1、5.3 抗震概念設計,結構抗震設計包含了兩個設計范疇，即概念設計和參數(shù)設計。抗震概念設計是從概念上，特別是從結構總體上考慮抗震的工程決策；參數(shù)設計主要是地震作用計算、構件強度驗算、結構變形驗算等。 抗震概念設計定義：在進行結構設計時，首先著眼于結構的總體地震反應，按照結構的破壞機制和破壞過程，靈活運用抗震設計準則，全面合理地解決結構設計中的基本問題，既注意總體布置上的大原則，又顧及到關鍵部位的細節(jié)，從根本上提高結構的抗震能力。,5.3.1 一般原則,對采用抗震結構概念設計的延性橋梁，在概念設計階段，除了要考慮抗震設計基本原則之外，還必須重點考慮以下各個要點： 1）應明確結構中抵抗水平地震作用的

2、墩臺的位置和數(shù)量； 2）應在結構設計強度和位移延性之間，取得適當?shù)木猓?3）在選擇結構塑性變形機制時，宜使預期的塑性鉸出現(xiàn)在易于發(fā)現(xiàn)和易于修復的結構部位； 4）應明確結構體系中的延性構件和能力保護構件。,5.3.2 抗震結構類型,建于地震區(qū)工程結構，可選擇三種不同的抗震結構類型：,強度設計,剛性設計 增加結構剛度和基礎構成剛性體系導致結構高度、跨度等受到嚴重限制，束縛地震多發(fā)區(qū)結構設計進步。 柔性設計 通過減小結構剛度，減小作用于結構的地震荷載強度，大震時可能由于結構變形過大導致結構破壞、倒塌， 小震和常規(guī)荷載下，由于剛度過低難以滿足結構正常使用要求。,延性設計,適當控制剛度分布，結構構件地

3、震時進入非彈性變形狀態(tài)以消耗地震能量，保證結構不倒。 結構構件集兩種功能于一身，即結構的使用功能和抗震性能，存在著局限性。 延性設計是在承載能力不下降的前提下具有較大的塑延性設計，并利用滯回耗能。 橋梁中的塑性鉸按延性設計，其他部分則按能力保護原則設計，即保持彈性。,滯回曲線,由于材料的彈塑性性質(zhì)，當荷載大于一定程度后，在卸荷時產(chǎn)生殘余變形，即荷載為零而變形不回到零，稱之為“滯后”現(xiàn)象。 這樣經(jīng)過一個荷載循環(huán)，荷載-位移曲線就形成了一個環(huán)，將此環(huán)線叫做滯回環(huán)，多個滯回環(huán)就組成了滯回曲線。,滯回曲線物理意義：,地震時，結構處于地震能量場內(nèi)，地震將能量輸入結構，結構有一個能量吸收和耗散的持續(xù)過程。

4、 當結構進入彈塑性狀態(tài)時，其抗震性能主要取決于構件耗能的能力。滯回曲線中加荷階段荷載位移曲線下所包圍的面積可以反映結構吸收能量的大小；而卸荷時的曲線與加載曲線所包圍的面積即為耗散的能量。 這些能量是通過材料的內(nèi)摩阻或局部損傷（如開裂、塑性鉸轉動等）而將能量轉化為熱能散失到空間中去。 因此滯回曲線中滯回環(huán)的面積是被用來評定結構耗能的一項重要指標。,結構控制設計,通過結構上設置的控制裝置，由其和結構共同抵御地震和風。 分類 主動控制 半主動控制 被動控制 混合控制,結構控制設計存在問題,a. 主動控制需要外部巨大的能源，災害時難以保證； b. 主動控制的遲時效應； c. 許多被動控制措施（TMD、

5、TLD）在小震和常規(guī)風荷載下，有較好的控制效果，可提高舒適度。但在大震、颶風時，難以保證結構的安全性； d. 控制系統(tǒng)要求比結構更高的可靠性，造價高。,5.3.3 結構體系選擇,1）應具有明確的計算簡圖和合理的地震作用傳遞途徑。 2）應具備必要的抗震承載力、良好的變形能力和消耗地震能量的能力。 3）宜具有合理的剛度和承載力分布，避免因局部消弱或突變形成薄弱部位；對可能出現(xiàn)的薄弱部位，應采取有效措施提高抗震能力（主要是延性）。,4）宜建造在堅硬的場地上，應盡可能避開發(fā)震斷層及其它不利地段和危險地段；對建在可能液化地基或軟土地基上的橋梁，應對地基進行處理；對不得不建于發(fā)震斷層或其它不利地段和危險地

6、段上的橋梁，應進行專門研究。 5）破壞位置宜出現(xiàn)在便于檢查和便于修復的部位。,5.3.4 場地、地基與基礎,一、場地選擇 在橋位選擇時，應充分利用對抗震有利的地段，避開不利地段，以避免或減輕在地震作用下因地基變形或地基失效對公路橋梁造成的破壞。 除次要公路橋梁（指中斷交通對政治、經(jīng)濟和國防沒有較大影響的公路橋梁）外，不應在危險地段建造公路橋梁。,二、地基、基礎設計,弱粘性土層、液化土和嚴重不均勻土層不宜直接用做公路橋梁的地基。當難以避免時，應探明其埋藏和分布情況，采取以下的抗震措施： （1）在軟弱粘性土層、液化土層或嚴重不均勻土層上，不宜修建大跨度超靜定橋梁。,（2）在軟弱粘性土層、液化土層和

7、不穩(wěn)定的河岸處建橋時，對于大、中橋，可適當增加橋長，合理布置橋孔，使墩、臺避開地震時可能發(fā)生滑動的岸坡或地形突變的不穩(wěn)定地段。 否則，應采取措施增強基礎抗側移的剛度和加大基礎埋置深度；對于小橋，可在兩橋臺基礎之間設置支撐梁或采用漿砌片(塊)石滿鋪河床。,（3）在軟弱粘性土層、液化土層或嚴重不均勻土層上建橋時，還應根據(jù)具體情況采取下列措施： 換土或采用砂樁。換土方法適用于軟弱粘性土層或液化土層較薄、埋藏較淺的情況，先將軟弱粘性土層或可液化土挖去，然后分層回填非液化土，并逐層夯實。 減輕結構自重，加大基底面積，減少基底偏心。 增加基礎埋置深度，使基礎穿過液化土層。 采用樁基礎或沉井基礎。,5.3.

8、5 理想的結構體系,從橋梁抗震角度出發(fā)，理想的橋梁結構體系應 是： （1）從幾何線形上看，橋梁應是直的，墩臺應與橋軸方向垂直，因為彎橋或斜橋使地震反應復雜化；橋梁各墩高度應相差不大，墩高不等會導致橋墩剛度變化，使抗側力橋墩中剛度較大的易于最先破壞。,（2）從結構布局上看，上部結構應是連續(xù)的，并使用盡可能少的伸縮縫；橋梁應保持小跨徑；彈性支座應布置在多個橋墩上；各橋墩的強度和剛度在各個方向上都應相同。 （3）從質(zhì)量分布上看，橋梁上部結構的質(zhì)量應輕。 （4）從場地條件上看，基礎應建造在堅硬場地上。,5.3.6 材料方面的考慮,結構抗震性能：木結構、鋼結構的抗震性能較優(yōu)，鋼筋混凝土結構次之，磚、石及

9、素混凝土結構最差。 預期采用新一代建筑材料建造的結構抗震性能優(yōu)良。,一、無約束混凝土（普通混凝土）,從試驗中發(fā)現(xiàn)，各種反復荷載（變形）下無約束混凝土的包絡線都與單調(diào)加載的全曲線十分接近； 而且，由包絡線上的峰值點給出的抗壓強度和峰值應變也與單調(diào)加載的相應值無明顯的差別。 這說明在反復荷載（變形）作用下，無約束混凝土應力-應變曲線的包絡線可以取為單調(diào)荷載下的相應曲線。,二、約束混凝土,對混凝土橋梁，由于無約束混凝土的極限壓應變較低，通常僅為0.0040.005，相應的截面最大塑性轉角也較低，所以，往往無法提供結構在地震動下所需的位移延性。 為提高混凝土橋梁結構的延性，就需要采用約束混凝土的概念。

10、約束混凝土數(shù)量足夠、配置合理的橫向箍筋和縱向鋼筋一起，對核心混凝土起到約束，并能夠有效地限制混凝土的橫向膨脹，維持核心混凝土的完整，提高核心混凝土的極限壓應力，阻止縱向受壓鋼筋可能出現(xiàn)的屈曲。最重要的是，核心混凝土受壓區(qū)在破壞之前，能夠維持較無約束混凝土高得多的壓應變。,5.3.7 限制條件,受功能要求、路線走向以及橋址地質(zhì)條件等因素的制約，橋梁結構體系的選擇受到很大的限制。 （1）路線走向 對橋梁抗震結構體系的要求常常與路線走向相矛盾。從抗震角度來說，理想的橋梁結構應是越簡單、越規(guī)則越好。因此，希望橋梁是直的，各跨分布均勻，各墩的高度基本相同。但這通常難于做到，例如在城市橋梁中，為了適應路線

11、走向，大量采用彎、坡、斜橋和立交橋。,（2）橋址地質(zhì)條件的制約,橋址的地質(zhì)條件對橋長、跨數(shù)以及橋墩的布置均有很大的影響。在基礎施工困難的地帶或深水河床，通常采用大跨、少墩的布置方案。 通常情況下，地震波傳播到地表附近不同質(zhì)點的時刻并不相同。如果地震波在傳播到地表過程中不產(chǎn)生反射、折射和干涉、疊加、彌散等現(xiàn)象，則地表不同質(zhì)點的地震動將具有同一波形，只是相位不同。這種地震動稱為空間相關的地震動。,由于實際土層的復雜性，地震動不可能是空間相關的，即相干的。對于大跨徑橋梁或多跨的長橋，不同位置橋墩的地震動往往是相干的，而且同步的可能性很小，輸入地震動的非一致性和空間相干性的影響不可忽略，這種效應稱為地震動的行波效應。 對于建造在局部地質(zhì)條件相差很大的場地的情況，例如跨越峽谷的橋梁，行波效應將更加顯著。橋梁常常跨越不穩(wěn)定的地段，如果必須將橋墩建在地震作用下有潛在危險的陡坡或岸坡上，則需要增加樁的嵌固深度，或采取特殊的保護措施。,橋梁還可能跨越地震中易液化的場地，如果可能的話，應避