桥梁抗震设计理念及抗震验算

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减隔震设计适用条件：
l 上部结构连续，下部结构刚度较大，结构基本振动周期比较短； l 桥梁下部结构高度变化不规则，刚度分配不均匀； l 场地条件比较好，预期地面运动特性具有较高的卓越频率。
减隔震设计不宜采用的条件：
l 地震作用下，场地可能失效； l 下部结构刚度小，桥梁的基本周期比较长； l 位于软弱场地，延长周期可能引起地基和桥梁共振； l 支座中可能出现负反力。
高阻尼橡胶支座滞回曲线
减隔震 装置
· 摩擦摆式减隔震支座
PTFE支承材料 关节式摩擦滑块
不稳定 随遇稳定
镀铬钢球形曲面
FPI 隔震装置构造示意图
稳定
双曲面球形减隔震支座
1 抗剪螺栓
4 四氟滑板 7 防尘密封装置
2 限位装置
5 中座板 8 下座板
3 球面不锈钢滑板 6 上座板
减隔震 装置
· 支座+钢阻尼器
X型钢挡块
新型桥梁横向减震钢阻尼器
减隔震 装置
· 支座+粘滞阻尼器
阻尼器的工作机理
延性 的基本原理
材料、构件或结构在初始强度没有明显退化情况下的非 弹性变形能力，包括： l 承受较大非弹性变形，同时强度没有明显下降的能力； l 利用滞回特性耗散能量的能力。
延性 的基本原理
延性构件 — 桥墩 能力保护构件 — 横梁（盖梁）、基础、墩柱抗剪 、支座
减隔震设计的桥梁，其基本周期原则上应为不采用 减隔震装置时基本周期的两倍以上。
延性设计 + 减隔震设计 ？
桥梁抗震验算
抗震设防标准确定
地震动输入选择
规范 安评报告
抗震概念设计
延性抗震设计
减隔震设计
装置及参数选择 布置方式
动力特性 反应谱
时程分析
地震反应分析
抗震性能验算 通过
抗震措施
修改设计参数 不通过
时间 2010.04.14 2010.03.04 2008.10.06 2008.05.12 1999.09.21 1996.02.03 1988.11.06 1985.08.23 1976.08.16 1976.07.28 1976.05.29 1975.02.04 1974.05.11 1973.02.06 1970.01.05 1966.03.08 1955.04.15 1955.04.14 1950.08.15
大约 1975 年 前 通用的策略 大约 1975 年 后 通用的策略
柔性的抗震设计策略： 把结构造得尽量的柔软，来适应地震引起的波动。
对付地震通常有两个不同的策略 “刚性的” 和 “柔性的”
刚性的抗震设计策略： 把结构造得尽量的刚强，来抵抗地震引起的动力。
大约 1975 年 前 通用的策略
从前的设计都认为结构在地震时所受到的是一个力。
虽然系统的输出与结构和输入两者的特性均有关，但是，由于反 应谱几乎反映了所有的结构特性，所以换句话说，反应谱并没有反映 具体的结构特性，而只反映了地震动的特性，主要是地震动的频谱特 性。
反应谱
单自由度弹性体系在给定地震作用下某种反应量的最大值与体 系自振周期之间的关系曲线。
力 变形
结构的周期
结构的周期
地震震级与地震烈度
震级是一次地震释放能量大小的度量。
烈度是表示地面受到地震影响和破坏的程度，目前我国采用联合国 教科文组织推荐的烈度表，共分12度。
影响地震烈度大小的有下列因素：
（1）地震震级；
（2）震源深度；
（3）震中距离；
（4）土壤和地质条件；
基岩 VS 软土？
（5）建筑物的性能等。
地震震级与地震烈度
减隔震 的基本原理
周期延长 加 速 度 谱
阻尼减少 周期 （T）
加速度反应谱
减隔震 系统的组成
· 柔性支承装置 （橡胶支座、滚轴、滑板、缆索悬吊）；
· 阻尼装置（滞回阻尼、摩擦阻尼、粘弹性阻尼、粘滞阻 尼）；
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
耗能装置的滞回曲线
三大特性：振幅、频谱、持时。
反应谱
单自由度弹性体系在给定地震作用下某种反应量的最大值与体 系自振周期之间的关系曲线。
反应谱
单自由度弹性体系在给定地震作用下某种反应量的最大值与体 系自振周期之间的关系曲线。
讨论：反应谱反映的是地震动特性还是结构特性？
反应谱是某一地震作用下不同动力特性的单自由度结构反应最大 值的集合。
地震波
地震时震源释放的应变能以弹性波的形式向四面八方传播，这种弹 性被就是地震波。
地震波是使建筑物在地震中破坏的原动力、也是研究地震的最主要 的信息。
介质内部传播的地震波为体波，限于界面附近传播的地震波为面波。
体波-纵波
纵波是由震源传出的压缩波，质点振动与波前进方向一致，一疏一密向前推 进， 它周期短、振幅小。
隔震 的基本原理
利用隔震装置，阻止地震能量进入主体结构。
隔震 的基本原理
事实上，地表的变形是有限的。最后还是回到原 来的位置不远的地方。
其实，两千多年前，希腊工程师，埃天诺斯就有这个认识。 阿波劳神庙的地基建造在一层碎石上。这神庙今天还没有因地震而倒塌！
The Temple to Apollo, at Bassai, Greece.
这样一来，可以说这两个方法是
“刚性的” 和 “柔性的” 刚性的抗震设计策略： 把结构造得尽量的刚强，来抵抗地震引起的动力。
柔性的抗震设计策略： 把结构造得尽量的柔软，来适应地震引起的波动。
对付地震通常有两个不同的策略
“刚性的” 和 “柔性的”
刚性的抗震设计策略： 把结构造得尽量的刚强，来抵抗地震引起的动力。
上世纪60年代和70年代对地震的观察完全改变了地震设计的理念。
地震后结构物的损坏情况：
地震引起的破坏
Bearing Restraint 支座位移的约束
We learn from failures 我们从失败中学习！
地震引起的破坏
Vertical movement 垂直方向的移动。
We learn from failures 我们从失败中学习！
要预防地震产生的灾害， 首先就是要研究地震的特性！
地震
地震按其成因可分为构造地震、火山地震、陷落地震和诱发地震等。
构造地震是现代地壳运动所产生、分布最广、数量最多（＞90％ ）、 危害最重的地震。它产生于板块边缘和板块内部的活动构造带。
岩石圈在地球内力作用下，应变能不断积累，一旦达到岩体强度极限 ，就会发生突然的剪切破裂(脆性破坏)或沿已有破裂面产生突然错动(粘滑 )，积蓄的应变能就会以弹性波的形式突然释放使地壳震动而发生地震。
地震引起的破坏
Lateral Restraint 横向的约束
We learn from failures 我们从失败中学习！
上世纪60年代和70年代对地震的观察完全改变了地震设计的理念。
从如何去抵抗一个地震力 改变成 如何去适应地表的位移
如何去适应地表的位移 基本对策： 隔震 减震 延性
如何去适应地表的位移 基本对策： 隔震 使地震的波动尽量不传到结构上； 减震 消耗地震输入的能量，减低结构的反应； 延性 使结构可以承受地震的变形。
· 运营荷载下的安全措施<剪切销>、提供活动空间构造、 防落梁构造）。
减隔震 装置
· 铅芯橡胶支座
钢板 橡胶层
橡胶保 护层
铅芯
铅芯橡胶支座
FmaYx
ku kd+
Qd+ u-
keff
kdku
u+ X Qd-
支座滞回曲线 Fmin
铅芯橡胶支座滞回曲线
减隔震 装置
· 高阻尼橡胶支座
采用特殊配制的橡胶材料制作，形状及构造与天然橡胶支座相同。 橡胶材料粘性大，自身可以吸收能量。
震级(M) 7.1 6.7 6.6 8.0 7.3 7.0 7.6 7.4 7.2 7.8 7.4 7.3 7.1 7.9 7.7 7.2 7.0 7.5 8.5
死亡人数 2220 -9 8.7万 2412 311 743 70 38 24.2万 98 1328 1423 2175 15621 8182 18 84 4000
为什么基础不能作为延性构件？
避免这样 的破坏
桥墩的补强
减隔震设计与延性抗震设计的比较
原理类似：（减小地震反应）
1) 延长周期避开地震能量集中的周期范围 2) 增大阻尼耗散能量
实施方法不同：
延性抗震设计：选定结构部位形成塑性铰来延 长周期并耗能，结构损伤不可避免，震后修复 比较麻烦； 减隔震技术：设置减隔震装置来延长周期并耗 能，可以避免损伤，减隔震装置替换较简单。
伤残人数 8000 96 19 37万 110305 3706 7751 200 34 16.4万 2482 29579 1600 2756 26783 51395 － 224 －
倒塌房屋(间) 90％ -147 779万 11万 48万 22.4万 3万 5000 530万 42万 111万 2.8万 4.7万 33.8万 400万 200 636 －
震级是一次地震释放能量大小的度量。 烈度是表示地面受到地震影响和破坏的程度，目前我国采用联合国 教科文组织推荐的烈度表，共分12度。
一次地震只有一个震级，而烈度则各地不同。
定性的认识地震后，接下来需要 定量的评估结构所受到的地震作用！
地震动
如果我们把地表的波动纪录下来，就可以得到如下的地震波的 “加速度”和地面的“位移”在地震中的变化。
知道了结构受到的地震作用后， 就要想办法对付地震！
我们有两个不同的方法去对付地震引起的问题
力的要求
变形的要求
力 变形
结构的周期
结构的周期
这样一来，可以说这两个方法是
“刚性的” 和 “柔性的”
这样一来，可以说这两个方法是
“刚性的” 和 “柔性的”
两个不同的对付地震的方法，从力出发还是从变形出发。
体波-横波
横波是震源向外传播的剪切波，质点振动方向与波前进方向垂直，传播时介 质体积不变但形状改变，周期较长振幅较大。
面波
面波只限于在地面附近传播的波，也就是体波经过地层界面多次反射形成的 次生波。周期长，振幅大，比体波衰减慢，能传播到很远的地方。
地震震级与地震烈度
震级是一次地震释放能量大小的度量。
桥梁抗震设计理念及抗震验算
抗震设计理念
地震
Ø 地震是一种自然现象，是地球内部缓慢积累的能量突然释 放而引起的地表振动。
Ø 地球上一年发生的地震约500万次左右，人能感觉到的有5 万多次，轻微破坏的有1000余次，7级以上造成巨大灾害 的有10余次，能造成唐山、汶川地震那样特别严重灾害的 地震1—2次。
刚性的抗震设计策略： 把结构造得尽量的刚强，来抵抗地震引起的动力。
大约 1975 年 前 通用的策略
从前的设计都认为结构在地震时所受到的是一个力。 金门大桥原来的地震设计，只假设一个等于5%重力的水平力！
当然这大大地低估了当地地震的危险！
上世纪60年代和70年代对地震的观察完全改变了地震设计的理念。
神庙 地板 碎石
基岩
隔震
其实，两千多年前，希腊工程师，埃天诺斯就有这个认识。 阿波劳神庙的地基建造在一层碎石上。这神庙今天还没有因地震而倒塌！
The Temple to Apollo, at Bassai, Greece.
神庙 地板 碎石
基岩
隔震
减震 的基本原理
利用特制减震构件或装置，使其在强震时 率先进入塑性，产生大阻尼，大量消耗进入结 构体系的能量。
烈度是表示地面受到地震影响和破坏的程度，目前我国采用联合国 教科文组织推荐的烈度表，共分12度。
地震震级与地震烈度
震级是一次地震释放能量大小的度量。
烈度是表示地面受到地震影响和破坏的程度，目前我国采用联合国 教科文组织推荐的烈度表，共分12度。
影响地震烈度大小的有下列因素： （1）地震震级； （2）震源深度； （3）震中距离； （4）土壤和地质条件； （5）建筑物的性能等。
新中国部分地震灾害统计表
序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
地震名称 青海玉树县 台湾高雄 西藏当雄
四川汶川 台湾集集 云南丽江 云南澜沧耿马 新疆乌恰 四川松潘 河北唐山 云南龙陵 辽宁海城 云南大关 四川炉霍 云南通海 河北邢台 新疆乌恰 四川康定 西藏察隅
对付地震通常有两个不同的策略 “刚性的” 和 “柔性的”
刚性的抗震设计策略： 把结构造得尽量的刚强，来抵抗地震引起的动力。
大约 1975 年 前 通用的策略
从前的设计都认为结构在地震时所受到的是一个力。 金门大桥原来的地震设计，只假设一个等于5%重力的水平力！
对付地震通常有两个不同的策略 “刚性的” 和 “柔性的”
结束
桥梁工程抗震设计流程图
多级设防的抗震设计思想 “小震不坏、中震可修、大震不倒”
l 单一水准设防，一阶段设计 l 双水准设防、三水准设防两阶段设计 l 三水准设防三阶段设计 结构在受到不同水平地震作用下的性能达到一组预期的 性能目标。