李建中桥梁地震震害与抗震设计发展

桥梁地震震害与抗震设计发展李建中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Rubberbearings“5·12”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百花大桥庙子坪大桥G213庙子坪大桥1345679111315171921232×5012512522017×50都江堰汶川(a)第5孔落梁DetailADetailB1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4×25（钢筋砼连续梁）+5×25（钢筋砼连续梁）+50（简支T梁）+3×25（钢筋砼连续梁）+5×20（钢筋砼连续梁）+2×20（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)The5thsegmentwhichconsistedof5×20mRCcontinuousspanscollapsedandtotallydamaged1桥梁地震桥梁震害分析(百华大桥)桥台7.118.122.226.929.729.930.3墩高(m)2019（固定）181716（固定）151413墩编号第6联第5联联1桥梁地震桥梁震害分析(百华大桥)TypicaldamagesatthebottomofpiersTiltingPierP191桥梁地震桥梁震害分析(百华大桥)Damageofjoints.Thesheardamageatthebottomofpiers1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）Damageofbridgebackfill1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。RareeventsOccasionalevents非弹性范围Frequentevents弹性范围水平地震力Veryrareevents墩顶水平位移破坏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抗震性能目标设计地震水准与抗震性能等级的关系地震设防水准等级1等级2等级3等级4水准I水准II水准III水准IV2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三、四级公路上的中桥、小桥D类二级公路上的中桥、小桥，单跨跨径不超过150m的三、四级公路上的特大桥、大桥C类单跨跨径不超过150m的高速公路、一级公路上的桥梁，单跨跨径不超过150m的二级公路上的特大桥、大桥B类单跨跨径超过150m的特大桥A类适用范围桥梁抗震设防类别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一般不受损坏或不需修复可继续使用。D类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。一般不受损坏或不需修复可继续使用。C类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。一般不受损坏或不需修复可继续使用。B类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。A类E2地震作用E1地震作用设防目标桥梁抗震设防类别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A0.40g0.20（0.30）g0.10（0.15）g0.05gA9876抗震设防烈度各类桥梁的重要性系数---0.23D类1.00.34C类1.3（1.7）0.43（0.5）B类1.71.0A类E2地震E1地震桥梁类别注：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⎪⎩⎪⎨⎧≤≤+=gggTTTTSTTsSsTTSS，)/(1.0,1.0),45.05.5(maxmaxmax2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ACCCSdsi25.2max=0.91.01.31.31.41.2IV1.01.01.21.21.31.1III1.01.01.01.01.01.0Ⅱ0.90.90.90.91.01.2I0.4g0.3g0.2g0.15g0.1g0.05g9876地震基本烈度场地类型场地系数Cs2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。0.900.650.450.350.450.750.550.400.300.400.650.450.350.250.35ⅣIIⅡI场地类别区划图上的特征周期本条采用了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VV7.106.005.01+-+=dC当Cd小于0.55时，应取0.552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⎪⎩⎪⎨⎧≤≤--=TTTT3.05.03.01.0)1.0(5.20.11.00.1R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⎪⎩⎪⎨⎧≤≤--=TTTT3.05.03.01.0)1.0(5.20.11.00.1R2基于性能抗震设计与新规范编写要点EQPlasticHinge3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EQDuctileSuperstructure类性2：墩柱、基础弹性，上部结构延性——钢桥3延性抗震设计EQSeismicIsolation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nyu曲率nMyMMu弯距=Vc0Vc0Mn___0coMMcoPVcon0=M(a)脆性链子(b)延性链子PP脆性链子，强度为Pib延性链子，强度为Pd脆性链子，强度为Pib△△P图3-14能力设计原理的简单范例3延性抗震设计能力保护构件计算nyu曲率nMyMMu弯距=Vc0Vc0Mn___0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coMMcoPVcon0=MGMGMMGMGllrrstststMMstVVcocococo3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：'0(0.0023)ccesVfAVf≤××+'0.10.067ksyhcekAbVffAS