防震设计论文范文

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第1篇

选址与结构体系选择

应通过合理的规划选址，避开地质灾害发生地段和活动断层，确保场地的安全性，避免在抗震不利的地段上建造。选择合理的结构体系，采用对抗震有利的建筑平面、立面布置。平面布置应力求简单、规则，尽量避免应力集中的凹角和收进；避免建筑物竖向体型复杂、外挑内收变化过多，力求刚度均匀，避免产生应力集中。平面或竖向不规则的建筑结构，其计算模型有特别要求，计算工作量大，计算难度提高且并不能保证其计算结果的准确性，造成结构安全度难以控制。因此，设计中应尽量避免采用不规则的方案。

结构构件应有明确的计算简图和合理的地震作用传递途径；尽量减轻结构自重，减小地基土压力，降低地震作用，对可能出现的薄弱部位，采取措施提高抗震能力，确保节点的承载力大于构件的承载力；从构造上采取措施，防止地震作用下节点的承载力和刚度过早退化。

由于地形及建筑功能布局的原因，教学楼平面不规则、体型复杂，在一些不影响建筑使用和立面效果的部位设置防震缝，具置设在1号教学楼、2号教学楼、实验楼的教师办公、通用技术教室、连廊等不同使用功能、不同柱网的建筑单体之间，从而形成了6个单独的、较规则的抗侧力结构单元，有效地解决了可能产生的过大的内力和变形问题以及抗震问题。防震缝宽度取值比规范规定值大50mm，以避免地震中可能发生的碰撞。教学楼结构单元划分如图2所示。

刚度与承载力分布

结构需具有合理的刚度和承载力分布，避免因局部削弱或突变形成薄弱部位，产生过大的应力集中或塑性变形集中。结构布置应使结构平面在两个主轴方向均具有足够的刚度和抗震能力，同时还应具有抗扭转刚度和抵抗扭转振动的能力。由于设计内力计算模型是建立在楼盖平面内刚度无限大的假定基础上，设计应使楼盖系统有足够的平面内刚度和抗力，并与竖向结构有效连接，从而保证梁、板、柱、墙能协同工作。

由于报告厅与食堂的使用功能相对独立，利用中间庭院天井设置伸缩缝，划分成两个独立的结构单元：报告厅单元和食堂单元。报告厅结构单元在二层标高处仅在观众厅两侧、门厅区域有楼板，其余部位均为楼板大开洞,形成空旷大空间，且由于建筑使用功能和隔声的要求，北侧柱较密，柱网开间较小，南面部分柱稀少，刚度分布不均匀，对抗扭不利。通过在适当的部位布置少量剪力墙，调整结构的整体刚度，使各项计算指标能满足规范要求。报告厅、食堂平面图如图3所示，报告厅剖面如图4所示。

设置多道抗震防线

框架结构尤其是教学楼、报告厅这种大开间、大柱网、纵横向刚度不均匀的结构，应合理布置柱间支撑或柱翼墙，增加结构纵向刚度，加强结构的空间整体性，使结构具备必要的抗震承载力、良好的变形能力和消耗地震能量的能力。

延性结构设计

结构的延性是结构抗震设计中一个很重要的概念。结构的延性一般用延性系数来表示，它表示结构极限变形与屈服变形的比值。其值越大，则结构的延性越好，在地震作用下，结构已无强度安全储备，结构的抗震性能主要取决于结构的变形能力。因此，一个结构的变形能力越大，在地震作用时，就能更好地消耗地震能量，保证结构的可靠度。钢筋混凝土结构是由各种钢筋混凝土构件组成，组成结构的各构件延性越大，整个结构的延性就越好，结构的延性越好，结构的抗震能力也越好。在大震下，即使结构构件达到屈服，仍然可通过屈服截面的塑性变形来消耗地震能量,从而避免发生脆性破坏。当地震后的余震发生时，由于塑性铰的出现，结构的刚度明显变小，周期变长，所受的地震力会明显减小，震害减轻。延性结构设计的具体内容有以下几点。

（1）强柱弱梁。控制塑性铰在框架中出现的位置，塑性铰出现的位置或顺序不同，将使框架结构产生不同的破坏形式。塑性铰应先出现于梁端部，使结构在破坏前有较大的变形，吸收和耗散较多的地震能量，因而具有较好的抗震性能。

（2）强剪弱弯。控制梁柱构件的破坏形态，使其发生延性较好的弯曲破坏，避免脆性的剪切破坏，而且保证构件在塑性铰出现后也不会过早剪切破坏。

（3）强节点、强锚固。由于节点区受力状态非常复杂，所以在结构设计时只有保证各个节点不出现脆性的剪切破坏，才能使梁柱充分发挥其承载能力和变形能力。即在梁柱塑性铰出现之前，节点区不能过早破坏。

（4）严格控制梁的配筋率。钢筋混凝土的破坏分为受拉钢筋达到屈服状态的延性破坏和混凝土先被压碎或剪切破坏等脆性破坏两种形式。设计时应按计算或构造选取适宜的配筋率，避免出现梁受拉钢筋过多或出现超筋现象，使结构发生脆性破坏。应选取适宜的梁截面尺寸，严格控制梁截面相对受压区高度。规范规定，对于一级抗震，相对受压高度不大于0．25，二三级抗震不大于0．35，且受拉钢筋最大配筋率不大于2．5％。同时控制受拉钢筋的最小配筋率，保证梁不会在混凝土受拉区刚开裂时就屈服甚至拉断。此外，梁上部钢筋间距不宜太密，否则会造成混凝土浇筑困难，从而造成混凝土缺陷。

（5）梁受压区配置适量受压钢筋，可提高梁的延性。

（6）加密箍筋。可提高箍筋对混凝土的约束力，避免梁的纵向受压钢筋产生弯曲，从而提高梁的延性；同时，还可提高梁的抗剪强度，防止剪切脆性破坏的发生。

（7）柱轴压比限制。对不同烈度下有着不同延性要求的结构会有不同的轴压比限制。设计时应严格控制柱的轴压比，尽量避免采用短柱，因为短柱的破坏是脆性破坏，加密柱箍筋采用复合箍，都可提高对混凝土的约束力，以防柱受压钢筋被压曲，从而提高柱的延性。另外，柱端箍筋用量的控制不是简单的配箍率，而是有配箍特征值，它同时考虑了箍筋强度等级和混凝土强度等级对配筋量的影响。

抗震构造措施

在青川中学的结构抗震设计中，应吸取汶川地震建筑震害的经验教训，特别重视结构抗震的构造措施。

（1）框架结构节点钢筋须满足锚固要求（图5），梁柱箍筋按规范要求加密，注意箍筋和纵筋的比例，填充墙不到顶形成短柱时，框架柱应全高加密，从构造上保证强剪弱弯、强节点、强锚固。

（2）突出屋面的楼梯间、水箱、女儿墙等附属物，由于沿房屋高度的刚度骤减而产生“鞭梢效应”，从而加大了地震作用，对出屋面建筑本身和主体建筑物的抗震都非常不利。在出屋面建筑的设计中，宜通过综合考虑来选择其适当的平面位置，并尽量降低其高度，减轻重量，使屋顶建筑结构的重量和刚度分布较均匀，并与主体结构有可靠连接，从而使其具有良好的抗震性能。

（3）位于建筑物出入口上方的挑檐、雨篷、玻璃幕墙、吊顶、构架等非结构构件应与结构主体有可靠连接，且具有良好的变形能力，避免地震时脱落。

（4）由于楼梯段侧向刚度较大，山墙较高，休息平台与楼层存在错层，地震时最易破坏，作为逃生通道，对楼梯间的抗震设计应予以充分重视。支撑楼梯的框架柱应考虑楼梯休息平台板的约束作用和可能引起的短柱，按短柱的抗震要求进行加强。楼梯间两侧的填充墙与柱之间加强拉结。楼梯间的混凝土梯段、梁、板应参与计算，并按规范要求设置构造柱和拉结钢筋。楼梯梯段板采用现浇钢筋混凝土，梯段板采取双层双向配筋。

（5）教学楼、报告厅、图书馆等的屋顶均为坡屋面，在阁楼层标高处设置了框架拉梁，以加强结构的整体性。

（6）在框架结构中，填充墙的构造措施很重要（图6，7）。在水平地震作用下填充墙与框架是共同作用的，一方面墙体受到框架的约束，另一方面框架受到填充墙的支撑，由于填充墙的侧向刚度较大，所受到的地震作用大，而填充墙的抗剪强度又较低，变形能力小，所以填充墙在地震发生时易出现裂缝。因此，填充墙与框架的连接除按国家有关规范的要求设置构造柱、拉结筋和水平拉梁外，还应按西南标准图集《框架轻质填充墙构造图集》（西南05G701）相应的构造措施进行加强。

第2篇

在其他许多国家的抗震规范中，也或多或少地采用了这一设计原则，即便如此，各国规范在具体的设计程序上绝大多数仍坚持以安全设计地震为准的单一水平设计手法，并认为第一设计水准的要求自动满足［3］。近年来，专家已建议对两个设防水准的地震力都要进行设计，这在一定程度上更加保证了桥梁结构的抗震安全性，也是未来桥梁抗震设计的一个发展方向。理念的提出基于性能的抗震设计思想是一个比较抽象的概念，它没有明确的力的大小的物理意义，也没有单纯的材料强度或结构位移的具体量化结果。因此，基于性能的抗震设计思想不能比较明确的用一个参数来衡量结构的抗震性能，它是对以往的结构的响应的一个综合考量，结构的性能往往与结构的受力大小、强度或位移，耗能能力以及结构的功能有关，更为直接地反映的是为满足人们的正常使用要求或结构功能性或安全性的性能综合考量。因此，对于不同的需求和功能要求，同样一座桥梁的抗震评估结果将有所不同［1］。基于性能的抗震设计可以简要的概括为，用总少的投入，建总可靠的桥梁。正如著名的地震工程学家胡聿贤先生所讲，工程抗震不仅与工程技术有关，而且与社会经济密切相关。基于性能的抗震设计思想是桥梁抗震设计思想发展的一种必然趋势，对于人类进步和社会发展都将起到积极的作用。基于性能的抗震设计思想是一个全新的思想体系，目前已经取得了一些研究成果，但到广泛的应用还有一定的距离，甚至目前都没有形成完全统一的概念。但这并不妨碍基于性能的设计思想的进一步完善。

设计方法的体现

传统的桥梁抗震设计思想即对某一性能目标进行比较，如对结构的地震响应力、地震位移、结构耗能等单一性能参数进行考虑。从严格意义来讲，这并不能反映结构的真实安全性能。而基于性能的抗震设计，其目标即为业主的期望目标或结构性能，包括地震动性能目标和结构抗震性能目标。基于性能的抗震性能目标，是一个对传统的结构的性能的一个综合考虑，因此，各单一结构性能之间的相互关系显得十分重要而又相互制约，如连续梁桥梁结构的梁端位移与墩底弯矩即为相互制约的关系，基于性能的设计思想即要从这两者之间找到一个平衡点，以达到各单一性能的充分而平衡的发挥。同时，基于性能的抗震设计思想也要对结构的经济指标提出要求。人们总是希望结构设计以社会效益和经济指标为目的，基于性能的抗震设计思想即在对结构进行抗震设计时，对桥梁结构遭受地震破坏所造成的损失、维修成本、社会影响等进行综合评估，这也是基于性能的抗震设计思想所必须考虑的一个关键所在。基于性能的桥梁抗震设计是一个涉及多门学科的综合型研究领域，需要对多个领域，如地震学、桥梁工程、经济等都要有一定程度的认知才能进行基于性能的抗震设计，这也对桥梁抗震设计工程师提出了更高的要求。

第3篇

桥梁的总体布置

1立交匝道桥的特点

互通立交的匝道桥，受地形、地物和占地面积等影响，其总体布局跟其它桥梁相比，有以下特点：

（1）由于互通立交区匝道的最小平曲线半径可达30m，如果桥梁刚好位于小半径平曲线上，则该桥就可能做成曲线梁桥，且往往超高值较大，故桥梁的横坡较大。

（2）由于要在短距离内实现高差，匝道桥往往纵坡较大。

（3）桥面较窄。

（4）匝道桥有时候需要跨越主线或其他匝道，以及非机动车道，因此匝道桥的单跨跨径受到限制，不能减小。

由于匝道桥具有斜、弯、坡、异形等特点，属于不规则桥梁，在地震作用下的响应相对比较特殊，其抗震设计将更复杂，不仅要满足常规桥梁所规定的构造，而且在某些方面需要提出更高的要求。震害表明，曲线梁桥具有较高的地震易损性，薄弱环节较多，因此其抗震概念设计就显得尤为重要。

2上部结构

由于匝道桥很多是弯、窄桥，其在荷载作用下，包括静力荷载和动力作用，上部结构的扭矩较大，上部结构受力处于弯扭耦合状态，故需要采用抗扭刚度较大的截面，且桥梁上部结构的整体性要好。因此，对于匝道桥，特别是在小半径曲线上的匝道桥，宜采用箱形截面（跨度相对较大时）或者实心截面（跨度相对较小时）。也正是因为如此，为增加刚度和稳定性，上部结构宜采用结构连续。所以，对于匝道桥，上部结构采用连续箱梁或者连续实心板，将有效地提高其抗震性能。

3下部结构

3．1桥墩的形式

匝道桥一般相对较窄，桥墩一般采用双柱墩或者独柱墩，桥墩的刚度相对较小。在地震作用下，墩身的弯矩和剪力一般不大，但是位移相对较大，如有较好的限位措施，对于抗震来说，未必是不利的。而对于小半径匝道桥来说，地震作用下，可能会导致桥墩产生较大的扭矩，故桥墩的墩身宜采用抗扭刚度相对较大且整体性较好的结构，如独柱实心墩或者空心墩。如采用双柱式墩，应对其进行全桥空间地震响应分析，对关键部位进行加强。

3．2桥墩的刚度

对于连续梁桥，同一联内各桥墩的高度不同而导致其抗推刚度相差较大，则水平地震力在各墩间的分配不均衡，刚度大的墩将承受较大的水平地震力，严重时可能导致刚度较大的桥墩发生破坏，从而导致全桥的损毁。如果刚度扭转中心和质量中心偏离，上部结构还将伴随产生水平转动，又可能导致落梁或者上部结构的碰撞。而匝道桥恰好容易符合这两个条件：纵坡较大，桥墩高差将会比较大；在小半径曲线上，地震作用下可能会出现上部结构的水平转动。

虽然匝道桥的桥墩高度相差较大，可以通过改变桥墩截面的形式或大小来对其抗推刚度进行调节。对于相对较高的桥墩，可以采用刚度较大的截面形式，或者增加其截面尺寸。如此一来，可以使得地震作用下各桥墩的水平地震相应达到均衡。

如桥梁位于小半径曲线上，地震来临时，桥墩承受的水平力方向是不确定的，且有扭矩的存在。因此，桥墩截面的刚度在各个方向大致相同将会是比较好的处理方法，如采用独柱墩或者空心薄壁墩。

3．3桥墩的配筋方式

近年来，桥梁结构的稳健性（robustness）越来越受到重视。稳健性的意思，即当参数摄动时，仍能保持整体稳固性的能力，故亦称为“参数摄动不敏感性”。对于工程结构，则指意外作用下的结构的整体牢固性，或者说结构破坏的后果与原因的不对应（不相称）时的牢固性。桥梁的抗震设计，除遵守通常规范的承载力准则外，还需力求避免意外的次生损毁、再次垮塌，缩小损毁范围以及损坏的可修复、快修复性。匝道桥一般相对较窄，其桥墩要么是独柱墩，要么是双柱墩，没有“冗余约束”，从结构本身来看，其稳健性相对较差。故需通过配筋来提高其在地震作用下的稳健性。

提高桥墩的延性，是提高其稳健性的有效方法之一。配置数量足够的、锚固合理的横向钢筋，对于墩柱来说，可以起到3个方面的作用：约束塑性铰区域内的混凝土，提高混凝土的抗压强度和延性；提高抗剪能力；防止纵向钢筋压曲。因此，箍筋或螺旋筋的间距小一些。各国抗震设计规范对塑性铰区横向钢筋的最小配筋率都进行了具体的规定。对于尺寸较大的墩柱，除须配置间距足够小的箍筋或螺旋筋外，还应配置横向加劲钢筋甚至是双层箍筋，以满足其对核心混凝土的套箍作用（如图1所示），以提高桥墩的延性，从而提高其地震作用下的稳健性。

其他构造

1支座

为保证桥梁刚度均衡，设计时应优先考虑采用等跨径、等墩高、等桥面宽度的结构形式。如不能满足，也可通过调整墩的截面形式和尺寸，或者调整支座等方法来改善桥墩的刚度均衡情况。其中，调整支座可能是最简单易行的办法，效果也很显著。当采用橡胶支座后，由墩和支座构成的串联体系的组合抗推刚度为：式中：kt是墩和支座的组合抗推刚度，kz和kp分别为橡胶支座的剪切刚度和桥墩的水平刚度。如地震作用下，桥墩仍处于弹性状态，其水平地震力就是按墩的组合抗推刚度的比例分配的，从上式可以看出，调整支座的刚度可以有效地改善桥的刚度均衡状况。

另外，如果地震设防烈度较高（超过8度），须考虑将支座设计成抗震支座，以达到减、隔震的目的。

2墩梁连接方式

一般情况下，桥墩跟上部结构之间，采用支座连接。但是，有些情况下，可以将抗推刚度较小的桥墩和上部结构固结来考虑，刚度较大的桥墩与上部结构之间通过支座连接。如此，一方面可以增加桥梁的整体稳定性，另一方面，也可以让桥墩之间的抗推刚度均衡。

3限位装置

对于桥墩刚度较小的情况，由于地震作用下的墩顶水平位移较大，限位装置是不可或缺的。横桥向的限位措施主要有剪力键和防震锚栓，纵向限位措施包括剪力键、防震锚栓、链索式和拉杆式限位器等（如图2所示）。限位装置应允许梁体在小范围内自由移动，该自由移动范围的大小一般以不影响支座的正常变形为宜。为减小碰撞力和碰撞损伤，限位器常在梁间和主梁与剪力键间设置橡胶等缓冲材料。

工程实例

1工程概况

云南某高速公路的互通立交区桥梁，位于平曲线半径42m的匝道上，超高0．08，最大纵坡5％，桥宽7．75m，设计采用3～20m现浇箱梁，下部结构采用桩径1．4m独柱墩，①号桥墩墩高8m，②号墩高13m。其立面图如图2所示。

原设计未进行概念设计。桥墩高度不同，而截面相同；未设限位装置。现将原设计做局部修改，增加防震销，桥墩截面随高度增加，使其抗推刚度接近一致。对该桥的原设计方案和按照本文前述内容进行修正后的方案进行地震响应分析，比较其地震响应的区别。

2有限元模型

取全桥为分析模型，主要分析纵桥向的地震响应。墩底为完全固结。根据桥址的场地土条特性，选用El－Centro波作为非线性时程分析地震输入，因该桥抗震设防烈度为8度，故将El－Centro波水平地震加速度峰值调至0．2g。计算模型如图3所示。3．3地震响应分析本文对优化前后的桥梁地震响应进行分析和比较。

设置限位装置之后的墩顶位移与原设计墩顶位移对比分析：①号墩仅有微小的变化，②号墩位移相比原来小了14．27％，抗震性能提高明显。可见，限位装置效果的体现对较高的柔性墩有明显的影响。

（2）统一桥墩抗推刚度后的影响（见表2）②号墩直径加大，使其刚度与①号墩一致，计算结果分析对比：桥墩底的内力均有不同程度的改善，其中②号墩改善最显著，墩底内力与墩顶位移均有大幅度的提高。

①号墩也有相对②号墩较小的变化。可见，让各墩的刚度尽量相等，对整座桥桥墩的内力和位移都有影响，优化之后的①、②号墩刚度趋向于一致，使全桥的内力分配更均匀，从而提高的桥梁的抗震性能。