ch5桥梁延性抗震设计
桥梁的延性抗震方法与减隔震设计 张学义
桥梁的延性抗震方法与减隔震设计张学义发表时间：2019-06-20T11:18:43.430Z 来源：《基层建设》2019年第8期作者：张学义[导读] 摘要：桥梁工程作为生命线工程的重要组成部分，应尽量减少其在地震作用下的破坏。
天津市市政工程设计研究院 300392 摘要：桥梁工程作为生命线工程的重要组成部分，应尽量减少其在地震作用下的破坏。
桥梁的减、隔震设计是目前常用的桥梁抗震方案。
本文对于桥梁延性抗震思想和减、隔震设计进行了简要的阐述与分析，比较了两种方法的异同。
以希腊的里翁-安蒂里翁桥为例，详细分析了其设计中所采用的减、隔震措施。
并提出了一种桥梁减、隔震的设计构想。
关键词：延性；减、隔震；漂浮 1．桥梁的延性抗震设计方法 1．1延性抗震设计方法的概念及其发展从本质上讲，延性反映了一种非弹性变形的能力，保证刚度和强度不会因为非弹性变形而急剧降低。
对材料而言，延性材料是指在发生较大的非弹性变形时强度和刚度都没有明显下降的材料，与之对应的是脆性材料，则指一出现非弹性变形或在非弹性变形极小的情况下便发生破坏的材料；对结构和构件而言，如果结构或构件在发生较大的非弹性变形时，其强度和刚度仍没有明显的下降，则这类结构或结构构件称为延性结构或延性构件。
延性结构具有的延性水平与结构中包含的延性构件具有的延性水平密切相关。
但这并不意味着结构包含一些延性水平高的构件，其整体延性水平就一定高，实际上在某些情况下，即使个别构件的延性水平很高，但结构的整体延性水平却可能很低。
1．2 能力设计的方法能力设计原则是Park等在20世纪70年代中期提出的一个重要原则，并最早在新西兰混凝土设计规范（NZS3101，1982）中得以应用，以后这个原则先后被美国、欧洲和日本等国家和地区的桥梁抗震规范所采用。
能力设计方法的基本原理为：在结构体系中的延性构件和能力保护构件（脆性构件以及不希望发生非弹性变形的构件，统称为能力保护构件）之间建立强度安全等级差异，以确保结构不会发生脆性的破坏模式。
ch5 桥梁延性抗震设计解读
(a)
(b)M
(C)屈服
(d)极限状态
图 5.4 悬臂墩曲率分布
p l p (u y )
p p (l 0.5l p ) (u y )l p (l 0.5l p )
7 2019/2/25
桥梁抗震
y p y
1
p y
1 3( 1)
ty
y
单墩模型：结构的屈服位移和
极限位移分别对应于墩底截面到 达屈服曲率和极限曲率时。
假定只有桥墩发生非弹性变形：
ty y b f y b T r C y
C 1 T r b 1 y
(a)具有可变形的基础和弹性支座
0
5
10 15 20 25 30 35 40 45
40
墩顶横向位移(mm)
模型3
30 20
横向力(KN)
10 0 -10 -20 -30 -40 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5
·轴压比：20% ·含箍率：0.57% ·配筋率：1.54% ·砼强度：19.4
实测恢复力曲线
图5.3 柔性高墩与延性矮墩的比较
桥梁抗震
5.1.4 曲率延性系数与位移延性系数的关系
( x)dxdx
墩底截面刚刚屈服时
( x) y
x l
2 y 1 l 3 y
等效塑性铰长度 l p ：假设在墩底附近存在一 个长度为 l p 的等塑性曲率段，在该段长度内截 面的塑性曲率等于墩底截面的最大塑性曲率
开裂点
y
u
图5.1 截面弯矩－曲率关系示意图
钢筋混凝土截面的屈服曲率：
混凝土桥梁施工过程延性抗震设计
混凝土桥梁施工过程延性抗震设计黎志辉;练志娟;徐定超【摘要】Ductility seismic design of concrete bridge construction process is discussed,from the restrictive conditions,the conceptual design,the choice of the upper structure,piers and foundation,ductility seismic choose,the essay puts forward strengthening the stirrup design experiment method,the bridge is raised ductility seismic intensity,and solved the ductility seismic design of bridge construction.%从限制条件、概念设计、上部结构选择、桥墩和基础选择、延性抗震选择等方面，对混凝土桥梁施工过程延性抗震设计进行论述，提出了加强箍筋设计的实验方法，提高了桥梁延性抗震强度，解决了桥梁施工中延性抗震设计的难题。
【期刊名称】《山西建筑》【年(卷),期】2016(042)009【总页数】2页(P163-163,164)【关键词】延性抗震设计;桥梁;箍筋;延性实验【作者】黎志辉;练志娟;徐定超【作者单位】扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127;扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州 225127;扬州大学建筑科学与工程学院，江苏扬州225127【正文语种】中文【中图分类】U441.3桥梁，承载着人类祈求沟通的心愿，鼓舞着人们追求跨越的梦想，一座功能明确、造型精美、技术先进的桥梁，建成以后往往成为一个地方的地标建筑，桥梁是道路的重要组成部分，是交通工程中的关键性枢纽，在交通发展中起着非常重要的作用。
抗震ch5-2
l/b
2.0 1.5
l/Bmax
0.35 0.30
高层建筑（8层及8层以上）的平面中L不宜过长（图5-18）， 突出部分长度l宜减小，凹角处宜采取加强措施。图5-18中，L、 l和l‘的值宜满足前表5-3的要求。
图5-18 高层建筑平面
3. 防震缝的设置
平面形状复杂时，宜用防震缝划分成较规则简单的单 元。但对高层结构，宜尽可能不设缝。
当需要设置防震缝时，其最小宽度应符合下列要求：
1）框架结构房屋的防震缝宽度，当高度不超过15m时可采用 100mm；超过15m时，6度、7度、8度和9度相应每增加高度 5m、4m、3m和2m，宜加宽20mm。 2）框架---抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用上述对框架规 定数值的70%，抗震墙结构房屋的防震缝宽度可采用上述对框 架规定数值的50%；且均不宜小于100mm。
1
V （0.15 fcbh0） RE
(5-2)
柱的剪跨比按下式计算：
＝ Mc／（Vch0）
（5-3）
框架结构的中间层柱的剪跨比可按柱净高与2倍柱截 面高度之比简化计算。上式中，Mc为柱端或墙端截面组合 的弯矩计算值，取上下端弯矩的较大值；V和Vc分别为柱 端或墙端截面组合的剪力设计值和组合的剪力计算值；fc 为混凝土轴心抗压强度设计值。b为粱、柱截面宽度或抗 震墙墙肢截面宽度；h0为截面有效高度，抗震墙可取墙肢 长度。
C60，在8度时不宜超过C70。
2、框支梁、框支柱以及一级抗震等级的框架梁、柱及
节点，不应低于C30；构造柱、芯柱、圈梁及其他各
类构件不应低于C20。
3、梁柱墙支撑中的受力钢筋宜采用热轧带肋钢筋
4、在施工中，当需要以强度等级较高的钢筋代替原
桥梁抗震分析、验算与延性构造措施
Ehp = S G h1 tp / g
6 抗震分析
在E2地震作用下，可按下式计算墩顶的顺桥向和横桥向水平位移：
Δd = cδ
δ
F
结构周期
c
T ≤ 0.1s
T ≥ Tg
0.1s ≤ T ≤ Tg 时
1.5 1.0 按线性插值求得
6 抗震分析
6.8 能力保护构件计算
6.4 反应谱法
6 抗震分析
m ax
m ax
m ax
T1
T2
T3
图 3.7 反 应 谱 概 念
m ax T4
m ax T5
φ ji m1
m2 m3
Fj1 Fj2 Fj3 Fji = γ jφ ji S j mi
6 抗震分析
..
.
..
[M ]{x(t)}+[C]{x(t)}+[K]{x(t)}= −[M ]{I}u{t}
Vs
= 0.1 Ak b Sk
f yh
≤ 0.067 ×
f
' c
Ae
7 强度与变形验算
7.4 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。
7 强度与变形验算
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：
N
∑ {x(t)} = {φ} j Yj (t) j =1
..
.
..
Yj (t) + 2ξ jω j Y j (t) + ω 2jYj (t) = −γ j u(t)
钢筋混凝土桥梁延性抗震设计的研究及发展
钢筋混凝土桥梁延性抗震设计的研究及发展朱 日希,弓俊青(北方交通大学土建学院,北京100044)摘 要:介绍了延性抗震设计的概念和方法,对当前钢筋混凝土桥梁延性抗震设计的研究成果进行了综述,并讨论了钢筋混凝土桥梁延性抗震设计方面需要解决的几个问题。
关键词:钢筋混凝土结构;桥梁;抗震设计;延性中图分类号:U 448.34;U 442.55 文献标识码:A 文章编号:1003-4722(2000)-0001-05收稿日期:1999-08-01基金项目:国家自然科学基金资助项目(59978001);铁道部科技发展基金资助项目(99G 41)作者简介:朱 日 希(1937-),男,教授,1958年毕业于唐山铁道学院桥梁隧道专业,1986～1988年美国L eh ish 大学访问学者,1994年美国L eh ish 大学高级访问学者。
1 引 言结构在强烈地震作用下,大部分将进入弹塑性变形阶段,与弹性变形相比,过大的塑性变形会使结构开裂,混凝土脱落,甚至破坏;但另一方面,由于弹塑性阶段的结构刚度降低,结构自振周期增大,改变了结构的地震反应特性,非弹性的不可恢复变形可以耗散输入的地震能量,从而减小地震对结构的作用;在非线性状态下,结构是否破坏将取决于塑性变形能力或耗散能量的能力,而不取决于强度,强度条件并不能恰当地估价结构的抗震能力。
如何有效地利用结构非线性变形的耗能能力,同时结构又不会产生过大的强度损失和过大的塑性变形,避免开裂太大而不易修复或破坏,就必须对结构的弹塑性变形特性及破坏机理作深入的研究,进行结构延性抗震设计,以减轻甚至避免震害的产生。
在近年来发生的几次大地震中,桥梁结构的震害严重,如1971年圣费尔南多地震中,许多新建桥梁遭到不同程度的破坏。
在1976年我国唐山大地震中,桥梁大多毁坏或严重破坏,在7至11度区内的130座桥梁中,完好或基本完好的仅占25.38%;同样在1994年诺斯里奈地震和1995年阪神大地震中,许多高架桥严重破坏,直接与间接经济损失巨大。
桥梁设计中的抗震设计规范解读
桥梁设计中的抗震设计规范解读设计一座桥梁时，抗震设计是必不可少的一项工作。
抗震设计规范旨在规范桥梁的抗震能力，以保证桥梁在地震或其他外力作用下不会倒塌或轻微损坏。
本文将解读桥梁设计中的抗震设计规范。
一、桥梁抗震设计的基本原则在设计中，桥梁的抗震设计需要遵循以下基本原则：1. 建立适当的耐震能力目标：桥梁的设计耐震能力要与场地特点和重要性相适应，以达到灾害损失控制的要求。
2. 充分考虑动力效应：桥梁在地震作用下所承受的力不仅包括静力荷载，还包括动力荷载。
因此，在抗震设计时，应对桥梁在地震中的动力反应进行充分的研究。
3. 选取适当的地震波：地震波是桥梁抗震设计中的重要参考依据。
选择与实际场地相符合的地震波，能更好地反映地震灾害的损伤情况。
4. 均衡造价与耐震能力：建立可靠的抗震设计方案，尽可能达到规定要求，但也要考虑造价因素。
5. 要有系统的桥梁抗震设计文件：桥梁抗震设计文件需要详尽、清晰、全面地说明整个设计过程，以便建造方、监理方或审核单位审核和验收。
二、抗震设计规范的具体要求根据相关规范，进行桥梁的抗震设计时，需要遵循以下具体要求：1. 桥墩设计：与桥梁基础联结强度要求高，桥墩的纵向和横向的强度应适宜，特别是在桥墩土基础不良的情况下，要对桥墩加强抗震支撑和加固。
2. 桥面铺装设计：（1）桥面铺装的振动感应要素在桥梁的横向和纵向上的传递原则应有规定。
（2）桥面铺装的直接基础的作用范围是桥墩、上部结构和基础，后期在桥梁设计方案及施工中应考虑铺装的垂直和水平方向受震影响的设定。
（3）桥面铺装设计中的连接构件，如伸缩缝、支座、传动杆、角钢、焊缝、螺栓等，应有相应的规范，特别是在连接构件处的振动应力会引起硬件结构变形，对硬件的材料和工艺水平等要求较高。
3. 桥梁设计标准：（1）要求各种附属设施的设计、材料和施工，必须获得质量检验合格证书。
（2）在桥梁设计和制造中，对材料的选用和材料的变形、疲劳特性以及统计学参数要求非常的苛刻。
桥梁延性抗震设计方法研究
桥梁延性抗震设计方法研究桥梁在地震中的表现和抵抗能力一直是抗震设计中的关键问题之一、桥梁的结构特点决定了其对震动的敏感性和脆性。
桥梁的延性是指在地震作用下，桥梁能够发生一定程度的塑性变形而不发生破坏的能力。
因此，研究桥梁延性抗震设计方法对于提高桥梁结构的抗震能力具有重要意义。
第一，基于土木工程结构的动力响应理论。
当前，桥梁抗震设计主要依据地震波的输入和结构的动力响应进行。
因此，深入研究桥梁结构在地震作用下的动力响应特征，探索桥梁结构的动力反应控制方法，对提高桥梁的抗震能力具有重要意义。
第二，采用塑性设计原理。
桥梁的延性是指在地震作用下，结构能够发生塑性变形，从而能够承受更大的能量，降低震害程度。
因此，采用塑性设计原理对桥梁进行抗震设计是有效的方法之一、研究桥梁延性抗震设计方法，需要对桥梁的受力性能进行全面的分析和评估，确保结构在地震作用下具有良好的延性。
第三，探索合理的能量耗散机制。
桥梁在地震中会受到巨大的动力荷载，因此能量的耗散是保证结构稳定性的关键。
通过合理设置耗能元件，如阻尼器、摩擦支座等，可以降低结构的震害程度。
因此，研究桥梁延性抗震设计方法需要考虑合理的能量耗散机制，并探索适用于桥梁结构的耗能元件的设计方法。
第四，考虑桥梁的整体性能。
桥梁是一个整体结构，各部分之间具有复杂的相互作用关系。
因此，研究桥梁延性抗震设计方法需要考虑桥梁结构的整体性能，而不仅仅是局部部分的性能。
通过全面的结构分析，找出桥梁结构的薄弱环节，并针对性地加强这些薄弱环节，可以提高整个桥梁结构的抗震能力。
通过以上的研究方法，可以提出一种桥梁延性抗震设计方法，该方法能够保证桥梁结构在地震作用下具有良好的延性和耗能能力，降低地震造成的破坏和震害。
同时，该方法还需要综合考虑经济性和可行性，确保抗震设计的有效性和实用性。
总之，研究桥梁延性抗震设计方法对于提高桥梁结构的抗震能力具有重要意义。
通过基于土木工程结构的动力响应理论、采用塑性设计原理、探索合理的能量耗散机制以及考虑桥梁的整体性能，可以提出一种有效的桥梁延性抗震设计方法，为实际工程提供有效的抗震设计参考。
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桥梁抗震
5.2 延性对桥梁抗震的意义
强度 * 纯粹依靠强度抗震不经济，希望利 用延性抗震，即利用塑性铰减小地震 力，并耗散能量。
变形 * 使结构具有能够适应大地震激起的 反复的弹塑性变形循环的滞回延性
能量 * 地震输入能量=结构的动能+弹性应 变能+阻尼耗能+滞回耗能
通过延性构件在地震动下发生的反复 的弹塑性变形循环，耗散掉大量的地 震输入能量，保证结构的抗震安全
4 2020/11/17
桥梁抗震
美国加州Caltrans 抗震设计规范中， 采用的理论屈服曲 率定义：
所包围的面积相等
y
Mi
M
' i
' y
图5.2 理论屈服曲率定义
5 2020/11/17
桥梁抗震
5.1.3 延性、位移延性系数与变形能力
抗力R Ry
变形能力 位移延性系数u/y 延性
y
u 变形
图5.2 延性、位移延性系数和变形能力
• 一个结构或构件可能有较 大的变形能力，但它实际可 利用的延性却可能较低。
• 一个结构或构件可能有较 大的延性，但最大位移延性 系数却可能较低。
抗力R
s＝6 矮墩的力－位移曲线
高墩的力－位移曲线
t＝3
sy ty su
tu 变形
图5.3 柔性高墩与延性矮墩的比较
6 2020/11/17
桥梁抗震
5.1.4 曲率延性系数与位移延性系数的关系
5.1.1 延性的定义
材料、构件或结构的延性，通常定义为在初始强度没 有明显退化情况下的非弹性变形能力。
• 承受较大非弹性变形，同时强度没有明显下降的能力 • 利用滞回特性吸收能量的能力
材料的延性:发生了较大的非弹性变形，强度没有明显下降/脆性 结构构件的延性：局部延性 结构的延性：整体延性
2 2020/11/17
5 10 15 20 25 30 35 40 45
墩 顶 横 向 位 移 (mm)
3 2020/11/17
桥梁抗震
5.1.2 延性指标
（1）曲率延性系数
塑性铰区截面的极限 曲率与屈服曲率之比：
u y
（2）位移延性系数
Mmax My Mu
屈服点
弯矩最大点
失效点
开裂点
y
u
图5.1 截面弯矩－曲率关系示意图
构件的位移延性系数—构件 的最大位移与屈服位移之比：
u y
结构的位移延性系数— 与结构
的布置有关
钢筋混凝土截面的屈服曲率：
*截面最外层受拉钢筋初始屈服时（适筋构件） *截面混凝土受压区最外层纤维初次达到峰值 应变值时（超筋构件或高轴压比构件）
极限曲率：
*被箍筋约束的核心混凝土达到极限压应变 *临界截面的抗弯能力下降到最大弯矩值的 85%。
7 2020/11/17
桥梁抗震
y y p 1 p y 1 3 ( 1 )llp(1 0 .5 llp)
欧洲规范Eurocode 8： lp0.0l8 0.02ds2 fy
lp(0.4~0.6)h
基于试验的经验公式
给定： lp 0.5h
20
表 5.2 桥 墩 位 移 延 性 系 数 与 长 细 比 的 关 系
在地震动（随机反复荷载）作用下，结构和构件的 延性会有所降低。
桥梁抗震
30
模型2
20
横 向 力 (KN) 横 向 力 (KN)
10
截面尺寸：10cm*10cm
0
墩高：100cm
-10
-20 -30
-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
· 轴 压 比 ： 15% · 含 箍 率 ： 0.40% · 配 筋 率 ： 1.13% · 砼 强 度 ： 19.4
桥梁抗震
第五章 桥梁延性抗震设计
目前，大多数多地震国家的桥梁抗震设计规范已采纳 了延性抗震理论。
延性抗震理论通过结构选定部位的塑性变形（形成塑性铰） 来抵抗地震作用的。
• 延性的基本概念 • 延性对桥梁抗震的意义 • 延性抗震设计方法 • 钢筋混凝土墩柱的延性设计
1 2020/11/17
桥梁抗震
5.1 延性的基本概念
的极限位移与屈服位移之比。
单墩模型：结构的屈服位移和
极限位移分别对应于墩底截面到 达屈服曲率和极限曲率时。
假定只有桥墩发生非弹性变形：
ty y b f y b T r C y(a)具有可变形的基础和弹性支座 （b）结构屈服位移
C1Tr b 1 变形增大系数
图5.5 “单墩模型”桥梁结构的屈服位移
y
tu ty p C y p ( C 1 ) y u
t ttu y(C1 C ) y y u(C1 C )
考虑支座弹性变形和基础柔度影 响时，结构的位移延性系数比桥 墩的位移延性系数小；而且支座 和基础的附加柔度越大，结构的 位移延性系数越小。
9 2020/11/17
5 10 15 20 25 30 35 40 45
墩 顶 横 向 位 移 (mm)
40
30
模型3
保护层厚度：1.5cm
20
10
实测恢复力曲线
0
-10
-20
-30 -40
-45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0
· 轴 压 比 ： 20% · 含 箍 率 ： 0.57% · 配 筋 率 ： 1.54% · 砼 强 度 ： 19.4
l/h
2.5Βιβλιοθήκη 51020
20
20
11.3
6.4
3.8
• 临界截面的曲率延性系数比相应的墩顶位移延性系数要大得多 • 在截面及材料特性均相同的条件下，墩越高，位移延性系数越低
8 2020/11/17
桥梁抗震
5.1.5 桥梁结构的整体延性与构件局部延性的关系
ty
桥梁结构的位移延性系数，
y
通常定义为上部结构质量中心处
(x)ddxx
墩底截面刚刚屈服时
(x)
x l
y
y 13yl2
等效塑性铰长度 l p ：假设在墩底附近存在一 个长度为 l p 的等塑性曲率段，在该段长度内截 面的塑性曲率等于墩底截面的最大塑性曲率
(a) (b)M (C)屈服 (d)极限状态
图 5.4 悬臂墩曲率分布
p lp(uy)
p p ( l 0 .5 lp ) (u y ) lp ( l 0 .5 lp )
图5.6 滞回耗能与弹性应变能示意图
延性抗震必须以结构出现一定程度的损坏为代价。
10 2020/11/17
桥梁抗震
5.3 延性抗震设计方法简介
延性抗震，必须保证结构具有的延性（延性能力）超
过预期地震动所能激起的最大非弹性变形（延性需求）。
延性需求
延性能力
规则桥梁：简化的延性抗震设计 复杂桥梁：非线性动力时程分析