王克海桥梁抗震的研究进展精品PPT课件
桥梁抗震的研究进展_王克海
第24卷增刊II Vol.24 Sup.II 工 程 力 学2007年 12 月 Dec. 2007 ENGINEERING MECHANICS 75 ———————————————收稿日期：2007-04-02作者简介：*王克海(1964)，男，山西人，副研究员，工学博士，主要从事桥梁抗震性能评价、减隔震技术及结构分析仿真技术的研究(E-mail: kh.wang@)；李 茜(1978)，女，天津人，助理研究员，工学硕士，主要从事桥梁抗震性能评价及减隔震技术的研究(E-mail: qian.li@).文章编号：1000-4750(2007)Sup.II-0075-08桥梁抗震的研究进展*王克海，李 茜(交通部公路科学研究院，北京 100088)摘 要：San Fernando 地震、唐山大地震、Loma Prieta 地震、Northridge 地震、阪神地震、集集地震等破坏性地震使交通系统严重毁坏，地震造成的交通中断直接影响着救灾工作的进行，扩大了次生灾害损失，使生命财产遭受巨大损失。
近30多年来，地震灾害的沉痛教训不断地警示着世人，使人们对桥梁的抗震研究工作逐渐受到重视，桥梁抗震理论及技术水平日渐提高。
简要叙述了桥梁抗震研究中概念、分析方法、设计方法、抗震设计规范、减震加固技术的历史概况和现状，并展望了今后桥梁抗震研究的发展趋势。
关键词：桥梁抗震；历史；现状；展望；减震；动力响应分析；设计理论 中图分类号：U442.5+5 文献标识码：ARESEARCH PROGRESS ON ASEISMIC DESIGN OF BRIDGES*WANG Ke-hai , LI Qian(Research Institute of Highway, the Ministry Communications of China, Beijing 100088, China)Abstract ： San Fernando Earthquake, Tangshan Earthquake, Loma Prieta Earthquake, Northridge Earthquake, Kobe Earthquake and Chi-Chi Earthquake etc. destroyed the transportation system seriously. The interrupted transportation induced by earthquake will affect salvation, enlarge loss of parasitic infestation. In recent 30 years, lessons of earthquake damage have taught us to make the research on aseismic design for bridges to be recognized gradually. Consequently, the methodology and technology about aseismic design are improved. The concept and method for analysis and design, code for aseismic design and technology for reducing seismic response and retrofitting are developed. At this end, the history, state-of-art and future of this research field are discussed. Key words: aseismic design of bridge; history; state of art; prospect; reducing seismic response; dynamicanalysis; design methodology1 桥梁抗震研究的重要转折点尽管在1926年，就有了第一部涉及桥梁抗震设计条款的规范——《关于公路桥梁细则草案》[1]，与建筑结构的抗震研究相比，桥梁抗震研究相对滞后，但是在近30多年来，每次惨痛的地震灾害发生后，桥梁抗震理论和技术水平都会迈上一个新的台阶。
桥梁抗震课件
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。
王克海桥梁抗震的研究进展精品PPT课件
强度
位移
延性
经济效益
基于性能的抗震设计理论将 抗震设计的重点从“力”的 设计转换到将建筑物的整个 性能作为设计过程的一个控 制函数。
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桥梁抗震加固技术及结构 振动控制的研究现状
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移位（纵向、横向）
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碰撞震害
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支座震害
支座移位 活动支座脱落
支座自身构造破坏 锚固螺栓拔出、剪断
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墩台震害
1999年台湾集集地震
2004年日本新澙地震
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基础震害
桥梁基础破坏是国内外许多地震的重要震害现象之一。 大量震害资料表明：地基失效是桥梁基础产生震害的主要原因。 我国海城地震和唐山地震、日本新泻地震中，都有大量的地基 失效引起桥梁基础震害的实例。扩大基础的震害一般是由地基 失效引起的，常用的桩基础的震害，除了地基失效外，还有上 部结构传下来的惯性力引起的桩基剪切、弯曲破坏，还有桩基 设计不足引起的震害。
桩-土-结构动力相互作用分析模型
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桥梁结构非线性问题
非线性问题可以分为三类：几何非线性问题、材料非线性问题以及 状态非线性。
在桥梁抗震分析中涉及到的非线性主要有： 几何非线性（梁-柱效应、大变形效应和缆索垂度）； 支座、伸缩缝、挡块、减隔震装置等边界及连接单元的非线性； 地基土体的非线性； 强震作用下，结构表现出的非线性行为，如碰撞、损伤等。
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地基与结构的相互作用
研究内容归纳为：自由场地的地震反应、基础地震响应、土与结构 相互作用的计算模型及分析方法的研究。
地基与结构相互作用分析方法主要有直接法、子结构法和集中参数法。
地震动输入
直接法示意图
地震动输入
子结构法示意图
集中参数法示意图
桥梁抗震-全书回顾课件
(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
桥梁地震震害与抗震设计136页PPT
55、 为 中 华 之 崛起而 读书。 ——、合法而稳定的权力在使用得当时很 少遇到 抵抗。 ——塞 ·约翰 逊 2、权力会使人渐渐失去温厚善良的美 德。— —伯克
3、最大限度地行使权力总是令人反感 ；权力 不易确 定之处 始终存 在着危 险。— —塞·约翰逊 4、权力会奴化一切。——塔西佗
5、虽然权力是一头固执的熊，可是金 子可以 拉着它 的鼻子 走。— —莎士 比
谢谢！
51、 天 下 之 事 常成 于困约 ，而败 于奢靡 。——陆 游 52、 生 命 不 等 于是呼 吸，生 命是活 动。——卢 梭
桥梁抗震课件-PPT精品文档
日本帝国饭店
1968年帝国饭店被推到了，原因是 地基太浅而且设立在松散潮湿的土 壤里。莱特先生的设计本意是让建 筑物在泥土里滑行就像船只在海水 里漂浮一样，从而达到抗震的目的 。他的原理科学无误而开始被人采 用。1981年日本使用新的建筑细则 ，在建筑物的地基加上一个抗冲击 垫，当地基随地面移动时，建筑物 本身还可以保持平衡。看图:
赖特的构思
• 基地上表土24m厚度以下是18～21m的软土，这层土壤 似乎是上天的恩赐--它是减弱冲击波的最佳减震器。 • 那么为什么不将房屋浮在它上面呢?为什么不采取象军舰 浮在海面上那样，以软而薄的非常轻的结构来取代以尽可 能增加重量的办法所取得的刚度呢?而且为什么不把房屋 造成象双手相合手心向内手指交叉那样来顺应运动呢，以 便当变形消失后，就可恢复到其原先的位置呢?这是一种 在任何方向都可自由屈伸和反屈伸的弹性体结构。为付么 要与地震去硬拼?为什么不顺着它而以智取胜呢? • 这就是我如何抱着这些想法开始设计这座大厦的。
结构动力方程
• 结构动力方程可以写成：
• 式中，M、K、于地震作 用，，是地面运动加速度时 程；、，分别是结构的位移、 速度和加速度列阵。当结构处 于弹性振动状态，恢复力项Ku 为弹性；而当结构振动进入弹 塑性阶段，则恢复力项Ku也呈 非线性。为设置阻尼器附加阻 尼装置带来的阻尼力列阵；只 要处理正确，它总是会使运动 减小
• 此在地震荷载下，通过变形吸收一定的地 震能量，地震荷载消失后能恢复原状，因 此有极强的抗震性能。现存的比应县木塔 还早的唐代建筑五台山佛光寺大殿历经多 次大地震依然完好无损，傲然屹立至今
• 应县木塔的许多抗震构造其原理与现代建筑抗震理念相通或相同： • 抗震研究证明建筑物的平面形状越规整简单越抗震，应县木塔平面 呈八角形，达到了这个要求。 • 应县木塔底层有一圈外柱廊，每层柱子逐层内移，体形下大上小， 利于稳定，利于抗震。 • 应县木塔每层屋檐和平座下有密集的木作斗拱，皆是榫卯连接，能 起到柔性“减震器”的作用。 • 在木塔的每一暗层中，梁、柱、枋、斗拱、斜撑被牢固的连接成一 个网架圈，起到现代建筑中圈梁的作用。（抗震能力不强的砖石结构 建筑进行抗震加固时，在外墙部位加钢筋混凝土柱和圈梁，是抗震加 固通行作法，能大大提高抗震能力。） • 木塔底层有一周很厚的墙，把柱子包裹住,起到现代建筑中剪力墙的 作用,提高抗震能力。
高墩桥梁地震响应分析_王克海
高墩桥梁地震响应分析王克海,李 茜(交通部公路科学研究所,北京100088)摘 要:近年来,高墩桥梁越来越多地在西部强震地区被采用,并且多采用简支梁桥、连续梁桥和刚构桥。
对具有高墩的某桥梁工程进行高墩桥梁抗震性能分析,研究高墩动力特性和地震响应特点。
并通过适当的改变结构形式降低桥墩的地震响应,达到较好的减震效果,可为高墩桥梁的建设和抗震设计提供参考。
关键词:高墩;刚构桥;地震响应分析;减震中图分类号:U442.55文献标识码:A文章编号:1671-7767(2006)01-0041-03收稿日期:2005-08-18基金项目:西部交通建设科技项目(200231800028)作者简介:王克海(1964-),男,副研究员,1987年毕业于石家庄铁道学院桥梁工程专业,工学学士,1992年毕业于兰州铁道学院结构研究所结构力学专业,工学硕士,1999年毕业于北方交通大学土木工程专业,工学博士。
0 引 言近年来,我国交通基础建设迅速发展,在西南和西北地区兴建了大量桥梁,为了跨越深沟险壑,采用高墩桥梁不可避免,而且桥墩的高度也越来越高,有的甚至超过百米,例如云南元江-墨黑高等级公路上的桥梁,陕西禹门口-阎良高速公路上的桥梁,桥墩最高高度达到了120m 以上。
大陆地区有80%以上破坏性地震集中在西藏、青海、新疆、云南和四川地区。
目前,国内外缺乏高墩桥梁经受地震的经验,震后修复困难[1],而合理的结构形式和成功的抗震设计可以大大地减轻甚至避免震害的产生[2]。
因此,详细地分析高墩桥梁地震响应,对提出高墩桥梁合理的抗震设计方法是十分必要的。
调查结果表明,这些高墩桥梁多为简支梁桥、连续梁桥和刚构桥[3],本文将对某一高墩梁桥工程实例进行地震响应分析,研究高墩梁桥的地震响应特点,为高墩梁桥的建设、设计提供参考。
1 刚构桥动力特性及地震响应分析1.1 计算模型主桥为4跨预应力混凝土刚构桥,最大跨度200m 。
主梁为单室单箱截面,桥面宽13.5m ,梁高按二次抛物线变化。
桥梁抗震的研究进展及新理念
由于水平荷载和高水平的轴向 荷载共同作用下，墩柱的纵向 抗剪钢筋不足， Hanshin高速 路破坏墩。
10:10
桥梁抗震的研究进展及新理念
主讲：王克海 博士
32
桥墩震害
唐山地震中桥墩破坏情况
美国Loma Prieta地震 中框架桥墩破坏情况
美国Northridge地震
10:10
桥梁抗震的研究进展及新理念
地 震 频 发 唐 山 大 地 震
在这部草案中首次引入结构系数C折减结构的地震荷载 虽然经多次易稿和讨论，该草案未正式颁布，但是在设计时已广为采 用，对当时和今后的工程建设起到了积极的指导作用。
1977年 交通部颁布《公路工程抗震设计规范（试行）》
修 订 唐山大地震丰富的震害资料和深入的抗震理论研究极大地推动了工程结构物抗震 设计标准的修订和制订，是中国桥梁抗震研究工作发展的重要转折点。
桥墩震害
1995年日本阪神6.8级地震 Chugoku高速路上Takarazuka高架桥，没有足够的横向钢筋提供桥 墩的延性，导致纵向的剪切脆断。
墙式墩在施工缝处剪切破坏
独柱墩弯剪破坏
框架桥的墩柱震害
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桥梁抗震的研究进展及新理念
主讲：王克海 博士
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桥梁震害
桥墩震害
1995年日本阪神6.8级地震
阪神高速公路神户段内高架桥，地震中有20多公路长度的墩柱发生 剪切或弯曲破坏，部分倾覆。
10:10
桥梁抗震的研究进展及新理念
主讲：王克海 博士
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桥梁震害
桥墩震害 -1995年日本阪神6.8级地震
Haishin 高 速 路 上 一 座 桥 墩 弯 曲破坏。 左图墩柱纵筋焊接破坏；右图 桥墩纵向钢筋焊接失效。
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静力弹塑性分析方法 Push-over方法
• 能力谱法
• N2方法 抗震性能 • 位移影响系数法
评价方法
• 适应谱法 • 模态的Push-over方法
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地震分析方法——概率性地震力理论
概率性分析方法仍处于理论研究阶段，不能得到数值结 果，无法在工程中得到应用。
虚拟激励法是将平稳随机响应分析转化成为简谐响应分 析，将非平稳随机响应分析转化为确定性时间历程分析， 从而采用确定性分析方法实现随机振动的求解。
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桥梁抗震设计方法 研究现状
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第一阶段 强度设计理论
第二阶段
第三阶段
延性抗震设计理论 基于性能的抗震设计理论
强度设计
强度 延性
延性抗震理论不同于强度理 论的是，它通过结构选定部 位的塑性变形来抵抗地震作 用的。利用选定部位的塑性 变形，不仅能消耗地震能量， 还能延长结构周期，从而减 小地震反应。
桥梁结构倒塌5座，42座损坏 桥梁抗震设计规范的重要转折点 提出“生命线工程”的概念
1989年Loma Prieta地震
延性抗震设计开始被各国重视 Cypress高架桥在地震中倒塌 San Francisco-Okaland 海湾 大桥发生落梁
1994年Northridge地震
日本
1923年日本关东地震 1995年日本阪神地震
第16届全国结构工程学术会议
桥梁抗震的研究进展
博士/副研究员
Email: kh.
交通部公路科学研究院
主要内容概况
桥梁抗震研究的重要转折点
桥梁地震反应分析的研究现状
桥梁抗震设计方法的研究现状
桥梁抗震加固技术及结构振动 控制的研究现状
展望
2
桥梁抗震研究的重要转折点
3
美国
1971年San Fernando地震
桥梁破坏严重，交通瘫痪 开始重视交通系统的抗震分析和研究 1977年我国颁发了公路工程抗震设 计规范，1989年修订
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桥梁结构地震反应分析 的研究现状
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地震动输入方式 影响地震动特性的因素：震源、传播介质与途径、场地条件。
地表面 场地土层 基岩
地震波传播途径示意图
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地震动输入方式——加速度输入和弹塑性位移反应谱
中国
1976年唐山大地震
提出了基于性能的抗震设计理论 洛杉矶市高速公路上多座桥梁严重 破坏，交通运输网络被切断
320座桥梁破坏，Hanshin高架桥 倒塌，3条高速公路和新干线铁路完 全中断，交通系统几乎全部中断 对结构抗震的基本问题重新研究 修订规范，于1996年出版
1994年国务院提出未来 10年的防震减灾目标 1998年颁布《中华人民 共和国防震减灾法》
桥台的破坏：
桥台震害也较为常见，除了地基丧失承载力等引起的桥台滑移外，桥台
的震害主要表现为台身与上部结构的碰撞破坏，以及桥台向后倾斜。这
一震害和台后填土不够密实有关。
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唐山地震中桥墩破坏情况
美国Loma Prieta地震 中框架桥墩破坏情况
美国Northridge地震
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1995年日本阪神地震
最不利输入方向的标准
以能量为标准 以屈服面函数为确定最不利输入方向的标准 采用位移延性和滞回能分析最不利地震动输入
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地震分析方法——确定性地震分析方法
反应谱法
时程分析法
优点
缺点
简 单 易 操 作
地 震 动 特 性
结 构 动 力 特 性
弹 性 范 围
计 算 最 大 反 应
长 周 期 部 分
Байду номын сангаас
优点
缺点
设 了选地 计 结 计 解择震 算 果 双 破减动 量 分 重 坏震要 大 析 保 机方求 耗 困 证 理法高 时 难
墩柱的弯曲破坏： 在地震中非常常见的震害，表现为开裂、混凝土剥落压溃、钢筋裸露和 弯曲等，究其原因主要是约束箍筋配置不足、纵向钢筋的搭接或焊接不 牢等引起的墩柱延性能力不足。美国北岭地震、日本阪神地震、台湾集 集地震中可见此类震害。
墩柱的剪切破坏： 桥梁墩柱的剪切破坏是非常常见的，由于剪切破坏是脆性的，往往会造 成墩柱以及上部结构的倒塌，震害较为严重。最为惨重的墩柱剪切破坏 发生在日本阪神地震中，独立墩的剪切破坏主要是纵向钢筋过早切断和 约束箍筋不足。
地震动输入方向
美国规范 规定水平地震作用按两个相互垂直方向分别输入，两个 互相垂直的方向为纵桥向和横桥向。
欧洲规范 规定输入水平和竖向三个方向的地震作用。
日本规范 规定一般考虑两个正交水平地震作用；对于支承构件， 要求考虑竖向地震作用。
我国规范 计算地震荷载时，要求分别考虑顺桥和横桥两个方向的 水平地震荷载。对于位于基本烈度为9度区的大跨径悬臂梁桥，还应 考虑上、下两个方向竖向地震荷载和水平地震荷载的不利组合。
强度
位移
延性
经济效益
基于性能的抗震设计理论将 抗震设计的重点从“力”的 设计转换到将建筑物的整个 性能作为设计过程的一个控 制函数。
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桥梁抗震加固技术及结构 振动控制的研究现状
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移位（纵向、横向）
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碰撞震害
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支座震害
支座移位 活动支座脱落
支座自身构造破坏 锚固螺栓拔出、剪断
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墩台震害
桩-土-结构动力相互作用分析模型
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桥梁结构非线性问题
非线性问题可以分为三类：几何非线性问题、材料非线性问题以及 状态非线性。
在桥梁抗震分析中涉及到的非线性主要有： 几何非线性（梁-柱效应、大变形效应和缆索垂度）； 支座、伸缩缝、挡块、减隔震装置等边界及连接单元的非线性； 地基土体的非线性； 强震作用下，结构表现出的非线性行为，如碰撞、损伤等。
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地基与结构的相互作用
研究内容归纳为：自由场地的地震反应、基础地震响应、土与结构 相互作用的计算模型及分析方法的研究。
地基与结构相互作用分析方法主要有直接法、子结构法和集中参数法。
地震动输入
直接法示意图
地震动输入
子结构法示意图
集中参数法示意图
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桩-土-结构相互作用来说，是自由场地地震反应加上考虑土体对桩基约束 作用的多点激振下的桥梁结构地震反应，可采用集中质量法进行研究。 集中质量法将桥梁上部结构多质点体系和桩-土体系的质量联合作为一个 整体，来建立整体耦联的地震振动微分方程组进行求解。
1999年台湾集集地震
2004年日本新澙地震
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基础震害
桥梁基础破坏是国内外许多地震的重要震害现象之一。 大量震害资料表明：地基失效是桥梁基础产生震害的主要原因。 我国海城地震和唐山地震、日本新泻地震中，都有大量的地基 失效引起桥梁基础震害的实例。扩大基础的震害一般是由地基 失效引起的，常用的桩基础的震害，除了地基失效外，还有上 部结构传下来的惯性力引起的桩基剪切、弯曲破坏，还有桩基 设计不足引起的震害。