同济大学桥梁抗震课件4

第四课
桥梁抗震概念设计
1） “抗震概念设计”的定义
2) 结构总体布置 3) 抗震结构体系 4) 普通梁式桥的抗震概念设计 5) 大跨度桥梁的抗震概念设计实例
一、“抗震概念设计”的定义
地震作用具有很强的随机性，桥梁结构的地震破坏机理十分复杂。
结构体系选择
“概念设计”
延性类型选择
塑性耗能机制选择
结构抗震设计
汶川地震中支座滑动
映秀闽江桥
(a) Upstream at Yingxiu side
（b） Downstream at Yingxiu side
deck moved about 2.0m toward downstream
At Wenchuan end, the deck moved 0.8m toward upstream.
恢复桥梁的通行能力。
需同业主协 塑性变形发生于不容易检测和修复的位置，但是仍能有效进行耗 商使用 不建议在新 能，并保证桥梁震后有限的通行能力。 破坏会直接影响到桥梁震后的服务性
桥上使用
墩柱抗震单元：容许使用单元
喇叭式墩顶分离缝
墩顶塑性铰
墩底铰接 桩头铰接 墩底塑性铰
墩柱抗震单元
桩基础抗震单元：需同业主协商使用
表3 位移 梁端(cm) 塔顶(cm) 左 右 左 右
四种结构体系的位移反应比较 不对称约束 0.03 0.06 0.07 0.10 半飘浮体系 1.0 1.0 1.0 1.0 固定铰支承 0.03 0.03 0.06 0.06 弹性约束 0.15 0.15 0.19 0.19
注： 表中各数值为各体系的反应与半飘浮体系的反应之比值；
4、柱墩的截面比选
圆形截面：
主筋环形布置，配螺旋或 环形箍筋，抗震能力与方 向无关
矩形截面：
箍筋约束效率较低，较大 截面可配置螺旋箍筋
墙式截面：
长边增加勾筋提高约束效 率
实心截面
空心截面：
常用于大跨度桥梁，减 小墩身地震惯性力
圆形： 内箍筋环不利，要求增 加足够的径向约束箍筋
矩形：
多环相连
空心截面
增大桥墩的弯矩
增大主梁的弯矩
节点配筋需要特殊设计
温度变化、收缩徐变会产生二次力 主梁弯矩
墩梁间设支座：
国内广泛采用 （固定支座＋活动支座） 不传递上部结构弯矩
抗震设计有较大空间：通过合理设置支 座调整各桥墩间的地震力分布；可以进 行减隔震设计
位移问题
对支座性能的依赖性大
隔震？
落梁？
桥台桩基础 的塑性铰
墙式墩桩 基础的塑 性铰
桩柱式基础的 塑性铰
斜桩塑性铰
有限 延性
群桩基础的摆动
桩基础抗震单元
桥台抗震单元：容许使用单元
桥台是否作为ERS的一部分
背墙是否作为牺牲构件
桥台抗震单元
《城市桥梁抗震设计规范》
设计流程中要求进行抗震体系确认！ 3.4.1 桥梁结构抗震体系应满足以下要求：
“数值设计”
塑性铰应设在墩 柱上，并易于检 查和修复
强梁弱柱
抗震概念设计:
根据地震灾害和工程经验等获得的基本原则和设计思想，正确解
决总体方案、材料使用和细部构造，达到合理抗震设计的目的。
二、结构总体布置
Simplicity, Symmetry, Integrity
Clear, designable load path
制约条件：
桥梁使用功能、周围建设条件、地质条件、其它荷载下性能要求等：
城市高架桥、立交桥、跨河流和山谷桥梁 桥上交通功能、桥下行车或通航要求、桥梁接线要求决定道路线形
桥墩高 度调整
不稳定斜坡 上的防护空 心沉箱
可液化场地的 桥梁抗震考虑：
采用简支体系
整体式结构体系
三、抗震结构体系
《The AASHTO Guide Specifications for LRFD Seismic Bridge Design》 抗震设计策略：
以限制主梁地震位移为目标，同时兼顾主塔的地震内力
类型Ⅱ：
耗能部位为支座等耗能装置，上部结构、桥墩和基础基本弹性
横桥向 顺桥向 (a) 连续梁、简支梁单柱墩
横桥向 顺桥向 (b) 连续梁、简支梁双柱墩
桥台不宜作为抵抗梁体地震惯性力的构件
四、普通梁式桥的抗震概念设计
《城市桥梁抗震设计规范》
1、梁式桥（多联桥）相邻联的基本周期比宜满足下式：
Ti 0.7 Tj
采用能力设计方法，使潜在塑性 铰位置在墩底 铰接？
五、大跨度桥梁的抗震概念设计实例
100
100
8
11×12
300 22×16
8 8
306.000
33×16
2088 1088 16
33×16
8 8
300 22×16
100
100 11×12
8
Nantong
891
5.290 设计水位 主航道 -109.000 -123.000

塔梁弹性约束体系：
双塔与主梁间采用纵向弹性约束，刚度取1.0×105 kN/m
地震输入：
《公路工程抗震设计规范》四类场地规范谱。结构重要性系 数1.7，水平地震加速度峰值取0.1，竖向取为水平的0.5倍。
2.5 2.0
放放放放
1.5 1.0 0.5 0.0 0 2 4 6 8 10 12
放放(s)
3）弹性约束装置：
仅提供刚度，对所有荷载均起作用
参数选择要同时考虑各种荷载的性能
4）阻尼器+额定行程限位的组合装置：
额定行程内：对慢速位移不约束，对快速位移阻尼器提供阻尼耗能。
额定行程：保证地震时阻尼器有足够的行程正常工作；
尽可能小，以限制风荷载下结构的反应，及伸缩缝位移量。 阻尼器参数的选择由结构的抗震性能决定，
0.345
三种塔型方案对纵向地震反应影响很小，对横向反应影响很大。 钻石型塔的塔底弯矩和塔顶位移特别大，对抗震不利。
2、斜拉桥的塔梁纵向连接方式
工可阶段：连接方式选择 (反应谱分析) 比较了四种结构体系：
塔梁不对称约束体系：
左塔处设固定铰支座，右塔处设滑动铰支座
半飘浮体系： 双塔与主梁均设纵向滑动铰支座 塔梁固定铰支承体系： 双塔与主梁均设固定铰支座
5、桥墩与基础的连接方式 铰接：
墩梁固结时可选用 基础受力较小，桩基础各 桩受力均匀
刚结：
基础受力较大，桩基础各 桩轴力较大，边桩往往会 受拉
Hale Waihona Puke 6、基础的选型刚性扩大基础：
适用于坚硬场地
摆动扩大基础：
适用于坚硬场地，牺牲位移保护 桥墩
整体式桩柱：
采用能力设计方法，使潜在塑性 铰位置在地面上
群桩基础（打入桩、钻孔桩）：
Balanced stiffness, mass and strength
Adequate connectivity
Simplicity and Symmetry
Symmetry
Integrity
汶川地震中百花大桥
R=66m
理想结构布置：
等跨等墩高的小跨径直桥 桥面连续 桥墩的强度和刚度在各方向相同 坚硬场地
2、梁与桥台的连接方式
整体刚结：
一般用于单双 跨小桥，常假 定所有地震力 由桥台承受
支座连接：
可进行减隔震 设计
3、桥墩的选型
单柱墩：
受力性能简单，但弯矩和 位移较大
多柱墩：
减小弯矩和位移，增加超 静定，墩底可铰接，但受 力复杂（墩和盖梁），轴 力较大
横梁连接多柱墩：
适用于高墩，可减小位移 和弯矩，采用支座支承
桥梁保持整体性
容许使用的ERS
滑动支座 墩顶墩底塑性铰
隔震支座
墩梁固结体系
隔震支座承担全部位移
连续梁体系
足够的支承长度 墩底塑性铰
简支梁体系
采用I型抗震设计体系的抗震单元
抗震单元分类
抗震单元 特征 桥梁损伤控制在最小范围，且所有重大塑性变形都应是延性的且
容许使用
位于易于检测和修复的位置，可保障桥梁震后的修复工作以迅速
梁端位移为 207cm，塔顶位移为 222cm。
表4 内力 P(kN) 左塔 V(kN) M(kN.m) P(kN) 右塔 V(kN) M(kN.m)
四种结构体系的塔底内力反应比较 不对称约束 1.02 3.60 1.61 1.03 0.94 0.53 半飘浮体系 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 固定铰支承 1.02 3.00 1.25 1.02 3.00 1.25 弹性约束 1.05 1.60 0.78 1.05 1.60 0.78
1 有可靠和稳定传递地震作用到地基的途径；
2 有效的位移约束，能可靠地控制结构地震位移 3 有明确、可靠、合理的地震能量耗散部位；
4 应避免因部分构件破坏而导致整个结构丧失抗震能力 或对重力荷载的承载能力
采用A类抗震设计方法的桥梁，可采用的抗震体系：
类型Ⅰ：
塑性耗能部位位于桥墩，上部结构、支承连接以及基础弹性
1 顺桥向，宜在各墩顶设置橡胶支座，来调整等效刚度；
其它支座布置方式？（如纵向设几个固定墩？）
2 改变墩柱尺寸或纵向配筋率。
3×40m
53.5+6×100+53.5m
4×40m
4×40m
90m
西部山区某桥梁
1、梁与桥墩的连接方式
墩梁刚结、墩梁间设支座
墩梁刚结：
适用于细长桥墩
墩顶底均是潜在塑性铰位置，位移较 小，提供了柱底铰接的可能性
主塔塔底内力最大值（横向+竖向输入）
塔型 倒Y型 钻石型 轴力P (kN) 2.612E5 2.322E5 剪力Q2 (kN) 3.996E4 6.711E4 弯矩M3 (kN.m) 1.462E6 2.956E6 塔顶位移(m) 0.222 0.488