橋梁結(jié)構(gòu)抗震

橋梁結(jié)構(gòu)抗震一基本知識(shí)點(diǎn)地震：地球內(nèi)某處因地球構(gòu)造運(yùn)動(dòng)巖層突然破裂（構(gòu)造地震），或因局部巖層塌陷（塌陷地震）、火山爆發(fā)（火山地震）等發(fā)生了振動(dòng)，并以波的形式傳到地表引起地面的顛簸和搖晃。震源：地球內(nèi)部巖層破裂引起振動(dòng)的地方稱為震源震中：震源在地表的投影點(diǎn)橫波；地震橫波是振動(dòng)方向和波的傳播方向垂直的波縱波：是推進(jìn)波，地殼中傳播速度為5.5~7千米/秒，最先到達(dá)震中，又稱P波，它使地面發(fā)生上下振動(dòng)，破壞性較弱震中距：地面上任何一點(diǎn)到震中的直線距離稱為震中距震源深度：震源在地面上的垂直投影，地面上離震源最近的一點(diǎn)稱為震中工程抗震設(shè)防的對象：淺源（深度＜60km）、構(gòu)造地震（與地質(zhì)構(gòu)造密切相關(guān)，往往發(fā)生在地應(yīng)力比較集中、構(gòu)造比較脆弱的地段，即原有斷層的端點(diǎn)或轉(zhuǎn)折處、不同斷層的交匯處。）《規(guī)范》規(guī)定：選擇橋位時(shí)，應(yīng)盡量避開抗震危險(xiǎn)地段，充分利用抗震有利地段地震的分類：a） 按地震成因分成人工地震和天然地震。天然地震主要包括構(gòu)造地震、火山地震和陷落地震。b） 地震工程中，研究的對象主要有三：地震動(dòng)、結(jié)構(gòu)、結(jié)構(gòu)反應(yīng)。地震震級：衡量一次地震大小的等級（里氏震級Ml）地震烈度（衡量地震破壞作用大小的一個(gè)指標(biāo)）：影響因素有:震級、震中距a）震源深度、地質(zhì)構(gòu)造和地基條件。基本烈度：指該地區(qū)今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)，在一般場地條件下可能遭遇到的最大地震烈度地震波：地震發(fā)生時(shí)由震源地方的巖石破裂產(chǎn)生的彈性波。體波（縱波（P波），橫波（S波））：速度快面波（瑞利波（R波）和樂浦波（L波））：破壞性大地震動(dòng)（地震波引起的地表附近土層的振動(dòng)）：地震和結(jié)構(gòu)抗震之間的橋梁、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防時(shí)的依據(jù)地震動(dòng)與常用荷載的差別：1） 常用荷載以力的形式出現(xiàn)，而地震動(dòng)則以運(yùn)動(dòng)方式出現(xiàn)；2） 常用荷載一般為短期內(nèi)大小不變的靜力，地震動(dòng)則是迅速變化的隨機(jī)振動(dòng)；3） 常用荷載大多是豎向的，而地震動(dòng)則是水平、豎向甚至扭轉(zhuǎn)同時(shí)作用的。4） 除了這些本質(zhì)區(qū)別之外，與靜力荷載相比，地震動(dòng)具有更大的不確定性，這使得抗震設(shè)計(jì)不能完全依靠強(qiáng)度安全儲(chǔ)備。由于地震動(dòng)與靜力荷載的這些不同特點(diǎn)，使得橋梁抗震設(shè)計(jì)不能照搬常規(guī)靜力荷載設(shè)計(jì)思路。地震動(dòng)三要素：地震動(dòng)的振幅、頻譜、持續(xù)時(shí)間地震動(dòng)特性的影響因素：震源、傳播介質(zhì)與途徑、局部場地條件（現(xiàn)行《規(guī)范》把場地土劃分為四類二橋梁震害及啟示A.地基失效引起的破壞（靜力作用）：人為工程所難以抵御，盡量誦過場地選擇避開：活動(dòng)斷層及其鄰近地段、可能發(fā)生滑坡或崩塌地段、有可能液化的軟弱土層地段B：結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈振動(dòng)引起的破壞（動(dòng)力作用），外因：結(jié)構(gòu)遭遇的地震動(dòng)的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過設(shè)計(jì)預(yù)期的強(qiáng)度；內(nèi)因：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和細(xì)部構(gòu)造以及施工方法上存在缺陷：如：構(gòu)件強(qiáng)度和延性不足、各構(gòu)件之間連接不牢、結(jié)構(gòu)布置和構(gòu)造不合理等1，上部結(jié)構(gòu)的震害：上部結(jié)構(gòu)自身的震害、上部結(jié)構(gòu)的移位震害、上部結(jié)構(gòu)的碰撞震害支座的震害下部結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)的震害：鋼筋混凝土墩柱的破壞形式主要有彎曲破壞和剪切破壞。還有基腳破壞。比較高柔的橋墩多為彎曲型破壞；矮粗的橋墩多為剪切破壞；介于兩者之間的為混合型。墩柱的彎曲破壞：主要是約束箍筋配置不足、縱向鋼筋的搭接或焊接不牢等引起的墩柱的延性不足。橋梁墩柱的剪切破壞非常常見：縱向箍筋過早剪斷，箍筋不足墩柱的基腳破壞框架墩的震害：蓋梁破壞：剪切破壞，彎曲破壞，鋼筋錨固長度不夠引起破壞；墩柱破壞；節(jié)點(diǎn)破壞：剪切破壞橋臺(tái)的震害：地基失效引起的橋臺(tái)滑移；臺(tái)身與上部結(jié)構(gòu)的碰撞破壞；橋臺(tái)向后傾斜基礎(chǔ)的震害：基礎(chǔ)震害的主要原因：地基失效。擴(kuò)大基礎(chǔ)：地基失效。樁基礎(chǔ)的震害：地基失效。上部結(jié)構(gòu)傳遞的慣性力引起的樁基剪切、彎曲破壞，樁基設(shè)計(jì)不當(dāng)：樁基深入穩(wěn)定土層沒有足夠長度，樁頂與承臺(tái)聯(lián)結(jié)構(gòu)造措施不足等。樁基震害有極大的隱蔽性。在軟弱地基上，采用樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)往往比無樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)具有更好的抗震性能。6，橋梁震害的教訓(xùn)及啟示：支承連接部件失效：支座破壞（固定支座：強(qiáng)度不足；活動(dòng)支座：位移能力不足）一合理設(shè)計(jì)；墩、臺(tái)頂，掛梁支承牛腿處支承面太窄，又沒有可靠的約束裝置一落梁（高墩，相鄰墩、臺(tái)剛度突變處，斜彎橋，兩種結(jié)構(gòu)體系過渡孔處）一規(guī)范規(guī)定最小支承面，設(shè)置約束裝置碰撞引起的破壞：設(shè)置較大的間距避免；加裝緩沖材料（橡膠墊）橋梁墩、臺(tái)破壞（橋臺(tái)自身破壞很少）：墩柱延性不足：橫向約束箍筋配置不足；墩柱抗剪強(qiáng)度不足：橫向約束箍筋配置不足；框架墩節(jié)點(diǎn)剪切強(qiáng)度不足：配筋不足；構(gòu)造缺陷：橫向約束箍筋數(shù)量不足和間距過大，縱向鋼筋焊接強(qiáng)度不夠或搭接失效，縱筋過早切斷，縱向鋼筋和橫向箍筋錨固長度不足；箍筋端部沒有作成彎鉤等?；A(chǔ)破壞：樁基自身設(shè)計(jì)強(qiáng)度的不足或構(gòu)造處理不當(dāng)三：橋梁抗震設(shè)計(jì)1，抗震設(shè)計(jì)流程圖：開始，抗震設(shè)防要求確定，抗震概念設(shè)計(jì)，地震反應(yīng)分析，抗震性能驗(yàn)算（不通過，則修改設(shè)計(jì)），抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)，結(jié)束2，由于地震作用的復(fù)雜性和地震作用發(fā)生的強(qiáng)度的不確定性，以及結(jié)構(gòu)和體形的差異等，地震作用的計(jì)算方法是不同的?？煞譃榉磻?yīng)譜法、振型分解反應(yīng)譜法、彈性時(shí)程分析法、靜力彈塑性方法、彈塑性時(shí)程分析法結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論由四個(gè)方面的內(nèi)容構(gòu)成：輸入地震動(dòng)、結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的動(dòng)力模型、結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法、結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)原則和方法4，按設(shè)計(jì)參數(shù)來分類，抗震設(shè)計(jì)理論主要包括強(qiáng)度設(shè)計(jì)理論、延性設(shè)計(jì)理論、減隔震設(shè)計(jì)理論和振動(dòng)控制理論。5，如果按結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法來分類，迄今可用的抗震設(shè)計(jì)理論可歸納為三類：靜力理論、反應(yīng)譜理論、動(dòng)力理論。6，結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)理論按輸入地震動(dòng)來分類，可確定性理論和隨機(jī)振動(dòng)理論。7，加速度波形的三大要素包括幅值、頻譜和持續(xù)時(shí)間。進(jìn)行結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的直接動(dòng)力時(shí)程分析時(shí)，所采用的輸入地震時(shí)程有三類：擬建場地的實(shí)際強(qiáng)震記錄、其它同類場地的強(qiáng)震記錄和人工模擬地震加速度時(shí)程8，抗震設(shè)防要求:地震超越概率與重現(xiàn)期。地震超越概率：一定場地在未來一定時(shí)間內(nèi)遭遇到大于或等于給定地震的概率，常以年超越概率或設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期超越概率表示。地震重現(xiàn)期：一定場地重復(fù)出現(xiàn)大于或等于給定地震的平均時(shí)間間隔。9，基本烈度:一個(gè)地區(qū)未來50年內(nèi)一般場地條件下可能遭受的具有10%超越概率的地震烈度值。10，設(shè)防烈度：按國家規(guī)定的權(quán)限批準(zhǔn)作為一個(gè)地區(qū)抗震設(shè)防依據(jù)的地震烈度。11，橋梁抗震設(shè)計(jì)遵循的基本原則：（1） 場地選擇原則；場地選擇的基本原則是應(yīng)充分利用對抗震有利的地段，避開不利地段，以避免或減輕在地震作用下因地基變形或地基失效對結(jié)構(gòu)造成的破壞；此外，一般不應(yīng)在危險(xiǎn)地段建造工程結(jié)構(gòu)物。（2） 體系的整體性和規(guī)則性原則；結(jié)構(gòu)的整體性要好。對于橋梁結(jié)構(gòu)，上部結(jié)構(gòu)應(yīng)盡可能設(shè)計(jì)成連續(xù)的。整體性可防止結(jié)構(gòu)構(gòu)件及非結(jié)構(gòu)構(gòu)件在地震時(shí)被震散掉落，同時(shí)它也是結(jié)構(gòu)發(fā)揮空間作用的基本條件。無論是在平面或立面上，結(jié)構(gòu)的布置都要力求使幾何尺寸、質(zhì)量和剛度均勻、對稱、規(guī)整，避免突然變化。（3） 結(jié)構(gòu)和構(gòu)件的強(qiáng)度與延性的均衡原則；強(qiáng)度與延性是決定結(jié)構(gòu)抗震能力的兩個(gè)重要參數(shù)。只重視強(qiáng)度而忽視延性絕對不是良好的抗震設(shè)計(jì)。一般情況下，結(jié)構(gòu)經(jīng)歷的非彈性變形越大，其破壞程度也越高。因此，在設(shè)計(jì)抗震結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)當(dāng)在設(shè)計(jì)強(qiáng)度和延性水平之間取得適當(dāng)?shù)木猓?） 能力設(shè)計(jì)原則；能力設(shè)計(jì)原則強(qiáng)調(diào)強(qiáng)度安全度差異，即在不同構(gòu)件（延性構(gòu)件和能力保護(hù)構(gòu)件一一不適宜發(fā)生非彈性變形的構(gòu)件統(tǒng)稱為能力保護(hù)構(gòu)件）和不同破壞模式（延性破壞和脆性破壞模式）之間確立不同的強(qiáng)度安全度。通過強(qiáng)度安全度差異，確保結(jié)構(gòu)在大地震下以延性形式反應(yīng)，不發(fā)生脆性的破壞模式。（5） 多道抗震防線原則：應(yīng)力圖使工程結(jié)構(gòu)具有多道抵抗地震側(cè)向力的體系，則在強(qiáng)地震動(dòng)過程中，一道防線破壞后尚有第二道防線可以支承結(jié)構(gòu)，避免倒塌。因此，超靜定結(jié)構(gòu)優(yōu)于同種類型的靜定結(jié)構(gòu)。與建筑結(jié)構(gòu)相比，橋梁結(jié)構(gòu)在這方面可利用的余地通常并不大?？拐鸶拍钤O(shè)計(jì)：根據(jù)地震災(zāi)害和工程經(jīng)驗(yàn)等獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，正確地解決結(jié)構(gòu)總體方案、材料使用和細(xì)部構(gòu)造，以達(dá)到合理抗震設(shè)計(jì)的目的。理想的橋梁結(jié)構(gòu)體系布置：（1） 幾何線形：直橋，各墩高度相差不大。（2） 結(jié)構(gòu)布局：上部結(jié)構(gòu)連續(xù)，伸縮縫盡可能少；橋梁保持小跨徑；彈性支座布置在多個(gè)橋墩上；各個(gè)橋墩的強(qiáng)度和剛度在各個(gè)方向都相同；基礎(chǔ)建造在堅(jiān)硬場地上。地震反應(yīng)分析方法：> 確定性方法：動(dòng)力反應(yīng)譜法和動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法>概率性方法地震反應(yīng)譜基本概念：以不同單自由度體系的周期為橫坐標(biāo)，以不同阻尼比為參數(shù)，繪出最大相對位移、最大相對速度和最大絕對加速度的譜曲線，分別簡稱為位移反應(yīng)譜、速度反應(yīng)譜和加速度反應(yīng)譜，并用符號(hào)記為SD、SV和SA反應(yīng)譜的兩條基本特性：絕對剛性結(jié)構(gòu)（T=0）:SD=0,SV=0,SA=Agmax絕對柔性結(jié)構(gòu)（T=3）:SD=Dm,SV=Vm,SA=0規(guī)范反應(yīng)譜：對大量的反應(yīng)譜曲線進(jìn)行平均與光滑化，就可以得到謹(jǐn)設(shè)計(jì)使用的規(guī)范反應(yīng)譜曲線?，F(xiàn)行規(guī)范采用的阻尼比為5%。振型分解法:利用振型的正交性，將聯(lián)立微分方程組分解成一系列相互獨(dú)立的振動(dòng)方程，然后采用單質(zhì)點(diǎn)體系的反應(yīng)譜理論來計(jì)算各振型最大反應(yīng)，最后將各振型的反應(yīng)組合起來得到結(jié)構(gòu)的最大反應(yīng)。反應(yīng)譜法的缺陷：只是彈性范圍內(nèi)的概念；只能得到最大反應(yīng)；存在振型組合問題等梁式橋等中小跨度橋梁一般可采用SRSS方法組合，大跨度橋梁一般可采用CQC方法組合。延性抗震：通過結(jié)構(gòu)選定部位的塑性變形（形成塑性鉸）來抵抗地震作用的。能力保護(hù)設(shè)計(jì)：為使橋梁結(jié)構(gòu)在預(yù)期地震作用下，保證橋梁非塑性鉸區(qū)構(gòu)件在彈性范圍工作，其抗震性能高于塑性鉸區(qū)的設(shè)計(jì)方法。防落梁系統(tǒng)：為防止在地震中發(fā)生橋梁上部結(jié)構(gòu)落下而設(shè)置的構(gòu)造系統(tǒng)。它由加長橋梁支承部分的長度、防止落梁裝置、限制位移量構(gòu)造和防止橋面出現(xiàn)梯狀豎向錯(cuò)位裝置組成。提高鋼筋混凝土墩柱的延性：用做成密排螺旋筋或箍筋形式的橫向約束鋼筋來約束混凝土減隔震設(shè)計(jì)：在橋梁上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)或基礎(chǔ)之間設(shè)置減隔震系統(tǒng)，以增大原結(jié)構(gòu)體系阻尼和（或）周期，降低結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)和（或）減小輸入到上部結(jié)構(gòu)的能量，達(dá)到預(yù)期的防震要求。減隔震技術(shù)的基本原理：采用柔性支承延長結(jié)構(gòu)周期，減小結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)；采用阻尼器裝置耗散能量，限制結(jié)構(gòu)位移；保證結(jié)構(gòu)在正常使用荷載作用下具有足夠的剛度采用減隔震技術(shù)的附加好處：1） 通過合理設(shè)計(jì)減隔震系統(tǒng)，可改善地震力在下部結(jié)構(gòu)各支座間的分布，以保護(hù)基礎(chǔ)、墩臺(tái)等，必要時(shí)還可保護(hù)上部結(jié)構(gòu)。2） 有些減隔震支座在正常使用條件