4.桥梁抗震设计解析

强度设计 抗震结构
延性设计 减隔震结构
主动/半主动控制
2、公路桥梁抗震设计规范
《公路工程抗震设计规范》（JTJ004-89） 桥梁抗震设计部分内容废止 《公路桥梁抗震设计细则》（JTG/T B02-01-2008）
2.1 旧规范的局限性
采用的设防水准均为50年基准期10%超越概率， 重要结构物的设防等级用重要性系数来体现。 单一水准设防，采用基于强度一阶段设计；弹 性地震力采用综合影响系数折减考虑结构进入 塑性的性能。
地震作用可以用设计加速度反应谱、设计地震动 时程和设计地震动功谱表达。
10 地震作用
10.2 设计加速度反应谱
水平设计加速度反应谱
S Smax
S max (5.5T 0.45) T 0.1s S S max 0.1s T Tg S (T / T ) T Tg max g
0 0.1 Tg 10 T(s)
给出的是S谱值，不同于原来的动力放大系数beta谱值 最大周期10秒 大于Tg段都是以1/T的斜率下降
10 地震作用
公路工程抗震设计规范（JTJ 004-89）中给 出动力放大系数β 谱

g u u g u
max
max
建筑抗震设计规范（GB 50011-2001）中 给出水平地震影响系数 α 谱
11 抗震分析
11 抗震பைடு நூலகம்析
(t ) mu (t ) p(t ) ku(t ) cu
g (t ) mu
弹性力 阻尼力
惯性力
fS ku
f D cu
fI mu
11 抗震分析
cu ku mu g mu
经典解法
u(t ) uC (t ) uP (t )
高速公路、一级公路上大桥、特大桥，重要性系数取括号内的值
要点
通过抗震重要性系数调整设计地震动参数，不 同抗震分类桥梁对应的E1、E2地震作用的重 现期不同 两水平设防、两阶段设计
桥梁分类 A类 B类 C类 E1 不应发生损伤 同上 同上 E2 有限损伤 不倒塌或产生严重损伤，临时 加固后可满足应急交通 同上
2.2 新规范要点
增加了桥梁抗震分析建模原则和抗震分析方法 增加桥梁减隔震设计，增加了局部细节设计和 抗震构造措施内容 尽可能吸收了美国、日本现行抗震设计规范的 理念和方法，吸取了近十年桥梁震害的教训， 弥补了89规范的不足。
4、细则适用范围
适用于单跨跨径不超过150m的混凝土梁 桥、圬工或混凝土拱桥（常规桥梁） 斜拉桥、悬索桥、单跨跨径超过150m的 特大跨径梁桥、拱桥可以参照抗震设计 原则进行设计（特殊桥梁） 适用于抗震设防烈度6~9度地区的公路桥 设计，大于9度应作专门研究
9、常规桥梁结构构件抗震设计流程
10 地震作用
反应谱取值：按E1和E2地震重要性系数 乘设计基本地震动加速度峰值A
表3.2.2 抗震设防烈度和水平向设计基本地震动加速度值A
抗震设防烈度 A 6 0.05g 7 0.10（0.15）g 8 0.20（0.3）g 9 0.40g
10 地震作用
10.1 一般规定
10 地震作用
当采用时程分析法时，应同时输入三个方向分量的一组地震动 时程计算地震作用效应。 进行直线桥梁地震反应分析时，可分别考虑沿顺桥向和横桥向 两个水平方向地震输入。 进行曲线桥梁地震反应分析时，可分别沿相邻两桥墩连线方向 和垂直于连线水平方向多方向地震输入，以确定最不利地震水平 输入方向。
k
g u
max
g

g u u g u
max
max
10 地震作用
水平设计加速度反应谱最大值
10 地震作用
场地特征周期Tg
场地特征周期Tg，按场址位置在《中国地震动反应谱特征周期区 划图》上读取后，根据场地类别，按下表取值。
10 地震作用
阻尼调整系数
10 地震作用
12 强度与变形验算
12 强度与变形验算
12 强度与变形验算
12 强度与变形验算
12 强度与变形验算
12 强度与变形验算
12 强度与变形验算
等效屈服曲率、极限破坏状态的曲率
13 延性构造细节设计
13 延性构造细节设计
13 延性构造细节设计
13 延性构造细节设计
13 延性构造细节设计
11.2 梁桥延性抗震设计
11 抗震分析
11 抗震分析
11.3 建模原则
单元质量可采用集中质量代 表；墩柱和梁体的单元划分应 反映结构的实际动力特性； 支座单元应反映支座的力学 特性 混凝土结构的阻尼比可取为 0.05；进行时程分析时，可采 用瑞利阻尼 计算模型应考虑相邻结构和 边界条件的影响。
2.1 旧规范的局限性
采用综合影响系数考虑结构进入塑性 （延性），但塑性铰保证延性的细节构 造不明确，综合影响系数取值模糊并且 明显不合理。 对于墩柱抗剪、基础抗震设计和验算没 有规定，实际应用时存在错误，没有引 入能力保护设计的思想。
2.2 新规范要点
取消了综合影响系数：采用两水平设防，两阶段设计， 并给出了明确的性能目标。 第一阶段： E1地震作用下的弹性抗震设计； 第二阶段： E2地震作用下的弹塑性抗震设计，采用延 性抗震设计方法， 并引入能力保护设计原则。 地震作用部分的修订，反应谱周期到10秒，并给出了 场地修正系数；给出了时程地震波的选用原则。
表中：TH：代表线性和非线性时程计算方法 SM：单模态反应谱和功率谱方法 MM：多模态反应谱和功率谱方法
11 抗震分析
截面特性取值
◇E1地震作用下，常规桥梁的所有构件抗弯刚度均按毛截面计算。 ◇E2地震作用下，延性构件的有效截面抗弯刚度应按下式计算， 但其他构件抗弯刚度仍按毛截面计算。
11 抗震分析
桥梁结构地震作用考虑的原则
一般情况下，公路桥梁可只考虑水平向地震作用，直线桥 可分别考虑顺桥向和横桥向的地震作用。 设防烈度为8度和9度时的拱式结构、长悬臂桥梁结构和大 跨度结构，以及竖向作用引起的地震效应很重要时，应同 时考虑顺桥向X、横桥向Y和竖向Z的地震作用。


地震作用分量组合
采用反应谱法或功率谱法同时考虑三个正交方向的地震作 用时，可分别单独计算各方向地震作用产生的最大效应， 然后组合。
11 抗震分析
11.1 一般规定
适用范围：常规桥梁
单跨跨径不超过150m的混凝土梁桥、圬工或混凝土拱桥等常规桥梁 的抗震分析，墩高不超过40m，墩身第一阶振型有效质量大于60%。
11 抗震分析
11 抗震分析
表6.1.4 桥梁抗震分析可采用的计算方法 B类 地震作用 规则 E1 E2 SM/MM SM/MM 非规则 MM/TH TH 规则 SM/MM SM/MM 非规则 MM/TH TH 规则 SM/MM —— 非规则 MM —— C类 D类
13 延性构造细节设计
14 构造措施
延性构造措施：最低含箍率、箍筋约束 形式、配筋率、纵筋截断、节点构造形式 防落梁、限位措施…
地震动三要素
振幅 频谱 持续时间
11 抗震分析
时程分析的最终结果，当采用3组时程波计算时，应 取3组计算结果的最大值；当采用7组时程波计算时， 可取7组结果的平均值。
在E1地震作用下，线性时程法的计算结果不应小于反 应谱法计算结果的80%。
11 抗震分析
反应谱法
优点：带有统计特性；给出结构地震反应的最大值； 缺点：目前只适用于线性分析；各振型都是取最大值计算的；
竖向设计加速度反应谱
◇竖向设计加速度反应谱由水平设计加速度反应谱乘以下 式给出的竖向/水平谱比函数R
◇基岩场地的 R=0.65
◇土层场地的
10 地震作用
10.3 地震动时程
做过地震安全性评价的桥址，设计地震动时程要根据专门的工程场地 地震安全性评价的结果确定。 未作地震安全性评价的桥址，可根据本细则设计加速度反应谱，合成 与其兼容的设计加速度时程；也可选用与设计地震震级、距离大体相近 的实际地震动加速度记录，通过时域方法调整，使其反应谱与本细则设 计加速度反应谱兼容。 为考虑地震动的随机性，设计加速度时程不得少于三组（条），且应 保证任意二时程间由下式定义的相关系数ρ的值小于0.1
Total Response
11 抗震分析
数值方法
可适用于线性和非线性领域 中心差分法 、常加速度法、线性加速度法

Newmark 法 、Wilson-
法
不同参数对应的逐步积分法
11 抗震分析
11.4 反应谱法
11 抗震分析
SRSS方法组合
CQC方法组合
11 抗震分析
11.5 时程分析方法
二阶线性微分方程
u(t ) A coswnt B sinwnt p0 / k
Response to impulse 1
杜哈梅积分
将外荷载视为由时间间隔非常短的冲击荷载组成的 结构反应为对各冲击荷载反应之和
Response to impulse Response to impulse 2
时程分析法
优点：适用于线性和非线性的情况；给出随时间变化的结构反应； 缺点：地震波有随机性，计算结果也带有随机性；和其他工况组 合时麻烦一些。
11 抗震分析
11.6 能力保护构件计算
12 强度与变形验算
12.1 一般规定
12 强度与变形验算
12.2 B类、C类桥梁抗震强度验算
12 强度与变形验算
5 桥梁抗震设防分类
6 抗震设防目标
采用两水平设防、两阶段设计的思想
7 抗震重要性系数Ci
E1
桥梁分类 A类 B类 C类 D类 重要性 系数 1.0 重现期 475年 重要性 系数 1.7 1.3(1.7) 1.0
E2
重现期 2000年 1000年 （2000年） 475年
0.43(0.5) 75年（100年） 0.34 0.23 50年 25年
D类
同上
D类桥梁一水平设防、一水平设计
8 抗震设计过程
抗震概念设计：桥位场地选择、合理的
结构选型与布置、恰当的抗震体系 抗震验算与设计： E1作用下，强度设计（分析、强度验算） E2作用下，延性设计（分析、变形验算） 抗震构造措施
9、抗震设计总流程图
9、常规桥梁总体设计流程
9、常规桥梁结构构件抗震设计流程


实测地震记录的积累 计算分析理论的提高 对结构损伤破坏过程的深刻认识
1、桥梁抗震设计理论的发展
抗震设防方法
单水平设防 多级设防 多阶段设计
小震不坏、中震可修、大震不倒 两阶段或三阶段设计：强度设计、延性设计 地震的随机性和复杂性 经济因素
1、桥梁抗震设计理论的发展
抗震设计方法
工程结构抗震学
第四章 桥梁抗震设计
赵冠远
北京交通大学土木建筑工程学院
part1、 公路桥抗震设计
1、桥梁抗震设计理论的发展
桥梁震害 震害机理、原因分析 对策 （选线、设计、措施） 抗震设计理 论的发展 解析 实验

抗震标准规范
1、桥梁抗震设计理论的发展
地震反应分析方法 静力计算 动力计算
反应谱分析 弹性动力时程分析 非线性时程分析 静力弹塑性分析