桥梁抗震课件

5.5 桥梁抗震加固
• 桥梁加固技术主要可分为两大类，一种是传统的 针对缺陷构件通过加固提高其强度、变形能力的 加固技术；
• 另一种是减隔震技术，是通过整体降低地震对结 构构件的抗震需求使当前构件能够承担给定的地 震需求。
• 对于具体的桥梁加固，宜经过详细分析比较来决 定选取这两种方法的一种或二者结合的加固方法。
桥梁工程抗震设计
桥梁抗震加固参考以下规范 • 《公路桥梁加固设计规范》 • 《公路桥梁加固施工技术规范》
桥梁工程抗震设计
5.5.1 桥梁场地加固
• 危险的场地条件在地震作用下对任何桥梁结构都 会产生很大的力或相对位移。这样的场地条件包 括临近活动断层、不稳定的陡坡和可能液化的砂 土或淤泥砂土。
• 对于这些条件的加固技术措施是很少的，且很少 能够得到现场证实。
9 承台倾覆抗力的提高可通过扩大承台的平面尺寸、增加 抗拉桩（桩数）、直接锚固到地基或基岩等措施实现。
桥梁工程抗震设计
5.5.3 桥台加固
1 当桥台的破坏影响重要桥梁的使用功能时，宜考 虑对桥台进行加固。
• 桥台破坏很少导致桥梁结构倒塌的，除非是发生 液化破坏。桥台挡土的侧向移动可能影响桥梁的 使用功能，这对于特别重要的桥梁可能是不允许 的。
桥梁工程抗震设计
桥梁工程抗震设计
5.5.4 墩柱的加固
既有桥梁的钢筋混凝土桥墩、柱弯曲强度、延性变形能力 和剪切强度的抗震能力的加固可采用钢管外包加固方法、 复合材料加固方法、加大截面方法等一些加固技术进行。 • 钢管外包技术：最初是针对圆柱桥墩提出。采用两块半
圆形的钢管现场沿竖向接缝焊接，钢管内径比桥墩直径 略大，空隙中灌注添加微膨胀剂的水泥沙浆，钢管的下 端与承台顶面有3-5cm 的间隙，防止桥墩在地震作用下 弯曲时因钢管的受压而增加截面的弯曲强度。 • 钢管提供有效的被动约束应力，这种力来自于混凝土受 压而引起的膨胀受到钢管环向强度和刚度的限制。

目前国内外主要桥梁抗震设计 方法
地震反应分析方法的发展
• 第一种划分
1. 静力分析 2. 反应谱 3. 动力分析
• 第二种划分
1. 基于承载力设计方法 2. 基于承载力和构造保证延性的设计方法 3. 基于损伤和能量的设计方法 4. 能力设计方法 5. 基于性能/位移设计方法
一
•静力分析 该理论认为：结构物所受到的地震作用，可以简化 为作用于结构的等效水平静力P，该等效水平静力的 大小与地震动的最大水平加速度有关。其大小等于 结构重力荷载W乘以地震系数k，即：
3. 动力反应分析方法要给出结构反应的全过程，包括变形 和能量损耗的积累；
4. 计算原则要考虑到多种使用状态和安全的概率保证。
5. 由于动力理论在输入、模型、方法和原则等四个方面， 都提出了更具体的要求，更明确的规定、更详细的计算， 从而可以得到更可靠的结构设计。
二
• 基于承载力设计方法
静力法和反应谱法 静力法和早期的反应谱法都是以惯性力的形式反映地震作用，
•按能力谱法确定的需求位移未考虑结构损伤 和滞回耗能的影响。
4. 问题：对于结构性能状态的具体描述和计算，以及设计 标注目前尚不明确。
基于位移设计方法
用力作为单独的指标难以全面描述结构的非 弹性性能和破损状态，而用能量和损伤指标 又难以实际应用，因此目前基于性能设计方 法的研究主要用位移指标对结构的抗震性能 进行控制，称为DBD.
➢能力谱
注：
•能力谱方法用到依据“位移模式或分布力模 式采用推覆分析方法获得结构的基底剪力-顶 点位移关系”方法来确定能力曲线，该计算 方法假定结构弹性位移模式和弹塑性位移模 式一致，对此问题国际上尚有争论。
• 基于性能设计方法
1. 基本思想：使所设计的工程结构在使用期间满足各种预 定的性能目标，而具体性能要求可根据建筑和结构的重 要性来确定。

地震灾害对人类社会和经济造成巨大的损失。除了人员伤亡 外，地震还会破坏基础设施、造成交通中断、通讯不畅等， 影响人们的生产和生活。
地震对桥梁的影响
桥梁在地震中的反应
桥梁在地震中会受到不同程度的震动和位移，如果桥梁设计不合理或抗震能力不足，就可能发生损坏或倒塌。
桥梁抗震设计
为了减轻地震对桥梁的影响，需要进行抗震设计。抗震设计需要考虑桥梁的结构形式、材料、基础等因素，采取 有效的抗震措施，如加强桥梁的支撑结构、设置减震装置等。同时，还需要进行抗震性能评估和抗震加固等工作 。
以提高桥梁的整体抗震性能。
新型抗震材料的应用
高性能混凝土
采用高强度、高韧性、高耐久性的混凝土材料， 提高桥梁的承载能力和延性。
复合材料
利用纤维增强复合材料（FRP）的轻质、高强和抗 疲劳性能，对桥梁进行加固和修复。
阻尼器
利用阻尼器的能量吸收和耗散能力，降低地震对 桥梁的冲击。
新型抗震结构的优势与挑战
பைடு நூலகம்地震的分类
根据不同的分类标准，地震可以分为不同的类型。如根据震源深度，地震可分 为浅源地震、中源地震和深源地震；根据成因，地震可分为构造地震、火山地 震、塌陷地震和人工地震等。
地震波的传播
地震波的传播方式
地震波主要通过三种方式传播： 横波、纵波和面波。横波和纵波 是地球内部传播的体波，面波则 是在地表传播的波。
抗震设计的优化策略
加强关键部位
对桥梁的关键部位如桥墩 、支座等采取加强措施， 提高其抗震能力。
设置减震装置
在桥梁结构中设置减震支 座、阻尼器等减震装置， 减小地震对桥梁的冲击。
优化施工方法
采用合理的施工方法和技 术，确保桥梁结构的整体 性和稳定性，提高其抗震 性能。

3. 计算等效单自由度{系Fe统rr}的等c c效orr 刚度和等效粘滞阻尼比；
4. 利用反应谱方法计算结构特征力效应和特征位移效应－需求分析；
5. 进行需求/能力比计算，评估结构的抗震性能。
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单振型反应谱法
反应谱的概念
根据D’Alembert原理，单自由度振子的振动方程可以表示为：
上述振动方程的m 解(可g 以y 用) 杜cy 哈美k（ y0 Duhay m e2 l）积y 分公2y式 来g 表示：
抗震设防标准制定原则
桥梁工程的抗震设防标准，即为如何确定“地震荷载”的 标准。荷载定得越大，即抗震设防标准要求越高，桥梁在 使用寿命期间为抗震设防需要投入的费用也越大。然而， 桥梁在使用寿命期间遭遇抗震设防标准所期望的地震总是 少数。这就是决策的矛盾点：一方面要求保证桥梁抗震安 全，另一方面又要适度投入抗震设防的费用，使投入费用 取得最好的效益 。
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单振型反应谱法
反应谱的概念
由于地震加速度是不规则的函数，上述积分公式难以直接求积， 一般要通过数值积分的办法来求得反应的时程曲线。对不同周期和阻 尼比的单自由度体系，在选定的地震加速度输入下，可以获得一系列
的相对位移y、相对速度 y 和绝对加速度 y 的反应时程曲线，并可从
中找到它们的最大值。以不同单自由度体系的周期Ti为横坐标，以不 同阻尼比C为参数．就能绘出最大相对位移、最大相对速度和最大绝对 加速度的谱曲线，分别称为相对位移反应谱、拟相对速度反应谱和拟 加速度反应谱(分别可简称为位移反应谱、速度反应谐和加速度反应谱)， 并用符号记为SD、PSV和PSA，这三条反应谱曲线合起来简称为反应谱。
称为动力放大系数，其值可以直接由标准化反应谱曲线确定。上

图中的横坐标为结构自振周期T（以秒为单位）
根据设计反应谱计算的单质点地震作用为：
FE CiCzkhG CiCz1G(5 3)
kh | xg |max / g
G mg
| xg x* |max / | xg |max (5 4)
1 kh
式中，水平地震系数Kh和动力放大系数β的乘积即为 水平地震作用影响系数α1 （无量纲）；
i 1
i 1
第i个质点的地震作用Fi为
Fi CiCzkH 11Gi Hi / H (5 10)
5.2
桥桥梁梁按按反反应应谱谱理理论论的的计计算算方方法法
四. 桥梁构件截面抗震验算--按反应谱方法
1、抗震荷载效应组合下截面验算设计表示式：
Sd b Rd
Sd Sd g Gk ; q Qdk ;
H≤12米时 整个结构采用 1 H＞12米时 随结构高度而变，底面
1，墩台顶面及顶面以上 2 ;中间任一点处的 I 1 Hi / H0
式中H对于桥墩为墩顶面至基底（即基础底面）的高 度（以米计），对于桥台则自桥台道碴槽顶面至基底 的高度。
Hi为验算截面以上任一质量的重心至墩台底（即基础 底面）的高度（以米计）。
桥梁按反应谱理论的计算方法
表5—2 综合影响系数Cz
桥梁和墩、台类型
桥墩计算高度H (米)
H 10≤H< 20≤H<
<10 20
30
柔性 柱式桥墩、排架桩墩、薄 墩 壁桥墩
梁
实体 墩
天然基础和沉井基础上实 体桥墩
桥
多排桩基础上的桥墩
0．3 0
0．2 0
0．2 5
0．33 0．25 0．30
0．35 0．30 0．35

(a) 喇叭型墩
(b) 柱式墩
图2.29 1994年美国北岭地震Mission-Gothic桥的墩柱剪切破坏
图2.30 1999年台湾集集地震中实体矮墩的剪切破坏
（3) 墩柱的基脚破坏
非常少见，一旦出现后果严重
图2.31 1971年美国的圣费南多地 震中墩柱基脚破坏：22根螺纹钢 筋从桩基础中拔出，导致桥墩倒 塌。由于墩底主钢筋的构造处理 不当，造成主钢筋的锚固失败。
3.2 框架墩的震害
框架墩的震害比较常见。 框架墩的震害主要表现为： 盖梁破坏：剪切破坏，弯曲破坏，钢筋锚固长度不够引起破坏 墩柱破坏 节点破坏：剪切破坏
图2.32 1989年美国洛马·普里埃塔地震中Cypress高架桥 800m上层框架塌落：梁柱结点配筋不足，竖直柱体配 筋连续性和横向箍筋不足。盖梁钢筋的锚固长度不够。
1.3 《中国地震动参数区划图》
• 中国地震动峰值加速度区划图（设防水准：50年超越概率10% ） • 中国地震动反应谱特征周期区划图
1.4 重大建设工程的设防要求
《防震减灾法》规定：“重大建设工程和可能发生严重次生灾害 的建设工程，必须进行地震安全性评价，并根据地震安全性评价 的结果，确定抗震设防要求，进行抗震设防”
一、地震的基本知识
1. 工程抗震设防的对象
浅源（深度 <60km ） 构造地震
与地质构造密切相关， 往往发生在地应力比较 集中、构造比较脆弱的 地段，即原有断层的端 点或转折处、不同断层 的交汇处。
《规范》规定：
选择桥位时，应尽量避开抗震危险地段，充分利用抗震有利地段 （发震断层及其邻近地段，地震时可能发生大规模滑坡、崩塌等的不良地质地段）
• 基础破坏：桩基自身设计强度的不足或构造处理不当

桥梁工程抗震设计
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5.3.7 限制条件
• 受功能要求、路线走向以及桥址地质条件等因素的制约，
桥梁结构体系的选择受到很大的限制。
（1）路线走向
• 对桥梁抗震结构体系的要求常常与路线走向相矛盾。从抗
震角度来说，理想的桥梁结构应是越简单、越规则越好。 因此，希望桥梁是直的，各跨分布均匀，各墩的高度基本 相同。但这通常难于做到，例如在城市桥梁中，为了适应 路线走向，大量采用弯、坡、斜桥和立交桥。
对场地进行处理，以降低液化的可能性。
• 在结构布局上，一种是采用简支梁，并通过构造措施连接
在一起，以防落梁。这种方法在过去的地震中并没有特别 成功。
• 另一种替代的方案是确保上部结构与桥墩完全固结，并使
桩基础穿过易液化土层直达坚硬的土层里。这种方案可以 避免由于液化导致地基失效的可能性。
桥梁工程抗震设计
• 结构抗震性能：木结构、钢结构的抗震性能较优，钢
筋混凝土结构次之，砖、石及素混凝土结构最差。
• 预期采用新一代建筑材料建造的结构抗震性能优良。
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一、无约束混凝土（普通混凝土）
• 从试验中发现，各种反复荷载（变形）下无约束混凝土的
包络线都与单调加载的全曲线十分接近；
• 而且，由包络线上的峰值点给出的抗压强度和峰值应变也
否则，应采取措施增强基础抗侧移的刚度和 加大基础埋置深度；对于小桥，可在两桥台基 础之间设置支撑梁或采用浆砌片(块)石满铺河 床。
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（3）在软弱粘性土层、液化土层或严重不均匀土 层上建桥时，还应根据具体情况采取下列措施：
① 换土或采用砂桩。换土方法适用于软弱粘性土 层或液化土层较薄、埋藏较浅的情况，先将软弱 粘性土层或可液化土挖去，然后分层回填非液化 土，并逐层夯实。

图8-2 主梁与桥台间的碰撞震害
（a）
（b）
图8-3 汶川地震中百花大桥落梁震害
图8-4 汶川地震中横跨断层的映秀顺河桥倒塌
2、支座部分的破坏
图8-5 支座脱落、移位
图8-6 支座的撕裂破坏
3、桥墩的破坏
图8-7 桥墩的剪切破坏
图8-8 桥墩的弯曲破坏
图8-9 阪神地震中桥墩的弯曲破坏
从大量的震害和试验结构观察发现，钢筋混凝土墩柱的实际抗弯承 载能力要大于其设计承载能力，这种现象称为墩柱抗弯超强现象（ overstrength）。
因此，为了确保结构不会发生脆性的破坏模式，在确定能力保护 构件的强度设计值时，需要引入抗弯超强系数来考虑延性构件的超强 现象。
于是，单柱墩塑性铰区截面的超强弯矩M0为：
在影响钢筋混凝土墩柱延性能力的因素中，截面的箍筋配置水平是影 响塑性铰区延性能力的一个重要因素。横向箍筋的作用有：①提供斜截 面的抗剪能力；②约束核心混凝土，大大提高混凝土的极限压应变，从 而大大提高塑性铰区截面的转动能力；③阻止纵向受压钢筋过早屈曲。
Mander本构
图8-15 无约束混凝土和约束混凝土的应力-应变曲线
等位移与等能量准则：
等位移准则（长周期）： 对于长周期的单自由度系 统，非线性系统的最大反 应位移与完全弹性系统的 最大反应位移在统计平均 意义上相等。
等能量准则（中等周期）： 对于中等周期的单自由度系 统，弹性体系在最大位移时 所储存的变形能与弹塑性体 系达到最大位移时的耗能相 等。
FE
地 震 力
8.3.2桥梁延性抗震设计基本理论
能力保护设计方法
假度个设（链延超接性强破链）坏子为时的是设延0 P计性d 强的度，，为要其求中所Pd有0脆，为性则超链其强子可因的能子设发。计挥为强的保度最证大满整强

桥梁抗震分析可采用的计算方法
地震作用
桥梁分类
E1 E2
B类
规则
非规则
SM/MM SM/MM
MM/TH THC类规则非则SM/MM SM/MM
MM/TH TH
D类
规则 非规则
SM/MM
MM
－
－
注：TH为线性或非线性时程计算方法；SM为单振型反应谱或功率谱方法；MM 为多振型反应谱或功率谱方法。
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4.桥梁基础震害 桥梁基础震害原因主要：地基失效(如地基滑移和地基液化)。 桩基础的震害除了地基失效外，也有上部结构传下来的惯性力而引起的桩基剪切 和弯曲破坏，更有由于桩基设计存在缺陷而导致的，如桩基深入稳定土层的长度不 能满足要求，或桩基顶与承台连接强度不够等。 桩基能越过可液化土层，比无桩基础的抗震能力要强。桩基础的震害具有一定的 隐蔽性，不容易被发现，当发现上部结构被破坏时，可能桩基础的破坏已相当严重 了。
桥梁抗震 设防类别
A类 B类
C类 D类
各设防类别桥梁的抗震设防目标
设防目标
E1地震作用
E2地震作用
可发生局部轻微损伤，不需修复或经简单修复可继续使用
一般不受损 坏或不需修 复可继续使
用
应保证不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可供维持应急 交通使用
应保证不致倒塌或产生严重结构损伤，经临时加固后可供维持应急 交通使用
图8-3 7度及7度以上地区常规桥梁结构构件抗震设计流程
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结点配筋构造
二、抗震概念设计
根据震害和工程的抗震经验等，总结出来的基本抗震设计思想和原则，并能 够正确适用地解决结构的整体设计方案、细部构造和材料使用，以达到合理的 抗震设计。

•
从20世纪40年代后期开始，围绕塔科马海峡大 桥风毁事故的原因后人进行了大量的分析与试验 研究。当时有两种观点。一种观点认为塔科马桥 的振动与机翼的颤振类同，是一种风致扭转发散 振动；另一种观点认为塔科马桥的主梁是H型断 面，存在明显的涡流脱落，因此是一种涡激共振。 二种观点互相争论，直到1969年，斯坎伦 （R.Scanlan）提出了钝体断面的分离流颤振理论， 成功地解释了塔科马桥的风毁机理，并由此奠定 了桥梁颤振分析的理论基础。
伏尔加桥蛇形共振 桥面起舞汽车癫 狂
• 2010年5月20日，俄罗斯伏尔加格勒一座横 跨伏尔加河的大桥突然发生剧烈的摇晃， 最剧烈的晃动幅度达1.5米。当时在桥上行 驶的汽车几乎被颠起来。当地政府不得不 紧急关闭大桥，组成专家查找大桥“舞动” 的原因。
1940年11月7日上午在风的作用下坍塌的美国华盛顿 州塔科马海峡大桥
桥梁抗震
概念 为避免桥梁遭受地震的破坏所 采取的技术措施
桥梁受震
• 地震对桥梁的破坏主要是由于地表破坏和桥梁受震破坏引起的。其 中地表破坏有地裂、滑坡、塌方、岸坡滑移和砂土液化等现象。地裂 会造成桥梁跨度的缩短、伸长或墩台下沉。在陡峻山区或砂性土和软 粘土河岸处，强烈地震引起的塌方、岸坡滑动以及山石滚落，可使桥 梁破坏。在浅层的饱和和疏松砂土处，地震作用易引起砂土液化，致 使桥梁突然下沉或不均匀下沉，甚至使桥梁倾倒。在坡边土岸或古河 道处，地震则往往引起岸坡滑移、开裂和崩塌等现象，造成桥梁破坏。 桥梁受震破坏是由于地震使桥梁产生水平和竖直振动，造成桥梁构件 的损坏和破坏,甚至使桥梁倒塌。此外,有些桥梁虽然在强度上能够承 受地震的振动力，但由于桥梁上部、下部结构联结不牢，整体性差， 往往会造成桥梁上部和下部结构间产生过大的相对位移，从而导致桥 梁破坏。梁桥受震破坏主要表现为：①墩台开裂、倾斜、折断或下沉； ②支座弯扭、断裂、倾倒或脱落；③桥梁上部结构和下部结构间相对 位移；④落梁。拱桥受震破坏主要表现为:①拱圈开裂;②墩台下沉； ③多孔时墩身开裂、折断；④落拱。一般说来，桥梁震害在高烈度震 区比低烈度震区重；岸坡滑移和地基失效处的桥梁震害比一般地基处 严重。