桥梁抗震与抗风课程综述

1浙江工业大学《桥梁抗风与抗震》课程综述报告姓名：王昭学号：2111406033导师：袁伟斌日期：2015.01.092目录1桥梁的震害及破坏机理................................................................31.1桥梁震害..............................................................................31.2破坏机理分析.......................................................................61.3抗震设计及加固技术措施...................................................72桥梁抗震分析理论........................................................................92.1抗震设计流程.......................................................................92.2抗震设计基本原理.............................................................103延性抗震和减隔震抗震设计.......................................................123.1桥梁延性抗震设计..............................................................123.2桥梁减隔震抗震设计.........................................................153.3减隔震技术与延性抗震设计的比较...................................164风对桥梁的作用及风致振动....................................................174.1风对桥梁作用的现象及作用机制......................................174.2风致振动............................................................................18参考文献.........................................................................................213桥梁抗风与抗震课程综述报告1桥梁的震害及破坏机理1.1桥梁震害地震是地球内部某部分急剧运动而发生的传播振动的现象，是迄今人类力量无法控制的自然灾害。地球上平均每年都要发生近千次的破坏性地震，其中破坏力巨大的灾难性大地震即达十几次，这些地震在它们波及的范围内，均造成惨重的生命财产损失。桥梁作为重要的社会基础设施，是生命线工程中的关键部分，在地震发生后的紧急救援和抗震救灾、灾后恢复重建中具有极其重要的地位。强烈地震可能导致桥梁受到严重损伤或倒塌，造成交通中断，使抗震救灾工作受阻，以致造成生命和财产的更大损失，使震害程度扩大。因此对桥梁震害及其机理的清晰认识，对于桥梁的设计、采取合理有效的抗震对策，保证桥梁在地震中的安全和正常使用具有重要意义。桥梁结构受到的地震影响从结构抗震设计的角度讲主要有两种形式：即地基失效引起的破坏和结构强烈振动引起的破坏。两者破坏的原因不同：前者属于静力作用，是由于地基失效产生的相对位移引起的结构破坏；后者属于动力作用，是由于振动产生的惯性力引起的破坏。根据以往的震害情况分析，桥梁震害主要分为上部结构震害、支座震害、下部结构震害和基础震害[1]。1.1.1上部结构震害由于受到桥梁墩台、支座的隔离作用，在地震中，桥梁上部结构因直接受惯性力作用而破坏的情况较少在发现的少数此类震害中，主要是钢结构的局部屈曲破坏，如图1（a）。但因支承连接件失效或下部结构失效等引起的落梁、主梁的移动、扭曲、裂缝等现象，在破坏性地震中常有发生，其中落梁现象最为严重。从梁体下落的形式看，有顺桥向的、也有横桥向的和扭转滑移的，其中顺桥向的落梁最为常见，如图1（b）所示。如果相邻结构的间距过小，在地震中就有可能发生碰撞，产生很大的撞击力，从而使结构受到破坏。此类破坏中比较典型的有相邻跨上部结构的碰撞、上部结构与桥台的碰撞以及相邻桥梁间的碰撞[2]，如图1（c）、（d）、（e）所示。4（a）钢结构局部屈曲（b）顺桥向落梁破坏（c）相邻跨碰撞（d）上部结构与桥台的碰撞（e）相邻桥梁间的碰撞图1上部结构震害1.1.2支座的震害桥梁支座是桥梁结构体系中抗震性能比较薄弱的环节。上部结构的地震惯性力通过支座传到下部结构，当传递荷载超过支座设计强度时，支座发生损坏。常见的有支座移位、支座锚固螺栓拔出剪断、支座脱落和支座自身破坏等形式，如图2所示[1]。（a）支座位移（b）支座辊轴拔出（c）支座自身破坏图2支座震害支座损坏引起桥梁传力路径改变甚至中断，严重的会引起落梁。支座损坏也5是落梁的主要原因。但对于下部结构而言，支座损伤可以阻断上部结构的地震荷载传到桥墩，在一定程度上减小桥梁下部结构的损坏。1.1.3下部结构的震害下部结构的严重破坏是引起桥梁倒塌、震后难以修复的主要原因。地震引起的下部结构破坏主要是桥墩的破坏，一般是从接缝处的轻微断裂开始，继而扩展到四周而造成破坏；素混凝土也会因施工缝而产生断裂。高柔的桥墩多为弯曲型延性破坏，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[4]，如图3（a）所示。粗矮的桥墩多为剪切型脆性破坏，如图3（b）所示。此外配筋设计不当还会引起盖梁和桥墩节点部位的破坏。桥梁下部结构和基础的严重损坏，极易造成桥梁倒塌且在震后较上部结构破坏更难以修复使用。除了上述桥墩的破坏，桥梁桥台的破坏也很常见，如图3（c）所示，除了地基丧失承载力引起的桥台滑移外，桥台的震害主要表现为台身与上部结构的碰撞以及桥台的向后倾斜。一般墩柱基脚的破坏很少见，如图3（d）所示，但是一旦发生，后果很严重。（a）桥墩弯曲型延性破坏（b）桥墩剪切型脆性破坏（c）桥台震害（d）基脚破坏图3下部结构震害61.1.4基础的震害基础在地震中也易发生破坏，且这类震坏由于发生在地表以下，难以及时准确地判断震害严重程度，具有很大的隐蔽性。地基失效（如土体滑移和砂土液化）是桥梁基础产生震害的主要原因。因为地震会引起地基的液化，使承载力下降与基础下沉，进一步引起桥梁墩台的沉陷，多出现在承载力不很高的砂质粘土、粘土质砂土等地基中。地基的液化使其剪切强度大大降低，使桥梁基础及桥台受静土压力和地震土压力的作用而沿液化层水平滑移或转动[2]。1.2破坏机理分析1.2.1落梁与碰撞破坏落梁是发生最为频繁的事故现象，而产生落梁现象的最主要原因就在于：桥梁墩柱与梁体连接部位的构造设计不够合理[3]。当墩梁间的相对位移大于主梁搁置长度后，主梁将从桥墩脱落从而导致落梁。而当梁体之间、相邻桥之间的预留间距过小，在地震作用下梁体发生顺桥向或者横桥向的较大位移时可能会发生破坏[]。具体破坏过程如下图4所示。图4桥梁落梁与碰撞破坏过程分析1.2.2桥墩台的破坏桥墩台的破坏常见的原因有：1）设计抗弯强度不足由于以往对桥墩地震破坏的认识不足，纵向钢筋往往在墩底搭接或焊接，桥墩的主筋通常未达到设计强度就因焊接强度不够或搭接失效而弯曲破坏。另一种7情况是设计地震力取值偏低造成的。由于设计地震力取值偏低，当与其它静力荷载效应组合时，计算弯矩图数值偏低，而且形状也不对，据此确定的桥墩反弯点位置偏差也很大，使所配纵向钢筋在桥墩中过早切断，造成桥墩在中间位置发生弯剪破坏。2）设计抗剪强度不足以往设计的桥墩，其横向钢筋直径通常较小，间距也往往在30-50cm之间，显然不足于抵抗强烈地震动引起的横向剪力作用。3）构造缺陷例如，横向箍筋直径偏小，间距过大，不能约束砼和防止纵筋屈曲；纵筋的墩底焊接强度不够或搭接失效、在桥墩中的过早切断；纵横筋的锚固长度不足；箍筋端部未做成弯钩等[5]。1.2.3基础的破坏虽然基础破坏在桥梁震害中不是很常见，一般因为强度不足或构造不合理破坏居多。例如，对于桩基而言，破坏通常是由于桩基自身设计强度不足或构造处理不当引起的，由于其具有隐蔽性，震后不易发现且修复的困难，所以在设计和施工时应保证桩基具有足够的强度，采用能力保护设计，同时重视构造设计，加强桩顶与承台连接构造措施，延长桩基深入稳定土层的长度等。另外，在设计选址与设计阶段，桥位应选择在对抗震有利的地段，尽可能避免选择在软弱粘性土层、可液化土层和地层严重不均匀的地段，特别是发震断层地段。如必须设置在可液化或松软土层的河岸地段时，桥长应适当增长，将桥台置于稳定的河岸上，而桥墩基础要加强[2]。1.3抗震设计及加固技术措施目前，抗震加固的技术措施也在工程中有具体应用。加固计划分为三个阶段进行，第一个阶段的主要的目的是加强上部结构和下部结构的联系，后两个阶段是同时进行的，其目的是提高墩柱的抗弯强度、抗剪强度及延性、提高盖梁、上部结构、基础与桥台的承载能力，提高节点的抗剪强度。根据震害调查结果，桥梁结构抗震加固的部位有：上部结构、桥墩加固、盖梁加固、基础加固和桥台加固。上部结构的加固包括支座、伸缩缝处的防落梁措施，采用的方法是增设限位器(如图5所示)、增设挡块、增加支承面宽度、设置Lock-upDevice装置等[6]。8（a）钢绞线纵向限位（b）钢绞线纵向和竖向限位图5采用限位器防落梁措施桥墩的加固主要方式有钢套管(如图6(a)所示)、预应力钢绞线、增加截面和纤维增强复合材料(如图6(b)所示)，其中钢套管和纤维增强复合材料的加固方式应用较多，纤维增强复合材料有碳纤维、玻璃纤维等，用纤维增强复合材料约束混凝土时可采用单一纤维，也可以采用碳纤维与玻璃纤维混杂的方式；盖梁的加固可以采用增设预应力钢筋混凝土加强块的方式实现，如图7所示。(a)刚套管加固（b）纤维材料加固图6桥墩抗震加固措施图7盖梁内设置体内预应力筋加固方式另外，基础的加固可以通过增设斜撑杆和增加基础高度的方式；增加沉降板和锚杆可以减少桥台的沉降和水平移动[6]。92桥梁抗震分析理论2.1抗震设计流程桥梁工程的抗震设计流程如下图8所示，包括7个主要步骤，即抗震概念设计、确定设防标准、确定场地类别、选择桥梁抗震体系（延性设计或减隔震设计）、地震反应分析、抗震性能验算以及抗震构造与措施选择。抗震设防是指对结构进行抗震设计并采取抗震措施，其指导思想是预防为主；减轻结构震害，避免人员伤亡，减少经济损失，使地震时不可缺少的紧急活动得以维持和进行。抗震设计以抗震设防烈度为设防依据，规定设防范围为6度及以上地震区。桥梁抗震设计思想目前普遍趋向于采用多级设防的抗震设计思想即采用“小震不坏、中震可修、大震不倒”的三级设防[1]。图8桥梁工程抗震设计流程[1]基于合理安全度原则，确定桥梁工程的抗震设防标准时，应考虑三方面因素：1）根据桥梁的重要性程度确定该结构的设计基准期；2）地震破坏后，桥梁结构功能丧失可能引起次生灾害的损失；3）建设单位所能承担抗震防灾的最大经济能力。102.2抗震设计基本原理桥梁结构地震分析方法也随着地震灾害的不断发生经历了从静力法到动力法(包括反应谱方法和时程分析方法)的演变过程。目前桥梁抗震设计规范中采用确定性分析方法，主要有静力法、反应谱法、动态时程分析法和Push-over拟静力分析法，其中前两种方法是主要的分析方法，时程分析法是一种辅助校核方法，而非线性静力分析法则用于确定桥梁结构的破坏机制和抗震能力的评估[6]。2.2.1静力理论方法抗震设计的静力法假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