公路桥梁抗震设计细则讲解1 54页

桥梁抗震基本要求、场地和地基与地震作用李建中同济大学 地震桥梁震害分析89规范存在的问题新规范编写要点基本要求场地和地基地震作用 1桥梁地震桥梁震害与抗震设计1.1典型桥梁震害落梁破坏庙子坪大桥桥梁结构特点：采用板式橡胶支座，梁体直接搁置在支座上汶川17×501252201252×50都江堰G21231321319百花大桥1715131197654庙子坪大桥 1桥梁地震桥梁震害与抗震设计(a)第5孔落梁 1桥梁地震桥梁震害与抗震设计百华大桥百华大桥位于岷江右岸，桥长495.55m，最大墩高30.87m。上部采用4×25（钢筋砼连续梁）+5×25（钢筋砼连续梁）+50（简支T梁）+3×25（钢筋砼连续梁）+5×20（钢筋砼连续梁）+2×20（钢筋砼连续梁）平面位于R=150的圆曲线（左偏）、L=192.601的直线以及R=66的圆曲（右偏）上。第5联桥跨，即5-20米连续梁整体倾覆，完全破坏 1桥梁地震桥梁震害与抗震设计联第5联第6联墩编号13141516（固定）171819（固定）20墩高(m)30.329.929.726.922.218.17.1桥台 1桥梁地震桥梁震害与抗震设计阪神地震中西宫港大桥引桥落梁Spancollapse,1971SanFernando1989LomaPrietaEarthquakeearthquake. 墩柱破坏汶川地震百华大桥墩柱破坏LomaPrieta震害 1995年日本阪神大地震HanshinExpressway洛马-普雷塔大地震1999年台湾集集地震 日本阪神（1995） 基础破坏 支座滑动、破坏及梁体位移映秀岷江大桥 寿江大桥 其它桥梁 梁体间碰撞，挡块破坏 1.2桥梁震害原因与启示支承连接部件失效伸缩缝、挡梁体较块破坏（碰大位移撞问题）固定支座：强度不足支承连活动支座：位移能力不足接部件橡胶支座：梁底与支座底滑动失效梁、墩台间较足够搭接长度大位移合理设计防落梁墩、台支承宽度措施和限位装置不足、防落梁措施设计不合理（限位装置）落梁 采用板式橡胶支座的桥梁，混凝土挡块在地震中破坏，可以有效减少下部结构所受地震力，但对于这种类型的桥梁抗震设计的关键怎样采用合理的梁体限位装置、设置足够的梁墩合理搭接长度控制梁体位移在不发生落梁的范围又不增加墩柱地震力。 在高烈度地震区尽可能采用整体性和规则性好的桥梁结构，结构的布置要力求几何尺寸、质量和刚度均匀、对称、规则，避免突然变化。从几何线形上看，尽量选用直线桥梁。选择合理的连接形式，对桥梁抗震性能十分重要，对于高桥墩的桥梁，建议采用上部结构与下部结构有选择性的刚性连接（固接方式）；对于矮墩桥梁，上部结构和下部结构联结建议采用支座连接方式，并合理设置梁墩的搭接长度。 桥梁墩柱破坏墩柱延性不足：横向约束箍筋配置不足；（抗弯破坏）构造缺陷：横向约束箍筋间距过大，搭接失效，纵筋过早切断，锚固长度不足；箍筋端部没有弯钩等延性抗震设计抗剪强度不足：横向箍筋配置不足；（剪切破坏）能力保护设计 基础破坏土破坏：断裂通过基础移位、沉降避让沙土液化防液化措施桩身破坏：能力保护设计 结论与建议汶川地震区最普遍的桥梁震害是橡胶支座与梁底间产生滑动，从而产生较大的梁体位移、引起抗震挡块破坏和落梁破坏。桥梁墩柱和基础本身严重破坏的情况较少。梁底与支座间滑动，实际上起到了隔震作用，国道213线从都江堰到映秀的梁式桥，除百花大桥外，桥梁墩柱和基础本身都没有出现严重破坏的情况。百花大桥的震害除桥址地震烈度高外，还有结构高度不规则、牛腿处没有限位装置，墩身箍筋配置严重不足等因素有关。 在高烈度地震区尽可能采用整体性和规则性好的桥梁结构，结构的布置要力求几何尺寸、质量和刚度均匀、对称、规则，避免突然变化。从几何线形上看，尽量选用直线桥梁。选择合理的连接形式，对桥梁抗震性能十分重要，对于高桥墩的桥梁，建议采用上部结构与下部结构有选择性的刚性连接（固接方式）；对于矮墩桥梁，上部结构和下部结构联结建议采用支座连接方式，并合理设置梁墩的搭接长度和梁。采用板式橡胶支座的桥梁，混凝土挡块在地震中破坏，可以有效减少下部结构所受地震力，但对于这种类型的桥梁抗震设计的关键怎样采用合理的梁体限位装置、设置足够的梁墩合理搭接长度控制梁体位移在不发生落梁的范围又不增加墩柱地震力。 289规范局限性与新规范编写要点2.189规范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性能桥墩计算高度H（m）桥梁和墩、台类型H<1010≤H<2020≤H<30柔性墩柱式桥墩、排架桩墩、0.30(3.33)0.33(3)0.35(2.86)薄壁桥墩梁墩实体天然基础和沉井基础上0.20(5)0.25(2.86)0.30(3.33)的实体桥墩多排桩基础上的桥墩0.25(4)0.30(3.33)0.35(2.86)桥桥台0.35(2.86)拱桥0.35(2.86) 基于强度的抗震检算局限性计算弹性周期T0_弹性加速度反应Fu谱S(T)a弹性地震力FHe0综合影响系数<设计地震力F=cFd0e0（c）力力力取F=F，进行截面设计yd0Fe_FuFe_Fe_FuFu=Fu=CFzeFCFFuCFzeu=zeyu位移yu位移yu位移 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、基础抗震计算和验算没有规定，实际应用时存在错误。没有引入能力保护设计思想； 美国规范桥墩类型R连接构件R薄壁墩（顺桥向）2上部结构与桥台之间的连接构件0.8钢筋混凝土排架桩墩ò无斜桩2ò有一根或多根斜桩上部结构一跨内的伸缩缝0.83独柱式桥墩3柱式桥墩、薄壁墩或排架桩墩与盖梁或上部结构之间1.0的连接构件钢或钢和混凝土复合排架桩墩5ò无斜桩ò有一根或多根斜桩3柱式桥墩或薄壁墩与基础之间的连接构件1.0注：对于C、D类桥，其基础设计力的修正系数取为R＝1，或采用能力保护方法计算基础设计力；在计算桥墩的剪力设计值时，修正系数R＝1或采用能力保护方法计算剪力设计值。 2.2新规范编写要点适用于抗震设防烈度为6度、7度、8度和9度地区的公路桥梁抗震设计。抗震设防烈度大于9度地区的桥梁和有特殊要求的大跨径或特殊桥梁，其抗震设计应作专门研究，按有关专门规定执行。主要针对跨度150m以内，量大面广的梁桥和拱桥，大跨度桥梁只给出抗震设计的原则和要点。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 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；给出了时程波选用原则增加了桥梁延性抗震设计和能力保护原则，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增加了抗震分析建模原则和抗震分析方法尽可能地吸收了美国、日本现行抗震设计规范的理念和方法，吸取近几十年桥梁震害的教训，弥补了89规范的不足 3.基本要求3.1桥梁抗震设防分类分为A类、B类、C类和D类四个抗震设防类别，别对应不同的抗震设防标准和设防目标。桥梁抗震设防类别适用范围A类单跨跨径超过150m的特大桥B类单跨跨径不超过150m的高速公路、一级公路上的桥梁，单跨跨径不超过150m的二级公路上的特大桥、大桥C类二级公路上的中桥、小桥，单跨跨径不超过150m的三、四级公路上的特大桥、大桥D类三、四级公路上的中桥、小桥对抗震救灾以及在经济、国防上具有重要意义的桥梁或破坏后修复（抢修）困难的桥梁，可按国家批准权限，报请批准后，提高设防类别。 抗震构造措施要求各类公路桥梁抗震措施等级地震基本烈67890.05g0.1g0.15g0.2g0.3g0.4gA7899更高，专门研究B78899≥9C677889D677889注：g为重力加速度 抗震设防标准设防目标采用两水平设防、两阶段设计的思想，取消综合影响系数桥梁抗震设防类别设防目标E1地震作用E2地震作用A类一般不受损坏或不需修可发生局部轻微损伤，不需修复或经简单修复复可继续使用。可继续使用B类一般不受损坏或不需修应保证不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时复可继续使用。加固后可供维持应急交通使用。C类一般不受损坏或不需修应保证不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时复可继续使用。加固后可供维持应急交通使用。D类一般不受损坏或不需修复可继续使用。 E1和E2地震加速度峰值取值依据89规范的重要性系数和综合影响系数计算出的地震动参数综合影响系数0.200.250.300.330.35重要性系数1.70.34A0.425A0.51A0.561A0.595A1.30.26A0.325A0.39A0.429KA0.455A10.20A0.25A0.30A0.33A0.35A0.60.12A0.15A0.18A0.198A0.21A注:A为设计基本地震加速度峰值 考虑不同重要性系数和综合影响系数的地震动重现期（年）重要性系数0.200.250.300.330.351.750751061291471.33146647685121294047520.6101317202289规范各类桥梁设计地震的重现期（不考虑综合影响系数）（年）重要性系年超越概率重现期数1.70.048％20831.30.106％9431.00.21％4750.60.673％148 A类桥梁，考虑重要性系数和不同的综合影响系数，设计地震动参数在0.34∼0.595A,对应100年重现期的设计地震动参数为0.493AB类桥梁，考虑重要性系数和不同的综合影响系数，设计地震动参数在0.26∼0.455A,对应75年重现期的设计地震动参数为0.426AC类桥梁，考虑重要性系数和不同的综合影响系数，设计地震动参数在0.2∼0.35A,对应50年重现期的设计地震动参数为0.34AD类桥梁，考虑重要性系数和不同的综合影响系数，设计地震动参数在0.12∼0.21A,对应25年重现期的设计地震动参数为0.226A。 各类桥梁的重要性系数CiE1地震E2地震桥梁类别A类0.51.7B类0.43（0.5）1.3（1.7）C类0.341.0D类0.23---注：高速公路和一级公路上的大桥、特大桥，其抗震重要性系数取B类括号内的值。 (3.2确定地震作用的基本要求照规范取值,按E1和E2地震重要性系数乘设计基本地震加速度峰值A水平向设计基本地震加速度峰值A抗震设防烈度6789A0.05g0.10（0.15）g0.20（0.30）g0.40g地震安全性评价 结合抗震概念设计原则，进行恒载和活载下的结构设计，确定结构参数是否为特殊桥梁斜拉桥、悬索桥、单跨跨径150m以上的梁桥和拱桥（第9章）是否需要进行减隔震设计减隔震桥梁（第10章）是否为6度地区抗震措施（第1.0.4条、第3.1.24条、第11.2节）墩高是否超过40m墩身第1第一阶振型有效质量低于60%，且结构进入弹塑性工作范围专门研究7度及7度以上地区常规桥梁设计流程图 4场地和地基4.1场地第一部分主要从抗震角度讲桥选址：抗震有利地段；抗震不利地段和抗震危险地段第二部分：桥梁工程场地测量土层剪切波速的要求及场地类别划分平均剪切波速场地类别（m/s）ⅠⅡⅢⅣ＞5000＞250＜5≥5＞140＜3≥3，≤50＞50≤140＜3≥3，≤15＞15，≤80＞80注：表中数据为场地覆盖土层厚度（m） 4.2天然地基的承载力地基抗震验算时，应采用地震作用效应与永久作用效应组合[f]=K[f]aEa岩土名称和性状Kfa0≥300的粘性土和粉土1.5中密、稍密的碎石土，中密和稍密的砾、粗、中砂，密实和中密的细、粉砂，1.3150≤＜300的粘性土和粉土，坚硬黄土稍密的细、粉砂，100≤fa0＜150的粘性土和粉土，可塑黄土1.1f淤泥，淤泥质土，松散的砂，杂填a0土，新近堆积黄土及流塑黄土1.0 4.3地基的液化和软土地基引自中华人民共和国国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011-2001的有关规定 5地震作用5．1一般规定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222E=++EEE222EX=++EEEYZXYZ 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。采用非线性时程分析时，由于叠加原理已不适用，各方向的分量必须同时加上，因此理论上讲应同时输入包含两个或三个方向分量的一组地震动时程。获取包含两个或三个方向分量的一组地震动时程，一般应由地震安全性评价部门给出，或采用和场址场地土条件接近的天然地震波，经调整得到和设计加速度反应谱兼容的一组地震波。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。A类桥梁、桥址设防烈度为9度及以上的B类桥梁，应根据专门的工程场地地震安全性评价确定地震作用 5.2设计加速度反应谱水平设计加速度反应谱⎧S(5.5T+0.45),T<0.1smax⎪S=⎨Smax,0.1s≤T≤Tg⎪S(T/T)，T>T⎩maxgg 桥梁抗震设计要求描述地震作用的设计加速度反应谱周期更长些。本规范编制中的一项专题研究分析了强地震动记录在长周期段的可靠性，指出模拟记录的加速度反应谱在5-6秒以下的范围内是可靠的；数字记录可以达到10秒；基线漂移对加速度反应谱的影响可忽略不计。根据两类记录反应谱长周期段特征的比较，论证了周期范围可以扩展到10秒。通过823条水平向强地震动记录的统计分析，指出随着反应谱周期范围的扩展，一些抗震设计规范为了降低风险规定设计反应谱下降的速率略缓慢些，同时规定了反应谱的最小值，可能会导致长周期段的过分保守，设计反应谱按T-1的速率下降是有足够安全保障的，完全没有必要设下限值，且尚无必要再规定一段T-2的下降段。上页公式采纳了该专题研究的建议。 水平设计加速度反应谱最大值S=2.25CCCAmaxisd场地系数Cs地震基本烈度67890.05g0.1g0.15g0.2g0.3g0.4g场地类型I1.21.00.90.90.90.9Ⅱ1.01.01.01.01.01.0III1.11.31.21.21.01.0IV1.21.41.31.31.00.9 众所周知，场地条件对地震动的幅值、频谱都有显著的影响。美国根据LomaPrieta地震中大量强地震动观测数据，采用两个场地系数改进了设计反应谱最大值和特征周期的规定。我国建筑抗震设计规范GB50011-2001的编制中曾对此专门研究，得到结论是“目前强震观测资料的累积程度还不足以客观地反映各种因素对反应谱的影响”，而没有作相应改进。本规范编制的专题研究指出了该研究中在数据分组环节上的差错，得出了完全不同的结论，设计反应谱最大值应随场地条件调整。表5.2.2中的数值是根据统计的平均特征，参考美国NEHRP规范，考虑我国抗震设计规范第一次采用场地系数调整幅度宜小一点，综合规定的。 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。场地类别区划图上的特征周期IⅡIIⅣ0.350.250.350.450.650.400.300.400.550.750.450.350.450.650.90本条采用了GB50011-2001的场地类型划分方案和特征周期的确定方法，与国标18306-2001的规定相同。 阻尼调整系数0.05−ςC=1+d0.06+1.7ς当Cd小于0.55时，应取0.55本条规定直接引自中华人民共和国国家标准《建筑抗震设计规范》GB50011—2001的有关规定。 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⎧1.0T<0.1⎪R=⎨1.0−2.5(T−0.1)0.1≤T<0.3⎪⎩0.50.3≤T 本条的规定是一项专题研究的结果。至今，大部分抗震设计规范仍然采用水平反应谱乘一个系数的方法来规定竖向地震作用，这个系数值一般在1/2-2/3之间，是以这两个方向上反应谱形状相差不大为前提的。现行抗震设计规范中，也有规定两个方向上形状不同的设计反应谱的。例如，我国核电厂抗震设计规范GB50267-97中分别规定了水平地震作用和竖向地震作用的标准反应谱。这两个标准反应谱的最主要差表体现在最大值的周期范围不同。欧洲抗震设计规范EC-8中，采用的竖向地震动反应谱的形状与水平向标准反应谱的形状也有不同，相差一个与周期有关因子，周期小于0.15秒时，为0.7；周期大于0.5秒时，为0.5；在0.15-0.5秒之间时，采用前两者间的插值。 5.3设计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；也可选用与设定地震震级、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。N∑a1ja2jj=1ρ=NN22∑a1j⋅∑a2jj=1j=1 5.4设计地震动功率谱做过地震安全性评价的桥址，设计地震动功率谱要根据专门的工程场地地震安全性评价的结果确定。未做过地震安全性评价的桥址，可根据设计加速度反应谱按下式估算（单边功率谱）2TSξS()ω=a2−1π⎡⎛⎞T⎤ln⎢⎜⎟−lnp⎥⎢⎣⎝⎠2Td⎥⎦∑式中S为反应谱值，不超越概率p取0.5；T为地震动强烈振动段的持d续时间，一般可取20秒；ξT=2π/ω 5.5地震主动土压力和动水压力E地震作用抗震设计阶段，应考虑地震时动水压力和主动土压力的影响1，在E地震作用抗震设计阶段，一般不需考虑。2地震土压力按附录D规定计算。桥台（挡土墙）后填土无粘性时，地震E＝ea时作用于桥台（挡土墙）背的主动土压力也可按下列简化公式计算：123CiAEea＝γHK(1+tgφ)A2g