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1、桥梁抗震与加固的探讨,汇报人：谢群华,东南大学交通规划设计院,东南大学,2010年技术交流,一.桥梁震害,二.反应谱法计算基本原理,三.抗震设计及加固简介,四.工程实例（钟秀路、濠东路跨线桥）,五.结论与展望,汇报主要内容,摘要,当震源岩层发生断裂、错动时，岩层所积聚的变形能突然释放，引起剧烈的振动，振动以弹性波的形式从震源向各个方向传播并释放能量，这种波就是地震波。,地震波,P波（纵波）,L波（面波）,S波（横波）,桥梁震害,桥梁震害主要形式,当20世纪80年代以来，国外发生过一系列大地震，从这些震例中了解和分析桥梁结构的抗震性能、震害特点及产生原因,得出结论，概括起来有以下几点：,桥梁震害
2、,1、落梁破坏,桥梁震害,1、落梁破坏,桥梁震害,1、落梁破坏产生原因,一种是由于弹性设计理论采用毛截面刚度，这样就会低估横向地震作用和位移。另外一种是由于地基土的作用造成大的地震位移，这种桥梁震害主要发生在建在软土或者可能液化的地基土上的桥梁上。,桥梁震害,2、桥台沦陷,桥梁震害,2、桥台沦陷产生的原因,当地震加速度作用时，桥梁与桥台之间的冲撞会产生相当大的被动土压力，造成桥台有向桥跨方向移动的趋势。由于桥面的支撑作用,桥台将发生以桥台顶端为支点的竖向旋转，导致基础破坏。如果桥台基础在液化土上，又将引起桥台垂直沉陷,最终导致桥梁破坏。,桥梁震害,3、墩柱破坏,桥梁震害,3、墩柱破坏,桥梁震害
3、,3、墩柱破坏产生的原因,桥梁属于“头重脚轻”结构。墩柱一般是桥梁抗侧向力的主要构件，因此墩柱的破坏是最普遍的。墩柱破坏的主要表现形式有：弯曲强度不足、弯曲延性不足、纵筋搭接区的抗弯能力以及剪切强度不足等。墩柱的破坏往往引起一系列的连锁反应，如落梁、整个结构的倒塌等。,桥梁震害,4、盖梁破坏,桥梁震害,4、盖梁破坏产生的原因,盖梁的结构形式一般包括两种情况，一种为悬臂结构，另一种为两端刚结于柱的深梁结构。由于盖梁相对来说较短，其破坏形式主要表现为抗剪强度不足或锚固筋不能满足抗拉要求，引起锚固端破坏。,桥梁震害,5、节点破坏,桥梁震害,5、节点破坏,桥梁震害,5、节点破坏产生的原因,节点区域应力
4、是比较复杂的。连接节点包括弯结点和T型结点,在地震荷载和重力荷载的作用下处于复杂而又变化的应力状态，再加上节点区域钢筋大量相交，造成混凝土施工的困难,使节点区形成人为地震薄弱环节。常导致节点区域混凝土的压碎和锚固筋的破坏。,桥梁震害,6、基脚破坏,桥梁震害,6、基脚破坏产生的原因,基脚破坏相对来讲是较少见的破坏形式，一般墩柱较早发生了弯曲或剪切破坏，是基脚不会受到最大力的作用；另外，基脚的摇摆作用，会保护基脚，使起免受过高的地震力作用；第三，基脚一般是在地面以下，地震后不易发生破坏。但是基脚也是存在一定缺陷，如：弯曲强度、剪切强度、柱内延伸和锚固及抗拉钢筋连接不合适等。,桥梁震害,桥梁震害,小
5、结,上述所介绍的桥梁几种破坏形式是相互影响的。不同的地质条件和不同的抗震措施所造成破坏的程度和类型往往是不同的。当发生强烈的地震时，往往是桥梁的整体遭受地震作用。因此在桥梁的设计中尤其是不规则桥梁和大跨度桥梁，必须从整体分析桥梁的抗震性能。,反应谱法基本原理,反应谱理论的发展,加利福尼亚州经常遭受地震的困扰，加州对地震现象开展专门的调查研究并在1930年之后，逐步认识到查明地震动特性对的抗震设计的重要意义。,从1931年起，美国开始逐步进行强震观测台网的布置，在1940年成功地收集了包括埃尔森特罗地震记录在内的大量地震记录资料。, 1956年，纽马克率先把该方法应用于墨西哥城拉丁美洲大厦的抗震
6、设计, 1948年，豪斯纳提出基于加速度反应谱曲线的弹性反应谱；, 1943年，比奥特提出了反应谱的概念，并给出世界上第一条弹性反应谱曲线, 1958年第一届世界地震工程会议之后，这以方法被许多国家所接受，并逐渐被采纳到结构抗震设计规范中,反应谱法基本原理,反应谱法基本原理,第一步：根据强震记录统计用于设计的地震动反应谱。,第二步： 将结构振动方程进行振型分解，将物理位移用振型广义坐标表示，而广义坐标的最大值由第一步的设计反应谱求得。最后，反应量的最大值可通过适当的方法将各振型反应最大值组合起来得到。,反应谱法用于抗震设计基本步骤,反应谱法基本原理,反应谱法原理,1、单质点反应谱,反应谱法基本
7、原理,反应谱法基本原理,计算都得到相对位移y，相对速度 ，绝对加速度 的时间变化规律，即反应时程曲线。由于地震加速度是不规则的函数，一般可采用数值积分法求解。,由式可见，相对位移、相对速度、绝对加速度与圆频率和阻尼比有关，改变式中的圆频率或阻尼比，将得到不同的反应时程曲线。,反应谱法基本原理,不同的地震输入，得到不同的反应谱曲线 。,在大量的地震加速度记录输入后绘制的众多反应谱曲线的基础上，经过平均光滑化后，最终得到得到平均地震反应谱。,反应谱法基本原理,不同的体系阻尼比得到相应的反应谱曲线。,反应谱法基本原理,单质点反应谱的地震力计算,应根据结构抗震设防的烈度水准选用。根据我国铁路工程抗震规
8、范规定：设计烈度度以上才进行抗震设防，相应于，和度，k分别为0.1、0.2和0.4。,反应谱法基本原理,图1 场地类别与动力放大系数关系曲线,反应谱法基本原理,2、多质点反应谱,（1）振型分解法简介,以无阻尼受迫振动为例，简要介绍振型分解法思想。,反应谱法基本原理,反应谱法基本原理,（2）多质点体系的地震力计算公式,用振型分解法求解，即利用振型分的正交特性，将联立微分方程组一个个地分解为相互独立的振动方程，将多质点的复杂振动，分解为按各个振型的独立振动的叠加，在求解过程中，引入第i振型的振型参与系数：,反应谱法基本原理,由振型分解法可将多自由度现行震动体系分解为多个独立的广义单自由度振子。广义
9、单自由度振子的最大反应可由谱曲线查出。但一般情况下，广义单自由度振子的最大反应不同时发生，因此需要以适当的方式将它们组合起来。,反应谱法基本原理,3、反应谱组合方法,因为各个振型所引起的反应最大值不一定在同一时刻发生，因此不能简单的直接求代数和，必须考虑不同振型最大反应的组合问题。, （1）各分量反应最大值绝对值之和（SUM）。给出反应最大值的上限估计值。 （2）各分量反应最大值平方和的平方根（SRSS）。 （3）各分量反应最大值中的最大者加上其他分量最大值之和乘以一个小于1的系数。,目前主要还是采用经验组合方法组合，如：,小结,反应谱方法通过反应谱概念巧妙地降动力问题静力化，概念简单、计算方
10、便，得到各国的广泛适用；但是，反应谱法也存在一定的缺陷。如：反应谱只是弹性范围内的概念计算，当结构进入塑性阶段时即不能直接利用；也不能反应地震时效性；还存在振型组合问题等。,反应谱法基本原理,抗震设计与加固简介,1、桥梁抗震设计,总体桥梁抗震设计目标： “小震不坏,中震可修,大震不倒”！,抗震设计的主要包括：（1）正确选择能够有效抵抗地震作用的结构形式。（2）合理分配结构的刚度、质量及阻尼等动力参数，最大限度利用结构材料自身强度和韧性。（3）正确估计地震可能对结构造成的损害，以便通过结构构造和其他抗震措施，使损害控制在有限范围。,地震力的主要计算方法：,抗震设计与加固简介,（1）静力法 特点：
11、忽略结构动力特性，把加速度看成结构作用的单一因素，具有很大的局限性，因此，只适用于刚度很大的结构，如：桥台等。,（2）动力反应谱法 特点：考虑了地面运动和结构的动力特性，比静力法有很大进步，但是只停留在结构在弹性范围内，一旦进入塑性阶段就不能直接运用等。,抗震设计与加固简介,（3）动态时程分析法 特点：可以精确的考虑到地基和结构的相互作用，地震时程相位差及不同地震时程多分量多点输入，结构的各种复杂非线性因素以及分块阻尼等问题，此外动态时程分析法可以使桥梁抗震设计从单一的强度保证转入强度、变形（延性）的双重保证。,抗震设计与加固简介,桥梁抗震主要内容：,（1）场地、地基和基础的选择 选择桥址时，
12、应选择坚硬场地。基岩、坚实的碎石类地基、硬粘土地基是理想的桥址场地；设计时要注意基础的整体性,以防止地震引起动态和永久的不均匀变形。,（2）体系的整体性和规则性 桥梁的整体性要好，上部结构应尽可能是连续的。整体性可防止结构构件及非结构构件在地震时被振散掉落，同时它也是结构发挥空间作用的基本条件。无论是在平面或立面上，结构的布置都要力求使几何尺寸、质量和刚度均匀、对称、规整,避免突然变化。,抗震设计与加固简介,（3）提高结构与构件的强度和延性 桥梁结构的地震破坏源于地震动引起的结构振动，因此抗震设计要力图使从地基传入结构的振动能量为最小，使结构具有适当的强度、刚度和延性，以防止不能容忍的破坏。在
13、不增加重量、不改变刚度的前提下，提高总体强度和延性是两个有效的抗震途径。刚度的选择有助于控制结构变形；强度与延性则是决定结构抗震能力的两个重要参数。由于地震动是周期反复作用的运动，还要注意周期反复变形下结构和构件的刚度与强度的退化效应。,抗震设计与加固简介,（4） 能力设计 能力设计思想强调强度安全度差异，即在不同构件(延性构件和能力保护构件不适宜发生非弹性变形的构件统称为能力保护构件)和不同破坏模式(延性破坏和脆性破坏模式)之间确立不同的强度安全度。通过强度安全度差异，确保结构在大地震下以延性形式反应，不发生脆性的破坏模式。在我国建筑抗震设计中，普遍采用“强柱弱梁,强剪弱弯，强节点弱构件”的
14、设计思想，这种思想即能力设计原则的具体体现。,抗震设计与加固简介,（5）多道抗震设防 多道抗震设防，是指在一个抗震结构体系中，一部分延性好的构件在地震作用下，首先达到屈服，充分发挥其吸收和耗散地震能量的作用，即负担起第一道抗震防线的作用,其他构件则在第一道抗震设防屈服后才依次屈服，从而形成第二道、第三道或更多道抗震防线，这样的结构体系对保证结构的抗震安全性是非常有效的。应力图使桥梁具有多道抵抗地震侧向力的体系，则在强地震动过程中，一道防线破坏后尚有第二道防线可以支承结构，避免倒塌。因此，超静定结构优于同种类型的静定结构。,抗震设计与加固简介,2、桥梁加固设计,桥梁加固设计的原则：,在桥梁进行加
15、固设计前要确定两件事：第一，通过分析结果来判断失效或损伤的危险程度是否有加固设计的必要；第二，确定加固程度。,桥梁构件的加固设计：,（1）混凝土柱的加固 加固技术包括钢套管，利用预应力金属线产生的主动约束及使用复合材料外套层如玻璃纤维、碳纤维或其他环养树脂处理纤维及钢筋混凝土等。,抗震设计与加固简介,图2 钢套管加固,图3 增加截面加固,抗震设计与加固简介,图4 复合材料套管加固,（2）盖梁的加固 盖梁在上部结构和柱子间起到力的传递作用。 盖梁加固主要有两种方式：第一，提高盖梁的强度使之达到能维持柱子塑性铰的水平；第二，通过削减盖梁在地震中产生的作用力。,抗震设计与加固简介,图5 抗弯刚度,抗
16、震设计与加固简介,图6 抗剪刚度,图7 抗扭刚度,抗震设计与加固简介,（3）盖梁-柱接点区的加固,图9 外套层加固,抗震设计与加固简介,图10 更换节点,（4）上部结构的加固,通常来说，上部结构的失效和伸缩缝中支撑面纵桥向长度不足，以及梁抗弯强度不足尤其是抗正弯不足以至不能于柱中形成塑性铰有关。,抗震设计与加固简介,图11 拉杆限位加固,抗震设计与加固简介,图12 预应力加固,图13 减少地震作用加固,抗震设计与加固简介,（5）基础的加固,图14 稳定性加固,图15 抗弯刚度加固,抗震设计与加固简介,图16 抗剪刚度加固,工程实例（钟秀路、濠东路跨线桥）,1、地理位置,工程实例（钟秀路、濠东路
17、跨线桥）,2、抗震设计参数,地震烈度要求按7度设防；基本地震加速度0.1g，特征周期为0.45s；抗震设防类别为B类；抗震设防措施等级为7级；桥梁抗震重要性系数： E1地震作用下为0.43，E2地震作用下为1.3；非特殊类型、墩高小于40m的规则桥梁。,工程实例（钟秀路、濠东路跨线桥）,3、桥型及支座布置,工程实例（钟秀路、濠东路跨线桥）,工程实例（钟秀路、濠东路跨线桥）,4、有限元模型,采用MIDAS/civil 2010的空间杆系模型；桩基础采用桩土嵌固模型；,5、反应谱主要相关参数,工程实例（钟秀路、濠东路跨线桥）,工程实例（钟秀路、濠东路跨线桥）,E1地震作用水平设计加速度反应谱,工程
18、实例（钟秀路、濠东路跨线桥）,E2地震作用水平设计加速度反应谱,工程实例（钟秀路、濠东路跨线桥）,6、计算主要振型,图16 MODE 1（纵飘一阶）,工程实例（钟秀路、濠东路跨线桥）,图17 MODE 2（横飘一阶）,工程实例（钟秀路、濠东路跨线桥）,图18 MODE 3（扭转一阶）,工程实例（钟秀路、濠东路跨线桥）,图19 MODE 4（扭转二阶）,工程实例（钟秀路、濠东路跨线桥）,图20 MODE 5（竖弯一阶）,工程实例（钟秀路、濠东路跨线桥）,图21 MODE 6（竖弯二阶）,工程实例（钟秀路、濠东路跨线桥）,7、反应谱分析结果,主桥自振频率及振型特征,工程实例（钟秀路、濠东路跨线桥）
19、,主桥结构振型参与质量,工程实例（钟秀路、濠东路跨线桥）,E1作用下支反力,E2作用下支反力,工程实例（钟秀路、濠东路跨线桥）,总结与展望,总结,1、反应谱方法通过反应谱概念巧妙地降动力问题静力化，概念简单、计算方便，；但是，反应谱法也存在一定的缺陷。,2、水平方向地震力使桥梁下部结构作用比较大，对上部结构影响较大的是竖向地震分量，下部结构是抗震设计的重点，但是，不要忽视竖向力作用 。,总结与展望,3、桥梁抗震设计要合理分配结构的刚度、质量及阻尼等动力参数，最大限度利用结构材料自身强度和韧性。,4、桥梁加固设计前要通过分析结果来判断失效或损伤的危险程度是否有加固设计的必要，再而确定加固程度，采
20、用合理的加固方式确保结构安全有效。,展望,总结与展望,1、公路桥梁抗震设计细则中只明确了水平地震力作用，并未明确竖向地震力的计算，而实际地震作用在水平作用同时也存在地震竖向作用，因此，本人希望在不断实践摸索中进一步完善这方面内容。,2、公路桥梁抗震设计细则反应谱截止周期是5s，目前，我国桥梁抗震设计规范只适用于150m以下的梁桥和拱桥，不适用于大跨斜拉桥与悬索桥的抗震设计，因此，本人希望反应谱方法能进一步完善到计算复杂大跨径桥梁抗震设计 。,总结与展望,3、振型组合方法是地震反应谱理论的一个重要问题，是影响桥梁地震反应预测精度的重要因素。由于不同的振型组合方法会导致不同的地震反应预测精度，因此
21、在规范中应明确规定不同类型桥梁结构应采用不同的振型组合方法。并且应该研究多点激励下大跨度桥梁结构振型组合方法。而对于空间组合目前主要是采用经验组合方法。,4、我国公路工程和铁路工程抗震设计规范采用对弹性地震作用乘以一个综合影响系数Cz的方法来确定非弹性反应的作用。延性好的结构Cz值较小，延性差的结构Cz值较大，体现了延性抗震的要求，但取值模糊且粗糙，容易引起设计工程师的误解，与结构的延性要求没有定量的关系，掩盖了对桥梁结构位移延性的内在要求-即要求结构实际具备与Cz取值相适应的位移延性的内在要求。,5、规范反应谱曲线是对应阻尼比5%时绘出的，对普通钢筋混凝土桥梁是比较合适的。随着大跨度桥梁结构的发展，以及结构振动控制技术和耗能装置的发展，结构的阻尼比一般都大于5%，因此当结构阻尼比与5%不同时，应考虑修正。,总结与展望,汇报结束请各位前辈和同行批评指正 谢谢！,
