橋梁的建設(shè)工程的抗震設(shè)計的主要內(nèi)容和方法.docx

1、橋梁工程抗震設(shè)計的主要內(nèi)容和方法通過本學期所學的?土木工程地質(zhì)？，我們初步了解到了橋梁工程。橋梁是交通 生命線工程中的重要組成局部，震區(qū)橋梁的破壞不僅直接阻礙了及時救災行動， 使得次生災害加重，導致生命財產(chǎn)以及間接經(jīng)濟損失巨大，而旦給災后的恢復與 重建帶來困難。在近30年的國內(nèi)外大地震中，橋梁破壞均十分嚴重，橋梁震害 及其帶來的次生災害均給橋梁抗震設(shè)計以深刻的啟示。在以往地震中城市高架橋 或公路上梁橋的墩柱的屈曲、開裂、混凝土剝落、壓潰、剪斷、鋼筋裸露斷裂等 震害，橋梁防震越來越受到各國工程師的重視。所以結(jié)合所學現(xiàn)代剛橋等知識及 搜集的資料，本文將大致講述橋梁工程抗震設(shè)計的主要內(nèi)容和方法。首先

2、我們了解下地震帶給橋梁的具體破壞影響，這樣才可以采取相應措施來 防止。橋梁上部構(gòu)造由于受到墩臺、支座等的隔離作用，在地震中直承受慣性力 作用而破壞的實例較少，由于下部構(gòu)造破壞而導致上部構(gòu)造破壞那么是橋梁構(gòu)造 破壞的主要形式，下部構(gòu)造常見的破壞形式有以下兒種：1）支承連接部件失?。汗潭ㄖё鶑姸热狈?、活動支座位移量不夠、橡膠支座梁底與支座底 發(fā)生滑動，在地震力作用下支座破壞，致使梁體發(fā)生位移導致落梁。2）墩臺支承寬度不滿足防震要求，防落梁措施設(shè)計不合理，在地震力作用下，梁、 墩臺間出現(xiàn)較大相對位移，導致落梁現(xiàn)象的發(fā)生。3）伸縮縫、擋塊強度缺乏，在地震力作用下伸縮縫碰撞破壞擠壓破壞、擋塊剪切破壞，

3、都起不到應有作用，導致落梁。接下來將從兩個方面講述抗震設(shè)計?？拐鹪O(shè)計的主要內(nèi)容目前橋梁工程的設(shè)計主要配合靜力設(shè)計進展，但貫穿整個橋梁設(shè)計的全過程。與 靜力設(shè)計一樣，橋梁工程的抗震設(shè)計也是一項綜合性的工作。橋梁抗震設(shè)計的任 務，是選擇合理的構(gòu)造方式，并為構(gòu)造提供較強的抗震能力。具體來說，有以下 三個局部：1正確選擇能夠有效抵抗地震作用的構(gòu)造形式；2合理的分配構(gòu)造的剛度，質(zhì)量和阻尼等動力參數(shù)，以便最大限度的利用構(gòu)件和 材料的承載和變形能力；3正確估計地震可能對構(gòu)造造成的破壞，以便通過構(gòu)造、構(gòu)造和其他抗震措施， 使損失控制在限定的范圍內(nèi)。一、抗震設(shè)計流程橋梁工程的設(shè)計一般都要包括五個局部，抗震設(shè)防標

4、準選定，抗震概念設(shè)計, 地震反響分析，抗震性能驗算和抗震構(gòu)造設(shè)計。其中地震反響分析和抗震性能驗算工作量最多，且最為復雜。如果采用三級 設(shè)防的抗震設(shè)計思想，上面的兩個局部就要做三個循環(huán)，即對于每一個設(shè)防標準, 進展一次地震反響分析，并進展相應的抗震性能驗算，直到構(gòu)造的抗震性能滿足 要求。二、抗震概念設(shè)計抗震概念設(shè)計是從概念上，特別是從構(gòu)造總體上考慮抗震的工程決策；概念 設(shè)計是指根據(jù)地震災害和工程經(jīng)歷等獲得的根本設(shè)計和設(shè)計思想，正確地解決構(gòu) 造總體方案、材料使用和細部構(gòu)造，以到達合理抗震設(shè)計的目的。合理的抗震概念設(shè)計，要求設(shè)計出來的構(gòu)造，在強度、剛度和延性等指標上 有最正確的組合，使構(gòu)造能夠經(jīng)濟地

5、實現(xiàn)抗震設(shè)防的目標。該階段的主要任務使 選擇良好的抗震構(gòu)造體系，主要橋梁構(gòu)造抗震設(shè)計的一般要求進展。對于采用延 性概念設(shè)計的橋梁，還包括延性類型選擇和塑性耗能機制選擇。從抗震的角度來看，理想的橋梁構(gòu)造體系布置應該是：1）從幾何線性看：是直橋，而且各橋墩高度相差不大。2）從構(gòu)造布局上看：上部構(gòu)造是連續(xù)的，伸縮縫應該盡可能少；橋梁保持小跨 徑；在多個 橋墩布置彈性支座；各個橋墩的強度剛度在各個方向都一樣；根底 是建造在堅硬的場地上。實際工程中，由于各種限制條件，可能不能全部滿足但也應該盡量滿足以上原那 么。三、地震反響分析進展地震反響分析，正確預測地震對橋梁構(gòu)造的影響是進展橋梁抗震設(shè)計的 根底。地

6、震反響分析要解決三個關(guān)鍵問題：1）確定適宜的地震輸入2）建立構(gòu)造系統(tǒng)的數(shù)學模型及振動方程：一般采用有限元方法將構(gòu)造離散化， 建立橋梁構(gòu)造力學模型，然后確定各離散單元的力學特性，最終建立相應的地震 振動方程。3）選擇適宜的方法求解地震振動方程得到地震反響。下面將詳細解決這三個問題1地震輸入確實定在確定性地震反響分析中，一般采用兩種地震動輸入，即地震加速度反響譜 和地震動加速度時程。采用反響譜法進展地震反響分析時，一般采用地震加速度反響譜作為地震輸 入。反響譜的選取比擬簡單，-般根據(jù)場地條件和設(shè)防標準，根據(jù)標準選取。如 果做過場地地震平安性評價，那么可以選取場地的設(shè)計反響譜作為輸入。采用動態(tài)時程法

7、進展地震反響分析時，一般采用地震動加速度時程作為地震 輸入。地震動加速度時程的選擇主要有三個方法，即直接利用地震記錄、采用人 工地震加速度時程和標準標準化地震加速度時程。選擇加速度時程時，必須把握 住三個特征，即加速度峰值的大小，波形和強震持續(xù)時間。在選擇強震記錄時， 除了最大峰值加速度應符合橋梁所在地區(qū)的設(shè)防要求外，場地條件也應該盡量接 近，也就是該地震波的主要周期應盡量接近于橋址場地附近同類地質(zhì)條件下的強 震記錄，那么是最正確選擇，應優(yōu)先采用。在地震反響分析中，地震反響一般分別沿兩個最不利方向，縱橋向和橫橋向 輸入。而且縱橋向或橫橋向地震驗算是分別進展的，不考慮正交地震力的合成。 關(guān)于豎向

8、地震輸入，我國鐵路工程和公路工程抗震設(shè)計標準都規(guī)定，只有位于烈 度為9度區(qū)的懸臂構(gòu)造應考慮燧向地震力作用，其地震力系數(shù)為水平向的0.5 倍。但需要指出來的是，拱橋?qū)τ谪Q向地震非常敏感，一般都應考慮。地震動的輸入方式又可分為同步，不同步多點輸入。對于小中橋梁，進展同 步輸入。對于橋梁長度很大的橋梁，各支撐點可能位于顯著不同的場地土上，由 此導致各支撐處輸入地震動的不同，在地震反響分析中就要考慮多支撐不同鼓勵 簡稱多點激振。即使場地土情況變化不大，也可能因地震動沿橋縱軸向先后到達 的時間差，引起各支承處輸入地震時程的相位差，簡稱行波效應。2地震振動方程及構(gòu)造力學模型的建立有總剛度矩陣，總質(zhì)量矩陣，

9、總阻尼矩陣等方程。此處主要講構(gòu)造力學模型的 建立。1）動力計算模型的建立采用有限元模型描述橋梁構(gòu)造的力學特征時，必須將構(gòu)造離散化，這包括構(gòu) 造本身的單元劃分，支承連接局部的特殊處理，墩臺基地支承的邊界處理等。 為了真實的模擬構(gòu)造的力學特征，所建立的計算模型必須如實的反映構(gòu)造構(gòu)件的 兒何，材料特性，以及各構(gòu)件的邊界連接條件。2）上部構(gòu)造的計算模型一般來說，橋梁上部構(gòu)造的設(shè)計主要由運營荷載控制。震害資料也說明，上 部構(gòu)造自身的震害非常少見。采用能反映上部構(gòu)造質(zhì)量分布和剛度特征的簡化的 脊梁模型來模擬上部構(gòu)造的工作特性。橋梁構(gòu)造的抗震慣性力主要集中在上部構(gòu) 造，控制下部構(gòu)造設(shè)計的主要是上部構(gòu)造通過支

10、座傳遞下來的水平慣性力，而 這一慣性力，主要取決于上部構(gòu)造的質(zhì)量、下部構(gòu)造的剛度、以及支座連接條 件。因此，在橋梁抗震設(shè)計中，橋梁上部構(gòu)造的剛度模擬不必太精細，在許多情 況下甚至可以假設(shè)為剛體，但上部構(gòu)造的質(zhì)量必須盡可能正確模擬。3）墩柱的計算模型在地震反響分析中，墩柱是關(guān)鍵的構(gòu)造構(gòu)件。上部構(gòu)造的重力和地震慣性力 通過墩柱傳遞給根底，而地震動輸入又通過墩柱傳遞給上部構(gòu)造。另一方面，目 前普遍承受的抗震設(shè)計思想一般要求墩柱具備一定的非彈性變形及耗能能力。因 此，正確建立墩柱的計算模型，即正常模擬墩柱的剛度和質(zhì)量分布非常重要。橋梁墩柱一般采用單元模擬，但單元的劃分要恰當。因為單元的劃分決定了 堆聚

11、質(zhì)量的分布，從而決定了振型的形狀和地震慣性力的分布。對于一般的混凝 土橋梁，上部構(gòu)造的慣性力奉獻對墩柱的地震反響起控制作用，墩柱自身的奉獻 很小。這時，墩柱的單元劃分可以適當粗糙。反之，如果是重力式橋墩，或者高 墩，橋墩的自身奉獻那么比擬大，此時，墩柱的單元劃分就不能太粗糙。四、抗震驗算橋梁構(gòu)造地震反響分析的最終目的是正確地估計地震可能對構(gòu)造造成的破 壞，以便通過構(gòu)造構(gòu)造以及其他抗震措施，使損失控制在限定的范圍內(nèi)。因此， 恰當而有效抗震能力驗算是橋梁構(gòu)造抗震設(shè)計的一個重要組成局部。橋梁工程的大局部質(zhì)量都集中在上部構(gòu)造，因而，地震慣性力也主要集中在 上部構(gòu)造。上部構(gòu)造的地震慣性力一般通過支座傳遞

12、給墩柱，再由墩柱傳遞給根 底， 進 而傳遞給地基承受。'一般來說:上部構(gòu)造的設(shè)計主要由恒載，活載，溫度荷載等控制。而墩柱在 地震作用下將會受到較大剪力和彎矩作用，一般由地震反響控制設(shè)計。因此，墩 柱，以及保持上、下部連接可靠的支座等連接構(gòu)件，是橋梁抗震驗算的主要局部。大量震害資料說明：橋梁震害主要產(chǎn)生在下部構(gòu)造，即使是上部構(gòu)造破壞的 境況，也往往是由于下部構(gòu)造的破壞或大變形造成的。橋梁構(gòu)造中普遍采用的鋼筋混凝土墩柱，其破壞形式主要有剪切破壞和彎曲 破壞。比擬高柔的橋墩，多為彎曲型破壞；而矮粗的橋墩多為剪切破壞；介于兩 者之間的，為混合型；橋梁支座的震害也極為普遍，破壞形式主要是活動支座

13、脫落，以及支座本身 構(gòu)造上的破壞等。因此，在橋梁構(gòu)造的抗震驗算中，不僅要驗算墩柱的抗彎能力和抗剪能力， 還要驗算支座等連接構(gòu)件能否有效工作。1構(gòu)造破壞準那么迄今為止，前人己經(jīng)提出了許多構(gòu)造地震破壞準那么，主要有強度破壞準那 么，變形破壞準那么，能量破壞準那么，變形和能量雙重破壞準那么，以及基于 性能的破壞準那么。目前較為實用的是強度破壞準那么和延性破壞準那么。 2鋼筋混凝土墩柱的抗彎能力驗算鋼筋混凝土墩柱的抗彎能力驗算包括抗彎強度驗算和延性能力驗算?？箯潖?度驗算采用強度破壞準那么進展，要求地震作用下墩柱的最大彎矩小于墩柱的抗 彎強度。我國現(xiàn)行的？公路工程抗震設(shè)計標準?規(guī)定，強度驗算按現(xiàn)行公路

14、橋涵設(shè) 計標準進展。如果允許墩柱出現(xiàn)非彈性變形，那么采用延性破壞準那么驗算墩柱的延性能 力。根據(jù)延性破壞準那么，構(gòu)造是否被破壞取決于塑性變形的大小。鋼筋混凝土墩柱的抗剪強度采用強度破壞準那么進展驗算，即要求地震引起 的墩柱最大剪力小于墩柱的抗剪強度。五、抗震構(gòu)造設(shè)計橋梁構(gòu)造的抗震構(gòu)造設(shè)計一般包括兩個方面，即墩與梁的連接構(gòu)造設(shè)計和墩 柱的構(gòu)造設(shè)計。在歷次破壞性地震中，由于鏈接構(gòu)造的設(shè)計缺陷引起的落梁震害及其常見。 在實際抗震設(shè)計中，世界各國普遍采用構(gòu)造措施防止落梁震害，包括兩個方面：1、限制支承連接部位的支承面最小寬度；2在相鄰梁之間安裝縱向約束裝置。需要指出的是，斜梁與曲線梁橋的梁端較易發(fā)生落

15、梁，需要特別重視在梁端 至墩、臺帽或蓋梁邊緣之間的距離設(shè)置。實際設(shè)計中應結(jié)合具體情況設(shè)計。 接下來將講述橋梁工抗震設(shè)計中常見的幾種方法?？拐鹪O(shè)計主要方法1反響譜法人類在與地震的斗爭中開展了各種抗震分析方法，分為確定性方法和概率性 方法兩大類。靜力法、反響譜法和時程分析法均屬于確定性方法，隨機振動、虛 擬鼓勵法屬于概率性方法。通常所說的構(gòu)造地震反響分析,就是建立構(gòu)造地震振 動方程，然后通過求解振動方程得到構(gòu)造地震反響（位移、內(nèi)力等）的過程。反響譜的定義在構(gòu)造抗震理論開展中，靜力法、反響譜法和動力時程分析法三個階段的形 成和開展是人類對自然規(guī)律認識的不斷深入與完善的過程。反響譜理論考慮了構(gòu) 造物的

16、動力特性，而且簡單正確地反映了地震動的特性，因此得到了廣泛認可 和應用。廣義線性單自由度體系一個場地記錄到的地震動與多種因素有關(guān)，比方場 地條件、震中距和震源深度、震級、震源機制和傳播路徑等等。由于諸多隨機因 素的影響使得由不同記錄得到的加速度反響譜具有很大的隨機性。各標準反響譜 之間存在一些差異，工程抗震設(shè)計中采用動力放大系數(shù)作為地震荷載的描述， 其根據(jù)規(guī)定的反響譜曲線及體系的自振周期確定。在橋梁抗震設(shè)計標準中還引入 了綜合影響系數(shù)以考慮構(gòu)造的延性耗能作用。對于多質(zhì)點體系可利用振型分解成 一系列相互獨立的振動從而可以利用單質(zhì)點體系的反響譜理論來計算，最后將 各個振型的最大反響按適當?shù)姆椒ㄏ嘟M

17、合（如SRSS、CQC、TGQC等）即得到多 質(zhì)點體系的各項反響值廣2。反響譜方法的優(yōu)缺點反響譜方法的優(yōu)點是概念簡單、計算方便，可以用較少的計算量獲得構(gòu)造的 最大反響值。反響譜方法的缺點是：（1）地震響應分析時必須重視振型數(shù)的取 值。由于大跨度橋梁的自振頻率在一個相當寬的頻帶內(nèi)密布，而地震波一般都是 寬帶鼓勵，因此在用反響譜方法做大跨度橋梁的分析時，必須選取足夠數(shù)量的 振型。（2）原那么上只適用于線性構(gòu)造體系。構(gòu)造在強烈地震中一般都要進入 非線性狀態(tài)，彈性反響譜法不能直接使用。（3）地震反響譜失掉相位信息。經(jīng) 疊加得到的構(gòu)造反響最大值是一個近似值。2延性抗震設(shè)計的根本概念延性的定義和指標延性抗

18、震設(shè)計主要是利用構(gòu)造、構(gòu)件自身的延性耗能能力 來抵抗地震作用，設(shè)計時是通過增加構(gòu)造、構(gòu)件延性來實現(xiàn)，對構(gòu)造允許出現(xiàn)塑 性鉉的局部進展專門的延性設(shè)計。延性抗震設(shè)計的根本思想：構(gòu)造構(gòu)件可以發(fā)生 塑性變形，可以發(fā)生一定的損壞，但構(gòu)造不倒塌是必須能得到保證的，構(gòu)造設(shè)計 時，使構(gòu)造具有一定的滯回特性，這種特性足以抵抗大地震產(chǎn)生的彈塑性變形， 設(shè)計預期的大地震發(fā)生時，滯回延性要低于地震激起的反復彈塑性變形循環(huán)，免 于倒塌破壞的構(gòu)造抗震設(shè)防的最低目標必須始終得到保證。在抗震設(shè)計時，使構(gòu) 造具有延性特征，首先要確定度量延性量化的設(shè)計指標。通常用位移延性系數(shù)和 曲率延性系數(shù)作為延性量化設(shè)計的指標。位移延性系數(shù)定

19、義為構(gòu)件屈服后的位移 與屈服位移之比。曲率延性系數(shù)定義為截面屈服后的曲率與屈服曲率之比。靜力延性指標與動力延性指標地震動的隨機性使鋼筋混凝土的動力延性指 標，在實際中無法準確表示，構(gòu)造在遭遇設(shè)計預期的大地震時，地震動作用使構(gòu) 造經(jīng)歷的反復變形循環(huán)情況無法事先預知，所以，構(gòu)造構(gòu)件的動力延性指標在地 震動作用下也就無法確定。由于無法準確確定大地震時構(gòu)造構(gòu)造的動力延性指 標，在設(shè)計時通常采用靜力延性指標來代替，也可以采用周期反復荷載試驗驗證 靜力延性指標。當用靜力延性指標代替動力延性指標時，在周期反復荷載作用下， 由于構(gòu)造構(gòu)件存在低周疲勞現(xiàn)象，構(gòu)造構(gòu)件的延性在地震動作用下往往會過高地 估計。3橋梁減

20、隔震技術(shù)減隔震技術(shù)的概念和開展減震是人為在構(gòu)造的某些部位設(shè)置阻尼器或耗能構(gòu)件，改變構(gòu)造的動力性能, 耗散構(gòu)造吸收的地震能量,從而降低構(gòu)造的地震反響。隔震那么是指通過延長構(gòu) 造的自振周期避開地震卓越周期或減小地震能量輸入，以此降低構(gòu)造地震反響。 對橋梁構(gòu)造采用隔震技術(shù)的思想產(chǎn)生由來己久，減隔震技術(shù)自誕生以來，受到了 廣泛的重視。第一座采用減隔震技術(shù)的橋梁是新西蘭的Motu橋，建于1973年， 上部構(gòu)造采用滑動支承隔震，阻尼由U形鋼彎曲梁提供。該橋建成后，減隔震技 術(shù)在橋梁抗震中得到了迅速推廣。美國第一次將減隔震技術(shù)用于橋梁是在1984 年,用于對Sierra Point Bridge進展抗震加固

21、。1990年,美國新建了第一座采 用減隔震技術(shù)的橋梁Sexton橋。在日本，第一座建成的減隔震橋梁是靜崗縣橫 跨Keta河的宮川大橋，完成于1990年,是一座3跨連續(xù)鋼桁架梁橋，采用鉛芯 橡膠支座作為減震構(gòu)件。常用減隔震裝置1）分層橡膠支座。分層橡膠支座，國內(nèi)常稱為板式橡膠支座。其根本構(gòu)造由 薄橡膠片與薄鋼板相互交替結(jié)合而成,支座平面形狀多采用圓形或矩形。在抗震 設(shè)計中主要考慮分層橡膠支座的水平剛度和阻尼作用等因素。橡膠支座的水平剪 切剛度，指上、下板面產(chǎn)生單位位移時所需施加的水平剪力。橡膠支座通過在變 形過程中消耗能量提供阻尼，這種阻尼主要取決于橡膠層變形的速度。以天然橡 膠為主要材料制作的

22、支座，典型的阻尼比為5 %10 %。分層橡膠支座的力一位 移滯回曲線呈狹長形，所提供的阻尼較小，因而在減隔震橋梁設(shè)計中，常與阻尼器 一起使用。2）鉛芯橡膠支座。鉛芯橡膠支座是在板式橡膠支座的根底上,在支座的中部 或中心周圍部位豎直地壓入高純度鉛芯以改善支座阻尼性能的一種減震支座。鉛 芯具有良好的力學特性,具有較低的屈服剪力（約10 MPa），具有足夠高的初始剪 切剛度（約130 MPa），具有理想彈塑性性能且對于塑性循環(huán)具有很好的耐疲勞性 能，能夠提供地震下的耗能能力和靜力荷載下所必需的剛度。因此，由鉛芯和分層 橡膠支座結(jié)合的鉛芯橡膠支座能夠滿足一個良好減隔震裝置所應具備的要求:在 較低水平力

23、作用下,具有較高的初始剛度，變形很小;在地震作用下，鉛芯屈服，剛 度降低，延長了構(gòu)造周期，并消耗地震能量。3）滑動摩擦型減隔震支座。滑動摩擦型支座利用不銹鋼與聚四氟乙烯材料 之間相當?shù)偷幕瑒幽Σ料禂?shù)制成。也稱為聚四氟乙烯滑板支座。這種支座具有摩 擦系數(shù)小，水平伸縮位移大的優(yōu)點，作為橋梁活動支座十分適宜。在地震作用下， 滑動摩擦型支座允許上部構(gòu)造在摩擦面上發(fā)生滑動,從而將上部構(gòu)造能夠傳遞到 下部構(gòu)造的最大地震力限制為支座的最大摩擦，同時通過摩擦消耗大量的地震能 量。這類支座的缺點是沒有自復位能力，用作隔震支座時，支座響應的可預測性和 可靠性都不盡如人意，所以常與阻尼器和橡膠支座等其他裝置一起使用

24、4）鋼阻尼器。鋼阻尼器利用鋼材的塑性變形來耗能。典型的鋼阻尼器:a.有 橫向加載臂的均勻彎矩彎曲梁阻尼器，加載臂有-傾斜角度;b.錐形懸臂彎曲梁 阻尼器;c.有橫向加載臂的扭梁阻尼器。鋼阻尼器的優(yōu)點是制造不需要特殊設(shè)備, 費用比擬適宜，堅實耐用，又具有較大的耗能能力。試驗研究說明，大多數(shù)鋼阻尼 器的滯回曲線可用雙線性來近似模擬。不同類型鋼阻尼器的選擇取決于阻尼器放 置的位置、可利用的空間、連接的構(gòu)造以及力和位移的大小。鋼阻尼器通常和橡 膠隔震支座一起使用，如聚四氟乙烯滑板支座與懸臂鋼阻尼器就是一種合理組 合。4. 3 減隔震裝置的選擇橋梁的減隔震系統(tǒng)應滿足如下三個根本功能：1）具備一定的柔度，用來延長 構(gòu)造周期，降低地震力;2）通過阻尼、耗能裝置等對地震力進展耗散，并將支承面 處的相對變形控制在設(shè)計允許的范圍內(nèi)；3）具備一定的剛度和屈服力，在正常使 用荷載下構(gòu)造不發(fā)生屈服和有害振動。進展減隔震設(shè)計時,應將重點放在提高耗 能能力和分散地震力上，不可過分追求加長周期。而且應選用作用機構(gòu)簡單的減 隔震裝置,并在其力學性能明確的范圍內(nèi)使用。另外，減隔震裝置不僅要