1、1 2023-1-30 桥梁抗震第三章第三章 桥梁抗震概论桥梁抗震概论随着人口的大量聚集和经济的高速发展，现代化城市现代化城市对交通线的依赖性将越来越强，一旦地震使交通线遭到破坏，可能导致的生命财产以及间接经济损失也将会越来越巨大。多次破坏性地震一再显示了桥梁工程遭到破坏的严重后果，也一再显示了对桥梁工程进行正确抗震设计正确抗震设计的重要性。2 2023-1-30 桥梁抗震中华人民共和国防震减灾法中华人民共和国防震减灾法第一章第一章 总则总则(1-8)第三条 防震减灾工作，实行预防为主、防御与救助相结合的方针。第二章第二章 地震监测预报地震监测预报(9-16)第三章第三章 地震灾害预防地震灾害
2、预防(17-25)第十七条 新建、扩建、改建建设工程，必须达到抗震设防要求。本条第三款规定以外的建设工程，必须按照国家颁布的地震烈度区划图或者地震动参数区划图规定的抗震设防要求，进行抗震设防。重大建设工程和可能发生严重次生灾害的建设工程，必须进行地震安全性评价；并根据地震安全性评价的结果，确定抗震设防要求，进行抗震设防。本法所称重大建设工程，是指对社会有重大价值或者有重大影响的工程。本法所称可能发生严重次生灾害的建设工程.第十九条 建设工程必须按照抗震设防要求和抗震设计规范进行抗震设计，并按照抗震设计进行施工。第四章第四章 地震应急地震应急(26-32)第五章第五章 震后救灾与重建震后救灾与重
3、建(33-42)第六章第六章 法律责任法律责任(43-47)第七章第七章 附则附则第四十八条 本法自年月日起施行。3 2023-1-30 桥梁抗震4 2023-1-30 桥梁抗震桥梁结构的抗震设防桥梁结构的抗震设防 （设防原则、设防标准）（设防原则、设防标准）结构抗震动力学初步概念结构抗震动力学初步概念 （地震振动方程、动力特性）（地震振动方程、动力特性）桥梁结构抗震计算的地震力理论桥梁结构抗震计算的地震力理论（静力法、反应谱法、时程分析法）（静力法、反应谱法、时程分析法）桥梁结构抗震设计的一般要求桥梁结构抗震设计的一般要求5 2023-1-30 桥梁抗震3.1 桥梁结构的抗震设防原则桥梁结构
4、的抗震设防原则3.1.1 抗震设防标准抗震设防标准桥梁抗震设防的基本原则桥梁抗震设防的基本原则合理安全度原则：在经济与安全之间进行合理平衡 桥梁抗震的目标桥梁抗震的目标：减轻桥梁工程的地震破坏，保障人民生命财产的安全，减少经济损失 6 2023-1-30 桥梁抗震确定桥梁工程的抗震设防标准，一般应考虑以下三确定桥梁工程的抗震设防标准，一般应考虑以下三方面的因素：方面的因素：根据桥梁的重要性程度确定该结构的设计基准期；根据桥梁的重要性程度确定该结构的设计基准期；地震破坏后，桥梁结构功能丧失可能引起次生灾害的损失地震破坏后，桥梁结构功能丧失可能引起次生灾害的损失 建设单位所能承担抗震防灾的最大经济
5、能力。建设单位所能承担抗震防灾的最大经济能力。7 2023-1-30 桥梁抗震三级设防思想：“小震不坏，中震可修，大震不倒”566.4578众值烈度9基本烈度罕遇烈度烈度概率密度函数10%图3.1 三种烈度关系示意图)(xf地震超越概率：一定场地在未来一定时间内遭遇到大于或等于给定地震的概率，常以年超越概率或设计基准期超越概率表示。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时间间隔。1ln/0PTT 1.01ln/504758 2023-1-30 桥梁抗震3.1.2 抗震设防要求抗震设防要求表 3.1重要性修正系数Ci路线等级及构造物重要性修正系数 Ci高速公路和一级公路上的抗震重点
6、工程1.7高速公路和一级公路上的一般工程、二级公路上的抗震重点工程、二、三级公路上桥梁的梁端支座1.3二级公路的一般工程、三级公路上的抗震重点工程、四级公路上桥梁的梁端支座1.0三级公路的一般工程、四级公路上抗震重点工程0.61 现行公路工程抗震设计规范的设防要求现行公路工程抗震设计规范的设防要求进行单一水准的抗震设防，仅进行进行单一水准的抗震设防，仅进行基本烈度基本烈度下的抗震验算。下的抗震验算。规范适用的7，8，9度地区，地震动加速度峰值分别为0.1g、0.2g和0.4g，并采用重要性修正系数Ci调整1977年区划图9 2023-1-30 桥梁抗震2001年2月2日，中国地震动参数区划图作
7、为强制性国家标准发布，于2001年8月1日开始实施。中国地震动峰值加速度区划图和中国地震动反应谱特征周期区划图，设防水准为50年超越概率10%，场地条件为平坦稳定的一般（中硬）场地；地震动反应谱特征周期调整表，采用四类场地划分。2 中国地震动参数区划图中国地震动参数区划图3 重大建设工程的设防要求重大建设工程的设防要求防震减灾法规定：“重大建设工程和可能发生严重次生灾害的建设工程，必须进行地震安全性评价，并根据地震安全性评价的结果，确定抗震设防要求，进行抗震设防”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
8、工程应采用的风险概率水准，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。10 2023-1-30 桥梁抗震11 2023-1-30 桥梁抗震12 2023-1-30 桥梁抗震3.2 结构抗震动力学初步概念结构抗震动力学初步概念3.2.1 结构地震振动方程结构地震振动方程根据达朗贝（DAlembert）原理hEI(a)dzFs dzFI dzFD dz(b)(c)uzm),(tzg图3.2 桥墩地震水平挠曲振动示意图)(tg)(tg 0SDIFFFgmEICm dzEIdzFs dzmdzFgI)(dzCdzFD其中，所以，时间（秒）加速度(g)0510152025
9、-0.3-0.2-0.10.00.10.20.30.4 13 2023-1-30 桥梁抗震齐次方程的通解代表结构的固有振动或自由振动3.2.2 结构动力特性结构动力特性0 EICm)()(),(tfztztCtCetfddwtsincos)(21dddTf22122221CCA通解为，其中，mCCCcr2自振挠曲线的形状，即振型振幅的衰减函数14 2023-1-30 桥梁抗震在桥墩为常截面且墩底完全固结的情况下，桥墩的无阻尼自振圆频率：第1振型第2振型第3振型图3.4 桥墩的水平挠曲固有振型mEIlnn2n123n1.8754.6947.855对应的 最小，叫做基频。1n1各阶自振频率所对应的
10、振型是不同的。t图3.5 振幅衰减示意图dTdTdT)(tfwtAe结构振幅的衰减：频率越大，衰减越快。阻尼比越大，衰减越快，当阻尼系数等于临界阻尼时，不出现自由振动。实际桥梁结构的阻尼比一般都小于0.05，阻尼对频率的影响很小。但地基的阻尼比要大许多。桥梁结构的自振周期和地震动卓越（主要）周期越接近，它的振型接受到地震力的影响越大；而结构的阻尼比越小，结构所受的震害也越大。15 2023-1-30 桥梁抗震3.3 桥梁结构抗震计算的地震力理论桥梁结构抗震计算的地震力理论3.3.1 静力法静力法桥梁结构的抗震计算必须以地震场地运动为依据。地震力理论：地震力理论：概率性地震力理论假定结构物与地震
11、动具有相同的振动，把结构物在地面运动加速度作用下产生的惯性力视作静力作用于结构物上做抗震计算。gMF 忽略了结构的动力特性这一重要因素,。16 2023-1-30 桥梁抗震同时考虑地面运动和结构动力特性的影响，比静力法有很大进步。3.3.2 动力反应谱法动力反应谱法(1)反应谱的概念反应谱的概念单自由度振子的地震振动方程为：cmk)(tg)(t图3.6单质点振子的力学图式0)(kcmg g 22tdgtdtetd0)(1)(sin)()(tdgtdtet0)()(cos)()(tdgtgdtett0)()(sin)()()(方程的解可以用杜哈美积分公式表示时程曲线17 2023-1-30 桥梁
12、抗震以不同单自由度体系的周期为横坐标，以不同阻尼比为参数，绘出最大相对位移、最大相对速度和最大绝对加速度的谱曲线，分别称为相对位移反应谱、拟相对速度反应谱和拟加速度反应谱（分别简称为位移反应谱、速度反应谱和加速度反应谱），并用符号记为忽略小阻尼比的影响，有：SDPSA2反应谱还具有以下两条基本特性：a.绝对刚性结构（）：0SD,0SV,max,gSA b.无限柔性结构（0）：max,gSD,max,gSV,0SA18 2023-1-30 桥梁抗震Example:Deformation response spectrum for El Centro earthquake )(maxtuDt19
13、2023-1-30 桥梁抗震COMBINED D-V-A SPECTRUMD A D V )t(umaxD 2nn20 2023-1-30 桥梁抗震对大量的反应谱曲线进行平均与光滑化，就可以得到供设计使用的规范反应谱曲线。(2)规范反应谱规范反应谱桥梁工程抗震设计中使用的反应谱常表示为动力放大系数的形式，或称标准化反应谱。动力放大系数（常用 表示 ）的定义为：max,maxmax,gggPSA 现行公路工程抗震设计规范所采用的反应谱曲线，是在1,050多条国内外地震加速度记录反应谱统计分析的基础上，针对四类不同场地条件给出的。阻尼比为5%。0123450120.3I类场地II类场地III类场地
14、IV类场地21 2023-1-30 桥梁抗震定义为水平地震系数，根据抗震设防烈度选用)(tg M)()(ttg z图 3.9 单质点体系示意图(3)单质点体系的最大地震力计算单质点体系的最大地震力计算WkggMMPHggggmaxmaxmaxmax gkgHmax maxmaxgg 为动力放大系数，根据选定的反应谱曲线及体系的自振周期确定规范中，还引入综合影响系数 ，以考虑结构的延性耗能作用，则zCWkCPHz.22 2023-1-30 桥梁抗震23 2023-1-30 桥梁抗震24 2023-1-30 桥梁抗震25 2023-1-30 桥梁抗震多质点体系的地震振动方程：(4)多质点体系的最大
15、地震力计算多质点体系的最大地震力计算 )(tIMKCMg 这一联立微分方程组通常用振型分解法求解，即利用振型的正交性，将联立微分方程组分解成一系列相互独立的振动方程，即将多质点体系的复杂振动分解为各个振型的独立振动，从而可以采用单质点体系的反应谱理论来计算各振型最大反应。tYtYtinii1将质点位移列矢量分解为：第1振型第2振型第3振型第i振型j)()(111jjtYj)()(222jjtY)()(333jjtY)()(jiijitYjjjj图3.10振型分解示意图 tYi是不同的时间函数，称为振型坐标，为广义坐标叠加原理26 2023-1-30 桥梁抗震令i及 i分别为无阻尼多质点体系的第
16、 i 阶圆频率及其相应的振型，则有 iiiMK2（3.19）振型满足正交条件 0iTjMji 0iTjKji 并假设 0iTjCji 将式（3.18）代入（3.17），再以矩阵 T左乘，并利用振型的正交条件，可得下列几个独立的振动方程：tIMtYKtYCtYMgTiiTiiiTiiiTi (3.20）上式两边再同时除以 iTiM，则有 ttYtYtYgiiiiiii 22 （3.21）式中，iTiTiiMIM，定义为第 i 振型的振型参与系数。第 i 振型第 j 质点的位移 tYtijiji，代入式（3.21），有 ttttgjiijiijiiiji 22（3.22）第 j 质点水平方向上，由
17、第 i 振型引起的最大地震力为jjiiHjiWkP (3.23)27 2023-1-30 桥梁抗震目前应用广泛的是基于随机振动理论所提出的各种组合方法，如CQC，SRSS方法等。引入结构综合影响系数zC后，即为桥梁抗震规范中的表达式jjiiHzjiWkCP（3.24）CQC法的表达式：ninjjiijRRR11max,max,max采用等阻尼比假定，则模态组合系数：22222/3214118ijij2.02.01.0ij当有28 2023-1-30 桥梁抗震SRSS法的表达式：niiRR12max,max空间组合问题，目前主要采用经验方法组合 各分量反应最大值绝对值之和(SUM)，给出反应最大
18、值的上限估计值；各分量反应最大值平方和的平方根(SRSS)；各分量反应最大值中的最大者加上其它分量最大值乘以一个小于1的系数。巧妙地将动力问题静力化，概念简单、计算方便，可以用较少的计算量获得结构的最大反应，反应谱法存在一些缺陷：*只是弹性范围内的概念；*只能得到最大反应；*存在振型组合问题等。*只重视强度，忽视了延性能力29 2023-1-30 桥梁抗震动态时程分析法从选定合适的地震动输入出发，采用多节点多自由度的结构有限元动力计算模型建立地震振动方程，然后采用逐步积分法对方程进行求解，计算地震过程中每一瞬时结构的位移、速度和加速度反应，从而可以分析出结构在地震作用下弹性和非弹性阶段的内力变
19、化以及构件逐步开裂、损坏直至倒塌的全过程。分为线性时程、非线性时程分析方法3.3.3 动态时程分析法动态时程分析法a.将振动时程分为一系列相等或不相等的微小时间间隔b.假定在时间间隔 内，位移、速度和加速度按一定规律变化c.求解 时刻结构的地震反应。tttt动态时程分析法可以精确地考虑影响结构地震反应的各种因素，是公认的精细分析方法。30 2023-1-30 桥梁抗震各类桥梁的结构分析采用的方法 桥梁类别 地震水平 反应谱法（线性动力法）线性动力时程法 非线性动力时程法 多遇 设计 A B C 罕遇 多遇 设计 D 罕遇 采用线性或非线性动力时程法时，对 A 类桥梁，输入地震时程不得少于 7
20、条；对 B、C 类桥梁，输入地震时程不得少于 4 条。其中包括：1.规范反应谱拟合的人工地震时程 1 条，2.场地灾害性分析的人工地震时程 3 或 12 条，3.本规范规定选取的相同类似场地或本场地已有的标准强震记录 3 条或 12 条，见附录 D。31 2023-1-30 桥梁抗震3.4 桥梁结构抗震设计的一般要求桥梁结构抗震设计的一般要求(1)选择桥位时，应尽量避开抗震危险地段，充分利用抗震有利地段 发震断层及其邻近地段，地震时可能发生大规模滑坡、崩塌等的不良地质地段(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 避开地震时可能发生地基失效的松软场地，选择坚硬场地;避免共振影响
21、；在软弱地基上，应采用深基础，并重视基础的抗震设计。32 2023-1-30 桥梁抗震(3)本着减轻震害和便于修复（抢修）的原则，合理确定设计方案 应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；最好具有多道抗震防线；应具有合理的刚度和承载力分布；应具备足够的承载能力，良好的变形能力和耗能能力。(4)提高结构与构件的强度和延性，避免脆性破坏 结构应具有适当的强度、刚度和延性，以防止不能容忍的破坏。桥梁墩柱应具有足够的延性，并采取能力设计思想进行抗震设计。钢结构构件还应避免局部或总体失稳。(5)加强桥梁结构的整体性桥梁上、下部构造之间的连接部位，墩台与承台、基桩与承台、墩柱与盖梁之间的连接部位，八
22、字翼墙与桥台台身之间的连接部位等，都是震害大量发生的部位。(6)在设计中提出保证施工质量的要求和措施33 2023-1-30 桥梁抗震n4.桥梁结构抗震设计与分析桥梁结构抗震设计与分析l结构体系结构体系t桥梁结构体系布置应符合下列要求桥梁结构体系布置应符合下列要求n应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；应具有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；n宜有多道抗震防线，应避免因支座或部分结构构件破坏而导致整个体系丧失抗震宜有多道抗震防线，应避免因支座或部分结构构件破坏而导致整个体系丧失抗震能力或对重力荷载的承载能力；能力或对重力荷载的承载能力；n应具备足够的承载力，良好的变形能力和耗能能
23、力；应具备足够的承载力，良好的变形能力和耗能能力；n宜具有合理的刚度和承载力分布，增加结构的冗余度和关键部位的抗震能力，避宜具有合理的刚度和承载力分布，增加结构的冗余度和关键部位的抗震能力，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位。免因局部削弱或突变形成薄弱部位。t结构与构件应符合下列要求结构与构件应符合下列要求n混凝土结构构件应合理选择尺寸、配置纵向受力钢筋与箍筋，避免出现剪切破坏混凝土结构构件应合理选择尺寸、配置纵向受力钢筋与箍筋，避免出现剪切破坏先于弯曲破坏、混凝土的压溃先于钢筋的屈服、钢筋的锚固粘结先于构件破坏现先于弯曲破坏、混凝土的压溃先于钢筋的屈服、钢筋的锚固粘结先于构件破坏现象；象；n预
24、应力混凝土的构件，应配置足够多的非预应力钢筋，对预应力受弯的构件，应预应力混凝土的构件，应配置足够多的非预应力钢筋，对预应力受弯的构件，应考虑竖向地震对预应力构件的不利影响。考虑竖向地震对预应力构件的不利影响。n钢结构构件应避免局部或总体失稳。钢结构构件应避免局部或总体失稳。t结构各构件之间的连接，应符合下列要求结构各构件之间的连接，应符合下列要求n构件节点的承载力，应大于其连接构件承载力构件节点的承载力，应大于其连接构件承载力10%；n预埋件的锚固承载力，应大于连接构件承载力预埋件的锚固承载力，应大于连接构件承载力10%；n装配式结构的连接，应能保持结构的整体性；装配式结构的连接，应能保持结构的整体性；n预应力混凝土的预应力筋应在节点核心区以外锚固。预应力混凝土的预应力筋应在节点核心区以外锚固。n不同桥梁体系的概念设计见本规范有关章节。不同桥梁体系的概念设计见本规范有关章节。34 2023-1-30 桥梁抗震建筑建筑结构结构35 2023-1-30 桥梁抗震
