规范桥梁抗震设计详解

,61,新规范桥梁抗震设计详解,北京,MIDAS,技术有限公司,王爽,张策萍,一、桥梁构造、材料概况,桥梁形式：,三跨混凝土悬臂梁,桥梁长度：,L = 30+50+30 = 110.0 m,，其中中跨为挂孔结构，挂孔梁为普通钢筋混凝土梁，梁长,16m,，墩为钢筋混凝土双柱桥墩，墩高,15m,预应力布置形式：,T,构部分配置顶板预应力，边跨配置底板预应力,跨中箱梁截面,墩顶箱梁截面,一、桥梁构造、材料概况,材料,混凝土,主梁采用,JTG04,（,RC,）规范的,C50,混凝土,桥墩采用,JTG04,（,RC,）规范的,C40,混凝土,钢材,采用,JTG04,（,S,）规范，在数据库中选,Strand1860,荷载,恒荷载,自重，在程序中按自重输入，由程序自动计算,一、桥梁构造、材料概况,预应力,钢束,(15.2 mm31),截面面积,: Au = 4340 mm,2,孔道直径,: 130 mm,钢筋松弛系数,(,开,),选择,JTG04,和,0.3(,低松弛,),超张拉,(,开,),预应力钢筋抗拉强度标准值,(fpk):1860N/mm2,预应力钢筋与管道壁的摩擦系数,:0.25,管道每米局部偏差对摩擦的影响系数,:1.5e-006(1/mm),锚具变形、钢筋回缩和接缝压缩值,:,开始点,:6mm,结束点,:6mm,张拉力,:,抗拉强度标准值的,75%,，张拉控制应力,1395MPa,一、桥梁构造、材料概况,该桥位于某,7,度区二级公路上，水平向基本地震加速度值,0.15g,。按,中国地震动反应谱特征周期区划图,查的场地特征周期为：,0.4s,。经现场勘察测得场地土质和剪切波速如下：,二、桥梁场地概况,三、基本参数确定,1,、判别桥梁类型：,二级公路大桥，故该桥为,B,类桥梁。,2,、确定设防烈度：,在,7,度区，按,8,度设防,三、基本参数确定,3,、确定土层平均剪切波速：,土层平均剪切波速为：,209.8m/s,四、场地类别确定,4,、确定工程场地覆盖层厚度：,按此条规范确认为：,11.5m,。,四、场地类别确定,5,、确定场地类别：,查得场地类别为,类场地,四、场地类别确定,6,、根据土质判断是否需要抗液化措施：,判别地基不液化，不需进行抗液化措施。,五、液化判别,E1,地震作用下抗震分析步骤,7,、确定桥梁类型：,确定为规则桥梁,8,、确定分析方法：,采用,MM,法。,E1,地震反应谱的确定,9,、确定重要性系数,：,得该桥在,E1,地震作用下重要性系数为,，在,E2,地震作用下重要性系数为,E1,地震反应谱的确定,10,、根据基本烈度（非设防烈度）确定场地系数,E1,地震反应谱的确定,11,、确定设计基本地震动加速度峰值,A,：,在设防烈度,8,度区，,A,值取为,0.3g,E1,地震反应谱的确定,12,、调整,设计加速度反应谱特征周期,调整后为,：,E1,地震反应谱的确定,13,、,对阻尼比为,0.05,的标准反应谱进行修正,阻尼比为：,0.05,，计算阻尼调整系数得,E1,地震反应谱的确定,E1,地震反应谱的确定,14,、生成反应谱,空间动力分析模型的建立,与静力分析模型的区别：不在精细地模拟，而重点是要真实、准确地反映结构质量、结构及构件刚度、结构阻尼及边界条件。,-,参见规范,6.3,模 型,质量,刚度,阻尼,边界条件,-,参见规范,6.3,质量：,1,、将建立的模型进行质量转换。,集中质量法：一般梁桥选择，计算省时，不能考虑扭转振型。,一致质量法：通用，耗时，可以考虑扭转振型。,路灯质量转换,2,、将二期等反映铺装的荷载转换成质量。,3,、对于没用荷载表示的附属构件，如路灯等，可在节点上施加相应的质量块。,空间动力分析模型的建立,刚度：,构件刚度在地震来往复作用下一般会降低，理论上应使用各个构件的相对动刚度，但选择静刚度满足工程要求。,阻尼：,一般使用阻尼比,来反应整个桥梁的全部阻尼。,1,、钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土梁桥阻尼比一般选择,2,、钢桥阻尼比一般选择,3,、钢混结合梁桥分别定义钢构件组组阻尼比,、混凝土构件组组阻尼比,，程序计算各阶振型阻尼比：,4,、钢混叠合梁桥可使用介于之间的阻尼比如：,0.04,-,参见规范,6.3,空间动力分析模型的建立,边界条件：,各个连接构件（支座、伸缩缝）及地基刚度的正确模拟。,支座：,普通板式橡胶支座：弹性连接输入刚度。,固定盆式支座：主从约束或弹性连接,。,-,参见规范,6.3,活动盆式支座：理想弹塑性连接单元。,滑板支座：双线性连接单元。,摩擦摆隔震支座、钢阻尼器、液体阻尼器：程序专门的模拟单元,。,空间动力分析模型的建立,地基,刚度的模拟：,在墩低加上弹簧支承，算出各个方向上的弹簧刚度。,-,参见规范,6.3,真实模拟桩基础，利用土弹簧准确模拟土对桩的水平侧向力、竖向摩阻力。一般可用表征土介质弹性的“,M,”法,。,空间动力分析模型的建立,桥梁,参与组合计算的振型阶数的确定,两种方法确定结构自振特性：特征值求解和利兹向量求解。,为了快速满足规范,，经常会用利兹向量法来计算参与组合计算的振型。,自振特性分析,SRSS,法和,CQC,法,：,根据,规范,，有,SRSS,法和,CQC,法以供选择。,当,结构振型分布密集，互有耦联时，推荐用,CQC,。,振型组合方法的确定,根据规范，该直线桥只需考虑顺桥向,X,和横桥向,Y,的地震作用。,地震作用分量组合的确定,桥台高,4,，台背宽,10,，侧宽,3,，土的容重为,，土的内摩擦角为：,根据规范，土压力分布力,，本例转化成集中力台背为：,412,。侧向为：,124,地震主动土压力,一般冲刷线算起的水深为：,5m,。,水的容重为：,，,根据规范，地震动水压力为,0.92k,N,地震动水压力,强度验算,按现行的公路桥涵设计规范相应的规范验算桥墩的抗弯强度,E2,地震作用下抗震分析步骤,1,、确定分析方法：,采用,MM,法或,NTH,法。,2,、,E2,反应谱的确定,MM,法,步骤与,E1,反应谱的确定相同，但需注意,重要性系数,的取值不同，其他参数相同，得,E2,地震作用下反应谱如下。,3,、空间模型建立及荷载施加,MM,法,与,E1,地震作用下的分析步骤相同,空间动力分析模型的建立,(,延性构件抗弯刚度需做相应折减）,自振特性分析,振型组合方法的确定,地震作用分量组合的确定,地震主动土压力,地震动水压力,4,、强度验算,MM,法,按现行的公路桥涵设计规范相应的规范验算桥墩的抗弯强度，但与,E1,的强度验算不完全相同,与加州交通部,(,CALTRANS),规范一致。,4,、强度验算,MM,法,求延性构件的有效截面抗弯刚度,利用规范公式计算,查附录,A,得到,理论方法求解,CIVIL,程序计算,通过轴压比、纵筋配筋率查附录,4.1,、理论方法求解 、,MM,法,1,、确定,曲线,条带法（纤维模型、将材料的应力应变关系曲线转换成截面内力变形关系曲线）,基本假定：,（,1,）平截面假定；（,2,）剪切应变的影响忽略不计；（,3,）钢筋与混凝土之间无滑移现象,一般采用逐级加变形的方法求,曲线。,2,、根据,曲线确定屈服弯矩,、屈服曲率,一般采用几何作图法（包括等能量法、通用屈服弯矩法等）将确定的,曲线近视简化为双折线型或三折线型骨架模型，规范推荐的是几何作图法中的等能量法将,曲线转换为双折线骨架模型。,4.2,、,civil,程序计算 、,MM,法,1,、用动力弹塑性模块中的纤维模型来求解屈服弯矩,。,（,1,）混凝土的应力应变曲线需按照保护层混凝土和约束混凝土的本构关系分别确定。,（,2,）程序会按照,ACI,或,ACJ,规范自动计算,曲线并转换成三折线骨架模型得到屈服弯矩,、各折线的折减率等。,2,、用静力弹塑性模块中的铰属性来得到屈服弯矩,。,i,）对截面进行配筋设计后，将程序中美国联邦紧急管理厅出版的,房屋抗震加固指南,FEMA,定义的基本铰属性，分配给定义好的单元，自动计算屈服面特性值，得到截面屈服弯矩,。,ii),通过,pushover,分析得到铰的基本属性，计算截面屈服弯矩 。,两种方法,MM,法,4.2,、,pushover,分析方法,i,、根据铰的特性值椭圆内插计算,MM,法,ii,、利用,pushover,分析计算,MM,法,由程序的,pushover,图形结果得,4.3,、通过 、 计算,MM,法,本例通过,civil,程序求解屈服弯矩，可见用静力弹塑性模块中的铰属性来得到屈服弯矩的两种方法相差甚少，均可采用,。,用椭圆内插取墩底屈服弯矩：,用椭圆内插取墩顶屈服弯矩：,通过附录,B,，计算矩形截面屈服曲率：,得到墩底抗弯刚度：,5,、变形验算,MM,法,规范条是对截面层次上的曲率延性系数验算的变化形式,规范条是对构件层次上的位移延性系数验算的变化形式,5,、变形验算,MM,法,规则性桥梁，故仅需按,74.6,验算墩顶位移,6,、变形验算,MM,法,计算得墩顶纵向水平位移,横向水平位移,计算,E2,作用下墩顶双向实际位移,6,、墩顶容许位移值计算,MM,法,横向容许位移采用,pushover,分析方法计算。,根据公式算得 ，纵桥向容许位移,6,、横向容许位移计算,MM,法,因为塑性铰的容许转动能力对应的是塑性铰的极限状态，通过对结构做,pushover,分析得到墩的底部塑性铰在第,52,载荷步先达到极限状态。,6,、横向容许位移计算,MM,法,由规范条知，此时对应的墩顶处处横向水平位移既为容许位移。,6,、横向容许位移计算,MM,法,查看能力曲线：,6,、水平位移验算,MM,法,墩顶纵桥向水平位移,验算不通过,横桥向水平位移 ，验算通过,7,、能力保护构件设计,MM,法,本例中墩柱的抗剪作为能力保护构件,本例为连续刚构桥，故沿纵桥向端部为塑性铰区域；双柱墩，故沿横桥向端部为塑性铰区域,7,、能力保护构件设计,MM,法,7,、能力保护构件设计,MM,法,7,、能力保护构件设计,MM,法,C,点对应的为极限状态。,5,、变形验算,MM,法,点,C,为铰的极限状态点。查看下图,可得,：,墩底极限弯矩,墩顶极限弯矩,双向截面特性完全一样,7,、能力保护构件设计,MM,法,经过程序的,pushover,计算得到,，由上页式（）计算得到,纵桥向由轴压比和材料、截面属性计算的剪力设计值。,截面属性双向同性，横桥向剪力设计值也为,1119.3KN,7,、能力保护构件验算,MM,法,计算得到纵桥向,横桥向,计算,E2,地震作用下的双向剪力实际值,。,与前述计算得到的值相比较取小值，得纵桥向,横桥向 。,7,、能力保护构件验算,MM,法,计算得到纵桥向,横桥向,均不通过,。,