桥梁结构第1章-桥梁抗震概论课件.ppt

1、 学习目标和要求学习目标和要求 了解桥梁结构的震害特征及主要原因了解桥梁结构的震害特征及主要原因 掌握桥梁抗震计算的地震力理论掌握桥梁抗震计算的地震力理论 了解桥梁抗震设计方法的演变了解桥梁抗震设计方法的演变第第1 1章章 概论概论第第1 1章章 概论概论 1.1 桥梁结构的震害桥梁结构的震害 1.2 桥梁抗震计算的地震力理论桥梁抗震计算的地震力理论 及抗震设计方法的演变及抗震设计方法的演变 1.1 1.1 桥梁结构的震害桥梁结构的震害近几十年国内外发生的典型桥梁震害实例近几十年国内外发生的典型桥梁震害实例：1.1.11.1.1国内外桥梁震害国内外桥梁震害概述概述1906年年4月月18日美国旧

2、金山发生日美国旧金山发生8.3级大地震级大地震 1923年年9月月1日，日本发生震级日，日本发生震级8.2的关东大地震的关东大地震 1948年日本福井地震年日本福井地震 1971年年2月月9日，美国发生日，美国发生San Francisco地震地震 1975年年2月月4日，我国辽宁发生海城地震日，我国辽宁发生海城地震1976年年7月月28日，我国唐山发生日，我国唐山发生7.8级地震级地震1995年年1月月17日，日本发生阪神地震日，日本发生阪神地震 1999年年9月月21日，日，我国台湾省南投县集集附我国台湾省南投县集集附近发生里氏近发生里氏7.6级的强烈地震级的强烈地震1989年年10月月1

3、7日，美国日，美国LomaPrieta地震地震1994年年1月月17日，美国加利福尼亚州南部日，美国加利福尼亚州南部Northridge地震地震 2008年年“5.12”汶川发生汶川发生8.0级大地震级大地震1.1.2 桥梁震害分类及其原因桥梁震害分类及其原因 震害分析表明，引起桥梁震害的原因主要有四个：震害分析表明，引起桥梁震害的原因主要有四个：所发生的地震强度超过了设防标准；所发生的地震强度超过了设防标准；桥梁场地对抗震不利，地震引起地基失效或地基变桥梁场地对抗震不利，地震引起地基失效或地基变形；形；桥梁结构设计、施工错误；桥梁结构设计、施工错误；桥梁结构本身抗震能力不足。桥梁结构本身抗震

4、能力不足。引起桥梁破坏的因素可能多种多样，有时可能引起桥梁破坏的因素可能多种多样，有时可能是一种因素起主要作用，有时则可能是几种因素起是一种因素起主要作用，有时则可能是几种因素起共同作用。共同作用。从结构抗震设计的观点出发，可以将桥梁震害归从结构抗震设计的观点出发，可以将桥梁震害归为两大类为两大类:静力作静力作用用 :地地基失效基失效引起的引起的破坏破坏 动力作动力作用用 :结结构强烈构强烈振动引振动引起的破起的破坏。坏。1.1.2.1上部结构的震害上部结构的震害上部结构的震害 自身的震害、移位震害、碰撞震害支座及连接部位的震害 桥梁支座、伸缩装置和剪力键等薄弱环节的损坏下部结构的震害 桥梁墩

5、柱、框架墩、桥台等的破坏基础的震害 砂土液化、基础沉降、地基失效等。(1)上部结构自身的震害上部结构自身的震害（不太常见！不太常见！）阪神地震中钢箱梁的局部屈曲破坏阪神地震中钢箱梁的局部屈曲破坏阪神地震中阪神地震中拱桥风撑的屈曲破坏拱桥风撑的屈曲破坏 桥梁上部结构的移位震害在桥梁上部结构的移位震害在破坏性地震中极为常见！破坏性地震中极为常见！纵向纵向移位、横向移位以及扭转移位移位、横向移位以及扭转移位阪神地震中上部结构纵向移位阪神地震中上部结构纵向移位阪神地震中上部结构横向移位阪神地震中上部结构横向移位（2)2)上部结构的移位震害上部结构的移位震害 汶川地震中广岳铁路穿心店大桥轨道变形与梁体倾

6、斜汶川地震中广岳铁路穿心店大桥轨道变形与梁体倾斜 下图下图为汶川地震中桥梁上部结构的移位震害，为汶川地震中桥梁上部结构的移位震害，G213线鱼子溪桥为线鱼子溪桥为322.2 m简支简支T梁，主梁横向移位梁，主梁横向移位达到达到30 cm。G213线白水溪大桥线白水溪大桥3号墩墩顶梁体横向移号墩墩顶梁体横向移位达到位达到48cm，面临横桥向落梁危险，面临横桥向落梁危险(图图a)。G213线寿江线寿江大桥大桥(图图b)，梁体向映秀方向纵移，导致第，梁体向映秀方向纵移，导致第1跨面临纵桥跨面临纵桥向落梁的风险。同时大量的斜交桥梁发生了平面转动向落梁的风险。同时大量的斜交桥梁发生了平面转动，如图，如图

7、c所示的映秀所示的映秀汶川二级路的皂角湾桥，斜交汶川二级路的皂角湾桥，斜交45，梁体产生了平转。，梁体产生了平转。（2)2)上部结构的移位震害上部结构的移位震害 a)白水溪大桥白水溪大桥3号墩梁体横向移位号墩梁体横向移位 b)寿江大桥第寿江大桥第1跨主梁纵向移位跨主梁纵向移位 c)皂角湾桥梁体平转皂角湾桥梁体平转 落梁的原因有三种：落梁的原因有三种：由于边坡失稳，带动桥台桥梁向河心滑动，当由于边坡失稳，带动桥台桥梁向河心滑动，当滑移量过大时，或是桥墩折断，从而导致相邻滑移量过大时，或是桥墩折断，从而导致相邻两跨坠落；两跨坠落；梁支座破坏，被邻梁推出桥墩，而产生落梁；梁支座破坏，被邻梁推出桥墩，

8、而产生落梁；振动造成的，这种震害相对较少振动造成的，这种震害相对较少在在19711971年美国圣年美国圣费尔南多地震（费尔南多地震（San FernandoSan Fernando，M6.7M6.7）中，）中，两座互通式立交工程严重倒塌毁坏。两座互通式立交工程严重倒塌毁坏。两座立交枢纽工程部分两座立交枢纽工程部分塌落的外因，主要与台墩间和桥墩间过大的水平相对位移有塌落的外因，主要与台墩间和桥墩间过大的水平相对位移有关；而内因除了部分墩柱的抗震能力不足外，主要与桥墩墩关；而内因除了部分墩柱的抗震能力不足外，主要与桥墩墩顶和挂梁支承牛腿处的支承面过窄有关。顶和挂梁支承牛腿处的支承面过窄有关。圣费南

9、多地震中立交圣费南多地震中立交桥梁跨坠毁桥梁跨坠毁圣费南多地震中立交桥梁跨坠毁圣费南多地震中立交桥梁跨坠毁旧金山旧金山奥克兰海湾大桥一跨落梁奥克兰海湾大桥一跨落梁阪神地震中西宫港大桥引桥落梁阪神地震中西宫港大桥引桥落梁 美国北岭地震中美国北岭地震中 美国北岭地震中美国北岭地震中 斜桥落梁震害斜桥落梁震害 桥台处落梁震害桥台处落梁震害 台湾集集地震中简支梁桥的落梁震害台湾集集地震中简支梁桥的落梁震害a)岷江庙子坪大桥第岷江庙子坪大桥第10跨引桥落梁跨引桥落梁 b)百花大桥百花大桥 c)平武县南坝新桥平武县南坝新桥 d)映秀镇高树大桥映秀镇高树大桥（3 3）上部结构的碰撞震害）上部结构的碰撞震害

10、由于低估了地震位移，使得相邻结构之间的预留间由于低估了地震位移，使得相邻结构之间的预留间距不足导致冲击破坏发生。桥梁在地震中的上部结构碰距不足导致冲击破坏发生。桥梁在地震中的上部结构碰撞，主要体现为：撞，主要体现为：相邻跨上部结构的碰撞相邻跨上部结构的碰撞上部结构与桥台的碰撞上部结构与桥台的碰撞上部结构与挡块的碰撞上部结构与挡块的碰撞a)1989年美国洛马年美国洛马普里普里埃塔地震中，相邻跨上部埃塔地震中，相邻跨上部结构的碰撞结构的碰撞b)汶川汶川5.12地震中回澜立交桥相邻跨上地震中回澜立交桥相邻跨上部结构的碰撞部结构的碰撞 a）1994年美国北岭地震年美国北岭地震，上部结构与桥台间的碰撞上

11、部结构与桥台间的碰撞b)汶川汶川5.12地震中寿江大桥地震中寿江大桥，上部结构上部结构与桥台间的碰撞与桥台间的碰撞上部结构与挡块之间的碰撞上部结构与挡块之间的碰撞相邻桥梁结构间的碰撞相邻桥梁结构间的碰撞1.1.2.2支座及连接部位的震害支座及连接部位的震害 支座及连接部位的震害主要原因是：缺少链接与支挡等的构造措施；设计没有充分考虑抗震的要求；形式和材料本身的缺陷。台湾台湾14号线炎峰桥伸缩缝地震破坏情况号线炎峰桥伸缩缝地震破坏情况梁间连接装置的破坏梁间连接装置的破坏a)5.12汶川地震中都江堰汶川地震中都江堰虹口镇某公路桥支座移动虹口镇某公路桥支座移动 b)阪神地震中支座的移位震害阪神地震中

12、支座的移位震害(c)辊轴支座辊轴拔出辊轴支座辊轴拔出 (d)三维铰支座劈裂三维铰支座劈裂 (e)支座的震害支座的震害 (f)支座的震害支座的震害1.1.2.3下部结构的震害下部结构的震害桥梁下部的结构震害主要分为下列几种：墩柱的震害框架墩的震害、桥台震害（1 1）桥梁墩柱的震害）桥梁墩柱的震害 钢筋混凝土墩柱的破坏形式主要有弯曲破坏和剪切破坏。还钢筋混凝土墩柱的破坏形式主要有弯曲破坏和剪切破坏。还有基脚破坏。有基脚破坏。比较高柔的桥墩，多为弯曲型破坏；而矮粗的桥墩比较高柔的桥墩，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。，多为剪切破坏；介于两者之间的，为混合型。弯曲

13、破坏弯曲破坏剪切破坏剪切破坏弯剪破坏弯剪破坏 弯曲破坏弯曲破坏是延性的，多表现为开裂、混凝土剥落压溃、是延性的，多表现为开裂、混凝土剥落压溃、钢筋裸露和弯曲等，并会产生很大的塑性变形钢筋裸露和弯曲等，并会产生很大的塑性变形。（a)1995年阪神地震中墩柱弯曲破坏年阪神地震中墩柱弯曲破坏 剪切破坏剪切破坏是脆性的，伴随着强度和刚度的急剧下降。比是脆性的，伴随着强度和刚度的急剧下降。比较高柔的桥墩，多为弯曲型破坏；而矮粗的桥墩，多为剪切较高柔的桥墩，多为弯曲型破坏；而矮粗的桥墩，多为剪切破坏破坏。b)5.12汶川地震回澜立交桥匝汶川地震回澜立交桥匝道桥墩弯曲破坏道桥墩弯曲破坏(a)阪神地震中矮墩的

14、剪切毁坏阪神地震中矮墩的剪切毁坏b)百花大桥墩底剪切破坏百花大桥墩底剪切破坏 百花大桥桥墩弯剪破坏百花大桥桥墩弯剪破坏圣费南多地震中墩柱基脚主筋拔出圣费南多地震中墩柱基脚主筋拔出（2 2）框架墩的震害）框架墩的震害框架墩的震害比较常见，主要表现为：框架墩的震害比较常见，主要表现为：l盖梁破坏：剪切破坏，弯曲破坏，钢筋锚固长度不够盖梁破坏：剪切破坏，弯曲破坏，钢筋锚固长度不够引起破坏引起破坏.l 墩柱破坏墩柱破坏:破坏形式与其它墩柱类似破坏形式与其它墩柱类似.l 节点破坏：剪切破坏节点破坏：剪切破坏.下节点剪切破坏下节点剪切破坏 挑臂节点剪切裂缝挑臂节点剪切裂缝(b)1989年美国洛马年美国洛马

15、普里埃塔地震中框架节点的剪切破坏普里埃塔地震中框架节点的剪切破坏（a)1989年美国洛马年美国洛马普里普里埃塔地震中埃塔地震中Cypress高架桥高架桥800m上层框架塌落上层框架塌落.（3 3）桥台的震害）桥台的震害桥台的震害主要表现为桥台的震害主要表现为:l桥台滑移桥台滑移l台身与上部结构（如梁）的碰撞破坏台身与上部结构（如梁）的碰撞破坏l桥台向后倾斜桥台向后倾斜a)寿江大桥桥台破坏寿江大桥桥台破坏 b)沙河沟桥桥台开裂沙河沟桥桥台开裂1.1.2.4 1.1.2.4 基础的震害基础的震害 地基与基础的严重破坏是导致桥梁倒塌，并地基与基础的严重破坏是导致桥梁倒塌，并在震后难以修复使用的重要原

16、因。在震后难以修复使用的重要原因。地基破坏主要表现为：地基破坏主要表现为：砂土液化、地基失效、基础沉降和不均匀沉砂土液化、地基失效、基础沉降和不均匀沉降破坏以及由于承载力和稳定性不够，导致地面降破坏以及由于承载力和稳定性不够，导致地面产生大的变形，地层发生水平滑移、下沉、断裂。产生大的变形，地层发生水平滑移、下沉、断裂。1.1.31.1.3桥梁震害的教训与启示桥梁震害的教训与启示从桥梁内部来看，造成震害的主要原因有：从桥梁内部来看，造成震害的主要原因有：支承连接部件失效支承连接部件失效墩身设计及构造缺陷墩身设计及构造缺陷 地基失效地基失效总结以往桥梁震害教训，我们可以得出以下的启示：总结以往桥

17、梁震害教训，我们可以得出以下的启示：1)1)要重视桥梁结构动力概念设计，选择较理想的抗震结构体系；要重视桥梁结构动力概念设计，选择较理想的抗震结构体系；2)2)要重视延性抗震，用能力设计思想进行抗震设计；要重视延性抗震，用能力设计思想进行抗震设计；3)3)要重视结构的局部构造设计，避免出现构造缺陷；要重视结构的局部构造设计，避免出现构造缺陷；4)4)要重视桥梁支承连接部位的抗震设计，开发有效的防止落梁装要重视桥梁支承连接部位的抗震设计，开发有效的防止落梁装置；置；5)5)对复杂桥梁（如斜弯桥、高墩桥梁或墩刚度变化很大的桥梁）对复杂桥梁（如斜弯桥、高墩桥梁或墩刚度变化很大的桥梁），强调进行空间动

18、力时程分析的必要性；，强调进行空间动力时程分析的必要性；6)6)要重视采用减、隔震技术提高结构的抗震能力。要重视采用减、隔震技术提高结构的抗震能力。1.21.2桥梁抗震计算的地震力理论及抗震设计方桥梁抗震计算的地震力理论及抗震设计方法的演变法的演变结构地震反应结构地震反应分析方法可以分析方法可以分为两大类：分为两大类：1.1.2 2.1.1桥梁抗震计算的地震力理论桥梁抗震计算的地震力理论确定性方法确定性方法 随机振动方法随机振动方法 抗震设计的静力法理论最初由日本学者大房森吉在抗震设计的静力法理论最初由日本学者大房森吉在18991899年提出。它假设结构各个部分与地震动具有相同的振年提出。它假

19、设结构各个部分与地震动具有相同的振动，因此，结构因地震作用引起的惯性力动，因此，结构因地震作用引起的惯性力地震力就等地震力就等于地面运动加速度与结构总质量的乘积；再把地震力视为于地面运动加速度与结构总质量的乘积；再把地震力视为静力作用在结构上，进行结构线弹性静力分析计算。地震静力作用在结构上，进行结构线弹性静力分析计算。地震力的计算公式如下：力的计算公式如下：1.2.1.11.2.1.1静力法静力法KWMFgWgg 式中，式中，M为结构物的质量，为结构物的质量，W为结构总重量，为结构总重量，K为地面为地面运动加速度峰值与重力加速度运动加速度峰值与重力加速度g的比值。的比值。1)1)反应谱法的发

20、展过程反应谱法的发展过程 反应谱的基本概念，可以通过如图反应谱的基本概念，可以通过如图1.351.35所示的单质点振所示的单质点振子的地震响应来阐明。单自由度振子的质量、刚度和阻尼子的地震响应来阐明。单自由度振子的质量、刚度和阻尼系数分别表示为系数分别表示为m m、k k和和c c，其基底受到地面运动加速度为，其基底受到地面运动加速度为 的地震作用。的地震作用。1.2.1.2 1.2.1.2 反应谱法反应谱法2 2)反应谱的反应谱的概念概念 c m k )(tg)(t 图图 1.35 单单质质点点振振子子的的力力学学图图式式 g单自由度振子的地震振动方程为：单自由度振子的地震振动方程为：0)(

21、kcmg 上述振动方程的解可以用杜哈美（上述振动方程的解可以用杜哈美（DuhamelDuhamel）积分公式来表示：）积分公式来表示：tdgtdtetd0)(1)(sin)()(单自由度振子地震作用下的相对速度和绝对加速度反单自由度振子地震作用下的相对速度和绝对加速度反应的积分公式：应的积分公式：tdgtdtet0)()(cos)()(tdgtgdtett0)()(sin)()()(进一步可以表示成如下形式：进一步可以表示成如下形式：g 22阻尼比阻尼比 kmc2无阻尼圆频率无阻尼圆频率 mk 动态时程分析法从选定合适的地震动输入（地震动加动态时程分析法从选定合适的地震动输入（地震动加速度时程

22、）出发，采用多节点多自由度的结构有限元动力速度时程）出发，采用多节点多自由度的结构有限元动力计算模型建立地震振动方程，然后采用逐步积分法对方程计算模型建立地震振动方程，然后采用逐步积分法对方程进行求解，计算地震过程中每一瞬时结构的位移、速度和进行求解，计算地震过程中每一瞬时结构的位移、速度和加速度反应，从而分析出结构在地震作用下弹性和非弹性加速度反应，从而分析出结构在地震作用下弹性和非弹性阶段的内力变化以及构件逐步开裂、损坏直至倒塌的全过阶段的内力变化以及构件逐步开裂、损坏直至倒塌的全过程。程。1.2.1.31.2.1.3动态时程分析法动态时程分析法时程分析法时程分析法计算机执行步骤：计算机执

23、行步骤：线性动力时程分析线性动力时程分析 非线性动力时程分析非线性动力时程分析 DttD KF 应用功率谱法进行结构抗震分析的基本理论如下所示应用功率谱法进行结构抗震分析的基本理论如下所示（以单自由度）为例。（以单自由度）为例。单自由度线性体系运动方程如下：单自由度线性体系运动方程如下：1.2.1.4 1.2.1.4 功率谱法功率谱法2()+2()+()=-()gu tu tu tu t 单自由度体系地震响应功率谱的计算步单自由度体系地震响应功率谱的计算步骤是极为简单的，在这里需要指出的是，功率骤是极为简单的，在这里需要指出的是，功率谱密度函数（常简称为功率谱密度或功率谱）谱密度函数（常简称为

24、功率谱密度或功率谱）是随机过程在频域中描述过程特性的物理量。是随机过程在频域中描述过程特性的物理量。在确定了适当的地震动随机模型（即谱密度和在确定了适当的地震动随机模型（即谱密度和相关函数，一般讨论限于平稳地震动模型）之相关函数，一般讨论限于平稳地震动模型）之后，即可求得体系反应的谱密度，然后用傅立后，即可求得体系反应的谱密度，然后用傅立叶逆变换求得反应的相关函数，就得到了反应叶逆变换求得反应的相关函数，就得到了反应的方差。的方差。1.2.1.4 1.2.1.4 功率谱法功率谱法 对单自由度线性系统，当地震动输入分别是位移功率对单自由度线性系统，当地震动输入分别是位移功率谱、速度功率谱、加速度

25、功率谱时，传递函数模的平方分谱、速度功率谱、加速度功率谱时，传递函数模的平方分别为别为:1.2.1.4 1.2.1.4 功率谱法功率谱法2()=()()yxSH iS21()=H iD22()=H iD22242(4+)()=nnH iD 222222=()+4nnD 这样，便可以得到待求反应量（如位移、内力等）的这样，便可以得到待求反应量（如位移、内力等）的谱矩并将其换算成工程可用的量。谱矩并将其换算成工程可用的量。(1)(1)第一阶段第一阶段-基于经验进行抗震设计基于经验进行抗震设计(1930(1930年以前年以前)1.2.2 1.2.2 桥梁抗震设计方法的演变桥梁抗震设计方法的演变(2)

26、(2)第二阶段第二阶段-基于静力学理论进行抗震设计基于静力学理论进行抗震设计(1930-1950(1930-1950年年)(3)(3)第三阶段第三阶段-反应谱法的推广应用反应谱法的推广应用(1950-1960(1950-1960年年)(4)(4)第四阶段第四阶段-结构抗震设计方法的飞跃发展结构抗震设计方法的飞跃发展(1960-1990(1960-1990年年)(5)(5)第五阶段第五阶段基于性能的抗基于性能的抗震设计方法震设计方法(1990-(1990-现在现在)桥梁抗震设计理念和计算方法具体变化主要反应在以下桥梁抗震设计理念和计算方法具体变化主要反应在以下几个方面几个方面：1.2.2 1.2

27、.2 桥梁抗震设计方法的演变桥梁抗震设计方法的演变(l)l)提高结构的延性提高结构的延性(2)(2)验算结构损伤以后的变形性能验算结构损伤以后的变形性能(3)(3)地震响应计算方法的改进地震响应计算方法的改进(4)(4)多阶段设计方法多阶段设计方法(5)(5)减隔震结构的应用减隔震结构的应用(6)(6)配筋构造和防落梁措施配筋构造和防落梁措施思考题思考题1.1.桥梁震害分为哪几类桥梁震害分为哪几类？2.2.桥梁震害的原因是什么桥梁震害的原因是什么？3.3.桥梁抗震计算的地震力理论有哪些桥梁抗震计算的地震力理论有哪些？4.4.反应谱的基本原理是什么？反应谱的基本原理是什么？5.5.简要叙述动态时程分析法的原理简要叙述动态时程分析法的原理。6.6.试述桥梁抗震设计方法的演变过程试述桥梁抗震设计方法的演变过程。