桥梁工程抗震设计的主要内容和方法

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1、桥梁工程抗震设计的主要内容和方法桥梁工程抗震设计的主要内容和方法 通过本学期所学的土木工程地质，我们初步了解到了桥梁工程。桥梁 是交通生命线工程中的重要组成部分，震区桥梁的破坏不仅直接阻碍了及时救 灾行动，使得次生灾害加重，导致生命财产以及间接经济损失巨大，而且给灾 后的恢复与重建带来困难。在近 30 年的国内外大地震中，桥梁破坏均十分严重， 桥梁震害及其带来的次生灾害均给桥梁抗震设计以深刻的启示。在以往地震中 城市高架桥或公路上梁桥的墩柱的屈曲、开裂、混凝土剥落、压溃、剪断、钢 筋裸露断裂等震害，桥梁防震越来越受到各国工程师的重视。所以结合所学现 代刚桥等知识及搜集的资料，本文将大致讲述桥梁

2、工程抗震设计的主要内容和 方法。 首先我们了解下地震带给桥梁的具体破坏影响，这样才可以采取相应措施 来防止。桥梁上部结构由于受到墩台、支座等的隔离作用，在地震中直接受惯 性力作用而破坏的实例较少，由于下部结构破坏而导致上部结构破坏则是桥梁 结构破坏的主要形式，下部结构常见的破坏形式有以下几种： 1) 支承连接部件失败：固定支座强度不足、活动支座位移量不够、橡胶支座梁底与支座 底发生滑动，在地震力作用下支座破坏，致使梁体发生位移导致落梁。 2)墩台支承宽度不满足防震要求，防落梁措施设计不合理，在地震力作用下， 梁、墩台间出现较大相对位移，导致落梁现象的发生。 3)伸缩缝、挡块强度不足，在地震力作

3、用下伸缩缝碰撞破坏挤压破坏、挡块剪切破坏， 都起不到应有作用，导致落梁。 接下来将从两个方面讲述抗震设计。 抗震设计的主要内容抗震设计的主要内容 目前桥梁工程的设计主要配合静力设计进行，但贯穿整个桥梁设计的全过 程。与静力设计一样，桥梁工程的抗震设计也是一项综合性的工作。桥梁抗震 设计的任务，是选择合理的结构方式，并为结构提供较强的抗震能力。具体来 说，有以下三个部分： 1 正确选择能够有效抵抗地震作用的结构形式； 2 合理的分配结构的刚度，质量和阻尼等动力参数，以便最大限度的利用构件 和材料的承载和变形能力； 3 正确估计地震可能对结构造成的破坏，以便通过结构丶构造和其他抗震措施， 使损失控

4、制在限定的范围内。 一丶抗震设计流程 桥梁工程的设计一般都要包括五个部分，抗震设防标准选定，抗震概念设 计，地震反应分析，抗震性能验算和抗震构造设计。 其中地震反应分析和抗震性能验算工作量最多，且最为复杂。如果采用三 级设防的抗震设计思想，上面的两个部分就要做三个循环，即对于每一个设防 标准，进行一次地震反应分析，并进行相应的抗震性能验算，直到结构的抗震 性能满足要求。 二丶抗震概念设计 抗震概念设计是从概念上，特别是从结构总体上考虑抗震的工程决策；概 念设计是指根据地震灾害和工程经验等获得的基本设计和设计思想，正确地解 决结构总体方案丶材料使用和细部构造，以达到合理抗震设计的目的。 合理的抗

5、震概念设计，要求设计出来的结构，在强度丶刚度和延性等指标 上有最佳的组合，使结构能够经济地实现抗震设防的目标。该阶段的主要任务 使选择良好的抗震结构体系，主要桥梁结构抗震设计的一般要求进行。对于采 用延性概念设计的桥梁，还包括延性类型选择和塑性耗能机制选择。 从抗震的角度来看，理想的桥梁结构体系布置应该是： 1）从几何线性看：是直桥，而且各桥墩高度相差不大。 2）从结构布局上看：上部结构是连续的，伸缩缝应该尽可能少；桥梁保持小跨 径；在多个 桥墩布置弹性支座；各个桥墩的强度刚度在各个方向都相同；基 础是建造在坚硬的场地上。 实际工程中，由于各种限制条件，可能不能全部满足但也应该尽量满足以上原

6、则。 三丶地震反应分析 进行地震反应分析，正确预测地震对桥梁结构的影响是进行桥梁抗震设计 的基础。 地震反应分析要解决三个关键问题： 1）确定合适的地震输入 2）建立结构系统的数学模型及振动方程：一般采用有限元方法将结构离散化， 建立桥梁结构力学模型，然后确定各离散单元的力学特性，最终建立相应的地 震振动方程。 3）选择合适的方法求解地震振动方程得到地震反应。 下面将详细解决这三个问题 1 地震输入的确定 在确定性地震反应分析中，一般采用两种地震动输入，即地震加速度反应 谱和地震动加速度时程。 采用反应谱法进行地震反应分析时，一般采用地震加速度反应谱作为地震 输入。反应谱的选取比较简单，一般根

7、据场地条件和设防标准，根据规范选取。 如果做过场地地震安全性评价，则可以选取场地的设计反应谱作为输入。 采用动态时程法进行地震反应分析时，一般采用地震动加速度时程作为地 震输入。地震动加速度时程的选择主要有三个方法，即直接利用地震记录丶采 用人工地震加速度时程和规范标准化地震加速度时程。选择加速度时程时，必 须把握住三个特征，即加速度峰值的大小，波形和强震持续时间。在选择强震 记录时，除了最大峰值加速度应符合桥梁所在地区的设防要求外，场地条件也 应该尽量接近，也就是该地震波的主要周期应尽量接近于桥址场地附近同类地 质条件下的强震记录，则是最佳选择，应优先采用。 在地震反应分析中，地震反应一般分

8、别沿两个最不利方向，纵桥向和横桥 向输入。而且纵桥向或横桥向地震验算是分别进行的，不考虑正交地震力的合 成。关于竖向地震输入，我国铁路工程和公路工程抗震设计规范都规定，只有 位于烈度为 9 度区的悬臂结构应考虑竖向地震力作用，其地震力系数为水平向 的 0.5 倍。但需要指出来的是，拱桥对于竖向地震非常敏感，一般都应考虑。 地震动的输入方式又可分为同步，不同步多点输入。对于小中桥梁，进行 同步输入。对于桥梁长度很大的桥梁，各支撑点可能位于显著不同的场地土上， 由此导致各支撑处输入地震动的不同，在地震反应分析中就要考虑多支撑不同 激励简称多点激振。即使场地土情况变化不大，也可能因地震动沿桥纵轴向先

9、 后到达的时间差，引起各支承处输入地震时程的相位差，简称行波效应。 2 地震振动方程及结构力学模型的建立 有总刚度矩阵，总质量矩阵，总阻尼矩阵等方程。此处主要讲结构力学模型 的建立。 1）动力计算模型的建立 采用有限元模型描述桥梁结构的力学特征时，必须将结构离散化，这包括 结构本身的单元划分，支承连接部分的特殊处理，墩台基地支承的边界处理等。 为了真实的模拟结构的力学特征，所建立的计算模型必须如实的反映结构构件 的几何，材料特性，以及各构件的边界连接条件。 2）上部结构的计算模型 一般来说，桥梁上部结构的设计主要由运营荷载控制。震害资料也表明， 上部结构自身的震害非常少见。采用能反映上部结构质

10、量分布和刚度特征的简 化的脊梁模型来模拟上部结构的工作特性。桥梁结构的抗震惯性力主要集中在 上部结构，控制下部结构设计的主要是上部结构通过支座传递下来的水平惯 性力，而这一惯性力，主要取决于上部结构的质量丶下部结构的刚度丶以及支 座连接条件。因此，在桥梁抗震设计中，桥梁上部结构的刚度模拟不必太精细， 在许多情况下甚至可以假设为刚体，但上部结构的质量必须尽可能正确模拟。 3）墩柱的计算模型 在地震反应分析中，墩柱是关键的结构构件。上部结构的重力和地震惯性 力通过墩柱传递给基础，而地震动输入又通过墩柱传递给上部结构。另一方面， 目前普遍接受的抗震设计思想一般要求墩柱具备一定的非弹性变形及耗能能力。

11、 因此，正确建立墩柱的计算模型，即正常模拟墩柱的刚度和质量分布非常重要。 桥梁墩柱一般采用单元模拟，但单元的划分要恰当。因为单元的划分决定 了堆聚质量的分布，从而决定了振型的形状和地震惯性力的分布。对于一般的 混凝土桥梁，上部结构的惯性力贡献对墩柱的地震反应起控制作用，墩柱自身 的贡献很小。这时，墩柱的单元划分可以适当粗糙。反之，如果是重力式桥墩， 或者高墩，桥墩的自身贡献则比较大，此时，墩柱的单元划分就不能太粗糙。 四丶抗震验算 桥梁结构地震反应分析的最终目的是正确地估计地震可能对结构造成的破 坏，以便通过结构构造以及其他抗震措施，使损失控制在限定的范围内。因此， 恰当而有效抗震能力验算是桥

12、梁结构抗震设计的一个重要组成部分。 桥梁工程的大部分质量都集中在上部结构，因而，地震惯性力也主要集中 在上部结构。上部结构的地震惯性力一般通过支座传递给墩柱，再由墩柱传递 给基础，进而传递给地基承受。 一般来说，上部结构的设计主要由恒载，活载，温度荷载等控制。而墩柱 在地震作用下将会受到较大剪力和弯矩作用，一般由地震反应控制设计。因此， 墩柱，以及保持上丶下部连接可靠的支座等连接构件，是桥梁抗震验算的主要 部分。 大量震害资料表明：桥梁震害主要产生在下部结构，即使是上部结构破坏 的境况，也往往是由于下部结构的破坏或大变形造成的。 桥梁结构中普遍采用的钢筋混凝土墩柱，其破坏形式主要有剪切破坏和弯

13、 曲破坏。比较高柔的桥墩，多为弯曲型破坏；而矮粗的桥墩多为剪切破坏；介 于两者之间的，为混合型； 桥梁支座的震害也极为普遍，破坏形式主要是活动支座脱落，以及支座本 身构造上的破坏等。 因此，在桥梁结构的抗震验算中，不仅要验算墩柱的抗弯能力和抗剪能力， 还要验算支座等连接构件能否有效工作。 1 结构破坏准则 迄今为止，前人已经提出了许多结构地震破坏准则，主要有强度破坏准则， 变形破坏准则，能量破坏准则，变形和能量双重破坏准则，以及基于性能的破 坏准则。目前较为实用的是强度破坏准则和延性破坏准则。 2 钢筋混凝土墩柱的抗弯能力验算 钢筋混凝土墩柱的抗弯能力验算包括抗弯强度验算和延性能力验算。抗弯

14、强度验算采用强度破坏准则进行，要求地震作用下墩柱的最大弯矩小于墩柱的 抗弯强度。我国现行的公路工程抗震设计规范规定，强度验算按现行公路 桥涵设计规范进行。 如果允许墩柱出现非弹性变形，则采用延性破坏准则验算墩柱的延性能力。 根据延性破坏准则，结构是否被破坏取决于塑性变形的大小。 钢筋混凝土墩柱的抗剪强度采用强度破坏准则进行验算，即要求地震引起 的墩柱最大剪力小于墩柱的抗剪强度。 五丶抗震构造设计 桥梁结构的抗震构造设计一般包括两个方面，即墩与梁的连接构造设计和 墩柱的结构设计。 在历次破坏性地震中，由于链接构造的设计缺陷引起的落梁震害及其常见。 在实际抗震设计中，世界各国普遍采用构造措施防止落

15、梁震害，包括两个方面： 1 丶限制支承连接部位的支承面最小宽度；2 在相邻梁之间安装纵向约束装置。 需要指出的是，斜梁与曲线梁桥的梁端较易发生落梁，需要特别重视在梁 端至墩丶台帽或盖梁边缘之间的距离设置。实际设计中应结合具体情况设计。 接下来将讲述桥梁工抗震设计中常见的几种方法。 抗震设计主要方法抗震设计主要方法 1 反应谱法反应谱法 人类在与地震的斗争中发展了各种抗震分析方法,分为确定性方法和概率性 方法两大类。静力法、反应谱法和时程分析法均属于确定性方法, 随机振动、 虚拟激励法属于概率性方法。通常所说的结构地震反应分析,就是建立结构地震 振动方程, 然后通过求解振动方程得到结构地震反应(

16、位移、内力等) 的过程。 反应谱的定义 在结构抗震理论发展中, 静力法、反应谱法和动力时程分析法三个阶段的 形成和发展是人类对自然规律认识的不断深入与完善的过程。反应谱理论考虑 了结构物的动力特性, 而且简单正确地反映了地震动的特性, 因此得到了广泛 认可和应用。 广义线性单自由度体系一个场地记录到的地震动与多种因素有关, 比如场 地条件、震中距和震源深度、震级、震源机制和传播路径等等。由于诸多随机 因素的影响使得由不同记录得到的加速度反应谱具有很大的随机性。各规范反 应谱之间存在一些差别, 工程抗震设计中采用动力放大系数作为地震荷载的描 述, 其根据规定的反应谱曲线及体系的自振周期确定。在桥梁抗震设计规范中 还引入了综合影响系数以考虑结构的延性耗能作用。对于多质点体系可利用振 型分解成一系列相互独立的振动从而可以利用单质点体系的反应谱理论来计算, 最后将各个振型的最大反应按适当的方法相组合( 如 SRSS、CQC、IGQC 等) 即 得到多质点体系的各项反应值12。 反应谱方法的优缺点 反应谱方法的优点是概念简单、计算方便, 可以用较少的计算量获得结构 的最大反应值。反