第3章 桥梁结构的抗震设计

3.2.2 天然地基与基础的抗震验算
地基在地震作用下的稳定性对基础及上部结构的内力分布是比较 敏感的，因此确保地震时地基基础能够承受上部结构传下来的竖向和 水平地震作用以及倾覆力矩而不发生过大变形和不均匀沉降是地基基 础抗震设计的基本要求。

地基基础抗震设计的一般要求

同一结构单元不宜设置在性质截然不同的地基土层上； 同一结构单元不宜部分采用天然地基而另外部分采用桩基； 地基有软弱土、可液化土、新近填土或严重不均匀土层时，宜加强基 础的整体性和刚性； 根据具体情况，选择对抗震有利的基础类型，在抗震验算时应尽量考 虑结构、基础和地基的相互作用影响，使之能反映地基基础在不同阶 段上的工作状态。
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。
3.2.1 场地
临近悬崖
谷地或低地
泥石流
地裂
3.2.1 场地

地段选择原则

选择有利地段； 避开不利地段，当无法避开时，应采取适当的抗震措施； 不在危险地段建设。
“人定胜天”的思想在桥梁结构抗震设计中并不适用
一般关系
烈度： Im=I0-1.55, Is<=I0+1 加速度：PGAo=PGAm*3； PGAs=PGAm*(4-6)
3.1 桥梁结构抗震设防原则

抗震设防的目标
水准 第一 水准 第二 水准 第三 水准 涵义 要 求
小震不坏
当遭受低于本地区设防烈度的多遇地震影响时， 一般不受损坏或不需修理仍可继续使用 当遭受相当于本地区抗震设防烈度的地震影响时， 可能损坏，经一般修理或不需修理仍可继续使用 当遭受高于本地区抗震设防烈度的预估的罕遇地 震影响时，不致倒塌或发生危及生命的严重破坏
3.2.1 场地

场地覆盖层厚度的确定


一般情况下，应按地面至剪切波速大于500m/s的土层顶面； 当地面5m以下存在剪切波速大于相邻上层土剪切波速2.5倍的下卧土 层，且下卧土层的剪切波速不小于400m/s时，可按地面至该下卧土层 顶面的距离确定； 剪切波速大于500m/s的孤石、透镜体，应视同周围土层； 土层中的火山岩硬夹层，应视为刚体，其厚度应从覆盖土层中扣除。
抗震设防烈度 桥梁等级
6 0.05g 7 7 6 6 0.1g 8 8 7 7
7 0.15g 9 8 7 7 0.2g 9 9 8 8
8 0.3g
9 0.4g
A类 B类 C类 D类
专门研究 9 8 8 ≥9 9 9
3.1 桥梁结构抗震设防原则
各类公路桥梁抗震设防措施等级
a. 抗震设防烈度为6度及6度以上地区的公路桥梁，必须进行 抗震设计； b. 对于基本烈度为7、8、9度地区的公路工程按《抗震设计 细则》进行抗震设计，9度以上地区的桥梁和有特殊要求的大 跨径或特殊桥梁，其抗震设计应作专门研究。 c. 对于跨径不超过150米的钢筋砼和预应力砼梁桥、圬工或
各类桥梁的抗震设防类别的适用范围
桥梁抗震 设防类别 A类 B类 C类 D类 单跨跨径超过150m的特大桥 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 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 三、四级公路上的中小桥 适用范围
3.1 桥梁结构抗震设防原则
faE：调整后的地基抗震承载力设计值
a ：地基抗震承载力调整系数
fa：深宽修正后的地基承载力特征值
3.2.2 天然地基与基础的抗震验算

ຫໍສະໝຸດ Baidu
天然地基在地震作用下的抗震承载力验算

地基土抗震承载力 地基土抗震承载力调整系数
岩土名称和性状 岩石，稍密的碎石土，密实的砾、粗、中砂，f k 300kPa的
中震可修
大震不倒
3.1 桥梁结构抗震设防原则
各类桥梁的抗震设防目标
桥梁抗震 设防类别 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
A类
B类
C类
应保证不致倒塌或产生严 一般不受损或不需修复可 重结构损伤，经临时加固后 继续使用 可供维持应急交通使用
3.1 桥梁结构抗震设防原则

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”“中震”“大震”;
地震影响 50年超越概率 地震重现期
众值烈度(Im)
基本烈度(I0) 罕遇烈度(Is)

小震
中震 大震
63.2%
10% 2-3%
50年
475年 1642-2475年
3.2.1 场地

场地类别
等效剪切波速 （m/s） 场 Ⅰ Ⅱ 地 类 Ⅲ 型 Ⅳ
vse 500
500 vse 250
0
250 vse 140
140 vse

5m 3m 3m
5m
30-50 3-15
50
15-80
80
表中数据为场地覆盖层厚度

断裂带是地质上的薄弱环节，发震断裂带附近地表，在地震时可能产 生新的错动，使建筑物遭受较大的破坏，属于地震危险地段。建设时 应避开。发震断裂带上可能发生地表错位的地段主要在高烈度区，全 新世以来经常活动的断裂上面。

“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：

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。

为什么需要考虑场地的影响



3.2.1 场地

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。

地段划分
地段类别 有利地段 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

3.2.2 天然地基与基础的抗震验算

地基抗震验算效应组合

地基抗震验算时，应采用地震作用效应与永久作用效应组合

天然地基在地震作用下的抗震承载力验算

地基土抗震承载力 • 地震是偶发事件，地基抗震承载力安全系数可比静载时降低； • 多数土在有限次的动载下，强度较静载下稍高。
f aE a f a

场地土及场地覆盖层厚度


场地土：指在场地范围内的地基土。即使在同一烈度区，场地土质条 件的不同，建筑物的震害又有很大差异。 一般规律：软弱地基与坚硬地基相比，自振周期长，振幅大，振动持 续时间长，震害也重，同时易产生不稳定状态。
3.2.1 场地

场地剪切波速和覆盖层厚度


需要对不同桥梁场地按照其对桥梁地震作用的强弱和特征分类，以便 根据不同的桥梁场地类别采用相应的设计参数进行桥梁的抗震设计。 桥梁工程场地按地震对桥梁的影响划分为4类，桥梁工程场地分类指 标为场地剪切波速（或场地土类型）和覆盖层厚度。

抗震设防的目标

地震是一种随机性极强的自然灾害，不可能保证结构在地震作用下的 绝对安全，也不可能不抗震设防，如何办？

使用寿命期内对不同频度和强度的地震，要求结构具有不同的抵抗能 力，使设计的结构在未来地震作用下发生破坏的概率为社会所接受， 同时为当前的经济条件所允许。合理的抗震设计应满足经济和安全之 间的合理平衡，三水准（中国）
1.5 2.0 4.0 vse 7.5 / 253.6m/s 180 240 310
3.2.1 场地

场地类别


桥梁工程场地内存在发震断裂时，应对断裂的工程影响进行评价： 对符合下列规定之一的情况，可忽略发震断裂错动对桥梁的影响： • 抗震设防烈度小于8度； • 非全新世活动断裂； • 抗震设防烈度为8度和9度时，前第四纪基岩隐伏断裂的土层覆盖厚 度分别大于60m和90m。 对不符合本条1款规定的情况，应避开主断裂带。其避让距离不宜小 于对发震断裂最小避让距离的规定。 A类桥梁应尽量避开主断裂，抗震设防烈度为8度和9度的地区，其 避开主断裂的距离为桥墩边缘至主断裂带外缘不宜小于300和500m A类桥梁以下桥梁宜采用跨径较小便于修复的结构 当桥位无法避开发震断裂时，宜将全部桥墩台布置在断层的同一盘 (最好是下盘)上。
钢筋砼拱桥的抗震设计按规范进行抗震设计，斜拉桥、悬索桥、
单跨跨径超过150m的特大跨径梁桥和拱桥必须进行专门抗震设 计计算；
3.2 地基的抗震设计——场地

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。 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。 • 场地和地基的破坏作用大致有地面破裂、滑坡、坍塌等; • 一般通过场地选择和地基处理来减轻地震灾害的。
第三章 桥梁结构的抗震设计
李顺龙
博士
哈尔滨工业大学交通科学与工程学院 桥梁与隧道工程系
本章目录
3.1 桥梁结构抗震设防原则
3.2 地基的抗震设计
3.3 梁桥的抗震设计
3.4 大跨度桥梁抗震设计实例
3.1 桥梁结构抗震设防原则
总目标
桥梁抗震的目标是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。因此，既要使震前用于抗震设防的经济投入不超 过我国当前的经济能力，又要使地震中桥梁的破坏程度限制在人们可以 承受的范围内。换言之，需要在经济与安全之间进行合理的平衡，这是 桥梁抗震设防的合理安全度原则。
vse d0 / t
vse d0 t di vsi n
:土层的等效剪切波速
t d i / vsi
i 1
n
:计算深度（m)，取覆盖层厚度和20m二者的较小值
:剪切波在地面至计算深度之间的传播时间
:计算深度范围内第i土层的厚度(m)
:计算深度范围内第i土层的剪切波速(m/s)
:计算深度范围内土层的分层数
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。
D类
☆☆☆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。
3.1 桥梁结构抗震设防原则
3.2.1 场地

例题：已知某桥梁场地的钻孔地质材料如下表所示，试确
定场地的类别。
土层底部深度(m)
1.5 3.5 7.5 15.5
土层厚度(m)
1.5 2.0 4.0 8.0
岩土名称(m)
杂填土 粉土 细沙 砾沙
土层剪切波速(m/s)
180 240 310 520
解：(1)确定覆盖层厚度：因为地表下7.5m以下的土层的剪切波 速度vs = 520m/s>500m/s，故d0 = 7.5m。 (2)计算剪切波速 查表知vse在250-500m/s之间，且d0 >5m，故属于II类场地
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
3.1 桥梁结构抗震设防原则
各类公路桥梁抗震设防烈度
不利地段
危险地段
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
3.2.1 场地
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。
a
1.5
粘性土和粉土
中密、稍密的碎石土，中密和稍密的砾、粗、中砂，密实和 中密的细、粉砂 150kPa f k 300kPa 的粘性土和粉土 稍密的细、粉砂，
100kPa f k 150kPa
1.3
的粘性土和粉土，新
近沉积的粘性土和粉土
1.1