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公路桥梁抗震设计细则 08细则长安大学 刘健新*前言及背景材料*前言及背景材料1.中国地震的特点2.汶川地震4,桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料*前言及背景材料一1.中国的地震及特点1.中国的地震及特点1.1 中国地震的特点世界上有两个主要地震带：太平洋和欧亚地震 带。中国部分地区位于欧亚地震带上，大部分地区 夹在这两大地震带之间，是一个多地震的国家。中国占全世界陆地面积7%,却承受了全球33%的陆地强震。基本特点是：震源浅、烈度高、分布广、伤亡 大。*前言及背景材料一1.中国的地震及特点*前言及背景材料一1.中国的地震及特点20世纪以来，中国共发生6级以上地震共约 800次，遇难人口约60万人，占全球同期死亡人数 的 53%。中国几乎所有的省份都发生过6级以上的破坏 性地震，根据国家地震局2001年版全国地震区划 图统计计算，烈度等于或大于7度的面积达403万 平方公里，占国土总面积的近40%,全国有近半 数的城市位于7度或7度以上的地震区。20世纪死亡20万人以上的大地震全球共两次，都 发生在中国。一次是1920年宁夏海原8.5级大地震，死亡23.6万 余人；另一次是1976年河北唐山7.8级地震，死亡24万 余人。图2中国地震震中分布图所示的震级大于4级的大 大小小密密麻麻的震中位置，让人触目惊心。前言及背景材料一1.中国的地震及特点*前言及背景材料一1.中国的地震及特点强震分布：西多东少。中国大陆地区，绝大多数强震主要分布在东经107 度以西的中国西部广大地区，而东部地区则很少。19497级以上地震:西分布情况图2中国地震震中分布图1895年1985 年：西部占87%,其应变释放能 量占90.8%。1981年，共27次:西部约为20次,占74%;东部只有7次，占 26%。*前言及背景材料一1.中国的地震及特点1.2中国历史上的大地震中国历史上造成了惨痛的生命、财产损失的强烈地震如表1所示：表1中国历史上的强烈地震FT-斗时间俭人政WHO-位宜ms-遍而人玳1,1556 01 23.株日-M883万a1期1974 05 12去京大美，M7 21423-加1695 05 18_083临汾M8 0,5万.小1975 02(M-辽宁1城M7 A无311920 12.10*M8 523。万.1976 07 28.河北JWUbM7 82万4-1927 05 23甘京白应，M8 g4万*1976 05云南龙RT47 3 M7 6州、5.1931 08 1b新帽值M8 0./1976 08 16四川甲瞅、松瀚M/28OQ.，1932甘南3马M7 647万.1985 08 注WrHRtSrM7 A67，7-1933 08 25.2DJII茂耳M7 5.1988 11 M.云淞取玲6、M7 27.(8-1935 04 21-T何茁卓M7 231994 09 16Hi漕蛙M7 AA1950 08 15.M8 5-近 4000.1995 07 U.三南4诿M7 A121952 08 18，0喧恭遵M7 5M-1996 02 03*云m丽江，M7 g1119M 02 11-trmujR-M7 3-”.，M-1999 09 21.M7 X2300a1969 07 18-一海湾.M7 4,1(P2001 11 14.星 eiibM8 2无、1970 0!05.云南通通M7 7T15621.2002 03 31 W.-M7 5.(A*14-1973 02 gjgjirjpw-M7 6217A2008 05 12.四川乐川/M8 g10*前言及背景材料一1.中国的地震及特点1.3中国的地震分区及地震带分布中国地震主要分布在五个区域：华北地区、西南 地区、西北地区、华南地区、台湾地区和23条地震 带上，如图3所示。3 国震分图 图 中地带布*前言及背景材料一2.汶川地震*前言及背景材料一2.汶川地震2.汶川地震2.1汶川大地震概况2008年5月12日下午2点28分突发而至的四川汶 川里氏8级强烈地震撼动了大半个中国，甚至远在泰 国的曼谷也有强烈的震感。汶川地震在中国惨痛的地震灾害史上又留下了 更为惨痛的记录，是新中国成立以来破坏性最强、波及范围最广、救灾难度最大的一次地震。*前言及背景材料2.汶川地震*前言及背景材料2.汶川地震图5汶川地震震中分布图汶川8.0级地震VI度区以上面积合 计440442平方公里：XI度区：面积约2419平方公里；X度区：面积约3144平方公里；IX度区：面积约为7738平方公里 VIII度区：面积约27786平方公里；VII度区：面积约84449平方公里；VI度区：面积约314906平方公里;汶川地震震级大、余震强烈持续时间长，截 止8月11日12时的不完全统计，地震已造成69225 人遇难，374640人受伤，失踪17924人。许多城镇已夷为平地，直接经济损失达到1 万亿人民币，灾区重建资金尚需1万亿人民币以 上，造成的心灵创伤难以慰平或永生无法摆脱震 灾带来的悲痛。15前言及背景材料一2.汶川地震初步认为，汶川地震是印度板块向亚洲板块俯冲，造 成青藏高原快速隆升。高原物质向东缓慢流动，在高原东 缘沿龙门山构造带向东挤压，遇到四川盆地之下刚性地块 的顽强阻挡，造成构造应力能量的长期积累，最终在龙门 山北川-映秀地区突然释放。6 川震块应意 图汶地板效示图图9压力脊 图11石破天惊*前言及背景材料2.汶川地震*前言及背景材料2.汶川地震2.2.3道路破坏*前言及背景材料一2.汶川地震*前言及背景材料一3.桥察的票害*前言及背景材料一3.桥柒的震害3.桥梁的震害3.1 震害影响及原因桥梁是生命线工程中的关键部分，在地震发 生后的紧急救援和抗震救灾、灾后恢复重建中具 有极其重要的地位。强烈地震可能导致桥梁受到 严重损伤或倒塌，造成交通中断，使抗震救灾工 作受阻，以致造成生命和财产的更大损失，使震 害程度扩大。原因：场地运动引起的结构物振动（地震荷载以惯 性力形式施加于结构）场地相对位移产生的强制变形（支点强制变 形的超静内力或过大的相对变位）*前言及背景材料一3.桥梁的震害3.2 桥梁震害及类型3.2.1 上部结构的震害上部结构自身因直接的地震动力效应而毁坏 的现象极为少见，但因支承连接件失效或下部结 构失效等引起的落梁、主梁的移动、扭曲、裂缝 等现象，在破坏性地震中常有发生，其中落梁现 象最为严重。顺桥向的落梁约占全部桥梁落梁总 数的8090%,梁端撞击桥墩侧壁，给下部结构带 来很大的破坏，从而有可能造成更大的震害。*前言及背景材料一3.桥梁的震害3.2.2 下部结构的震害地震引起的下部结构破坏主要是桥墩的破 坏，一般是从接缝处的轻微断裂开始，继而扩展 到四周而造成破坏；素混凝土也会因施工缝而产 生断裂。震害的进一步发展，会导致断裂面上下 的墩身移位，最终使断裂面以上的墩身翻落而酿 成极大的震害。*前言及背景材料一3.桥柒的震害RC桥墩在水平反复荷载作用下的破坏形式序号破坏形式破坏机理破坏现象特点1弯曲破坏Ph Ps变形能力更有限脆性破坏斜方向剪切裂缝注：Pb一结构弯曲承载能力Ps结构剪切承载能力弯剪破坏、剪切破坏由于结构变性能力、延性差，失去承载力后易 倒塌，难以恢复，不希望出现。*前言及背景材料一3.桥梁的震害*前言及背景材料一3.桥柒的震害3.2.3 桥梁结构地震破坏形式1）弯曲破坏开裂、水平弯曲裂缝一受拉钢筋屈服一混凝土保 护层脱落、塑性较范围扩大一钢筋压屈（或拉断）内部混凝土压碎、崩裂变形刚度 吸收的地震能量 地震荷载强度避免倒塌 小一大|减轻2）剪切破坏（弯剪破坏）开裂、水平弯曲裂缝一斜向剪切裂缝一箍筋屈服、*前言及背景材料一3.桥桀的震害3）落梁梁与墩（台）对位移过大梁的支撑长度不够支座破坏梁间碰撞落梁图28落梁震害及机理*前言及背景材料一3.桥梁的虞害4）支座破坏传递的上部结构惯性力一，支座的设计强度桥梁支座是桥梁抗震的薄弱部位，震害极为普遍。破 坏形式主要表现为支座锚固螺栓拔出剪断、活动支座脱落 及支座本身构造上的破坏。*前言及背景材料一3.桥梁的震害*前言及背景材料一3.桥察的票害支座破坏机理图29b支座震害机理36*前言及背景材料一3.桥梁的震害3.2.4 基础的震害地震引起地基的液化，使承载力下降，引起基 础下沉。进一步引起桥梁墩台的沉陷，多出现在承 载力不很高的砂质粘土、粘土质砂土等地基中。地基的液化使其剪切强度大大降低，使桥梁基 础及桥台受静土压力和地震土压力的作用而沿液化 层水平滑移或转动。桥梁基础因周围地基崩塌通常最易发生在饱和 松砂、软粘土以及粉砂土层层面呈倾斜的场合，或 者有填土等情况。图31地基液化及记录39前言及背景材料一3.桥梁的震害3.3 汶川地震中的桥梁震害3.3.1 百花大桥震害百花大桥，全长500米，是都江堰经映秀至汶 川公路上的必经之地，也是地震后重灾区映秀通往 外界的唯条“生命通道”。汶川地震后，有50多米长的桥面拦腰垮塌，用 肉眼都能看到几根桥柱已经移位，整座大桥岌岌可 危，处于失稳的平衡状态，余震将造成继续垮塌，保留成本太高，最终将其炸毁。图32主梁位移及横隔板破损图33桥墩墩底塑性较破图37a日本桥墩的钢筋图37b韩国桩头钢筋43*前言及背景材料一3.桥察的塞害*前言及背景材料一3.桥柒的震害3.3.2 紫坪铺水库庙子坪大桥庙子坪大桥为主跨220米的混凝土连续刚构桥，横 跨紫坪铺水库。引桥为50米T梁，其中一跨落梁，支座 损坏严重，混凝土墩、梁基本无裂缝，连续刚构桥结 构基本完好。图41落梁断面、桥面裂图38顺、横桥向位移，伸缩缝破坏 图39落梁断面*前言及背景材料一3.桥梁的震害3.3.3拱桥震害该拱桥为一跨河石拱桥，由于汶川地震的发生,使得该桥拱顶开裂，拱脚及拱身亦有裂缝。图一，蠡*点譬图43拱桥破坏 图44拱顶开裂，已不能使图47拱体裂47前言及背景材料一3.桥梁的震害*前言及背景材料一3.桥察的塞害3.4阪神地震中的桥梁震害*前言及背景材料一3.桥桀的震害前言及背景材料一3.桥梁的震害3.5强震中桥梁破坏的基本特征和经验教训日本兵库县南部地震(阪神大地震1995.1.17 M7.2)剪切强度不足配筋过少不适当的纵筋截断延性差J8倒塌*前言及背景材料一3.桥梁的震害台湾集集地震(1999.9.21 M7.6)相对位移 支座损伤、桥墩损伤、落梁 地基失效-土耳其Kocae地震(1999.8.17 M7.4)场地相对位移一地基变形一基础、下部结构 相对位移一落梁、支座破坏、梁体位移实际地震荷载(lg2g)设计地震荷载(0.2g-0.4g)*前言及背景材料一3.桥桀的震害日本新泻中越地震(2004.10.23 M6.8)1995.1.17-在役桥梁抗震性 能评估与加固(不允许剪切破 坏先行出现)加固 2002年未加固未发现剪切破坏剪切破坏*前言及背景材料一3.桥梁的震害3.6桥梁震灾的内因及处治措施支承连接构件失效i现象：当上、下部结构相对位移过大支承连接失效 一相对位移更大(若无其他约束或失效)脱座、落梁ii原因：设计时偏小的地震力、偏大的刚度(用全截面代替开 裂截面)-设计位移偏小iii措施：正确估算设计位移值加大梁的支承宽度和设置限位器、连梁装置54*前言及背景材料一3.桥察的塞害*前言及背景材料一3.桥柒的震害下部结构失效i现象：桥墩、桥台无法抵抗自身的惯性力或上部结构传 来的上部结构地震力，无延性、强度不足而破坏。ii原因：a.设计抗弯强度不足纵向钢筋的墩底搭接或焊接，主筋虽未达到设 计强度就因焊接强度不够或搭接失效；设计地震力偏小，材料图不包络作用弯矩图，导致纵筋切断处弯剪破坏。b.设计抗剪强度不足横向钢筋直径偏小，间距偏大（30-50cm）C.构造缺陷横向箍筋直径偏小，间距过大，不能约束校和防止纵筋屈曲；纵筋的墩底焊接或搭接在桥墩中的过早切断;纵横筋的锚固长度不足；箍筋端部未做成弯钩。iii措施：延性设计与能力设计*前言及背景材料一3.桥莱的震害2008年6月14日日本岩手，宫城发生M7.2级地震 国道342号线祭时大桥破坏机理。（东京工业大学川岛一彦）*前言及背景材料一3.桥察的塞害崩壤入亍：A1、P1(D-IMJCD移勤仁伴I、桁右一1111小二移勤。A20/卜力士筋)4m押Ui杀木崩壤入:P2(D常倩1/3区13()力,破壤落下*前言及背景材料一3.桥梁的震害根据上述推定的破坏机理今后应仔细琢磨的事项：P2桥墩为什么在上部1/3区间破坏？桥墩的一部分产生了纵 向局部失稳，和施工接缝有何关系？将梁推向一关侧时，虽然容易理解P2上的可动支座的破 坏，但使P2上部1/3破坏的地震力是如何作用的？因此有必要确认P2支座的梁和支座破坏特性。进行准确测量，明确地基破坏的影响前言及背景材料一3.桥梁的震害*前言及背景材料一3.桥梁的震害祭畤大椅周52斜面崩堞*前言及背景材料一3.桥梁的震害小结 祭时桥离震中数公里，在离桥2km处观测到超过 4000gal的竖向震动，但垮桥的原因不是地震力，而是由地震力引起的滑坡。当年的抗震设计虽然考虑了软弱粘性土的滑动和液 化，但未考虑大规模的坡面崩塌，路线选择比抗震 设计更为重要。选线时应避开大规模坡面崩塌，实在无法避开，应 采用适应地基变形的构造体系*前言及背景材料一3.桥察的塞害*前言及背景材料一3.桥柒的震害软弱地基失效i现象及原因：地基受振动后承载能力下降，导致桥梁 沉降或水平位移；地基液化，承载能力下降；岸坡滑移，对墩、台的巨大挤压力；ii措施：a.桥梁选址b.地基处理c.采用深基础桥梁震害教训 采用性能设计确定桥梁的设防标准由结构遭遇的地震作用水平、维持交通能力、修复费用、工程造价确定桥梁的重要性及结构的反应状态及损坏程度。抗震设计应同时考虑强度和延性，尤其是注重提高桥梁 整体和RC桥墩的延性能力 采用减隔震技术 地震反应复杂的桥梁采用空间动力时程分析 强化抗震措施，重视桥梁支座限位器、连梁装置的作用 和设计，开发新的耗能的结构分灾系统*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法4.桥梁抗震设计理论和方法4.1 桥梁抗震设计的理念4.2 桥梁抗震设计的方法4.3 抗震设计、措施及其应用4.4 特殊桥梁的抗震设计*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法4.1 桥梁抗震设计的理念4.1.1 桥梁抗震设计理论、技术的发展1）发展动力沉痛、惨重的灾害教训代价抗震设计理论、技术发展灾后的反思、验证、总结、提高一抗震设计标准、设计理念确立*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法2）桥梁抗震设计方法的变化地震损伤 抗震设计理念积累-变化破坏资料 计算方法提高核心硅的套箍效应ii验算结构损伤后的变形性能*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法iii地震响应计算方法静力算法-动力计算中实测地震波积累土场地运动特性的深入认识iv多阶段设计方法小震不坏中震可修大震不倒 不同阶段有不同的抗震设计目标 相应不同的设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法i提高结构延性防止倒塌减小地震荷载强度高阻尼耗能纵筋截断的严格要求确保塑性较的出现截面落梁防止措施是在1971年美国洛杉矶San FernandV减隔震结构的应用长周期化减少地震强度*前言及背景材料一4.桥梁抗塞设计理论和方法弹性范围弹塑性范围避免脆性剪切破坏强度（承载能力）变形能力地震后提出的,其有效性得到普遍认可,并逐渐对设 计提出了更高的要求。VI配筋构造和落梁措施确保核心箍筋的配置及锚固-提高桥墩的延性校的延性75前言及背景材料4.桥梁抗震设计理论和方法3）结构地震响应分析方法的变化静力计算方法-动力计算方法动力计算计算模型：结构形状、外力作用方式、结构振动特性（计算结果是否合理的首要前提）*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法线性地震荷载小 结构具有一定刚度,几何非线性：考虑结构形状变形影响 悬索桥斜拉桥非线性 材料非线性：弹塑性地震响应延性设计的基础.荷载非线性*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法4.1.2抗震要求与结构的抗震能力1）相互关系自然环境与条件（水文、气象、地质等）、一结构设计、施工一结构能力人（对结构）的需求/使用功能、经济、安全、1/美学、抗风、逅震*前言及背景材料一4.桥梁抗襄设计理论和方法抗震（抗风）设计虽在初步设计时有所考虑,但一般是概念性的,如用 简支结构跨越断层、大跨桥梁的漂浮、半漂浮体系抗震（风）设计实质是抗震（风）验算2）桥梁结构对应不同的抗震需求，相应的赋予桥梁结构不同的抗震能力。*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法4.1.3设计基准期、设计寿命、重现期1）设计基准期以结构可靠度理论为基础的设计方法所必须 的时间参数。可靠概率（可靠度指标）：在正常的设计施 工条件下，在规定的时间里完成预定功能的概率。破坏概率=1-可靠概率89规范对应的桥梁设计规范未明确提出设计基准期为区分不同重要型桥 梁的抗震要求，提出 了不同的设计基准期公路桥涵设计通用规范（JTGD60-2004）明确公路桥涵结构的设计基准期为100年I08细则中不同类别 重要度桥梁不应再用设计 基准期而改用考查年限*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法类别路线及构造物G设计基 准期（年）交通行业工程 抗震设防标准 设计基准期（年）1高速公路和一级公路上的抗震重点 工程1.7801002高速公路和一级公路上的一般工程、二级公路上的抗震重点工程、二、三级公路上桥梁的梁端支座1.360753二级公路上的一般工程、三级公路 上的抗震重点工程、四级公路上桥 梁的梁端支座1.040504三级公路上的一般工程、四级公路 上的抗震重点工程0.6202582*前言及背景材料一4.桥梁抗襄设计理论和方法2）设计寿命比较模糊的概念，不严格（甚至是错误的理解）可以认 为是设计基准期。3）重现期某个随机变量，如某种强度（地面峰值加速度）在多长 时间内可能发生一次。50年超越概率10%所对应的地震烈度 的重现期为475年。4）考查年限89规范考虑抗震性能重要度时的设计基准期即提出的考 查年限。*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法4.1.3设防标准、抗震性能、重要度系数1）桥梁的设计基准期公路桥涵设计通用规范（JTG D60-2004）规 定公路桥涵结构的设计基准期为100年。不同等级桥涵结构的设计基准期不再分级。对于不同等级的桥梁依然可以在不同的年限 内考虑地震的危险性，来体现结构的重要程度，但是不再是原规范的标准。（1类80年,二类60年,三类40年,四类20年）交通行业工程抗震设防标准研究 建议的设防标准与原设防标准相比,地震的考查年浪有所增加,考虑到与原规范的一致性和延续性,仍采用一次设 计,重要性修正系数没有改变,同样不同类型的结构 设计地震的等级依旧没有统一。类别考查年限（年）重现期（年）超越概率（考查年限内）G110025004%1.72759507%1.335047510%1.042523712%0.6*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法3）桥梁在不同地震作用下的性能分级设防的思想小震不坏、中震可修、大震不倒小震：未来一定年限内（50年）超越概率63.2%的地震；中震：未来一定年限内（50年）超越概率10%的地震；大震：未来一定年限内（50年）超越概率2%的地震；考虑到3、4类结构满足100年设计基准期的困难及抗震投 入与桥梁等级的适应性，应该在不同考查年限内对各类结构 进行抗震设计。*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法设计理念小震不坏 中震可修 大震不倒（弹性）（塑性）08细则的抗震性能类别小震中震大震A-弹性轻微损坏B弹性-塑性C弹性-塑性D弹性-C类:二次设计 一次设计*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法4）重要度系数当地理位置确定后，地震动参数即可确定。地震动区划图（第四代）一 50年中震_一根据桥梁的重要性安评报告-不同考查年限的小、中、大震*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法不同地震的重要性系数类别设计地震El设计地震E2AL。L7B0.43(0.5)1.3(1.7)C。3410D0.23-1*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法4.1.4桥梁抗震设计中的共识和发展趋势1）桥梁抗震设计中的共识 概念设计 多级设防 分阶段设计 延性设计 减隔震设计 抗震措施91*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法基于性能的抗震设计美国学者20世纪90年代初提出设计出来的结构在未来地震灾害下能维持所 要求的性能水平只注重结构安全一全面注重结构的性能、安全及经济等诸多方面发展*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法2）结构抗震设计的发展阶段i刚性设计增加结构刚度和基础构成刚性体系导致结构高度、跨 度等受到严重限制，束缚地震多发区结构设计进步。ii柔性设计通过减小结构刚度，减小作用于结构的地震荷载强 度，大震时可能由于结构变形过大导致结构破坏、倒塌，小震和常规荷载下，由于刚度过低难以满足结构正常使用 要求。*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法iii延性设计适当控制刚度分布，结构构件地震时进入非弹性变 形状态以消耗地震能量，保证结构不倒。结构构件集两种功能于一身，即结构的使用功能和抗 震性能，存在着局限性：延性设计是在承载能力不下降的前提下具有较大的塑 性变形能力，并利用滞回耗能。桥梁中的塑性较按延性设计，其他部分则按能力保护 原则设计，即保持弹性。*前言及背景材料一4.桥梁抗襄设计理论和方法iv结构控制设计通过结构上设置的控制装置，由其和结构共同抵御 地震和风：主动控制分类 半主动控制被动控制混合控制*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法问题a.主动控制需要外部巨大的能源，灾害时难以保证；b.主动控制的溢出影响、迟时效应；c.许多被动控制措施（TMD、TLD）在小震和常规风 荷载下，有较好的控制效果，可提高舒适度。但在大震、飓风时，难以保证结构的安全性；d.控制系统要求比结构更高的可靠性，造价高。V基于性能的抗震设计从结构安全性、舒适性、经济性和易维护性的观点抗 震设计。是现行抗震设计的延续和发展，如现行设计中的小、中、大已是一种性能要求，但不全面和明确。分级设防（小、中、大）是目前处理高度不确定地震 作用的最科学合理的对策。*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗襄设计理论和方法问题：a.大震不倒可保证生命安全或间接保证。但可能导致 中小地震下结构正常使用功能丧失，引起巨大的经济损 失（内装修、非结构构件、信息技术装备），如中震可 修没有具体的量化标准。b.抗震设计按规范规定进行，没有对抗震性能进行 规定，因此设计阶段无法明确结构的抗震性能。C.业主、使用者和设计工程师对结构的抗震性能要求可 能存在差异业主、使用者 可能是大震下结构内财产不受损害 工程师 则认为是大震下结构不倒d.建筑结构和抗震性能没有用来进行经济估计，投资-一 效益（平衡造价和性能）准则很少应用，原因在于建筑结构 的性能没有清晰明确。土木建筑结构的个性，难以再购买使用或检验实际性 能，因此无法了解在付出一定的投资后能得到怎样的效益。*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法投资效益准则是基于性能的抗震设计的重要原则设计考虑因素:设计、经济、社会、政治等 追求的设计目标:结构寿命周期的总费用最小基于性能的抗震设计中的结构分灾抗震设计根据投资一效益准则设计结构时结构设计问题为 优化设计问题设计变量find x目标函数 min W=C。+以+K P,仁/=1/=1G(元”川 Sj(x)0(j=l,2.jn)W(x)结构在设计基准期内的总费用C0(x)结构的初始造价(工可、设计、施工)结构的检查、维护和维修费用*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法第三项为结构失效损失期望，为所考虑的个不同结构性 能分别在小震(1=1)、中震(1=2)、大震(1=3)作用下发生失效损失期望值之和。外 某级地震作用下基于该性能i的结构失效概率；网相应的目标值；4 该性能失效时的损失值；c，fpf.该性能失效时的损失期望；g,(x)确定性的约束条件，包括规范给定的抗震构造 要求，如层间变形等。*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法困难之处：失效损失如何表示或设计变量失效概率结构参数如抗震设计中减隔震装置参数的函数103*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法优化设计的目的是得到一个使结构安全、经济、性能诸因素协调的方案|-0.05 时,6尼,7）=（点+0.5）b.（绝对）加速度反应谱-最大加速度反应、惯性力相对速度反应谱-最大速度反应、应变能Umax=；机Sy相对位移反应谱-最大位移反应、恢复力110前言及背景材料4.桥梁抗震设计理论和方法C.三条反应谱曲线特点a）加速度谱在Is前受阻尼比 影响大；b）位移谱在2s后受阻尼比影 响大；c）速度谱在1s前和2s后受阻 尼比影响大，兼有加速度谱和位 移谱的特征；d）随着周期的增大，加速度 响应减小，而位移响应加大，速 度响应则不一定。*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法2）屈服强度反应谱-单自由度非线性振动系给出周期T 非线性滞回曲线为双直线 改变：屈服荷载Fy/质点重力W|,-对时间积分求出地震响应!（多个）塑性率（延性率）I*一给定的目标塑性率*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法/皿*前言及背景材料一4.桥梁抗襄设计理论和方法对某个特定结构，屈服强度和周期可求出则 Anax=4v（结构最大位移响应）弹塑性反应谱的计算精度高于能量守恒原则和位移一定原则,输入地震波、但弹塑性反应谱曲线与滞回曲线计算模型等因素有关 非线性关系.粘性阻尼比 因此，只有当某个特定结构的计算条件满足反应谱曲线 的适用范围才能达到高精度，但这一点很难。114*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法4.2.2弹塑性设计1）结构延性设计允许结构的特定部位或构件产生破坏a.结构的延性滞回性能耗散地震的能量b.周期延长减小地震动的输入c.钢筋混凝土结构的延性-纵向钢筋、箍筋 的合理配置混凝土的应力-应变模型*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法RC结构的延性设计118119前言及背景材料4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法纤维单元：截面内不同的纤维模拟钢筋、核心混凝土及保护层混凝土，具有各自的 应力应变关系。121*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法小震结果-弹性*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法中震结果-有限延性大震结果-延性*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法大震双向激励结果*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法2）桥梁结构弹塑性地震响应分析i概述地震（发生时间，地震动参数埼观：规结构卷装及,广弹性 著：随 连接覆可以不同的结构响应去对应不同的地震输入 通过结构（性能）的设计可以达到上述目的，即对应于不同的输入，结构有相应的输出（响应）这种响应是人们希望的：安全、适用、经济（美观）结构抗震设计：弹性设计，弹塑性设计（延性设计）前言及背景材料4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法ii RC柱在反复荷载下的变形特性*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法iii单调荷载作用下RC短柱弯曲变形 a核心混凝土的压缩变形特性横向约束改善延性和提高强度横向约束：箍筋（套箍作用）纵筋核心混凝土的应力应变关系 不考虑。&曲线过程变化压缩强度。cc=。co+l。|极限应变晨c=eco（1+k2。co）*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法ct cc e cc 最高应力及应变co co 无约束混凝土的最高应力及应变侧向约束应力kj k2 影响系数 kB4.1 k2 5 kl考虑。e曲线过程变化（弹塑性分析中为计算结构的破坏 全过程和能量吸收效果）Marder曲线（单一算式描述混凝土上升）日本桥梁抗震设计规范（上升段下降段分别表示）各种算式混凝土o&曲线 计算好象：40cm x 40cm柱混凝土强度 24MPa纵向配筋率 0.25体积配筋率 0.003箍筋间距 45mm*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法b钢筋的应力应变关系*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法C钢筋混凝土结构的弯矩曲率关系常轴力N及水平推力P作用下柱的压弯变形*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法N=I A。dA=J A c。cdA+J A s O sdA M=J A ydA=J A c O cydA+J A s O sdA c=E&S=ES&=&小136*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法弹塑性范围内，轴力和弯矩的力学行为相互影响，实 用上，假定轴力N不变，以开裂点（，-MQ，钢筋开始 屈服点（，y。、Myo），混凝土压碎（/u、Mu）三点近似 表示弯矩曲率关系。当轴力N不同时，RC柱的破坏过程不同138139前言及背景材料4.桥梁抗震设计理论和方法d侧向水平地震荷载下的桥墩变位弹性：三角形分布喷刈/凶i弹塑性：曲线形A布*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法墩顶截面或某指定截面的M6曲线前言及背景材料4.桥梁抗震设计理论和方法控制截面：基部截面或中间截面箍筋：在控制截面处加密纵筋：通长布置中间截面破坏相对基部损伤延性较小，应予避免。e塑性较塑性较：曲率保持一定的区间，区间长度称塑性较 长度。塑性较变形性能与结构吸收地震能量、延性指标等 抗震性能评价密切相关。*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法M pc=Mc(l-L/2L)M py=Myo(l-L/2L)M pu=M uO 8曲线-Me、M yo M u.Mpc、Mpyo、M p(Pc)(Pyo)(Pu)(Pppe)(Pppyo)(Pppu)Lp(结构能力)-Q pc Qpyo、Q p-u前言及背景材料4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗襄设计理论和方法线性地震响应分析。RC结构中少用。150*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法e三直线弹塑性计算模型f滑动变形的计算模型考虑支座的滑移影响153*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法V弹塑性梁单元的刚度方程a单元刚度方程*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法用的右式用于阳7 3所示的平面堂尔元.用累形式的旧元M慎方”为：AT(7.S6)式(7.S6)中上标丧示单元.康中元的位林增值ZT却荷或堵量AF力：155*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法b非线性计算中内力增量和单元切线刚度矩阵计算K；=尸Elz.GAy 一滞回曲线,一/非线性滞回曲线规定的变形规则/I&)、夕1K；一下个循环*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法VI弹塑性地震响应分析m u+FD(u)+Fs(u)=F(l)Fs(u):结构恢复力非线性滞回曲线及相应变形规则 心：粘性阻尼力假定与运动速度成比例分析方法：一般采用时程分析法(Newmark、Wilson 0)由于叠加原理不成立，振型分解法不再适用。前言及背景材料4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法3)桥梁结构弹塑性地震响应的近似算法i概述非线性分析方法的问题：计算量大，计算 过程繁杂，结果不易收敛或结果不合理。近似算法：等效线性化，能量一定原则，位移一定原则，弹塑反应谱法，能量平衡算法ii等效线性化计算方法非线性变形 曲线变形规则非线性时程分析地震响应峰值弹塑性结构体系线性振动解析地震响应峰值等效刚度、阻尼*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法a简谐地震运动时的等效线性化理论地震为简靖运动、单自由度体系运动方程 mu+cu+F(u)=mao sin wpt等价线性化地霆响应运动方程mu-ce u-keu=mao sin wpt动力刚度法：由阻尼力和恢复力差值平方和最小计算 等效阻尼系数C e和等效刚度系数k e定义 =/(cf c)u+keu F(u)力min162163前言及背景材料4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法几何刚度法：令k e为最大位移响应u max与原点连线的斜率_ k+dk(u V)U根据e 一165*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法滞回曲线和简化的双直线循环变形吸能相等得出4k+2dk(u 1).,、Ce=-(-1)1TW pU两种方法比较动力刚度法 理论比较严格、计算繁杂、正轴和时程差异 几何刚度法计算简单、等效阻尼较大、负轴差异注意由迭代算出*前言及背景材料一4.桥梁抗襄设计理论和方法b任意地震运动时的等效线性化理论地震响应：非平稳时程 难以采用动刚度法结构塑性：刚度退化 一计算采用几何刚度法、置换法几何刚度法非平稳地震响应 一每次荷载循环最大位移响应U max不 断变化一当以最大U 计算k e_导致k e偏低一影响计 算结果(有效变位)167*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法F%Ue 0-7maxe=1 Au;47r 3（等效刚度）（等效阻尼比）（、於迭代算出舞效阴尼比计算公式as if II V等政R1把比这,S，皮叁化的U1 一勺）1 1一】c tjii!-1幅“于德的剧度/.n号度化第三加十（一岩院夕）a9的用厘化*后的阐废帼”于地的HI值比；R质事由化用僮纭匕*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法置换法计算原理同几何刚度法k,为对应最大位移响应的割线刚度k=.ax/+.（T）max 由非线性体系和等效线性体系输入地震能量一致条件得出*前言及背景材料一4.桥梁抗襄设计理论和方法示例 1:Fy=0.3mg T=0.4s 10s EI Cent ro波E=0.02 几何刚度法171*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法时程与最大位移响应均有差异多自由度体系等效阻尼矩阵-比例阻尼 一振型分解法、（不满足正交阻尼假定）反应谱法求解应变能比例阻尼等弹塑性地震响应分析 一难度缓和、着力发展等效线性化 要求下降计算机性能改善 分析程序完善4.2.3减隔震方法隔震设计的原理 示意图1.滞回耗能2.延长周期*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法隔震设计实例*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法隔震措施铅销橡胶支座用铅销橡胶支座LRB代替原支座。伸缩装置的伸缩量应满足El、E2地震、运营状态及温度 变化的要求（大伸缩量、多向变位）。隔震支座的滞回曲线 隔震后墩底弯矩响应*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法4.2.4结构阻尼结构振动方程 Mil+cii+ku=Miix多自由度体系 mii+cu+ku=单自由度体系J=一 阻尼比2mco地震输入结构的能量被阻尼消耗的过程，即地震作 用下的结构振动、平息乃至破坏的过程。桥梁结构阻尼1）内部阻尼：材料内部分子摩擦，间距变化引起。可近似由与应变速度成比例的阻尼力表示。2）外部摩擦阻尼：和周围介质、空气、水的摩擦产 生。可近似由与速度成比例的阻尼力表示。3）滑动摩擦阻尼：接触面的滑动摩擦产生，与摩擦 力大小有关。4）塑性阻尼：结构的弹塑性履历吸收能量产生。5）逸散阻尼：结构振动能量向周围介质辐射而产生。*前言及背景材料一4.桥梁抗震设计理论和方法阻尼比的表示方法：1）常数阻尼比 J=const2）比例阻尼Rayleigh阻尼（振型分解解耦的前提条件）C=aM+bK，=乂台+2）（，振型的振型阻尼）p=/卷-（，振型的振型参与系数）=2 叫叫（岁 j*-j）（o,