桥梁地震震害与抗震设计发展.ppt
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桥梁地震震害与抗震设计发展.ppt
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桥梁地震震害与抗震设计发展,同济大学桥梁工程系,延性抗震设计,桥梁地震震害分析,减震设计,基于性能抗震设计与新规范编写要点,“512”汶川大地震所造成的损失巨大,位于震中的汶川县附近道路基础设施受到严重破坏,桥梁破坏尤为严重,桥梁结构主要为为简支梁(含先简支后桥面连续)、连续梁桥和拱桥,1.1典型桥梁震害,1桥梁地震震害分析,1.1典型桥梁震害,1桥梁地震震害分析(庙子坪大桥),落梁破坏,桥梁结构特点:
采用板式橡胶支座,梁体直接搁置在支座上,庙子坪大桥,第5孔落梁,1桥梁地震震害分析(庙子坪大桥),1桥梁地震震害分析(庙子坪大桥),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425(钢筋砼连续梁)+525(钢筋砼连续梁)+50(简支T梁)+325(钢筋砼连续梁)+520(钢筋砼连续梁)+220(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桥梁地震桥梁震害分析(百华大桥),The5thsegmentwhichconsistedof520mRCcontinuousspanscollapsedandtotallydamaged,1桥梁地震桥梁震害分析(百华大桥),1桥梁地震桥梁震害分析(百华大桥),Typicaldamagesatthebottomofpiers,Tilting,PierP19,1桥梁地震桥梁震害分析(百华大桥),Damageofjoints.,Thesheardamageatthebottomofpiers,1桥梁地震桥梁震害分析(百华大桥),高原大桥,高原大桥位移虹口乡,2005年通车,1桥梁地震桥梁震害分析(高原大桥),1桥梁地震桥梁震害分析(高原大桥),1桥梁地震桥梁震害分析(高原大桥),阪神地震中西宫港大桥引桥落梁,Spancollapse,1971SanFernandoearthquake.,1桥梁地震桥梁震害分析(国外震害),1989LomaPrietaEarthquake,墩柱破坏,汶川地震百华大桥墩柱破坏,LomaPrieta震害,1桥梁地震桥梁震害分析(墩柱破坏),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,1桥梁地震桥梁震害分析(墩柱破坏),日本阪神(1995),1桥梁地震桥梁震害分析(墩柱破坏),基础破坏,1桥梁地震桥梁震害分析(基础破坏),支座滑动、破坏及梁体位移,映秀岷江大桥,1桥梁地震桥梁震害分析(支座破坏、梁体位移),1桥梁地震桥梁震害分析(支座破坏、梁体位移),寿江大桥,1桥梁地震桥梁震害分析(支座破坏、梁体位移),其它桥梁,1桥梁地震桥梁震害分析(支座破坏、梁体位移),梁体间碰撞,挡块破坏,1桥梁地震桥梁震害分析(梁体间碰撞,挡块破坏),1桥梁地震桥梁震害分析(梁体间碰撞,挡块破坏),1桥梁地震桥梁震害分析(桥台),Damageofbridgebackfill,1桥梁地震桥梁震害分析(桥台),1.2桥梁震害原因与启示,支承连接部件失效,支承连接部件失效,固定支座:
强度不足活动支座:
位移能力不足橡胶支座:
梁底与支座底滑动,墩、台支承宽度不足、防落梁措施设计不合理(限位装置),落梁,梁体较大位移,梁、墩台间较大位移,伸缩缝、挡块破坏(碰撞问题),足够搭接长度合理设计防落梁措施和限位装置,1桥梁地震桥梁震害分析(桥梁震害原因与启示),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。
1桥梁地震桥梁震害分析(桥梁震害原因与启示),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。
1桥梁地震桥梁震害分析(桥梁震害原因与启示),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,抗剪强度不足:
横向箍筋配置不足;(剪切破坏),延性抗震设计,能力保护设计,1桥梁地震桥梁震害分析(桥梁震害原因与启示),基础破坏,断裂通过基础移位、沉降避让,土破坏:
沙土液化防液化措施,桩身破坏:
能力保护设计,1桥梁地震桥梁震害分析(桥梁震害原因与启示),基于性能的抗震设计实际上是一总体设计思想,主要指结构在受到不同水平地震(不同概率地震)作用下的性能达到一组预期的性能目标。
2基于性能抗震设计与新规范编写要点,2.1基于性能抗震设计,基本目标,不可接受性能,提高目标1,提高目标2,抗震性能目标,2基于性能抗震设计与新规范编写要点,基于性能的抗震设计内容主要包括:
科学的定义和确定地震危险性(seismichazard);结构在不同水平地震作用下损伤状态、性能水平(PerformanceLevels)、性能指标;设计方法。
在设计初始就明确结构的性能目标,并且使通过设计,使结构在设计地震作用的反应能够达到预先确定的性能目标,2基于性能抗震设计与新规范编写要点,2.2新规范编写要点,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,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。
2基于性能抗震设计与新规范编写要点,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,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,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。
2.3桥梁抗震设防分类于设防标准,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。
2基于性能抗震设计与新规范编写要点,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,2基于性能抗震设计与新规范编写要点,E1和E2地震加速度峰值取值,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,各类桥梁的重要性系数,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。
2基于性能抗震设计与新规范编写要点,2.4设计加速度反应谱,水平设计加速度反应谱,2基于性能抗震设计与新规范编写要点,水平设计加速度反应谱最大值,场地系数Cs,2基于性能抗震设计与新规范编写要点,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。
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。
2基于性能抗震设计与新规范编写要点,阻尼调整系数,当Cd小于0.55时,应取0.55,2基于性能抗震设计与新规范编写要点,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,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,2基于性能抗震设计与新规范编写要点,3延性抗震设计,3.1桥梁抗震体系,类性1:
上部、基础弹性,墩柱延性设计,类性2:
墩柱、基础弹性,上部结构延性钢桥,3延性抗震设计,类性3:
墩柱、基础、上部结构弹性,支座弹缩性减隔震设计,3延性抗震设计,延性构件,能力保护构件,桥墩,横梁(盖梁)、基础、墩柱抗剪、支座,梁墩相对位移,3.2梁桥延性抗震设计,3延性抗震设计,延性构件,3延性抗震设计,能力保护构件计算,能力保护,墩柱抗剪,盖梁,桥梁基础,应根据可能出现塑性铰处按实配钢筋,并采用材料强度标准值和轴压力计算出的弯矩承载能力,考虑超强系数来计算,3延性抗震设计,地震,E1地震,E2地震,结构在弹性工作范围,无损伤,损伤、弹塑性变形、足够的塑性变形能力,墩抗剪、基础、盖梁、主拱圈等不损伤,桥墩延性构件,能力保护,3.3强度与变形验算,3延性抗震设计,墩柱塑性铰区域沿顺桥向和横桥向的斜截面抗剪强度验算:
3延性抗震设计,B类、C类桥梁墩柱的变形验算,E2地震作用下,一般情况应验算潜在塑性铰区域沿顺桥向和横桥向的塑性转动能力,但对于规则桥梁,验算桥墩墩顶的位移,对于高宽比小于2.5的矮墩,验算强度。
3延性抗震设计,E2地震作用下,桥墩潜在塑性铰区域沿顺桥向和横桥向的塑性转动应满足:
3延性抗震设计,等效屈服曲率、极限破坏状态的曲率,3延性抗震设计,3.4延性构造细节设计,图9.1.5高墩常用的空心截面类型,墩柱结构构造措施,3延性抗震设计,墩柱潜在塑性铰区域内加密箍筋的配置,加密区的长度:
弯曲方向截面宽度的1.0倍,超过最大弯矩80的范围,加密箍筋的最大间距,箍筋的直径不应小于:
10mm,螺旋式箍筋的接头必须采用对接,矩形箍筋应有135弯勾,并伸入核心混凝土之内6以上;,加密区箍筋肢距:
25cm;,10cm或6或b/4;,3延性抗震设计,塑性铰区域内加密箍筋的最小体积含箍率(7度、8度),圆形截面,矩形截面,9度增加,墩柱潜在塑性铰区域以外箍筋的体积配箍率不应小于塑性铰区域加密箍筋体积配箍率的50%。
3延性抗震设计,、,空心截面墩柱潜在塑性铰区域内加密箍筋的配置,应符合下列要求:
应配置内外两层环形箍筋,在内外两层环形箍筋之间应配置足够的拉筋,如8.1.6所示;加密箍筋的配置应满足8.1.1条和8.1.2条的规定。
3延性抗震设计,墩柱的纵筋应尽可能地延伸至盖梁和承台的另一侧面,纵筋的锚固和搭接长度,塑性铰加密区域配置的箍筋应延续到盖梁和承台内,延伸到盖梁和承台的距离不应小于墩柱长边尺寸的1/2,并不小于50cm,3延性抗震设计,4桥梁减震设计,4.1桥梁减隔震原理和一般规定,基本原理,采用柔性支承延长结构周期,减小结构地震反应;采用阻尼器装置耗散能量,限制结构位移;保证结构在正常使用荷载作用下具有足够的刚度,减隔震技术的适用条件,上部结构连续,下部结构刚度较大,结构基本振动周期比较短;桥梁下部结构高度变化不规则,刚度分配不均匀;场地条件比较好,预期地面运动特性具有较高的卓越频率;,4桥梁减震设计,不宜采用减隔震设计条件,地震作用下,场地可能失效;下部结构刚度小,桥梁的基本周期比较长;位于软弱场地,延长周期可能引起地基和桥梁共振;支座中可能出现负反力。
减隔震设计的桥梁,应满足正常使用条件的要求。
相邻上部结构之间须在桥台、桥墩等处设置足够的间隙,以满足位移需求。
减隔震设计的桥梁,其基本周期原则上应为不采用减隔震装置时基本周期的两倍以上。
4桥梁减震设计,4桥梁减震设计,铅芯橡胶支座,分层橡胶支座中部插入铅芯而形成的隔震装置。
铅芯:
提供地震下的耗能能力和静力荷载下所需刚度(初始剪切刚度G约130MPa,铅芯橡胶支座滞回曲线,恢复力模型:
常用双线性表示。
4.2减隔震装置,整体型减隔震装置,4桥梁减震设计,温度、徐变等蠕变变形引起的支座抗力很低,4桥梁减震设计,双线性恢复力模型,铅芯橡胶支座恢复力模型:
4桥梁减震设计,高阻尼橡胶支座,采用特殊配制的橡胶材料制作,形状及构造与天然橡胶支座相同。
橡胶材料粘性大,自身可以吸收能量。
滞回环的面积较大,恢复力模型可采用修正双线性模型。
高阻尼橡胶支座滞回曲线,4桥梁减震设计,摩擦摆隔震支座,4桥梁减震设计,FPI是将滑动支座和钟摆的概念相结合构成一种新的隔震装置。
支座可以在任何方向滑动,其尺寸主要由最大设计位移控制。
4桥梁减震设计,1抗剪螺栓2限位装置3球面不锈钢滑板4四氟滑板5中座板6上座板7防尘密封装置8下座板,双曲面球型减隔震支座结构示意图,双曲面球型减隔震支座的应用情况,同济大学与洛阳725所共同研制,4桥梁减震设计,支座设计计算,4桥梁减震设计,4桥梁减震设计,分离型减隔震装置,橡胶支座+金属阻尼器,钢阻尼器工作机理a弯曲梁b悬臂弯曲梁c扭梁,D,F,+,4桥梁减震设计,橡胶支座+摩擦阻尼器,D,F,+,4桥梁减震设计,橡胶支座+粘性材料阻尼器,美国Taylor公司开发的阻尼器,4桥梁减震设计,减隔震桥梁建模原则与分析方法,关键是减隔震装置的恢复力模型合理模拟,计算减隔震桥梁地震作用效应时,宜取全桥模型进行分析,并考虑伸缩装置、桩土相互作用等因素,减隔震桥梁抗震分析可采用反应谱法、动力时程法和功率谱法。
一般情况下,宜采用非线性动力时程分析方法,4桥梁减震设计,4.3性能要求与抗震验算,E2地震作用下减隔震装置进入弹塑性工作,桥梁结构其他部件基本在弹性范围工作,减隔震装置验算,对于橡胶型减隔震装置,在E1地震作用下产生的剪切应变应小于100%,在E2地震作用下产生的剪切应变应小于250%,并验算其稳定性;非橡胶型减隔震装置,应根据具体的产品指标进行验算;应对减隔震装置在正常使用条件下的性能进行验算,4桥梁减震设计,常规体系:
大跨度桥梁漂浮体系过大的梁端位移塔梁固结体系桥塔、基础地震反应增大,粘滞阻尼器,基础、桥塔边墩、辅助墩伸缩缝等连接装置,4.4大跨度桥梁减震设计,4桥梁减震设计,4桥梁减震设计,4桥梁减震设计,4桥梁减震设计,JacquesCOMBAULT,4桥梁减震设计,JacquesCOMBAULT,4桥梁减震设计,PLAN,ELEVATION,PIERBASE,JacquesCOMBAULT,4桥梁减震设计,PLAN,HORIZONTALOPENING:
2m,ELEVATION,VERTICALSLIP:
2m,PIERBASE,JacquesCOMBAULT,4桥梁减震设计,4桥梁减震设计,4桥梁减震设计,4桥梁减震设计,FoundationConcept,JacquesCOMBAULT,4桥梁减震设计,谢谢各位!
李建中:
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