桥梁结构抗震设计PPT120页

震害及其分析
四、墩柱破坏
1．墩柱弯曲破坏（见图5-6） 在地震作用下，桥梁的墩柱可能发生以下四种破坏形式： a)墩柱弯曲强度不足（混凝土过早压碎或者纵筋过早屈服 ） b)墩柱钢筋搭接长度不足引起的破坏
c)弯曲延性不足（全截面压碎）
图5-6 墩柱纵筋焊接破坏
（找出出处，或用新的有出处的此类图片代替）
桥梁结构抗震设计
5.1震害及其分析 5.2桥梁按反应谱理论的计算方法 5.3桥梁结构地震响应分析 5.4桥梁抗震延性设计
52
5
桥梁结构抗震设计
本章学习目的
了解桥梁震害的基本特点； 掌握梁桥抗震分析与设计的基本方法； 了解桥梁地震反应时程分析的主要内容； 掌握桥梁抗震延性设计的基本原理和主要方法。
基础侧面土的抗力对地震反应有一定影响，计算时应予考 虑。 （1）浅基础
可按分别考虑基础侧面土的水平抗力影响，基底土的 旋转抗力影响，基础侧面上的水平抗力和旋转抗力的联合 影响来进行简化计算。 （ 2 ）桩基础和沉井基础
宜同时考虑桩侧地基的土抗力、桩身惯性力和桩侧附于 桩身上的土的惯性力的作用。
5.2
桥梁按照使用用途的不同又分为铁路桥梁和公路桥梁，其抗震 设计可分别按照下列相应规范进行:
1.《铁路工程抗震设计规范》，以下简称《铁路抗震规范》 2.《公路工程抗震设计规范》，以下简称《公路抗震规范》
桥梁结构抗震设计
5.1震害及其分析
5.2桥梁按反应谱理论的计算方法 5.3桥梁结构地震响应分析 5.4桥梁抗震延性设计
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
1．顺桥轴方向(又称纵向)
在按反应谱理论计算桥梁墩台的地震作用时，将墩台身分成 若干部分；
把每一部分质量集中于其相应重心处作为集中质量(明挖基础的重 量可独立为集中质量，也可与墩台最下段质量合并)； 梁部结构(包括梁和桥面)的质量以及墩台顶帽的质量假定集中于支 座中心高度处，也可近似地集中于顶帽的顶面处，以mi来表示， 其计算简图如图5-15所示。
桥台
拱桥
0．35 0．35：
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
综合系数Cz主要反映弹塑性地震作用FEp与弹性地震作 用FEe的比值等多种因素的影响
当设结构延性系数μ为结构产生的弹塑性位移△u与屈服位移 △y之比, Cz与μ有近似的关系。
低频结构（T>0.5s时），Cz=1/ μ ； 中频结构（T1=0.05~0.5s），Cz=1/(2 μ –1)1/2； 高频结构（T1=0.03~0.05s）， μ =1。
如果桥墩不高、基础为明挖、入土不太深、而地基 土又较差时，则墩身的刚性比较大，第一振型对振动的 影响也比较大，可不考虑较高阶振型的影响，
此时，墩身振动时的第一振型可以近似乎取顶边为
1的倒三角形（即
x* m11
1
）
(5-9)
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
第一振型振动计算简图
1 m1=Gg1
x* m1l
H≤12米时 整个结构采用 1 H＞12米时 随结构高度而变，底面
1，墩台顶面及顶面以上 2 ;中间任一点处的 I 1 Hi / H0
式中H对于桥墩为墩顶面至基底（即基础底面）的高 度（以米计），对于桥台则自桥台道碴槽顶面至基底 的高度。
Hi为验算截面以上任一质量的重心至墩台底（即基础 底面）的高度（以米计）。
图中的横坐标为结构自振周期T（以秒为单位）
根据设计反应谱计算的单质点地震作用为：
FE CiCzkhG CiCz1G(5 3)
kh | xg |max / g
G mg
| xg x* |max / | xg |max (5 4)
1 kh
式中，水平地震系数Kh和动力放大系数β的乘积即为 水平地震作用影响系数α1 （无量纲）；
5.1
震害及其分析
2．墩柱剪切破坏(见图5-9)
图5-9 桥墩剪切破坏 （找出出处，或用新的有出处的此类图片代替）
桥梁结构抗震设计
5.1震害及其分析
5.2桥梁按反应谱理论的计算方法
5.3桥梁结构地震响应分析 5.4桥梁抗震延性设计
25
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
一、桥梁地震作用计算的静力法
这里介绍考虑梁部结构弹性约束对桥墩振动的影响的近似 方法。
假设现在有一个单质点的系统产生振动，其质点受到上部
结构的弹性约束，假设其弹性约束系数 k ，
该系统本身的弹簧系数为 k ，如图5-14所示。
假设该系统按下式运动：
x Acos(pt a)(5 15)
当该系统自由振动时，根据动力学原理，kk和 应按并
《铁路抗震规范》规定式(5-1)中的Cz对于硬质岩石地质为 1/5，其它地基为1/4。
为考虑地震作用沿高度线性增大而引入的修正导数。
G为重力荷载代表值。
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
式（5-1）中的系数 如下（见图5-10）：
图5-10 地震作用高度修正导数
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
F P
k /(k k /(k
k)Pi k)Pi
(5
17)
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
当桥上采用简支梁时，可粗略地采取
k (EA / L)
这里E为钢轨的弹性模量，A为两根钢轨的横截面面积 （当有护轨时，可考虑计入护轨的横截面），
L为一孔梁的长度。
为一系数，它考虑由于钢轨锁定能力有限，钢轨承
桥梁按反应谱理论的计算方法
表5—2 综合影响系数Cz
桥梁和墩、台类型
桥墩计算高度H (米)
H 10≤H< 20≤H<
<10 20
30
柔性 柱式桥墩、排架桩墩、薄 墩 壁桥墩
梁
实体 墩
天然基础和沉井基础上实 体桥墩
桥
多排桩基础上的桥墩
0．3 0
0．2 0
0．2 5
0．33 0．25 0．30
0．35 0．30 0．35
25
5.1
震害及其分析
一、落梁引起的桥跨损坏（见图5－2）
图5-2 美国旧金山奥克兰海湾桥 在地震中落梁破坏（找出出处） 或用新的有出处的落梁图片代替 出处可用拍摄人（时间）或网址，余同
5.1
震害及其分析
二、桥梁结构相互冲击破坏 三、桥台沉陷（见图5-4）
破坏前
破坏后
图5-4 桥台沉陷和转动
5.1
Cz为考虑结构弹塑性作用采用综合影响系数，一般为 0.20~0.35 ，见表5-2；
水平地震系数Kh与地震烈度有关，见表5-3；
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
表5—1 结构重要性修正系数Ci
路线等级及构造物 高速公路和一级公路上的抗震重点工程 高速公路和一级公路的一般工程，二级公路的抗震 重点工程，二、三级公路上桥梁的梁端支座 二级公路的一般工程,三级公路上的抗震重点工程, 四级公路上桥梁的梁端支座 三级公路的一般工程、四级公路上的抗震重点工程
受轴向力太大时可能发生移动，从而减小 k 值。
一般可考虑ζ=0.3~0.5。梁跨较小时，采用较小的ζ值， 反之，则采用较大的ζ值。
5.2
桥桥梁梁按按反反应应谱谱理理论论的的计计算算方方法法
五、桥梁墩台计算方法
一般来说桥梁墩台的振动方式可以分为两种： 一种是在振动时墩台身任一截面既产生水平平 动，又产生转动，成为弯曲变形振动，大多数墩台属 于这种情况。 另一种是结构在振动时，任一截面主要产生水 平平动，而转动非常小，成为剪切变形振动。
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
Ci为结构重要性修正系数，对一般结构（如二级公路一般 工程等）取1；
Cz为考虑结构弹塑性作用采用综合影响系数，一般为 0.20~0.35 ；
水平地震系数Kh与地震烈度有关；
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
Ci为结构重要性修正系数，对一般结构（如二级公路一 般工程等）取1，见表5-1；
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
计算中应注意，Gi为墩身第i个质点（或第i个分段）的墩身重 量。 对于墩顶，则Gi=G1 。G1近似地包括梁部结构，活载和墩帽 以及部分墩身的重量。
图5-12桥梁桥墩简图
图 2-64
5.2
桥桥梁梁按按反反应应谱谱理理论论的的计计算算方方法法
三、多自由度系统地震作用的简化计算
《铁路工程抗震设计规范》（以下简称铁路抗震规范）建 议对刚性较大的桥梁结构如桥台和粗矮墩等可采用静力法 计算，即地震作用Fi为：
Fi Cz m | xg | Cz kHG (5-1)
其中 kH xg max / g kH为水平地震系数;
(5-2)
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
Cz为考虑场地地基及计算中未考虑的基地因素对地 震作用的影响 ；
表5-3 设防烈度与水平地震系数KH的关系
设计烈度（度）
7
8
9
水平地震系数kH
0.1 0.2 0.4
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
百度文库
对干多质点弹性体系的桥梁结构，对应i质点j振型（相应
周期为Tj）的地震作用Fji为
Fji CiCz Kh j j x jiGi (5 5)
其中γj为j振型的振型参与系数，Xji为j振型i质点处的振型 分量 各阶振型质点产生的作用力Fi（或位移Si ）采用平方和开 平方法(SRSS法)或CQC方法计算。
2
i mi=Ggi
x*mil
m =Gg
H Hi
H
n
x* m1l
图5-13 墩身振动第一振型
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
xm* i 1
Hi H
x*m11
(
x* m11
1)(5
8)
于是
1
n
[
i 1
mi
Hi ] /[ n H i1
mi
(
Hi H
)2 ]
n
n
H[ Himi ] /[ Hi2mi ](5 9)
5
桥梁结构抗震设计
(1)通过桥梁震害分析提出桥梁遭遇震坏的基本特点 和抗震设计的要点
(2)分析桥梁抗震设计的反应谱方法、时程分析法和 延性设计方法，讲解桥梁抗震设计的基本内容和特 点
5
桥梁结构抗震设计
桥梁按照结构体系的不同可分为梁桥、拱桥、斜拉桥、悬 索桥等，其分类的主要区别在于桥面结构的支撑型式。
k
k
Rd
Rd
Rc
c
,
Rs
s
γb：构件工作条件系数，矩形截面0.95，圆形截面0.68 Sd：荷载效应函数； Rd：抗力效应函数 Gk：非震作用效应； Qdk：地震作用效应 γg：非震作用荷载安全系数； γq：地震作用安全系数 另外考虑非震组合。
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
*四、地基和梁部结构弹性约束对地震反应的影响
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
对一般砖石结构μ＝2～3；对一般钢筋混凝土结构μ=4。 因此，对干一般高度的石砌墩台，Cz=1/3；
对于一般高度的钢筋混凝土墩台，z=1/4， 对于钢筋混凝土高墩（高度大于60m）， Cz=1/2~1/3， 《铁路抗震规范》采用Cz=1/2。
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
联考虑，则得自由振动方程：
(k k)x mx 0(5 16)
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
即 (k k )x mx mp 2 x ，可得到
p (k k) / m p0 1 k / k
k p0为不考虑 时的自振频率 k / m
此时梁部结构承受的地震作用F和墩身承受的地震作用 P′ 应将地震作用Pi根据k和k′按下列比例关系进行分配。
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
二、桥梁地震反应计算的反应谱法
铁路桥梁设计采用的设计反应计算谱曲线如图5-11所示。
β
I类场地土 β=0.450/T II类场地土 β=0.675/T III类场地土 β=1.575/T
T(s)
5-11 铁路图桥2梁-设1计5反应谱曲线
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
重要性修正 系数Ci 1．7 1．3
1．0
0．6
注：(1)位于基本烈度为9度地区的高速公路和一级公路上抗震重点工程， 其重要性修正系数也可采用1．5。
(2)抗震重点工程系指特大桥、大桥、隧道和破坏后修复(抢修)困难 的路基中桥和挡土墙等工程。一般工程系指非重点的路基、中小桥和挡 土墙等工程。
5.2
i 1
i 1
第i个质点的地震作用Fi为
Fi CiCzkH 11Gi Hi / H (5 10)
5.2
桥桥梁梁按按反反应应谱谱理理论论的的计计算算方方法法
四. 桥梁构件截面抗震验算--按反应谱方法
1、抗震荷载效应组合下截面验算设计表示式：
Sd b Rd
Sd Sd g Gk ; q Qdk ;
桥梁按反应谱理论的计算方法
（ 3 ）梁部结构弹性约束对桥墩振动的影响
桥墩顺桥方向（即纵向） 振动，梁和线路钢轨对墩顶 具有顺桥方向弹性约束作用。
k' m
上部是连续梁时，弹性约束
k
较强，当为简支梁时，约束
作用较弱。
顺桥方向弹性约束系数应主 要根据大量试验来确定。
图5-14 梁部弹性约束影 响
5.2
桥梁按反应谱理论的计算方法
5.2