ch4橋梁工程抗震設(shè)計(jì)

第四章橋梁工程抗震設(shè)計(jì)正確選擇能夠有效抵抗地震作用的結(jié)構(gòu)形式；合理地分配結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和阻尼等動(dòng)力參數(shù)，以便最大限度地利用構(gòu)成結(jié)構(gòu)的構(gòu)件和材料的承載能力和變形能力；正確估計(jì)地震可能對(duì)結(jié)構(gòu)造成的破壞，以便通過(guò)結(jié)構(gòu)、構(gòu)造和其它抗震措施，使損失控制在限定的范圍內(nèi)。橋梁抗震設(shè)計(jì)的任務(wù)：橋梁抗震設(shè)計(jì)的目的：保證橋梁工程在地震下的安全性4.1橋梁工程抗震設(shè)計(jì)流程圖4.1橋梁工程抗震設(shè)計(jì)流程圖開(kāi)始抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)結(jié)束抗震概念設(shè)計(jì)地震反應(yīng)分析不通過(guò)抗震性能驗(yàn)算修改設(shè)計(jì)通過(guò)抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)選定完整的抗震設(shè)計(jì)流程4.2抗震概念設(shè)計(jì)理想的橋梁結(jié)構(gòu)體系布置：(1)幾何線形：直橋，各墩高度相差不大。(2)結(jié)構(gòu)布局：上部結(jié)構(gòu)連續(xù)，伸縮縫盡可能少；橋梁保持小跨徑；彈性支座布置在多個(gè)橋墩上；各個(gè)橋墩的強(qiáng)度和剛度在各個(gè)方向都相同；基礎(chǔ)建造在堅(jiān)硬場(chǎng)地上。結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)“概念設(shè)計(jì)”“數(shù)值設(shè)計(jì)”塑性耗能機(jī)制選擇延性類型選擇結(jié)構(gòu)體系選擇1地震動(dòng)輸入：

地震加速度反應(yīng)譜（采用規(guī)范反應(yīng)譜，或場(chǎng)地設(shè)計(jì)反應(yīng)譜）地震動(dòng)加速度時(shí)程（直接利用強(qiáng)震記錄、采用人工地震加速度時(shí)程和規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)化地震加速度時(shí)程）

一般要選取多組以供比較分析輸入（激勵(lì)）系統(tǒng)（結(jié)構(gòu)）輸出（反應(yīng)）圖4.2

動(dòng)力學(xué)問(wèn)題三要素4.3地震反應(yīng)分析4.3.1地震輸入的確定加速度峰值頻譜特性持續(xù)時(shí)間總剛度矩陣：線性、非線性2地震動(dòng)輸入方式：

方向：縱橋向、橫橋向、豎向同步、不同步單點(diǎn)輸入和同步、不同步多點(diǎn)輸入4.3.2地震振動(dòng)方程及結(jié)構(gòu)力學(xué)模型1地震振動(dòng)方程的建立（在恒載下的平衡位置）總質(zhì)量矩陣：集中質(zhì)量矩陣總阻尼矩陣：瑞利阻尼假設(shè)關(guān)鍵在于確定結(jié)構(gòu)的振型阻尼比，以及兩階控制頻率剛度成比例阻尼質(zhì)量成比例阻尼組合阻尼mnmn圖4.3阻尼比和頻率的關(guān)系(瑞利阻尼假定)假定則計(jì)算模型必須如實(shí)地反映結(jié)構(gòu)構(gòu)件的幾何、材料特性，以及各構(gòu)件的邊界連接條件2動(dòng)力計(jì)算模型的建立上部結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型墩柱的計(jì)算模型采用能反映上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量分布和剛度特征的簡(jiǎn)化的脊梁模型（梁?jiǎn)卧?上部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量必須盡可能正確模擬橋梁墩柱一般采用梁?jiǎn)卧M：對(duì)于重力式橋墩，或者高墩，單元的劃分不宜太粗。為了考慮鋼筋混凝土橋墩的帶裂縫工作狀態(tài)，往往需要采用開(kāi)裂截面慣性矩代替毛截面慣性矩。如果需要分析墩柱的彈塑性反應(yīng)，則應(yīng)采用適當(dāng)?shù)膹椝苄詥卧M潛在塑性鉸區(qū)的工作特性。實(shí)體有限元、纖維單元、彈簧單元、彈塑性梁柱單元固定支座：一般采用主從關(guān)系進(jìn)行處理活動(dòng)支座：各種橡膠支座、抗震支座一般需采用特殊的非線性單元處理在工程應(yīng)用中，對(duì)支承條件的非線性特性大多采用較簡(jiǎn)單的恢復(fù)力模型來(lái)表達(dá)。支座在豎向和三個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)方向的剛度可根據(jù)其可活動(dòng)性粗略地取0或主從；而支座在水平方向的剛度，不能移動(dòng)的自由度取主從，可移動(dòng)的自由度，應(yīng)根據(jù)支座的特點(diǎn)選取合適的恢復(fù)力模型。

支座的計(jì)算模擬(a)板式橡膠支座恢復(fù)力模型可以取為直線型（線性）：(b)聚四氟乙烯滑板橡膠支座、活動(dòng)盆式支座、活動(dòng)球型支座圖4.4滑板支座的恢復(fù)力模型(c)鉛芯橡膠支座和弧形鋼板減震橡膠支座圖4.5雙線性恢復(fù)力模型聚四氟乙烯滑板橡膠支座的動(dòng)力滯回曲線類似于理想彈塑性材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：活動(dòng)盆式支座和活動(dòng)球型支座，臨界位移很小?；A(chǔ)及邊界條件的模擬剛性擴(kuò)大基礎(chǔ)：一般可采用固定邊界條件樁基礎(chǔ)：中小跨度橋梁：可以簡(jiǎn)單地僅考慮基礎(chǔ)的柔度（六根等效彈簧模擬）大跨度橋梁：一般應(yīng)考慮樁－土－結(jié)構(gòu)相互作用（集中質(zhì)量法）橋梁建模示例圖4.6某一聯(lián)高架橋立面圖（單位：cm）圖4.7某一聯(lián)高架橋橫斷面圖（單位：cm）圖4.8一聯(lián)高架橋動(dòng)力計(jì)算模型4.3.3地震反應(yīng)分析1反應(yīng)譜分析規(guī)則橋梁：可以簡(jiǎn)化為單質(zhì)點(diǎn)體系的，手算非規(guī)則橋梁：一般需借助計(jì)算程序進(jìn)行：計(jì)算頻率階數(shù)、振型組合方法2時(shí)程分析過(guò)程相當(dāng)冗繁，一般都需要借助于專用程序進(jìn)行計(jì)算。需要輸入多條地震動(dòng)時(shí)程進(jìn)行分析，取平均值。（一般用于線彈性反應(yīng)分析，復(fù)雜橋梁只作為估算手段）（可進(jìn)行線性或非線性地震反應(yīng)分析）4.4.1結(jié)構(gòu)破壞準(zhǔn)則1強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則適用于脆性破壞模式和脆性構(gòu)件，以及不允許發(fā)生非彈性變形的構(gòu)件。4.4抗震驗(yàn)算抗震驗(yàn)算的主要部分：墩柱，以及支座等連接構(gòu)件。2變形破壞準(zhǔn)則（強(qiáng)度、變形（延性）、能量、變形和能量、基于性能的破壞準(zhǔn)則）4.4.2鋼筋混凝土墩柱的抗彎能力驗(yàn)算抗彎強(qiáng)度驗(yàn)算：采用強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則，按現(xiàn)行公路橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行。非彈性變形驗(yàn)算：采用延性破壞準(zhǔn)則驗(yàn)算墩柱的延性能力。規(guī)則橋梁，可直接驗(yàn)算墩柱的位移延性復(fù)雜橋梁，可驗(yàn)算墩柱的最大塑性轉(zhuǎn)角4.4.3鋼筋混凝土墩柱的抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算抗剪強(qiáng)度計(jì)算公式可參考國(guó)外規(guī)范，如美國(guó)Caltrans抗震設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

延性墩柱的抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算必須采用能力設(shè)計(jì)原理進(jìn)行；對(duì)塑性鉸區(qū)內(nèi)外截面都要進(jìn)行抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算?；炷梁蜋M向鋼筋共同提供4.4.4支座的抗震驗(yàn)算支座厚度檢算(防止剪切破壞)：1板式橡膠支座抗滑穩(wěn)定性檢算橡膠支座與混凝土表面的動(dòng)摩阻系數(shù)采用0.15;與鋼板的動(dòng)摩阻系數(shù)采用0.102盆式支座活動(dòng)支座固定支座設(shè)置在延性橋墩上的板式橡膠支座或固定盆式支座，應(yīng)采用能力設(shè)計(jì)原理進(jìn)行抗震驗(yàn)算4.5抗震構(gòu)造設(shè)計(jì)支承連接部位的支承面最小寬度墩（臺(tái)）與梁的連接構(gòu)造設(shè)計(jì)墩柱的構(gòu)造設(shè)計(jì)限制支承連接部位的支承面最小寬度相鄰梁之間安裝縱向約束裝置aaa橋墩橋臺(tái)掛梁圖4.10梁端最小邊緣距日本橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：我國(guó)公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范：梁與懸臂之間的搭接長(zhǎng)度a不應(yīng)小于60cma(cm)L：梁的計(jì)算跨徑(m)。橋臺(tái)橋墩鋼扣件鋼纜或鋼棒緩沖材料圖4.11

拉桿式防落梁構(gòu)造混凝土擋塊緩沖材料鋼擋塊緩沖材料圖4.12

擋塊式防落梁構(gòu)造縱向約束裝置（具有足夠強(qiáng)度，同時(shí)不妨礙支座的變形）補(bǔ)充材料動(dòng)力特性有限元模型非線性因素及其處理動(dòng)力方程的數(shù)值解法時(shí)程分析分析軟件動(dòng)力特性車輛地震風(fēng)載2.有限元模型剛度模擬——撓曲剛度、剪切剛度、軸向拉壓剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、翹曲剛度；質(zhì)量模擬——包括平動(dòng)質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；邊界條件模擬——支座、伸縮縫、后繼結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)等。主梁的模擬脊梁式、二梁式、π梁式、三梁式脊梁式優(yōu)點(diǎn)：把截面所有的撓曲、扭轉(zhuǎn)剛度、質(zhì)量、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量集中在中間節(jié)點(diǎn)；缺點(diǎn)：無(wú)法計(jì)入橫梁的剛度及主梁的約束扭轉(zhuǎn)剛度；適用：閉口整體箱梁。二梁式優(yōu)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)數(shù)少，可充分考慮橫梁的質(zhì)量、剛度，主梁可提供部分約束扭轉(zhuǎn)剛度；缺點(diǎn)：斷面的橫向剛度失真；適用：雙分離主梁。π梁式優(yōu)點(diǎn)：把橋面系的剛度和質(zhì)量放在各自正確的位置上；缺點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)和桿件數(shù)太多；適用：雙分離主梁。用當(dāng)量扭轉(zhuǎn)剛度考慮截面翹曲影響：——截面自由扭轉(zhuǎn)剛度；——翹曲常數(shù)；——截面豎向撓曲剛度；——截面換算面積；——橋面板中面到截面中和軸的距離；——截面橫向撓曲剛度；——邊主梁中心距；三梁式優(yōu)點(diǎn)：把橋面系的剛度和質(zhì)量放在各自正確的位置上；缺點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)和桿件數(shù)太多；適用：雙分離主梁。橫向撓曲剛度集中于中間梁根據(jù)約束扭轉(zhuǎn)剛度由兩邊梁提供的原則確定豎向撓曲剛度：——截面豎向撓曲剛度；——約束扭轉(zhuǎn)剛度；質(zhì)量和質(zhì)量慣性矩可集中于中間梁，也可把質(zhì)量分配到三片梁，由邊梁提供質(zhì)量慣性矩。特點(diǎn)：可充分考慮約束扭轉(zhuǎn)剛度，提高扭頻精度；適用：自由扭轉(zhuǎn)剛度小的開(kāi)口薄壁截面。支座的模擬固定支座處理為鉸接；2.滑動(dòng)支座聚四氟乙烯滑板式支座；盆式橡膠支座（滑動(dòng)支座）；3.普通板式橡膠支座；4.隔震支座；鉛芯橡膠支座高阻尼橡膠支座

FPS（摩擦擺式支座）等固定支座滑板式支座單向滑動(dòng)盆式橡膠支座平板式滑動(dòng)支座Ke普通板式橡膠支座處理為線彈性；鉛芯橡膠支座鉛芯橡膠支座FPS（摩擦擺式支座）擴(kuò)大基礎(chǔ)、沉井基礎(chǔ)、錨錠處理為固結(jié)；樁基礎(chǔ)一般采用以下兩種模擬方法：

?

邊界元上加彈簧剛度

?

樁單元加土彈簧基礎(chǔ)的模擬非線性因素及其處理必要性非線性來(lái)源模擬方法：索單元、梁?jiǎn)卧?、支座單元、樁土相互作用基礎(chǔ)必要性非線性來(lái)源動(dòng)力方程的數(shù)值解法地震反應(yīng)分析程序線彈性分析程序SAP5（美國(guó)Berkeley分校編制）SAP2000NONSAP