ch4橋梁工程抗震設計

第四章橋梁工程抗震設計正確選擇能夠有效抵抗地震作用的結構形式；合理地分配結構的剛度、質量和阻尼等動力參數(shù)，以便最大限度地利用構成結構的構件和材料的承載能力和變形能力；正確估計地震可能對結構造成的破壞，以便通過結構、構造和其它抗震措施，使損失控制在限定的范圍內。橋梁抗震設計的任務：橋梁抗震設計的目的：保證橋梁工程在地震下的安全性4.1橋梁工程抗震設計流程圖4.1橋梁工程抗震設計流程圖開始抗震構造設計結束抗震概念設計地震反應分析不通過抗震性能驗算修改設計通過抗震設防標準選定完整的抗震設計流程4.2抗震概念設計理想的橋梁結構體系布置：(1)幾何線形：直橋，各墩高度相差不大。(2)結構布局：上部結構連續(xù)，伸縮縫盡可能少；橋梁保持小跨徑；彈性支座布置在多個橋墩上；各個橋墩的強度和剛度在各個方向都相同；基礎建造在堅硬場地上。結構抗震設計“概念設計”“數(shù)值設計”塑性耗能機制選擇延性類型選擇結構體系選擇1地震動輸入：

地震加速度反應譜（采用規(guī)范反應譜，或場地設計反應譜）地震動加速度時程（直接利用強震記錄、采用人工地震加速度時程和規(guī)范標準化地震加速度時程）

一般要選取多組以供比較分析輸入（激勵）系統(tǒng)（結構）輸出（反應）圖4.2

動力學問題三要素4.3地震反應分析4.3.1地震輸入的確定加速度峰值頻譜特性持續(xù)時間總剛度矩陣：線性、非線性2地震動輸入方式：

方向：縱橋向、橫橋向、豎向同步、不同步單點輸入和同步、不同步多點輸入4.3.2地震振動方程及結構力學模型1地震振動方程的建立（在恒載下的平衡位置）總質量矩陣：集中質量矩陣總阻尼矩陣：瑞利阻尼假設關鍵在于確定結構的振型阻尼比，以及兩階控制頻率剛度成比例阻尼質量成比例阻尼組合阻尼mnmn圖4.3阻尼比和頻率的關系(瑞利阻尼假定)假定則計算模型必須如實地反映結構構件的幾何、材料特性，以及各構件的邊界連接條件2動力計算模型的建立上部結構的計算模型墩柱的計算模型采用能反映上部結構質量分布和剛度特征的簡化的脊梁模型（梁單元）： 上部結構的質量必須盡可能正確模擬橋梁墩柱一般采用梁單元模擬：對于重力式橋墩，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，則應采用適當?shù)膹椝苄詥卧M潛在塑性鉸區(qū)的工作特性。實體有限元、纖維單元、彈簧單元、彈塑性梁柱單元固定支座：一般采用主從關系進行處理活動支座：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用中，對支承條件的非線性特性大多采用較簡單的恢復力模型來表達。支座在豎向和三個轉動方向的剛度可根據(jù)其可活動性粗略地取0或主從；而支座在水平方向的剛度，不能移動的自由度取主從，可移動的自由度，應根據(jù)支座的特點選取合適的恢復力模型。

支座的計算模擬(a)板式橡膠支座恢復力模型可以取為直線型（線性）：(b)聚四氟乙烯滑板橡膠支座、活動盆式支座、活動球型支座圖4.4滑板支座的恢復力模型(c)鉛芯橡膠支座和弧形鋼板減震橡膠支座圖4.5雙線性恢復力模型聚四氟乙烯滑板橡膠支座的動力滯回曲線類似于理想彈塑性材料的應力-應變關系：活動盆式支座和活動球型支座，臨界位移很小?；A及邊界條件的模擬剛性擴大基礎：一般可采用固定邊界條件樁基礎：中小跨度橋梁：可以簡單地僅考慮基礎的柔度（六根等效彈簧模擬）大跨度橋梁：一般應考慮樁－土－結構相互作用（集中質量法）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)高架橋動力計算模型4.3.3地震反應分析1反應譜分析規(guī)則橋梁：可以簡化為單質點體系的，手算非規(guī)則橋梁：一般需借助計算程序進行：計算頻率階數(shù)、振型組合方法2時程分析過程相當冗繁，一般都需要借助于專用程序進行計算。需要輸入多條地震動時程進行分析，取平均值。（一般用于線彈性反應分析，復雜橋梁只作為估算手段）（可進行線性或非線性地震反應分析）4.4.1結構破壞準則1強度破壞準則適用于脆性破壞模式和脆性構件，以及不允許發(fā)生非彈性變形的構件。4.4抗震驗算抗震驗算的主要部分：墩柱，以及支座等連接構件。2變形破壞準則（強度、變形（延性）、能量、變形和能量、基于性能的破壞準則）4.4.2鋼筋混凝土墩柱的抗彎能力驗算抗彎強度驗算：采用強度破壞準則，按現(xiàn)行公路橋涵設計規(guī)范進行。非彈性變形驗算：采用延性破壞準則驗算墩柱的延性能力。規(guī)則橋梁，可直接驗算墩柱的位移延性復雜橋梁，可驗算墩柱的最大塑性轉角4.4.3鋼筋混凝土墩柱的抗剪強度驗算抗剪強度計算公式可參考國外規(guī)范，如美國Caltrans抗震設計準則。

延性墩柱的抗剪強度驗算必須采用能力設計原理進行；對塑性鉸區(qū)內外截面都要進行抗剪強度驗算?；炷梁蜋M向鋼筋共同提供4.4.4支座的抗震驗算支座厚度檢算(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摩阻系數(shù)采用0.15;與鋼板的動摩阻系數(shù)采用0.102盆式支座活動支座固定支座設置在延性橋墩上的板式橡膠支座或固定盆式支座，應采用能力設計原理進行抗震驗算4.5抗震構造設計支承連接部位的支承面最小寬度墩（臺）與梁的連接構造設計墩柱的構造設計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橋墩橋臺掛梁圖4.10梁端最小邊緣距日本橋梁抗震設計規(guī)范：我國公路工程抗震設計規(guī)范：梁與懸臂之間的搭接長度a不應小于60cma(cm)L：梁的計算跨徑(m)。橋臺橋墩鋼扣件鋼纜或鋼棒緩沖材料圖4.11

拉桿式防落梁構造混凝土擋塊緩沖材料鋼擋塊緩沖材料圖4.12

擋塊式防落梁構造縱向約束裝置（具有足夠強度，同時不妨礙支座的變形）補充材料動力特性有限元模型非線性因素及其處理動力方程的數(shù)值解法時程分析分析軟件動力特性車輛地震風載2.有限元模型剛度模擬——撓曲剛度、剪切剛度、軸向拉壓剛度、扭轉剛度、翹曲剛度；質量模擬——包括平動質量和轉動慣量；邊界條件模擬——支座、伸縮縫、后繼結構、基礎等。主梁的模擬脊梁式、二梁式、π梁式、三梁式脊梁式優(yōu)點：把截面所有的撓曲、扭轉剛度、質量、轉動慣量集中在中間節(jié)點；缺點：無法計入橫梁的剛度及主梁的約束扭轉剛度；適用：閉口整體箱梁。二梁式優(yōu)點：節(jié)點數(shù)少，可充分考慮橫梁的質量、剛度，主梁可提供部分約束扭轉剛度；缺點：斷面的橫向剛度失真；適用：雙分離主梁。π梁式優(yōu)點：把橋面系的剛度和質量放在各自正確的位置上；缺點：節(jié)點和桿件數(shù)太多；適用：雙分離主梁。用當量扭轉剛度考慮截面翹曲影響：——截面自由扭轉剛度；——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：把橋面系的剛度和質量放在各自正確的位置上；缺點：節(jié)點和桿件數(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；——約束扭轉剛度；質量和質量慣性矩可集中于中間梁，也可把質量分配到三片梁，由邊梁提供質量慣性矩。特點：可充分考慮約束扭轉剛度，提高扭頻精度；適用：自由扭轉剛度小的開口薄壁截面。支座的模擬固定支座處理為鉸接；2.滑動支座聚四氟乙烯滑板式支座；盆式橡膠支座（滑動支座）；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盆式橡膠支座平板式滑動支座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）擴大基礎、沉井基礎、錨錠處理為固結；樁基礎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的模擬非線性因素及其處理必要性非線性來源模擬方法：索單元、梁單元、支座單元、樁土相互作用基礎必要性非線性來源動力方程的數(shù)值解法地震反應分析程序線彈性分析程序SAP5（美國Berkeley分校編制）SAP2000NONSAP