基剪切和弯曲破坏，更有由于桩基设计存在缺陷力而引起的桩基剪切和弯曲破坏，更有由于桩基设计存在缺陷而导致的，如桩基深入稳定土层的长度不能满足要求，或桩基而导致的，如桩基深入稳定土层的长度不能满足要求，或桩基顶与承台连接强度不够等。顶与承台连接强度不够等。桩基能越过可液化土层，比无桩基础的抗震能力要强。桩基桩基能越过可液化土层，比无桩基础的抗震能力要强。桩基础的震害具有一定的隐蔽性，不容易被发现，当发现上部结构础的震害具有一定的隐蔽性，不容易被发现，当发现上部结构被破坏时，可能桩基础的破坏已相当严重了。被破坏时，可能桩基础的破坏
9、已相当严重了。5.5.桥梁震害的启示桥梁震害的启示 桥梁震害的内因主要是由于桥梁结构和构造两方面存在缺陷桥梁震害的内因主要是由于桥梁结构和构造两方面存在缺陷而产生的。可以通过合理选择结构形式和加强抗震能力设计等而产生的。可以通过合理选择结构形式和加强抗震能力设计等来减轻、减少震害的产生。来减轻、减少震害的产生。重视桥梁结构的总体设计，找出理想的抗震结构体系；重视桥梁结构的总体设计，找出理想的抗震结构体系；重视延性抗震设计，同时一定要避免出现脆性破坏；重视延性抗震设计，同时一定要避免出现脆性破坏；重视加强局部构造设计，以避免存在构造缺陷；重视加强局部构造设计，以避免存在构造缺陷；重视桥梁的支承连
10、接部位的抗震设计，开发有效的防落梁重视桥梁的支承连接部位的抗震设计，开发有效的防落梁构件；构件；对于复杂结构体系桥梁，要进行空间动力时程分析；对于复杂结构体系桥梁，要进行空间动力时程分析；重重视研究应用减隔震技术来加强结构抗震能力。视研究应用减隔震技术来加强结构抗震能力。第二节第二节 抗震设计的一般规定抗震设计的一般规定 一、桥梁结构抗震设防的目标、分类和标准一、桥梁结构抗震设防的目标、分类和标准 抗震设防从我国目前的具体情况出发，本着确保重点和节抗震设防从我国目前的具体情况出发，本着确保重点和节约投资的原则，根据桥梁的重要性和在抗震救灾中的作用，将约投资的原则，根据桥梁的重要性和在抗震救灾中
11、的作用，将桥梁分为桥梁分为A类、类、B类、类、C类、类、D类类四个抗震设防类别。四个抗震设防类别。1.1.桥梁抗震设防目标桥梁抗震设防目标 地震重现期地震重现期一定场地重复出现大于或等于给定地震的平均一定场地重复出现大于或等于给定地震的平均 时间间隔。时间间隔。地震作用按重现期的长短划分为两类：地震作用按重现期的长短划分为两类：一类是工程场地重现期较短的地震作用称为一类是工程场地重现期较短的地震作用称为E1，对应于第对应于第一级设防标准；一级设防标准；另一类是工程场地重现期较长的地震作用称为另一类是工程场地重现期较长的地震作用称为E2，对应于对应于第二级设防水准。第二级设防水准。各类桥梁的抗震
12、设防目标各类桥梁的抗震设防目标 A A类桥梁：类桥梁：中震中震(E1(E1地震作用，重现期约为地震作用，重现期约为475475年年)不坏，不坏，大震大震(E2(E2地震作用，重现期约为地震作用，重现期约为20002000年年)可修；可修；B B、C C类桥梁：类桥梁：小震小震(E1(E1地震作用，重现期约为地震作用，重现期约为5050100100年年)不坏，不坏，中震中震(重现期约为重现期约为475475年年)可修，可修，大震大震(E2(E2地震作用，重现期约为地震作用，重现期约为20002000年年)不倒；不倒；D D类桥梁：类桥梁：小震小震(重现期约为重现期约为2525年年)不坏。不坏。桥
13、梁抗震设防类别设防目标E1地震作用E2地震作用A类一般不受损坏或不需修复可继续使用可发生局部轻微损伤，不需修复或经简单修复可继续使用B类应保证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使用C类应保证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使用D类各设防类别桥梁的抗震设防目标各设防类别桥梁的抗震设防目标 2.2.桥梁抗震设防分类桥梁抗震设防分类 桥梁抗震设防类别适用范围A类单跨跨径超过150m的特大桥B类单跨跨径超过150m的高速公路、一级公路上的桥梁，单跨跨径不超过150m的二级公路上的特大桥、大桥C类二级公路上的中桥、小桥，单跨跨径不超过150m的三、四级公路上
14、的特大桥、大桥D类三、四级公路上的中桥、小桥 各桥梁抗震设防类别适用范围各桥梁抗震设防类别适用范围 对抗震救灾以及在经济、国防上具有重要意义的桥梁或破对抗震救灾以及在经济、国防上具有重要意义的桥梁或破坏后修复坏后修复(抢修抢修)困难的桥梁，可按国家批准权限，报请批准后，困难的桥梁，可按国家批准权限，报请批准后，提高设防类别。提高设防类别。3.3.桥梁抗震设防标准桥梁抗震设防标准 抗震设防烈度桥梁分类67890.05g0.10g0.15g0.20g0.30g0.40gA类7899更高，专门研究B类788999C类677889D类677889桥梁分类E1地震作用E2地震作用A类1.01.7B类0.
15、43(0.5)1.3(1.7)C类0.341.0D类0.23桥梁的抗震设防措施等级桥梁的抗震设防措施等级 桥梁的抗震重要性系数桥梁的抗震重要性系数Ci 注：高速公路和一级公路上的特大桥、大桥，其抗震重要性系数取注：高速公路和一级公路上的特大桥、大桥，其抗震重要性系数取B B类括号类括号内的值。内的值。二、抗震设计的一般规定二、抗震设计的一般规定 总结历次桥梁震害教训和当前水平，进行抗震设计时应考总结历次桥梁震害教训和当前水平，进行抗震设计时应考虑以下因素：虑以下因素：1.1.桥位的选择桥位的选择2.2.避免或减轻在地震作用下因地基变形或地基失效造成的破坏避免或减轻在地震作用下因地基变形或地基失
16、效造成的破坏 3.3.根据减轻震害和便于修复根据减轻震害和便于修复(抢修抢修)的原则，合理确定设计方案的原则，合理确定设计方案 4.4.尽可能地提高结构和构件的强度及延性，避免脆性破坏尽可能地提高结构和构件的强度及延性，避免脆性破坏5.5.加强桥梁结构的整体性加强桥梁结构的整体性6.6.在设计中要提出保证施工质量的基本要求和必要措施在设计中要提出保证施工质量的基本要求和必要措施第三节第三节 桥梁工程抗震设计桥梁工程抗震设计 抗震设计一般包括三个方面：抗震设计一般包括三个方面：选择合理有效的结构布局；选择合理有效的结构布局；合理分配结构的刚度和阻尼等参数，充分利用构件和合理分配结构的刚度和阻尼等
17、参数，充分利用构件和材料的承载及变形能力；材料的承载及变形能力；合理评估结构在地震中可能造成的破坏，通过构造和合理评估结构在地震中可能造成的破坏，通过构造和抗震措施，将损失控制在预期范围内。抗震措施，将损失控制在预期范围内。一、桥梁抗震设计流程一、桥梁抗震设计流程 (1)(1)通过第一阶段的抗震设计通过第一阶段的抗震设计(E1(E1地震作用地震作用)，达到和以前的规，达到和以前的规范基本相当的抗震水平了；通过第二阶段的抗震设计范基本相当的抗震水平了；通过第二阶段的抗震设计(E2(E2地震作地震作用用)，保证结构具有足够的延性能力，通过验算，可确保结构，保证结构具有足够的延性能力，通过验算，可确
18、保结构的延性能力大于延性要求。的延性能力大于延性要求。(2)(2)通过引入能力保护原则，确保了塑性铰只在选定的位置出通过引入能力保护原则，确保了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。现，并且不出现剪切破坏等破坏模式。(3)(3)通过抗震构造措施设计，确保结构具有足够的位移能力。通过抗震构造措施设计，确保结构具有足够的位移能力。桥梁抗震设计应采用图桥梁抗震设计应采用图8-18-1的抗震设计流程进行。的抗震设计流程进行。抗震设防标准选定结合抗震概念设计原则，进行恒载和活载下的结构设计，确定结构参数是否为特殊桥梁是否进行减隔震设计是否为6度地区墩高是否高过40m斜拉桥、悬索桥、单跨
19、跨径150m以上的桥梁和拱桥7度及7度以上地区常规桥梁设计流程图(图8-2、图8-3)减隔振桥梁抗震措施墩身第一阶振型有效质量低于60%，且结构进入弹塑性工作范围专门研究图图8-1 8-1 抗震设计总流程图抗震设计总流程图 抗震概念设计桥梁抗震设防分类抗震构造措施等级场地划分桥梁抗震重要性系数抗震措施地震作用规则与非规则桥梁划分简化计算满足否D类桥梁满足否D类桥梁、圬工工拱桥E1地震作用下水平地震力计算，桥墩抗弯强度验算墩柱有效抗弯刚度E2地震作用下结构地震力计算，位移计算墩柱有效抗弯刚度E2地震作用下结构地震力和变形计算建立线性或非线性动力模型计算方法选用E1地震作用下结构受力计算，桥墩抗弯
20、强度验算基础、盖梁、桥墩抗剪、支座等能力保护构件地震力计算结构构件强度与变形验算流程图满足否结束图8-2 7度及7度以上地区常规桥梁总体设计流程 7度及7度以上地区常规桥梁结构构件设计强度与变形验算E1地震作用墩台、基础、主拱强度和支座验算D类桥梁、圬工拱桥、重力式桥墩和桥台E2地震作用拱桥梁桥主拱圈、桥面系、联结系桥墩、拱上立柱、支座和基础非规则桥梁规则桥梁矮墩塑性铰转动能力验算桥墩强度验算位移验算能力保护构件强度验算桥墩抗剪验算基础验算盖梁验算支座验算构造细节设计桥墩箍筋构造结点配筋构造桥墩纵筋构造图8-3 7度及7度以上地区常规桥梁结构构件抗震设计流程 二、抗震概念设计二、抗震概念设计
21、根据震害和工程的抗震经验等，总结出来的基本抗震设根据震害和工程的抗震经验等，总结出来的基本抗震设计思想和原则，并能够正确适用地解决结构的整体设计方案、计思想和原则，并能够正确适用地解决结构的整体设计方案、细部构造和材料使用，以达到合理的抗震设计。细部构造和材料使用，以达到合理的抗震设计。理想的桥梁结构体系：理想的桥梁结构体系：(1)(1)几何线形上：桥最好是直的，各桥墩尤其是沿着轴向几何线形上：桥最好是直的，各桥墩尤其是沿着轴向的墩高要相同，这样可使受到的地震力接近均匀，提高整体的墩高要相同，这样可使受到的地震力接近均匀，提高整体结构的刚度和抗震能力。结构的刚度和抗震能力。(2)(2)结构布局
22、上：桥面要连续，伸缩缝越少越好，因为简结构布局上：桥面要连续，伸缩缝越少越好，因为简支桥梁在地震中容易落梁；基础要建在比较完整的岩体或坚支桥梁在地震中容易落梁；基础要建在比较完整的岩体或坚硬密实的土层上，可大大地减少结构的位移；桥跨是小跨径，硬密实的土层上，可大大地减少结构的位移；桥跨是小跨径，这样具有较高的延性能力；桥墩的刚度和强度在各个方向都这样具有较高的延性能力；桥墩的刚度和强度在各个方向都相同；弹性支座布设在多个桥墩上，可分散地震力；桥台和相同；弹性支座布设在多个桥墩上，可分散地震力；桥台和桥墩应与桥轴向垂直等。桥墩应与桥轴向垂直等。参数参数值但跨最大跨径90m墩高30m单墩高度与直径
23、过宽度比大于2.5且小于10跨数23456曲线桥梁圆心角及半径R单跨30且一联累计90，同时曲梁半径R20b(b为桥宽)跨与跨间最大跨长比3221.51.5轴压比0.3跨与跨间桥墩最大刚度比4432支座类型 普通板式橡胶支座、盆式支座(铰接约束)等。使用滑板支座、减隔震支座等属于非规则桥梁下部结构类型 桥墩为单柱墩、双柱框架墩、多柱排架墩地基条件 不易液化、侧向滑移或易冲刷的场地，远离断层规则桥梁的定义规则桥梁的定义 桥梁分类地震作用B类C类D类规则非规则规则非规则规则非规则E1SM/MMMM/THSM/MMMM/THSM/MMMME2SM/MMTHSM/MMTH桥梁抗震分析可采用的计算方法桥
24、梁抗震分析可采用的计算方法 l 对于规则桥梁，只要进行简化的计算和设计校核步骤，就对于规则桥梁，只要进行简化的计算和设计校核步骤，就可以很好地把握其在地震作用下的动力响应特性，并使设计的可以很好地把握其在地震作用下的动力响应特性，并使设计的结构满足预期的性能要求。结构满足预期的性能要求。l 对于非规则桥梁，其动力响应特性较复杂，采用简化计算对于非规则桥梁，其动力响应特性较复杂，采用简化计算方法不能很好地把握其动力响应特性，因此就需要采用比较复方法不能很好地把握其动力响应特性，因此就需要采用比较复杂的分析方法和设计校核过程，才能确保其在实际地震作用下杂的分析方法和设计校核过程，才能确保其在实际地
25、震作用下的性能也可满足抗震设计要求。具体的计算方法下见表。的性能也可满足抗震设计要求。具体的计算方法下见表。注：注：THTH为线性或非线性时程计算方法；为线性或非线性时程计算方法；SMSM为单振型反应谱或功率谱方法；为单振型反应谱或功率谱方法；MMMM 为多振型反应谱或功率谱方法。为多振型反应谱或功率谱方法。三、桥梁延性抗震设计三、桥梁延性抗震设计 在抗震设计中，除了强度和刚度外，还必须重视结构的延在抗震设计中，除了强度和刚度外，还必须重视结构的延性。性。为了保证结构的延性，同时又要最大限度地避免地震破坏为了保证结构的延性，同时又要最大限度地避免地震破坏的随机性，新西兰学者的随机性，新西兰学者
26、ParkPark等在等在2020世纪世纪7070年代中期，提出了结年代中期，提出了结构抗震设计理论中的又一重要原则构抗震设计理论中的又一重要原则能力保护设计原则能力保护设计原则(Philosophy of Capacity Design),(Philosophy of Capacity Design),并在新西兰混凝土设计规并在新西兰混凝土设计规范范(NZS3101,1982)(NZS3101,1982)中最早得到了应用。之后这个原则先后被美中最早得到了应用。之后这个原则先后被美国、欧洲的一些国家和日本等国家的桥梁抗震规范所采用。国、欧洲的一些国家和日本等国家的桥梁抗震规范所采用。1.1.桥梁
27、延性抗震设计桥梁延性抗震设计能力保护设计原则的基本思想：能力保护设计原则的基本思想：通过设计，使结构体系中的延性构件和能力保护构件形成通过设计，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。基于强度等级差异，确保结构构件不发生脆性的破坏模式。基于能力保护设计原则的结构抗震设计过程，一般都具有以下特能力保护设计原则的结构抗震设计过程，一般都具有以下特征：征：选择合理的结构布局；选择合理的结构布局；选择地震中预期出现的弯曲塑性铰的合理位置，保证结选择地震中预期出现的弯曲塑性铰的合理位置，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，构能形成一个
28、适当的塑性耗能机制；通过强度和延性设计，确保潜在的塑性铰区域截面的延性能力；确保潜在的塑性铰区域截面的延性能力；确立适当的强度等级，确保预期出现弯曲塑性铰的构件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不发生脆性破坏(如剪切破坏、黏结破坏等如剪切破坏、黏结破坏等)，并确保脆性构，并确保脆性构件和不宜用于耗能的构件件和不宜用于耗能的构件(能力保护构件能力保护构件)处于弹性范围内。处于弹性范围内。对于桥梁，按能力保护设计原则，应考虑以下几方面：对于桥梁，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，墩柱作为延性构塑性铰的位置一般选择出现在墩柱上，墩柱作
29、为延性构件设计，可以发生弹塑性变形，耗散地震能量；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限弯矩(考虑超强系数考虑超强系数,建议取建议取1.2)1.2)所对应的剪力。在计算设所对应的剪力。在计算设计剪力值时应考虑所有潜在的塑性铰位置，以确定最大的设计剪力值时应考虑所有潜在的塑性铰位置，以确定最大的设计剪力；计剪力；盖梁、结点及基础按能力保护构件设计，其设计弯矩、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设计剪力和设计轴力应为与柱的极限弯矩(考虑超强系
30、数考虑超强系数,建建议取议取1.2)1.2)所对应的弯矩、剪力和轴力；在计算盖梁、结点和所对应的弯矩、剪力和轴力；在计算盖梁、结点和基础的设计弯矩、设计剪力和轴力值时，应考虑所有潜在的基础的设计弯矩、设计剪力和轴力值时，应考虑所有潜在的塑性铰位置，以确定最大的设计弯矩、剪力和轴力。塑性铰位置，以确定最大的设计弯矩、剪力和轴力。(1)(1)墩柱结构构造措施墩柱结构构造措施 实际工程中，为了提高钢筋混凝土柱的延性性能，通常用实际工程中，为了提高钢筋混凝土柱的延性性能，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，这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，这样可以提高墩柱截面
31、的延性，同时也可以使强度有所提高。样可以提高墩柱截面的延性，同时也可以使强度有所提高。2.2.桥梁钢筋混凝土柱的延性构造细节设计桥梁钢筋混凝土柱的延性构造细节设计 横向钢筋在桥墩柱中的功能主要有三个方面：横向钢筋在桥墩柱中的功能主要有三个方面：用于约束塑性铰区域内的混凝土，提高混凝土的抗压强度和用于约束塑性铰区域内的混凝土，提高混凝土的抗压强度和 延性；延性；提供抗剪能力；提供抗剪能力；防止纵向钢筋压曲。防止纵向钢筋压曲。抗震烈度在抗震烈度在7 7度及度及7 7度以上地区时，墩柱潜在塑性铰区域度以上地区时，墩柱潜在塑性铰区域内加密箍筋的配置，应满足下列要求：加密区的长度不应小内加密箍筋的配置，
32、应满足下列要求：加密区的长度不应小于墩柱弯曲方向截面宽度的于墩柱弯曲方向截面宽度的1.01.0倍，或墩柱上弯矩超过最大倍，或墩柱上弯矩超过最大弯矩弯矩80%80%的范围；当墩柱的高度与横截面高度之比小于的范围；当墩柱的高度与横截面高度之比小于2.52.5时，时，墩柱加密区的长度应取全高；加密箍筋的最大间距不应大于墩柱加密区的长度应取全高；加密箍筋的最大间距不应大于10cm10cm或或6 6d ds s或或b/4/4；其中；其中d ds s为纵向钢筋的直径，为纵向钢筋的直径，b b为墩柱弯曲方为墩柱弯曲方向的截面宽度；箍筋的直径不应小于向的截面宽度；箍筋的直径不应小于10mm10mm；螺旋式箍筋
33、的接；螺旋式箍筋的接头必须采用对接，矩形箍筋应有头必须采用对接，矩形箍筋应有135135弯勾，并伸入核心混弯勾，并伸入核心混凝土之内凝土之内6 6d ds s以上；加密区箍筋肢距不宜大于以上；加密区箍筋肢距不宜大于25cm25cm；加密区外；加密区外箍筋量应逐渐减少。箍筋量应逐渐减少。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s,min，按以下各式计算。对于抗震设防烈度9度及9度以上地区，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s,min，应比抗震设防烈度7度、8度地区适当增加，以提高其延性能力。圆形截面：圆形截面：yhcktkkmin
34、s028.0)01.0)(1.0(84.514.0ff，0.004 矩形截面：矩形截面：yhcktkkmins02.0)01.0)(1.0(17.41.0ff，0.004 沿截面布置若干适当分布的纵筋，纵筋和箍筋形成一整体沿截面布置若干适当分布的纵筋，纵筋和箍筋形成一整体骨架，当混凝土纵向受压、横向膨胀时，纵向钢筋也会受到混骨架，当混凝土纵向受压、横向膨胀时，纵向钢筋也会受到混凝土的压力，这时箍筋给予纵向钢筋约束作用。因此，为了确凝土的压力，这时箍筋给予纵向钢筋约束作用。因此，为了确保对核心混凝土的约束作用，墩柱的纵向配筋宜对称配筋，纵保对核心混凝土的约束作用，墩柱的纵向配筋宜对称配筋，纵向钢
35、筋之间的距离不应超过向钢筋之间的距离不应超过20cm20cm，至少每隔一根宜用箍筋或拉，至少每隔一根宜用箍筋或拉筋固定。筋固定。纵向钢筋对约束混凝土墩柱的延性也有较大影响，所以，纵向钢筋对约束混凝土墩柱的延性也有较大影响，所以，延性墩柱中纵向钢筋含量不应太低。如果纵向钢筋含量低，即延性墩柱中纵向钢筋含量不应太低。如果纵向钢筋含量低，即使箍筋含量较低，墩柱也会表现出良好的延性能力，但此时结使箍筋含量较低，墩柱也会表现出良好的延性能力，但此时结构在地震作用下对延性的需求也会很大，这种情况对结构抗震构在地震作用下对延性的需求也会很大，这种情况对结构抗震也是不利的。但是，纵向钢筋的含量太高，不利于施工
36、，另外，也是不利的。但是，纵向钢筋的含量太高，不利于施工，另外，纵向钢筋含量过高还会影响墩柱的延性，所以纵向钢筋的含量纵向钢筋含量过高还会影响墩柱的延性，所以纵向钢筋的含量应有一上限。各国抗震设计规范都对墩柱纵向最小、最大配筋应有一上限。各国抗震设计规范都对墩柱纵向最小、最大配筋率进行了规定，我国率进行了规定，我国公路桥梁抗震设计细则公路桥梁抗震设计细则(JTG/T B02-(JTG/T B02-012008)012008)建议墩柱纵向钢筋的配筋率范围建议墩柱纵向钢筋的配筋率范围0.0060.0060.04 0.04。(2)(2)结点构造措施结点构造措施 要计算主拉应力和主拉应力，根据主拉应力
37、的大小不同，要计算主拉应力和主拉应力，根据主拉应力的大小不同，结点的水平和竖向箍筋的配置也有不同的要求。结点的水平和竖向箍筋的配置也有不同的要求。四、地震反应分析四、地震反应分析 1.1.地震作用地震作用(1)(1)地震作用可以用设计加速度反应谱、设计地震动时程和设地震作用可以用设计加速度反应谱、设计地震动时程和设 计地震动功率谱表征。计地震动功率谱表征。(2)(2)各类桥梁结构的地震作用，应按下列原则考虑：各类桥梁结构的地震作用，应按下列原则考虑：一般情况下，公路桥梁可只考虑水平向地震作用，直线桥一般情况下，公路桥梁可只考虑水平向地震作用，直线桥 可分别考虑顺桥向可分别考虑顺桥向X X和横桥
38、向和横桥向Y Y的地震作用；的地震作用；抗震设防烈度为抗震设防烈度为8 8度和度和9 9度的拱式结构、长悬臂桥梁结构和度的拱式结构、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 同时考虑顺桥向同时考虑顺桥向X X、横桥向、横桥向Y Y和竖向和竖向Z Z的地震作用；的地震作用；采用反应谱法或功率谱法同时考虑三个方向采用反应谱法或功率谱法同时考虑三个方向(水平向水平向X X、Y Y和和 竖向竖向Z)Z)的地震作用时，可分别单独计算的地震作用时，可分别单独计算X X向地震作用产生的向地震作用产生的 最大效应最大效应E EX X
39、、Y Y向地震作用产生的最大效应向地震作用产生的最大效应E EY Y与与Z Z向地震作向地震作 用产生的最大效应用产生的最大效应E EZ Z。总的设计最大地震作用效应。总的设计最大地震作用效应E E应按下应按下 式求取：式求取：2Z2Y2XEEEE采用非线性时程分析时，由于叠加原理已不适用，各方向的采用非线性时程分析时，由于叠加原理已不适用，各方向的 分量必须同时考虑，因此理论上讲应同时输入包含两个或三分量必须同时考虑，因此理论上讲应同时输入包含两个或三 个方向分量的一组地震动时程。获取包含两个或三个方向分个方向分量的一组地震动时程。获取包含两个或三个方向分 量的一组地震动时程。量的一组地震动
40、时程。(3)(3)地震作用也可通过安全性评价来确定，工程场地地震地震作用也可通过安全性评价来确定，工程场地地震安全性评价应满足以下要求：安全性评价应满足以下要求：桥址存在地质不连续或地形特征可能造成各桥墩的地桥址存在地质不连续或地形特征可能造成各桥墩的地震动参数显著不同，以及桥梁一联总长超过震动参数显著不同，以及桥梁一联总长超过600m600m时，宜考虑时，宜考虑地震动的空间变化，包括波传播效应、失相干效应和不同塔地震动的空间变化，包括波传播效应、失相干效应和不同塔墩基础的场地差异；墩基础的场地差异；桥址距离发生桥址距离发生6.56.5级以上地震潜在危险的地震活断层级以上地震潜在危险的地震活断
41、层30km30km以内时，以内时，A A类桥梁工程场地地震安全性评价应符合以下规类桥梁工程场地地震安全性评价应符合以下规定：考虑近断裂效应时要包括上盘效应、破裂的方向性效应；定：考虑近断裂效应时要包括上盘效应、破裂的方向性效应；注意设计加速度反应谱长周期段的可靠性；给出顺断层方向注意设计加速度反应谱长周期段的可靠性；给出顺断层方向和垂直断层方向的地震动和垂直断层方向的地震动2 2个水平分量。个水平分量。B B类桥梁工程场地地类桥梁工程场地地震安全性评价中，要选定适当的设定地震，考虑近断裂效应。震安全性评价中，要选定适当的设定地震，考虑近断裂效应。2.2.建模原则建模原则 计算模型应反映实际桥梁
42、结构的动力特性。桥梁结构动计算模型应反映实际桥梁结构的动力特性。桥梁结构动力计算模型应能正确反映桥梁上部结构、下部结构、支座和力计算模型应能正确反映桥梁上部结构、下部结构、支座和地基的刚度、质量分布及阻尼特性。这样才能保证在地基的刚度、质量分布及阻尼特性。这样才能保证在E1E1和和E2E2地震作用下引起的惯性力和主要振型能得到反映。一般情况地震作用下引起的惯性力和主要振型能得到反映。一般情况下，桥梁结构的动力计算模型应满足下列要求：下，桥梁结构的动力计算模型应满足下列要求：计算模型中的梁体和墩柱可采用空间杆系单元模型，计算模型中的梁体和墩柱可采用空间杆系单元模型，单元质量可采用集中质量代表；墩
43、柱和梁体的单元划分应反单元质量可采用集中质量代表；墩柱和梁体的单元划分应反映出结构的实际动力特性；映出结构的实际动力特性；支座单元要反映支座的力学特性；支座单元要反映支座的力学特性；混凝土结构的阻尼比可取为混凝土结构的阻尼比可取为0.050.05；进行时程分析时，；进行时程分析时，可采用瑞雷阻尼；可采用瑞雷阻尼；计算模型应考虑相邻结构和边界条件的影响。计算模型应考虑相邻结构和边界条件的影响。(1)(1)桥梁结构的动力计算模型桥梁结构的动力计算模型 总体空间模型要包括所有桥梁结构及其连接方式，通总体空间模型要包括所有桥梁结构及其连接方式，通过对总体空间模型的分析，确定结构的空间耦联地震反应特过对
44、总体空间模型的分析，确定结构的空间耦联地震反应特性和地震最不利输入方向；性和地震最不利输入方向；局部空间模型要根据总体模型的计算结果，取出部分局部空间模型要根据总体模型的计算结果，取出部分桥梁结构进行计算，局部模型应考虑相邻结构和边界条件的桥梁结构进行计算，局部模型应考虑相邻结构和边界条件的影响。影响。(2)(2)总体和局部空间模型总体和局部空间模型 在在E1E1地震作用下，采用总体空间模型计算桥梁的地震反地震作用下，采用总体空间模型计算桥梁的地震反应较好；在应较好；在E2E2地震作用下，可采用局部空间模型计算。总体地震作用下，可采用局部空间模型计算。总体和局部空间模型要满足以下的一些要求：和
45、局部空间模型要满足以下的一些要求：3.3.地震反应分析地震反应分析 对于桥梁结构的地震反应分析，一般有三种方法，即对于桥梁结构的地震反应分析，一般有三种方法，即反反应谱法、时程分析法和功率谱法应谱法、时程分析法和功率谱法。(1)(1)反应谱法反应谱法 反应谱法概念简单、计算方便，易为工程师反应谱法概念简单、计算方便，易为工程师所接受，可以用较少的计算量获得结构的最大反应值，它巧所接受，可以用较少的计算量获得结构的最大反应值，它巧妙的将动力问题静力化。但是，反应谱法一般只适用于线弹妙的将动力问题静力化。但是，反应谱法一般只适用于线弹性地震反应分析，不能考虑各种非线性因素的影响，对于复性地震反应分
46、析，不能考虑各种非线性因素的影响，对于复杂桥梁，一般只能作为一种估算方法，或一种校核手段。杂桥梁，一般只能作为一种估算方法，或一种校核手段。(2)(2)时程分析法时程分析法 采用时程分析法，可以对桥梁结构进行线采用时程分析法，可以对桥梁结构进行线性或非线性地震反应分析。时程分析的过程相当繁琐，一般性或非线性地震反应分析。时程分析的过程相当繁琐，一般都需要借助于专用程序进行计算。都需要借助于专用程序进行计算。(3)(3)功率谱法功率谱法 随着现代工程科学的发展，基于随机振动理论随着现代工程科学的发展，基于随机振动理论的功率谱法日益引起了国内外工程界和学术界的高度重视并得的功率谱法日益引起了国内外
47、工程界和学术界的高度重视并得到了推广应用，在海洋平台设计上迄今已经成为不可或缺的重到了推广应用，在海洋平台设计上迄今已经成为不可或缺的重要设计工具要设计工具(如中国、挪威、美国规范如中国、挪威、美国规范)。19951995年颁布的欧洲桥年颁布的欧洲桥梁抗震设计规范也已把功率谱法列为可供设计选用的三种方法梁抗震设计规范也已把功率谱法列为可供设计选用的三种方法之一。在我国，近十几年来也已经有许多工程专家在大跨度桥之一。在我国，近十几年来也已经有许多工程专家在大跨度桥梁、水坝等的抗震计算中采用功率谱法来分析多点非一致地震梁、水坝等的抗震计算中采用功率谱法来分析多点非一致地震激励问题，并取得了丰富的研
48、究结果。激励问题，并取得了丰富的研究结果。适用反应谱法计算的结构，一般也可用功率谱法计算。两适用反应谱法计算的结构，一般也可用功率谱法计算。两种方法可相互检验，功率谱法计算结果与反应谱法计算结果相种方法可相互检验，功率谱法计算结果与反应谱法计算结果相差不应超过差不应超过20%20%。五、强度变形与验算五、强度变形与验算 在桥梁结构的抗震验算中，不仅要验算墩柱的抗弯能力在桥梁结构的抗震验算中，不仅要验算墩柱的抗弯能力和抗剪强度，还要验算支座等连接构件能否有效工作。和抗剪强度，还要验算支座等连接构件能否有效工作。1.D1.D类桥梁、圬工拱桥、重力式桥墩和桥台强度验算类桥梁、圬工拱桥、重力式桥墩和桥
49、台强度验算 由于圬工拱桥、重力式桥墩和桥台一般为混凝土结构，结构尺寸大、由于圬工拱桥、重力式桥墩和桥台一般为混凝土结构，结构尺寸大、无延性，所以只要求结构在无延性，所以只要求结构在E1E1地震作用下基本不损伤；地震作用下基本不损伤；D D类桥梁是指位于类桥梁是指位于三、四级公路上的抗震次要的桥梁，也只考虑进行三、四级公路上的抗震次要的桥梁，也只考虑进行E1E1地震作用下的抗震地震作用下的抗震验算。因此根据抗震设防要求，在验算。因此根据抗震设防要求，在E1E1地震作用下要求结构保持弹性，基地震作用下要求结构保持弹性，基本无损伤；顺桥向和横桥向本无损伤；顺桥向和横桥向E1E1地震作用效应和永久作用
50、效应效应组合后，地震作用效应和永久作用效应效应组合后，应按现行公路桥涵设计规范相关规定验算重力式桥墩、桥台、圬工拱桥应按现行公路桥涵设计规范相关规定验算重力式桥墩、桥台、圬工拱桥及基础的强度、偏心、稳定性；及基础的强度、偏心、稳定性；D D类桥梁桥墩、盖梁和基础的强度。类桥梁桥墩、盖梁和基础的强度。(1)(1)板式橡胶支座的抗震验算板式橡胶支座的抗震验算 t XE/tanXE XEdXDXH 式中 t橡胶层的总厚度(m)；tan橡胶片剪切角正切值，取tan1.0；XD在E1地震作用下，支座顶面相对于底面的水平位移(m)；XH永久作用产生的支座顶面相对于底面的水平位移(m)；d支座调整系数，一般
