抗震结构设计第八章 桥梁结构的抗震设计

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 虑以下因素： 1.桥位的选择 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 3.根据减轻震害和便于修复(抢修)的原则，合理确定设计方案 4.尽可能地提高结构和构件的强度及延性，避免脆性破坏
5.加强桥梁结构的整体性 6.在设计中要提出保证施工质量的基本要求和必要措施
2.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： 支座在设计时没有充分考虑抗震的要求 连接和支挡等构造措施不足 一些支座形式和材料本身存在问题。
支座破坏常会造成落梁。
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 的脱落及支座本身的损坏等。
3.桥梁下部结构震害
8
8
9
6
7
7
8
6
7
7
8
8
9
0.30g
0.40g
更高，专门研究
9
≥9
8
9
8
9
桥梁分类 A类 B类 C类 D类
桥梁的抗震重要性系数Ci
E1地震作用 1.0
0.43(0.5) 0.34 0.23
E2地震作用 1.7
1.3(1.7) 1.0 －
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类括号 内的值。
第二节 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
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 桥梁分为A类、B类、C类、D类四个抗震设防类别。
1.桥梁抗震设防目标
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。
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 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 征：
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， 确保潜在的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(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)处于弹性范围内。
2.桥梁抗震设防分类
各桥梁抗震设防类别适用范围
桥梁抗震设防类别 A类 B类
C类 D类
适用范围
单跨跨径超过150m的特大桥
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
二级公路上的中桥、小桥，单跨跨径不超过150m的三、四级公 路上的特大桥、大桥
第八章 桥梁结构的抗震设计
第一节 震害现象及其分析
引起桥梁震害的原因主要有四个方面： ①地震使得地基失效或地基变形； ②实际发生的地震强度大于抗震设防的标准； ③桥梁的结构设计和施工不满足要求； ④桥梁结构本身的抗震能力不足。
从结构抗震设计来分析，可将桥梁震害划分为两类： ①静力作用的破坏，即地基失效变形引起的破坏； ②动力作用的破坏，即结构的强烈震动导致的破坏。
(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 现，并且不出现剪切破坏等破坏模式。
(3)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8-1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
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E1，对应于第 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E2，对应于 第二级设防水准。
➢ 各类桥梁的抗震设防目标
A类桥梁： 中震(E1地震作用，重现期约为475年)不坏， 大震(E2地震作用，重现期约为2000年)可修； B、C类桥梁： 小震(E1地震作用，重现期约为50～100年)不坏， 中震(重现期约为475年)可修， 大震(E2地震作用，重现期约为2000年)不倒； D类桥梁：
1.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 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 的随机性，新西兰学者Park等在20世纪70年代中期，提出了结 构抗震设计理论中的又一重要原则──能力保护设计原则 (Philosophy of Capacity Design),并在新西兰混凝土设计规 范(NZS3101,1982)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。
第三节 桥梁工程抗震设计
抗震设计一般包括三个方面：
①选择合理有效的结构布局； ②合理分配结构的刚度和阻尼等参数，充分利用构件和 材料的承载及变形能力； ③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。
一、桥梁抗震设计流程 (1)通过第一阶段的抗震设计(E1地震作用)，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(E2地震作 用) ，保证结构具有足够的延性能力，通过验算，可确保结构 的延性能力大于延性要求。
桥墩、拱上立柱、 支座和基础
塑性铰转动能力验算
强度验算
桥墩抗剪验算
E2地震作用 梁桥
非规则桥梁 矮墩
桥墩强度验算 能力保护构件 基础验算
规则桥梁 位移验算
盖梁验算
支座验算
构造细节设计
桥墩箍筋构造
桥墩纵筋构造
结点配筋构造
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
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、 细部构造和材料使用，以达到合理的抗震设计。
1.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、 移位震害和碰撞震害。
(1)自身震害 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。
(2)移位震害 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 会引起落梁。
(3)碰撞震害 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 相邻桥梁之间的碰撞。
参数
但跨最大跨径
墩高 单墩高度与直径过宽
度比 跨数 曲线桥梁圆心角φ及
半径R 跨与跨间最大跨长比
轴压比 跨与跨间桥墩最大刚
度比
支座类型
下部结构类型
地基条件
规则桥梁的定义
参数值 ≤90m ≤30m
大于2.5且小于10
2
3
4
5
6
单跨φ＜30°且一联累计φ＜90°，同时曲梁半径R≥20b(b为桥宽)
3
2
(1)墩柱破坏 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。
①墩柱弯曲破坏 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、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 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。
三、四级公路上的中桥、小桥
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(抢修)困难的桥梁，可按国家批准权限，报请批准后， 提高设防类别。
3.桥梁抗震设防标准
抗震设防烈度 桥梁分类
A类 B类 C类 D类
桥梁的抗震设防措施等级
6
7
0.05g 0.10g 0.15g 0.20g
7
8
9
9
7
图8-2
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
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
主拱圈、桥面系、 联结系
拱桥
①重视桥梁结构的总体设计，找出理想的抗震结构体系； ②重视延性抗震设计，同时一定要避免出现脆性破坏； ③重视加强局部构造设计，以避免存在构造缺陷； ④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； ⑤对于复杂结构体系桥梁，要进行空间动力时程分析；⑥重 视研究应用减隔震技术来加强结构抗震能力。
②墩柱剪切破坏 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 梁遭受致命破坏的重要原因。
③墩柱基脚破坏 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。
3.桥梁下部结构震害
(2)框架墩震害 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： 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 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。
桥梁抗震分析可采用的计算方法
地震作用
桥梁分类
B类
规则
非规则
C类
规则
非规则
D类 规则 非规则
E1
SM/MM
MM/TH
SM/MM
MM/TH
SM/MM
MM
E2
SM/MM
TH
SM/MM
TH
－
－
注：TH为线性或非线性时程计算方法；SM为单振型反应谱或功率谱方法；MM 为多振型反应谱或功率谱方法。
三、桥梁延性抗震设计
理想的桥梁结构体系： (1)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 结构的刚度和抗震能力。 (2)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 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 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。
(3)桥台震害 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 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。
4.桥梁基础震害
桥梁基础震害原因主要：地基失效(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 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。
2
1.5
1.5
＜0.3
—
4
4
3
2
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
桥墩为单柱墩、双柱框架墩、多柱排架墩
不易液化、侧向滑移或易冲刷的场地，远离断层
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 结构满足预期的性能要求。 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 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 的性能也可满足抗震设计要求。具体的计算方法下见表。
是否为6度地区 墩高是否高过40m
斜拉桥、悬索桥、单跨跨径 150m以上的桥梁和拱桥
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
7度及7度以上地区常规桥梁设计流程图 (图8-2、图8-3)
图8-1 抗震设计总流程图
专门研究
抗震概念设计 抗震构造措施等级
桥梁抗震设防分类 场地划分 抗震措施 地震作用 规则与非规则桥梁划分
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 被破坏时，可能桩基础的破坏已相当严重了。
5.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 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。
小震(重现期约为25年)不坏。
桥梁抗震 设防类别
A类 B类
C类 D类
各设防类别桥梁的抗震设防目标
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设防目标
E1地震作用
E2地震作用
可发生局部轻微损伤，不需修复或经简单修复可继续使用
一般不受损 坏或不需修 复可继续使
用
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
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
桥梁抗震重要性系数
简化计算 E1地震作用下水平地震力 计算，桥墩抗弯强度验算
满足否
D类桥梁
墩柱有效抗弯刚度
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，桥墩抗弯强度验算
满足否
D类桥梁、圬工工拱桥
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
E2地震作用下结构 地震力和变形计算