交院第3章 桥梁抗震概论

满足抗震设防标准！
桥梁抗震设计的任务：
• 正确选择能有效抵抗地震作用的结构形式； • 合理分配结构的刚度、质量和阻尼等动力参数，最 大限度地利用构件和材料的承载能力和变形能力； • 正确估计地震可能对结构造成的破坏，通过结构设 计和其它抗震措施，使损失控制在限定的范围内。
地震潜在损失（L）= 地震危险性（SH）*结构易损性（VLN）*损失率（LR）*总价值（W）
4、桥梁工程抗震设防标准决策
地震经济损失
直接经济损失
桥梁结构破坏损失 桥上资产损失 周围环境损失
间接经济损失 救灾投入费用
因交通中断导致 的预期收入损失
因交通原因导致的 运输成本的增加
因交通原因导致受灾 区域经济损失
第3章 桥梁抗震概论
一、桥梁抗震设防标准
1、几个概念 2、 多级设防的抗震设计思想 3、一般工程抗震设防标准的决策 4、桥梁工程抗震设防标准决策
二、 桥梁抗震设计流程
1、基本流程介绍 2、抗震设计流程实例
一、桥梁抗震设防标准
1、几个概念
抗震设计的依据
工程抗震设防标准：
根据 地震动 背景，为保证工程结构在寿命期内的地震损失 （经济及人员伤亡）不超过规定的水平或社会可接受的水平，
P1：50年10％（重现期475年），验算强度
P2：100年10％（重现期950年），验算位移或变形
P1：50年10％（重现期475年），验算强度
上海徐浦大桥、广东虎门大桥、
江苏江阴大桥、南京二桥
P2：50年3％（重现期1642年），验算位移或变形
广东海湾二桥、南澳大桥、 江苏润扬大桥
P1：50年10％（重现期475年），验算强度 P2：50年2％（重现期2475年），验算位移或变形
临近悬崖 泥石流
谷地或低地 地裂
地震烈度：衡量地震破坏作用大小的一个指标
基本烈度：指一个地区在今后一个时期内，在一般场地条件下可能遭 遇到的最大地震烈度，即《中国地震烈度区划图》规定的烈度。
表1.1 中国地震烈度表（1980年） （节选）
一般房屋
烈 度
人的感觉
大多数房屋 平均震 震 害 程 度 害指数
重要性系数
重现期（年）
1.0 0.43（0.5）
475 75（100）
0.34
50
0.23
25
E2地震作用
重要性系数
重现期（年）
1.7 1.3（1.7）
2000 1000（2000）
1.0
475
—
—
“两阶段”抗震设计方法
– 第一阶段设计(E1地震作用)：以小震作用效应和其它荷载 效应的基本组合验算结构构件的承载能力，以及在小震作 用下验算结构的弹性变形：满足第一水准抗震设防目标的 要求：
远期费用
由于桥梁震害而导致的地震经济损失
抗震设防标准的科学决策很难！
桥梁工程的地震损失分析，特别是由于桥梁工程遭到地震 破坏而引起的经济损失和人员伤亡分析非常困难！
现行的桥梁工程抗震设防标准在很大程度上 是依据人们的主观经验和判断决定 ！
桥梁的重要性、抢修和修复的难易程度； 地震破坏后，桥梁结构功能丧失可能引起的损失 建设单位所能承担抗震防灾的最大经济能力
地震超越概率，是指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。 如：50年10%超越概率（基本烈度7度）
地震重现期，是指一定场地重复出现大于或等于给定地震的 平均时间间隔。
T T0 /ln[1P]
例如，基本烈度对应的概率水平为50年10%超越概率，其 重现期为475年。
桥墩允许出现不需修复的轻微损坏，其它受 力构件完好，震后可正常通车
桥墩有限损坏，经抢修可恢复使用，永久性 加固后可恢复正常运营，主梁、支座、基础 正常工作
苏通大桥各结构部件的目标性能验算
结构部件
主塔 斜拉索、主梁
P1 验算应力
/
抗震设防水准 P2
验算承Biblioteka Baidu能力
验算应力
主航道桥
引桥、 专用航道
桥
支座 边墩 桩基础、承台 梁端 主梁 支座
速度
(cm/s) (水平向)
63 (45~89)
6 (5~9)
125
13
大型桥梁工程的抗震设防标准：
由业主选择报批(工程重要性、自身经济能力、所能承受的风险水平 )
抗震设防标准应同时明确每一设防水准对应的结构性能要求以及验算指标
国内部分大型桥梁工程的抗震设防标准
工程名称
设防标准
上海杨浦大桥、南浦大桥
为两种类型：地基失效和场地的震动作用。 – 地基失效：指造成建筑破坏的直接原因是由于场地和地基
稳定性引起的。 • 一般通过场地选择和地基处理来减轻地震灾害的。 • 场地和地基的破坏作用大致有地面破裂、滑坡、坍塌
为什么需要考虑场地的影响
– 场地的地震动作用：指由于强烈地面运动引起地面设施振动 而产生的破坏作用。 • 主要途径是合理的进行抗震和减震设计和采取减震措 施，为此要确定工程场地的设计地震动参数。
苏通大桥的抗震设防标准
桥梁
抗震设防水准
P1： 重现期1000年
主航道桥
（主跨1088m的 双塔斜拉桥）
P2： 重现期2500年
P1： 重现期500年
引桥、 专用航道桥
P2: 重现期2500年
结构性能目标
结构处于弹性工作状态，震后不需要修理即 可正常通车
主塔允许出现不需修复的微小裂缝，边墩允 许局部损坏，支座等连接构件正常工作，其 它构件无损坏
桥梁工程的最低抗震设防标准： 主要由政府部门决策 《公路桥梁抗震设计细则》
各类桥梁的抗震设防目标
桥梁抗震 设防类别
A类
E1地震作用
设防目标
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
B类
一般不受损或不需修复可 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
结构重要性 设防等级 重要性系数?
重现期调整 ？
决定工程抗震设防标准的诸因素
《公路桥梁抗震设计细则》（2008.10.1实施）
抗震设防原则： 抗震设防目标：
设防水准：
在工程设计中，根据客观的设防环境和已定的设防目标，并 考虑具体的社会经济条件来确定的设防地震概率水平，一般 用地震超越概率或地震重现期来表示。
超越概率与三种烈度
第一章 绪论
建筑结构抗震设计
烈度表
分为1-12度（不同的国家的分度方法不同）
中国地震烈度表
分项：人的感觉，大多数房屋震害程度，其他现象， 加速度(水平向)厘米/秒²，速度(水平向)厘米/秒
I度：为无感觉，损坏一个别砖瓦掉落墙体微细裂缝； 河岸和松软土上出现裂缝。
第一章 绪论
建筑结构抗震设计
– 第二阶段设计(E2地震作用)：在大震作用下验算结构的弹 塑性变形，以满足第三水准抗震设防的要求。
说明：第二水准的设防要求，是通过概念设计和构造措施来满足的，对 大多数结构．可只进行第一阶段设计；只有对《公路桥梁抗震设计细则》 所规定的部分结构，如有特殊要求的桥梁和地震时易倒塌的结构以及有 明显薄弱层的不规则桥梁结构，才进行第二阶段的抗震验算
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
单跨跨径不超过150m的高数公路，一、二级公路上的大桥和特大桥
C类
二级公路上的中小桥，单跨跨径不超过150m的三、四级公路上的特 大桥和大桥
D类
三、四级公路上的中小桥
各类桥梁的抗震重要性系数及对应的重现期
桥梁分类
A B C D
E1地震作用
抗震设防的目标 – 具体通过“三水准”的抗震设防要求和“两阶段”的抗震 设计方法实现。
– 三水准：“小震不坏”“中震可修”“大震不倒”;
地震影响
50年超越概率
众值烈度(Im) 基本烈度(I0) 罕遇烈度(Is)
小震 中震 大震
一般关系
烈度： Im=I0-1.55, Is<=I0+1 地震重现期：T=-T0/In(1-P) ；
各类公路桥梁抗震设防烈度
抗震设防烈度 桥梁等级
A类 B类 C类 D类
6 0.05g
7 7 6 6
7
0.1g 0.15g
8
9
8
8
7
7
7
7
8
9
0.2g 0.3g 0.4g
9
专门研究
9
9
≥9
8
8
9
8
8
9
水平设计加速度反应谱最大值
抗震重要性系数 场地系数 阻尼系数 水平向基本设计地震动加速度峰值
地基的抗震设计——场地
桥墩
基础 梁端
/ 验算应力
固定支座验算剪力、滑动支座验算位移 考虑延性折减后验算承载能力
验算应力
验算承载能力
/ / / 验算承载能力
验算应力
验算位移 验算应力 固定支座验算剪力、滑动支座验算位移 考虑延性折减后验算承载能力 其它验算方法？ 验算承载能力
/
验算位移
3.2 、 桥梁抗震设计流程
桥梁抗震设计的目的：保证桥梁工程在设防地震下的安全性
规定工程结构必须具备的抗震能力。
合理安全度原则：
在经济与安全之间进行合理平衡
工程抗震措施 增加的造价
减轻地震破 坏和损失
社会经济状况
地震危险性
地震危险性分析 总要求
总目的 设防原则 地震区划图 设防环境
具体目标 设防目标 烈度? 设防参数
地震动参数 ？
必须明确设防水准与 设防目标之间的关系
设防水准
地段划分
地段类别 有利地段 不利地段
危险地段
地质、地形、地貌
稳定基岩，坚硬土，开阔、平坦、密实、均匀的中硬土等
软弱土，液化土，条状突出的山嘴，高耸孤立的山丘，非 岩质的陡坡，河岸和边坡的边缘，平面分布上成因、岩性、 状态明显不均匀的土层（如古河道、疏松的断破裂带、暗 埋的塘浜沟谷和半填半挖地基）等
Ⅷ （8）度：摇晃颠簸行走困难；中等破坏,结构受损， 需要修理 ；干硬土上亦有裂缝。大多数 砖烟囱严重破坏 ；加速度250厘米/秒²。
第一章 绪论
建筑结构抗震设计
Ⅸ（9）度：坐立不稳行动的人可能摔跤 ；严重破坏, 墙体龟裂，局部倒塌，复修困难 ；严重破 坏，墙体龟裂，局部倒塌，复修困难；加 速度500厘米/秒²。
VI （6）度：惊慌失措，仓惶逃出；饱和砂层出现喷砂冒 水。地面上有的砖烟囱轻度裂缝、掉头；加 速度63厘米/秒²。
VII（7）度：大多数人仓惶逃出；轻度破坏，局部破坏、 开裂，但不妨碍使用；河岸出现塌方。饱 和砂层常见喷砂冒水。松软土上地裂缝较多。 大多数砖烟囱中等破坏 ；加速度125厘米/秒²。
Ⅹ（10）度：骑自行车的人会摔倒，处不稳状态的人会 摔出几尺远，有抛起感；大部倒塌，不堪 修复；山崩和地震断裂出现，基岩上的拱 桥破坏，大多数砖烟囱从根部破坏或倒毁； 加速度1000厘米/秒²。
Ⅻ（12）度：地面剧烈变化，山河改观 。
2、多级设防的抗震设计思想 “小震不坏、中震可修、大震不倒”
单一水准设防，一阶段设计 双水准设防、三水准设防两阶段设计 三水准设防三阶段设计 多水准设防多性能目标的基于性能的抗震设计
什么是场地？ – 场地指工程群体所在地，具有相似的反应谱特征，其范围 相当于厂区、居民小区和自然村或不小于1.0平方公里的 平面面积。
为什么需要考虑场地的影响 – 历史震害调查发现，在具有不同工程地质条件的建筑场地
上，建筑物在地震中的破坏程度明显不同。 – 从破坏性质和工程对策角度，地震对结构的破坏作用可分
63.2% 10% 2-3%
地震重现期
50年 475年 1642-2475年
3、一般工程抗震设防标准的决策
动态最优决策问题：
一个多变量（如多个设防参数）、多目标（如经济损失和人员 伤亡）、多约束（如可接受的人员伤亡、地震经济损失上限）
决策模型：
基本变量：抗震设防水准 目标函数：
[抗震投入（V）+潜在损失（L）] Min
其它现象
6
惊慌失措，仓 惶逃出
损坏—个别砖 瓦掉落、墙体
细微裂缝
0~0.1
河岸和松软土上出现裂缝。饱 和砂层出现喷砂冒水。地面上 有的烟囱轻度裂缝、掉头
大多数人仓惶
轻度破坏—局 部破坏、开裂，0.11~0.30
河岸出现塌方。饱和砂层常见 喷砂冒水、松软土上地裂缝较
参考物理指标
加速度
(cm/s2) (水平向)
地震时可能发生滑坡、崩塌、地陷、地裂、泥石流等及发 震断裂带上可能发生地表错位的部位
水边地的地下水位较 高，土质也较松软，容易 在地震时产生土壤滑动或 地层液化。
山坡地在地震时会产 生土壤滑动
冲积地的土质松软， 地震时容易塌陷，如果 此处有地下水层，还容 易发生液化。
用另外的土石來填 补地基，常有土壤密实 度不足情形，导致建筑 物在地震时产生倾斜、 沉陷。
C类
D类
E1地震作用： 工程场地重现期 较短的地震作用， 对应于第一级设 防水准。 E2地震作用： 工程场地重现期 较长的地震作用， 对应于第二级设 防水准。
☆☆☆但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。
各类桥梁的抗震设防类别的适用范围