橋墩地震
關注創建者：匿名 創建時間：2022-02-28
橋墩地震的實例教程
當出現支座與主梁分離，即W(t) = 0，則摩擦恢復力FH(t)必為零，更符合地震作用下盆式橡膠支座的實際性能表現。
(a)雙線性支座模型
(b)可變摩擦支座模型
圖4 兩種支座力學模型
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地震動選擇、IR選擇
根據該橋的場地條件，其設計基準地震(DBE)、罕遇地震(MCE)對應的地震動峰值加速度（PGA）分別為0.2g和0.34g。本文根據目標反應譜擬合得到七條人工波作為地震輸入。
在增量動力分析中，地震波分別從豎向和水平向兩個方向輸入，將水平向PGA取為0.34g，作為恒定輸入。并定義豎向PGA與水平PGA的比值為豎向水平分量比IR，IR作為本次增量動力分析的地震動強度指標。近些年一些典型強震的地震動研究表明大震的IR往往大于1，因此本文研究IR從0按照0.15的間距增加至3的連續梁橋地震響應。
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分析結果
本文主要探究兩種支座模型在豎向地震作用下支座性能及橋墩地震響應的差異。
（1）標準IR作用下的結果
《公路橋梁抗震設計細則》要求的標準IR是0.65，當采用GM1，IR為0.65時，其支座軸力的時程結果見圖5。中支座的軸力波動不明顯，且一直處于受壓狀態。邊支座的軸力波動非常明顯，且雙線性模型和可變摩擦模型呈現出了顯著的差異。在雙線性支座模型中，邊支座甚至出現了0.39MN的拉力，而摩擦型支座模型的軸力最小為0MN。結果表明，摩擦性支座僅受壓不可受拉，能較為真實模擬橡膠支座與主梁脫空的情況。
展開 1999年臺灣地震中烏溪橋南下線橋墩受剪破壞。1995年日本阪神地震中阪神高整線在神戶市內高架橋的倒毀，一共18根獨柱橋墩被剪斷，長500m左右的梁部側向傾倒。阪神地震中西宮港大橋系桿拱主跨的東連接第一跨的引橋,由于支座抗剪承載力不足而遭到毀壞，最終導致落梁破壞。這些例子都敲打著筑橋人的神經，如何從設計上抗震？成為大家思考的難題。
橋梁上部結構由于受到墩臺、支座等的隔離作用，在地震中直接受慣性力作用而破壞的實例較少，由于下部結構破壞而導致上部結構破壞則是橋梁結構破壞的主要形式，所以在抗震設計中橋墩比橋梁重要。并且橋墩是橋梁結構中最重要的承重構件，橋墩破壞將導致整個橋梁結構的倒塌。在地震作用下，它是壓、彎、剪構件，其變形能力不如以彎曲作用為主的梁，因此要使橋梁結構具有較好的抗震性能，應該確保橋墩有足夠的承載力與延性。即從橋梁整體結構的角度出發進行橋梁抗震設計，應該要求“強墩弱梁”。
如今人們對地震的研究還有待深入，提高結構的變形能力，增加結構延性，提高結構耗能能力對于改善結構的抗震性能有著重要的意義。結構的彎曲破壞是塑性破壞，發生彎曲破壞時，鋼筋屈服形成塑性鉸，從而具有塑性變形能力，構件表現出很好的延性，而且結構的塑性變形使得剛度下降，其所分擔的地震作用也相應減少。當結構發生彎曲破壞時可以有效地通過變形來吸收和耗散能量。
而結構剪切破壞時，其破壞形態是脆性破壞或者延性很小，不能滿足橋梁延性設計的要求。橋墩在地震作用下要有足夠的延性，其控制截面處的抗剪承載力要大于抗彎承載力，使得在彎曲破壞之前不發生剪切破壞。即從個別受力構件的角度出發進行橋梁抗震設計應該要求受力構件“強剪弱彎”。
以往的橋梁震害中，支座破壞引起橋梁結構塌落毀滅屢見不鮮，它歷來被認為是橋梁整體抗震性能上的一個薄弱環節。
展開 03能力保護設計
乙、丙類橋梁，除斜拉橋、懸索橋以及采用減隔震設計的橋梁外，當采用A類抗震設計方法、I類抗震體系進行抗震設計時，E2地震作用下，橋墩采用延性抗震設計，與橋墩相關節點采用能力保護設計。
橋墩延性設計：對于延性構件在E1地震作用下需要保持彈性，而在E2作用下可以進入塑性狀態，E1作用的時候計算結構的強度，而在E2作用的時候驗算結構的變形問題。
能力保護設計：能力保護設計思想是通過設計使結構體系中的延性構件和能力保護構件形成強度等級差異，保證結構形成一個恰當的塑性耗能機制，確保延性構件不發生脆性破壞，即橋梁結構在地震作用下，主動選擇墩柱潛在塑性鉸，利用墩柱塑性變形，消耗地震力，墩柱不發生剪切破壞、塑性鉸位移不超限，支座、蓋梁、基礎作為能力保護構件設計，使橋梁下部結構延性構件和能力保護構件形成等級差異。
(1)判斷墩柱是否在地震作用下屈服
①選擇潛在塑性鉸：如上圖所示，連續梁、簡支梁的獨柱結構，塑性鉸一般為柱底，當連續梁采用墩梁固結時，塑性鉸為柱頂和柱底；連續梁、簡支梁為雙柱結構時，塑性鉸在柱頂和柱底位置。
②計算墩柱E2地震作用下的最大彎矩。
③計算等效屈服彎矩：依據墩柱實際配筋，計算墩柱等效屈服彎矩Mu，見《城抗規》7.3.8條。等效屈服彎矩Mu為按照實際配筋，采用材料的標準強度，在恒載軸力下的計算出的截面受彎承載力。
展開 不過，這種方法耗時太長，實現起來比較困難， 因此，我們需要進行地震災害概率分析(PSHA)。在PSHA中，通過數學模型考慮地震引起的規模、位置和烈度的不確定性，從而對未來可能發生的地震進行預測。在后續的文章中，我們會詳細討論PSHA的計算方法以及使用這種方法的動機。由于聯合了許多模型和數據源導致PSHA方法可能看起來不怎么透明，但是如果仔細研究，這種方法實際上是相當直觀的。一旦理解并正確實施，PSHA就有足夠的靈活性，可以滿足用戶的各種需求，通過量化各種變量，可以合并所有關于地震活動及所產生的地震動因素。
1999年臺灣9.21地震造成橋墩破壞
3 PSHA的步驟
PSHA是基于概率分析的方法，因此需要假定概率表達式，通常假定每個潛在震源區地震活動性滿足三個分布：潛在震源區內地震活動為均勻分布；潛在震源區內地震震級大小滿足G-R分布；潛在震源區內地震發生頻次滿足泊松分布。PSHA的操作步驟如下：
(1) 劃分潛在震源區：依據地震構造特征確定未來地震可能的空間分布模型；
(2) 建立潛在震源區地震復發模型：依據地震發生規律確定地震發生的震級分布模型；
(3) 建立地震動預測模型：依據地震動衰減特征確定用于計算地震在場點產生的地震動大小的預測方程，并確定反映其隨機不確定性大小的概率分布模型，通常假定滿足對數正態分布；
(4) 計算場點的地震危險性：確定地震發生頻次的概率分布模型，并綜合所有潛在震源區內地震的影響，得到場點地震動參數的年超越概率曲線。
展開 連續組合梁：連續組合梁在橋墩上受到很大的負彎矩作用，其橋面板如何承受拉應力、防止發生有害裂縫是一個未完全解決的課題。
七、組合鋼板梁橋的現狀與發展
非組合鋼板梁橋：橫撐、豎撐，加勁肋等輔助構件很多
圖5 非組合鋼板梁橋的承重體系
組合鋼板梁橋—歐洲設計上的變遷
組合鋼板梁橋—日本設計上的變遷
圖5 日本早川橋 相鄰2座橋（4根主梁--2根主梁）
采用預應力混凝土橋面板，減少主梁根數；不設或少設橫撐、腹板加勁肋 ；維護容易，造價大幅度降低。
組合鋼板梁橋的發展趨勢
采用預應力混凝土橋面板，減少主梁根數；
對承重體系加以改進，不設或少設橫撐、腹板加勁肋；
采用高強鋼材、輕質或鋼纖維混凝土等新型建筑材料；
推廣使用耐候鋼，節省防銹等維護費用；
用等高或連續變截面壓延鋼板翼緣，代替多層或間斷變截面鋼板翼緣；
實行多跨連續，少設或不設伸縮縫；
使用橡膠支座，使各橋墩減少水平地震荷載；
把鋼梁與混凝土橋墩剛接，節省支座維護費用。
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分析結果
本文主要探究兩種支座模型在豎向地震作用下支座性能及橋墩地震響應的差異。
（1）標準IR作用下的結果
《公路橋梁抗震設計細則》要求的標準IR是0.65，當采用GM1，IR為0.65時，其支座軸力的時程結果見圖5。中支座的軸力波動不明顯，且一直處于受壓狀態。
獲取單質點體系的基頻和特性參數，則第一振型的第r號橋墩，其最大地震位移響應U和加速度響應φ計算公式為:
式中:δ為單質點體系反應譜位移，與反應譜最大反應值和橋墩高度呈正相關;σ1為第一階振型的振動疊加;ε為水平地震系數。
組合鋼板梁橋的發展趨勢
采用預應力混凝土橋面板，減少主梁根數；
對承重體系加以改進，不設或少設橫撐、腹板加勁肋；
采用高強鋼材、輕質或鋼纖維混凝土等新型建筑材料；
推廣使用耐候鋼，節省防銹等維護費用；
用等高或連續變截面壓延鋼板翼緣，代替多層或間斷變截面鋼板翼緣；
實行多跨連續，少設或不設伸縮縫；
使用橡膠支座，使各橋墩減少水平地震荷載
03能力保護設計
乙、丙類橋梁，除斜拉橋、懸索橋以及采用減隔震設計的橋梁外，當采用A類抗震設計方法、I類抗震體系進行抗震設計時，E2地震作用下，橋墩采用延性抗震設計，與橋墩相關節點采用能力保護設計。
橋墩在地震作用下要有足夠的延性，其控制截面處的抗剪承載力要大于抗彎承載力，使得在彎曲破壞之前不發生剪切破壞。即從個別受力構件的角度出發進行橋梁抗震設計應該要求受力構件“強剪弱彎”。
以往的橋梁震害中，支座破壞引起橋梁結構塌落毀滅屢見不鮮，它歷來被認為是橋梁整體抗震性能上的一個薄弱環節。城市高架橋梁柱的結點，橋墩與蓋梁的結點，橋墩與基礎等結點也經常發生破壞。
1999年臺灣9.21地震造成橋墩破壞
3 PSHA的步驟
PSHA是基于概率分析的方法，因此需要假定概率表達式，通常假定每個潛在震源區地震活動性滿足三個分布：潛在震源區內地震活動為均勻分布；潛在震源區內地震震級大小滿足G-R分布；潛在震源區內地震發生頻次滿足泊松分布。
本項目就是采用了“單柔群剛、剛柔相濟”的連續剛構體系，利用抗推剛度較低的橋墩來消耗地震能量，又不減弱橋梁的正常使用功能。
3.防落梁支座：目前市政工程上常見的防落梁裝置，是墩梁之間設置混凝土或型鋼支擋，以限制罕遇地震作用下的位移，防止主梁掉落。
