工程结构抗震设计基础Part第章绪论.ppt

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1、第二部分第二部分 大跨度大跨度桥梁抗震设计桥梁抗震设计 第第1章章 绪论绪论第一页，编辑于星期五：六点 四十九分。1.1 1.1 引引 言言1.2 大跨度桥梁抗震设计现状大跨度桥梁抗震设计现状1.3 桥梁震害分析桥梁震害分析1.4 大跨度桥梁抗震设计实用方法大跨度桥梁抗震设计实用方法1.5 大跨度桥梁地震反应分析大跨度桥梁地震反应分析第二页，编辑于星期五：六点 四十九分。1.1 1.1 引引 言言 许多破坏性大地震都集中在城市，造成非常惨重的生命财产损失.如1971年美国美国San Fernando地震地震(M6.6)1976年中国唐山大地震中国唐山大地震(M7.8)1989年美国美国Loma

2、 Prieta地震地震(M7.0)1994年美国美国Northridge地震地震(M6.7)以及1995年1月17日日本阪神大地震日本阪神大地震(M7.2)(正式名称为1995年兵库县南部地震，造成6000多人死亡)，导致的城市经济总损失(以当时的币值为准)分别为：10亿美元，100亿人民币，70亿美元，200亿美元，1000亿美元。这几次地震灾害的共同特点共同特点是：由于桥梁工程遭到严重破坏，切断了震区交通生命线，造成救灾工作的巨大困难，使次生灾害加重，导致了巨大的经济损失,这些都说明了桥梁工程抗震研究的重要性。第三页，编辑于星期五：六点 四十九分。我国颁布了中华人民共和国防震减灾法，白19

3、98年3月1日起施行。防震减灾法第十七条规定“新建、扩建、改建建设工程，必须达到抗震设防要求。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。该法所称重大建设工程，是指对社会有重大价值或者有重大影响的工程”。第十九条规定，“建设工程必须按照抗震设防要求和抗震设计规范进行抗震设计，并按照抗震设计进行施工”。第四页，编辑于星期五：六点 四十九分。1.2 大跨度桥梁抗震设计现状大跨度桥梁抗震设计现状 目前，国内外现有的绝大多数桥梁工程抗震设计规范只适用于中等跨径的普通桥梁(主跨一般不超过200m的梁桥和拱桥)，超过适用范

4、围的大跨度桥梁的抗震设计，则无规范可循。日本是世界地震最多的国家之一，其包括桥梁在内的结构抗震研究一直走在世界的前列。1923年的关东大地震以来，日本的抗震工程研究取得了很大的成就，其结构抗震设计技术也达到了很高的水平，在1995年之前的二三十年里，日本发生的屡次大地震都极少因结构本身破坏而带来严重的人员伤亡或经济损失。然而，1995年的阪神大地震却造成许多人的死亡及巨大的经济损失，为什么？第五页，编辑于星期五：六点 四十九分。阪神大地震造成结构破坏的根本原因是由于发生于内陆部的都市直下型地震的震源浅、释放能量大、产生的地面加速度大大超过了日本抗震规范的设防标准，因而引起了结构的严重破坏。这次

5、震灾给研究者带来许多新的研究课题，纵观抗震工程发展的历史，每次引起严重灾害的大地震之后，抗震工程的理论和技术水平都要跨上一个新台阶。阪神地震后，日本对公路及铁路桥梁抗震设计规范都作了大幅度修订，一些研究者也把日本的规范和其它国家及地区如美国、新西兰、欧盟的规范作了比较，目的是明确日本规范的相对位置和吸收他人之长，新规范中积极采用了下述几方面研究课题的成果：第六页，编辑于星期五：六点 四十九分。(1)有关地震作用的研究有关地震作用的研究 阪神大地震的地震力虽很大，但其发生概率却很低(约为1000年一次)，如何合理地确定地震作用是抗震工程研究的出发点。目前日本主要有两种观点；采用概率论的方法从地震

6、工程学的观点出发找出有可能发生地震的活断层，建立理论模型来预测断层的规模、滑动量、至结构物建设地点的距离等，从而计算出地震发生时可能引起的地震作用，并应用于设计。第七页，编辑于星期五：六点 四十九分。(2)有关桥梁系统的整体抗震性能的研究有关桥梁系统的整体抗震性能的研究 着眼于研究桥梁的结构形式：局部强度、刚度的分布；结构各部分之间的连接构件(如支座、伸缩缝等)的抗震性能；上部结构基础地基的相互作用等。(3)有关延性抗震的研究有关延性抗震的研究 除研究如何保证结构具有足够的变形性能外，另一主要研究内容为结构的弹塑性地震反应分析方法，为设计提供手段和依据。第八页，编辑于星期五：六点 四十九分。(

7、4)有关结构隔震及制振有关结构隔震及制振(震震)研究研究 隔震研究在日本已有40多年的历史，阪神地震的经验表明，隔震设计的房屋和桥梁具有良好的抗震性能，阪神地震后，隔震设计思想受到重视，被越来越广泛地采用。(5)有关抗震设计理论的研究和设计方法的比较有关抗震设计理论的研究和设计方法的比较 一些新的设计计算方法得到了采用，与设计理论相关的研究动向是有关“性能设计”的研究。第九页，编辑于星期五：六点 四十九分。1.3 桥梁震害分析桥梁震害分析 调查研究结果表明，桥梁的震害主要表现为：(1)上部结构的破坏：上部结构的破坏：桥梁上部结构本身遭受震害而被毁坏的情形比较少见，往往是由于桥梁结构其他部位的毁

8、坏而导致上部结构的破坏；(2)支承连接部位的震害：支承连接部位的震害：桥梁支承连接部位的震害极为常见。由于支承连接部位的破坏会引起力的传递方式的变化，从而对结构其他部位的抗震产生影响，进一步加重震害。第十页，编辑于星期五：六点 四十九分。(3)下部结构和基础的震害：下部结构和基础的震害：下部结构和基础的严重破坏是引起桥梁倒塌，并在震后难以修复使用的主要原因，阪神大地震共造成数百个桥墩产生龟裂。进一步分析桥梁震害的起因有：进一步分析桥梁震害的起因有：(1)由于砂土液化，地基下沉，岸坡滑移或开裂而引起基础的破坏、从而导致桥梁的倒塌。因此，在选择路线和桥位时，应避开对抗震不利或危险的地段。(2)因桥

9、梁结构形式、构造或连接措施不当而引起落梁等震害。用逐跨施工法修建的连续高架桥损坏特别严重。第十一页，编辑于星期五：六点 四十九分。(3)桥梁各支承点的地面运动不一致(地面运动的空间变化性)引起震害。(4)桥梁墩柱本身抗震能力不足引起的破坏，包括强度和延性的不足。启示：启示：要重视桥梁结构动力概念设计，选择较理想的抗震结构体系；要重视延性抗震，用能力设计(或性能设计)思想进行抗震设计；要重视支承连接部位的设计；要重视采用减、隔震措施提高结构的抗震能力。第十二页，编辑于星期五：六点 四十九分。1.4 大跨度桥梁抗震设计实用方法大跨度桥梁抗震设计实用方法 大跨度桥梁抗震设计实用方法分两个阶段进行：(

10、1)在方案设计阶段进行抗震概念设计，选择较理想的抗震结构体系；(2)在初步或技术设计阶段进行延性抗震设计，并根据能力设计思想进行抗震能力分析、验算，必要时要进行减、隔震设计以提高结构的抗震能力。第十三页，编辑于星期五：六点 四十九分。1.5 大跨度桥梁地震反应分析大跨度桥梁地震反应分析 1.5.1 结构抗震动力学初步概念结构抗震动力学初步概念(1)结构地震振动方程结构地震振动方程第十四页，编辑于星期五：六点 四十九分。对微小质量dz，有惯性力、阻尼力和弹性力 地震加速度时程：第十五页，编辑于星期五：六点 四十九分。(2)结构动力持性结构动力持性 求解振动方程得到的结构动力特性(包括结构固有频率

11、、振型、阻尼比等)。第十六页，编辑于星期五：六点 四十九分。1.5.2 结构地震反应分析方法结构地震反应分析方法(1)静力法静力法 主要有：静力法、动力反应谱法和动态时程分析法。早期方法，把结构物在地面运动加速度作用下产生的惯性力视作静力作用于结构物上做抗震计算。存在问题：存在问题：忽略了结构动力特性这一重要因素。第十七页，编辑于星期五：六点 四十九分。(2)动力反应谱法动力反应谱法 动力反应谱法从地震动出发求结构的最大地震反应，但同时考虑了地面运动和结构的动力特性，比静力法有很大的进步。存在问题：存在问题：反应谱方法概念简单、计算方便，可以用较少的计算量获得结构的最大反应值。但是，反应谱只是

12、弹性范围内的概念，当结构在强烈地震下进入塑性工作阶段时即不能直接应用。另一方面，地震作用是一个时间过程，反应谱方法只能得到最大反应，不能反映结构在地震动过程中的时间历程。第十八页，编辑于星期五：六点 四十九分。(3)动态时程分析法动态时程分析法 动态时程分析法从选定合适的地震动输入(地震动加速度时程)出发，1、采用多自由度的结构有限元动力计算模型建立振动方程多自由度的结构有限元动力计算模型建立振动方程，2、然后用逐步积分法对方程进行求解逐步积分法对方程进行求解，3 3、计算地震过程中每一瞬时结构的位移、速度和加速度反应、计算地震过程中每一瞬时结构的位移、速度和加速度反应，从而可以分析出结构在地

13、震作用下弹性和非弹性阶段的内力变化以及构件逐步开裂、损坏直至倒塌的全过程。目前，大多数国家除对常用的中小跨度桥梁仍采用反应谱方法计算外，对重要、复杂、大跨的桥梁抗震计算都建议采用动态对重要、复杂、大跨的桥梁抗震计算都建议采用动态时程分析法时程分析法。第十九页，编辑于星期五：六点 四十九分。1.5.3 地震动输入地震动输入 大跨度桥梁的各支承点可能位于显著不同的场地土上，由此导致各支承处输入地震波的不同，因此，在地地震反应分析震反应分析时就要考虑多支承多激励考虑多支承多激励的作用，简称多点多点激振激振。第二十页，编辑于星期五：六点 四十九分。1.5.4 非线性问题非线性问题 非线性因素主要有：几

14、何非线性；桥墩弹塑性；支承连接条件的非线性。(1)几何非线性几何非线性 (斜拉桥、悬索桥)缆索垂度效应，一般用等效弹性模量模拟；梁柱效应，即梁柱单元轴向变形和弯曲变形的耦合作用，一般引入几何刚度矩阵来模拟，只考虑轴力对弯曲刚度的影响；大位移引起的几何形状变化(简称大变形)。由于地震引起的位移相对于跨径来说很小，因而可以忽略大位移引起的几何非线性。第二十一页，编辑于星期五：六点 四十九分。(2)桥墩的弹塑性桥墩的弹塑性 在桥梁抗震设计中，对于强震而言，希望在桥墩中出现塑性变形，利用结构的延性抵抗地震，或吸收能量。支承连接条件的非线性包括各种橡胶支座、抗震支座以及各种限位装置(如挡块)等。(3)支

15、承连接条件的非线性支承连接条件的非线性 第二十二页，编辑于星期五：六点 四十九分。1.5.5 阻尼问题阻尼问题 阻尼是结构的一个重要动力特性，也是结构地震反应中最为重要的参数之一，其大小和特性直接影响结构的基本动力反应特征。由于阻尼的存在，物体的自由振动将会逐步衰减。在桥梁抗震分析中，一般采用粘滞阻尼理论，即假设阻尼力与运动速度成正比，阻尼的大小通常用阻尼比来表示。第二十三页，编辑于星期五：六点 四十九分。1.5.6 地基与结构相互作用地基与结构相互作用 坚硬地基：坚硬地基：用刚性地基模型对结构进行地震反应分析；软土地基：软土地基：考虑地基的弹性或地基与结构的相互作用。1.5.7 桥梁地震反应

16、分析程序桥梁地震反应分析程序 国内外流行使用的地震反应分析程序有：SAP系列、ALGOR、ADINA，ANSYS、MSC、NASTRAN、ABAQUS等。第二十四页，编辑于星期五：六点 四十九分。1.6 桥梁延性抗震设计及验算桥梁延性抗震设计及验算 延性抗震理论延性抗震理论与强度理论强度理论不同，它通过结构选定部位的塑性变形来抵抗地震作用。一方面，塑性变形能消耗地震消耗地震能量能量，从而减小地震影响；另一方面，塑性铰塑性铰的出现使结构的周期延长周期延长、从而减小地震所产生的惯性力减小地震所产生的惯性力。第二十五页，编辑于星期五：六点 四十九分。1.7 桥梁减震隔震设计桥梁减震隔震设计 减震：减震：利用特制减震构件或装置，使之在强震时率先进入塑性区，产生大阻尼，大量消耗进入结构体系的能量；隔震：隔震：利用隔震体系，设法阻止地震能量进入主体结构。第二十六页，编辑于星期五：六点 四十九分。