大跨度橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力驗(yàn)算

第二部分

大跨度橋梁抗震設(shè)計

第5章橋梁結(jié)構(gòu)抗震能力驗(yàn)算

5.1概

述橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的最終目的是正確地估計地震可能對結(jié)構(gòu)造成的破壞，以便通過結(jié)構(gòu)構(gòu)造和其他抗震措施，使損失盡可能小。

因此，抗震能力驗(yàn)算是橋梁結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的一個重要組成部分。地震慣性力主要集中在上部結(jié)構(gòu)，慣性力通過支座傳遞給墩柱，再由墩柱傳遞給基礎(chǔ)，進(jìn)而傳遞給地基承受。上部結(jié)構(gòu)設(shè)計：主要由恒載、活載、溫度作用等控制。

墩柱設(shè)計：在地震作用下將會受到較大剪力和彎矩作用，由地震反應(yīng)控制。另一方面，在強(qiáng)震作用下，通常希望在墩柱中(而不是在上部結(jié)構(gòu))形成塑性鉸耗散能量，以降低對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求。

墩柱的剪切破壞：脆性破壞，伴隨著強(qiáng)度和剛度的急劇下降。墩柱的彎曲破壞：延性破壞，多表現(xiàn)為開裂、混凝土剝落、壓潰、鋼筋裸露和彎曲等，產(chǎn)生很大的塑性變形。矮粗的橋墩，多為剪切破壞；高柔的橋墩，多為彎曲破壞。支座的破壞：主要為支座錨固螺栓拔出、剪斷，活動支座脫落，支座本身構(gòu)造上的破壞等。墩柱抗震驗(yàn)算，主要有強(qiáng)度破壞準(zhǔn)則和延性破壞準(zhǔn)則。5.2鋼筋混凝土墩柱的抗彎能力驗(yàn)算5.2.1鋼筋混凝土墩柱截面的強(qiáng)度和曲率延性計算

鋼筋混凝土墩柱的彎曲破壞是延性破壞，根據(jù)延性破壞準(zhǔn)則，結(jié)構(gòu)是否破壞取決于塑性變形的大小。為此，要計算出墩柱可能發(fā)生的最大塑性轉(zhuǎn)角和最大容許塑性轉(zhuǎn)角進(jìn)行比較。(1)約束混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線

當(dāng)混凝土中的應(yīng)力較大時，橫向應(yīng)變變得很大，由于螺旋筋或箍筋的作用，混凝土受到約束。橫向鋼筋的約束作用能顯著改善混凝土在大應(yīng)變時的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，從而大大提高墩柱截面的延性，而且強(qiáng)度也有所提高。圖5.1給出了得到廣泛認(rèn)可的約束混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變曲線，其表達(dá)式為：

式中：是約束混凝土的峰值縱壓應(yīng)力，εC為混凝土的縱向壓應(yīng)變，εCC為相應(yīng)于的縱向壓應(yīng)變。

、εCO分別為無約束混凝土的圓柱體抗壓強(qiáng)度及相應(yīng)的縱向壓應(yīng)變(一般取0.002)為了定義保護(hù)層混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系，假定時，應(yīng)變達(dá)到碎裂應(yīng)變εSP。

約束混凝土的峰值縱壓應(yīng)力的計算可分兩種情況：

(a)圓形截面

式中，為有效橫向約束應(yīng)力。其中，Ke為截面的有效約束系數(shù)，是有效約束核芯混凝土面積與核芯混凝土總面積之比，對于圓形截面，一般可取0.95；分別為圓形或螺旋鋼筋的屈服強(qiáng)度和截面積；D’、s分別是圓形或螺旋箍筋環(huán)的直徑和縱向間距。(b)矩形截面

矩形截面在兩個主軸方向的有效約束應(yīng)力分別為：

峰值縱壓應(yīng)力可利用如圖5.2所示的約束應(yīng)力與約束強(qiáng)度的關(guān)系曲線計算。根據(jù)約束應(yīng)力比就可以查出約束強(qiáng)度比。約束混凝土的極限壓應(yīng)變εcu定義為橫向約束鋼筋開始發(fā)生斷裂時的混凝土壓應(yīng)變，可由橫向約束鋼筋達(dá)到最大應(yīng)力時所釋放的總應(yīng)變能與混凝土由于橫向鋼筋的約束作用而吸收的能量(圖5.1中陰影部分面積)相等的條件進(jìn)行推導(dǎo)。

其保守估計值為：

其中，εsu為約束箍筋在最大拉應(yīng)力時的應(yīng)變；ρS是約束箍筋的體積含筋率，對于矩形箍筋，ρS=ρx+ρy；是約束混凝土的峰值壓應(yīng)力；是約束箍筋的最大拉應(yīng)力。

(2)鋼筋的應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系

(3)鋼筋混凝土截面的抗彎強(qiáng)度與延性計算

鋼筋混凝上截面抗彎強(qiáng)度的有效表示方法是軸力—彎矩(Np—M)曲線，截面的延性主要為截面的彎矩—曲率(M—φ)關(guān)系。采用條帶法求(Np—M)和(M—φ)關(guān)系。假設(shè)：●平截面假定；●剪切應(yīng)變的影響忽略不計；●鋼筋和混凝土之間無滑移現(xiàn)象；●采用前述的鋼筋和混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系

(圖5-1和5-3)。設(shè)構(gòu)件截面形狀如圖5.4所示：φ表示截面曲率，形心軸的應(yīng)變?yōu)棣?。荷載產(chǎn)生的應(yīng)變沿截面高度線性變化，即應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系為：由平衡條件得：求和下標(biāo)j表示截面的第j種材料，Aj為相應(yīng)面積，積分號中不是兩項(xiàng)相乘，而是函數(shù)關(guān)系。由(5.5)和(5.6)可得M—φ關(guān)系，一般如下圖所示，求解通常采用數(shù)值解法。對確定的軸向力Np，計算M—φ關(guān)系的步驟為：

(b)選擇參考軸，一般選截面形心軸，假定其應(yīng)變?yōu)棣?；(c)由式(5.4)求出各條帶(窄條)的應(yīng)變ε；(d)按鋼筋和混凝土的應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系求對應(yīng)于ε的應(yīng)力；(e)求出各條帶內(nèi)力總和，看是否滿足截面平衡條件式(5.5)；(f)若不滿足，修改ε0，重復(fù)(c)～(e)，直到滿足平衡條件；(g)將所得到的ε0代入(5.6)式，求得對應(yīng)于φ的內(nèi)力矩M；(h)重復(fù)(a)～(g)。要求缺出曲訪率延徒性，械需要升確定腦截面然的屈服浪狀態(tài)和極限么狀態(tài)。屈服條件：極限狀態(tài)：

其中，分別為受拉鋼筋的應(yīng)力和屈服強(qiáng)度；為受壓區(qū)混凝土的最大壓應(yīng)變；分別為應(yīng)力—應(yīng)變曲線上應(yīng)力最大點(diǎn)和失效點(diǎn)所對應(yīng)的應(yīng)變。這里，勝“延性顏”表示劑結(jié)構(gòu)發(fā)沾生較大職的非彈捷性變形粘而強(qiáng)度逗基本沒擺有減少幼的能力墊?；蛘咧苷f，延頓性表示鉤結(jié)構(gòu)從傻屈服到豎破壞的稼后期變孩形能力勵。延性可齡分為材士料、截槽面、構(gòu)另件和整視體延性閑等。延性—般可用銅以下的欣無量綱楚比值μ來表示恥，其定核義為：式中佩，Δy和Δmax分別逢表示粒結(jié)構(gòu)什首次描屈服蠢和所點(diǎn)經(jīng)歷專過的才最大撲變形艙。延然性系駝數(shù)通禿常表摘示成窗與變簽形有的關(guān)的漠各種倚參數(shù)賽的函姜數(shù)，行如撓踏度、權(quán)轉(zhuǎn)角允和曲畏率等小。5.翅2.眾2墩柱亦容許繞的最競大塑吉性轉(zhuǎn)酒角通過目橋梁某結(jié)構(gòu)蠟的非佳線性贈地震含反應(yīng)擠時程勇分析哪，可違得到菌結(jié)構(gòu)削在強(qiáng)拋震作搭用下死危險策截面知的最隔大塑肉性轉(zhuǎn)畝角θp及相應(yīng)資的軸力印水平。前述隆方法聰可求畏出截趴面在邁該軸蝴力作沾用下天的彎脅矩—曲率關(guān)強(qiáng)系，得鐘到極限貓曲率和透屈服曲零率，則滑該截面而的最大鎖容許塑拼性轉(zhuǎn)角艱為其中，為塑性鉸等效長度。塑性鉸等效長度同塑性變形的發(fā)展和極限壓應(yīng)變有很大關(guān)系，由于實(shí)驗(yàn)結(jié)果離散性很大，目前主要用經(jīng)驗(yàn)公式來確定。新西蘭院規(guī)范規(guī)撇定：其中夏，L為懸腳臂墩堅的高姥度，借或塑怕性鉸觸截面度到反盡彎點(diǎn)攤的距橡離，H為截辮面的繩高度缺。歐洲規(guī)蘇范公式眠：為保守奴起見，吊在進(jìn)行僵抗震驗(yàn)烏算時，撒以上三秒個公式貨中采用董最小者永，代入輝式(5罪-9慕)計算截孕面的最型大容許娛塑性轉(zhuǎn)關(guān)角。5.3鋼筋混易凝土墩眼柱的抗路剪能力撲驗(yàn)算抗剪驗(yàn)仗算：采用能力設(shè)惡計思想能力設(shè)律計思想：墩柱的即剪切強(qiáng)揚(yáng)度要大足于墩柱艘可能承坐受的最痛大剪力(對應(yīng)取于塑宜性鉸速處截獨(dú)面可澇能達(dá)冤到的念最大天彎曲幼強(qiáng)度)。在進(jìn)行謎非線性亦地震反泡應(yīng)時程稼分析時癢，鋼筋飼和混凝吵土的強(qiáng)粉度要采陣用極限鞠強(qiáng)度。5.揮3.復(fù)1墩柱的橋抗剪強(qiáng)晌度鋼筋混四凝土墩威柱的剪挨切強(qiáng)度珠為：式中譯：Vc—混凝土榨提供的行剪切強(qiáng)恐度；Vp—軸向力憂提供的辛剪切強(qiáng)溉度；Vs—橫向突鋼筋煤提供頓的剪渡切強(qiáng)吩度。(1器)混凝他土提熟供的米剪切盼強(qiáng)度淺：其中，為混凝土的名義剪應(yīng)力(MPa)；k取決于構(gòu)件的延性水平，對于抗震驗(yàn)算，偏保守地根據(jù)圖5.5取值；fc’為混凝土的圓柱體抗壓強(qiáng)度(MPa)；Ae為有效剪切面積，Ae＝0.8·Ag，Ag為墩柱的截面積。(2)軸向破力提躁供的拜剪切盯強(qiáng)度悟：其中，P為軸向暖力，壓范為正、敢拉為負(fù)部；對于惕懸臂墩置柱，α為墩柱番軸向力夾作用點(diǎn)愧和塑性幼鉸區(qū)截投面受壓套中心連劑線與墩括柱軸線吳的夾角廁，而對沈于兩端柏受反向船彎矩的華墩柱(反彎墩宵柱)，α為墩頂濟(jì)和墩底啦受壓中堆心連線掉與墩柱麗軸線的杏夾角，亡如圖5.6所示絮；D為截肉面的扯高度貪或直亭徑；C為受壓盯區(qū)高度請；對于序懸臂墩覽柱，a＝H，對于撇兩端受凈反向彎暢矩的墩織柱，a＝H/2。對招于抗致震驗(yàn)訊算，羊宜偏炭保守弊地取Vp在=0患.8感5·往P·綱tg漸α。(3盞)橫向鋼磚筋(桁架字機(jī)構(gòu))提供的喝剪力：圓形墩查柱：矩形墩捕柱：其中，D’為核芯疏混凝土散在剪力罷方向的芝尺寸(周邊箍謎筋中到蠻中的距委離)；Ash為單艷層螺泰旋箍敞筋截留面積托；Av為剪膚力作獄用方寺向上嗓單層費(fèi)橫向劍鋼筋閉的總錢截面及積；fyh為橫假向鋼鹿筋的遮屈服塞強(qiáng)度馬；s為橫連向鋼稿筋的抄縱向閃間距死；θ為彎剪雙裂縫與酒墩柱軸悔線的夾縫角，對瞇于抗震倡驗(yàn)算，顛偏保守鍋地取35o。由此可政得鋼筋泥混凝土卷墩柱的西初始剪事切強(qiáng)度Vi和殘余積剪切強(qiáng)柱度Vr分別為(Vc胡i和Vcr參見圖5.歡5)：5.3偷.2墩柱棒的抗補(bǔ)剪驗(yàn)辯算墩柱垮可能寫承受錦的最紗大剪刃力Q與墩柱郵的抗剪土強(qiáng)度V之間滿判足：在墩敵柱中藍(lán)，剪君力沿記墩高桐不斷填變化毒，而對抗剪艦強(qiáng)度桶也不辟均勻昂。通常，帽從墩頂吐到墩底堪，墩柱粥所受的盡剪力不過斷增大吧，到墩絨底載面塊達(dá)到最介大值。但墩柱痕的抗剪孤強(qiáng)度變歪化規(guī)律寺并不完姑全類似紡，剪切居強(qiáng)度由畏混凝土非、軸向姓力以及劫橫向鋼嶼筋共同扇提供。軸向力倡提供的葬剪切強(qiáng)以度：可泊認(rèn)為炎沿整細(xì)個墩描柱不勺變；混凝土腐提供的掘剪切強(qiáng)耗度：在塑阿性鉸區(qū)秀以外取脫初始值歉，在塑級性鉸區(qū)敞內(nèi)要根誼據(jù)延性銜水平取辛值；橫向單鋼筋擇提供眉的剪怕力：由于堵塑性鉸廚區(qū)內(nèi)橫并向鋼筋憤的布置蔥加密，錫因而在喚塑性鉸恥區(qū)內(nèi)外艷差別較秀大。墩柱塑保性鉸區(qū)蒼內(nèi)外的忌抗剪強(qiáng)槐度分別懶為：當(dāng)墩嘴柱未名形成聲塑性連鉸時耐，潛森在塑半性鉸就區(qū)內(nèi)攻的抗具剪強(qiáng)坐度比燃塑性植鉸區(qū)叨以外虛大很功多。尤這就舍有可翠能造鞏成塑宜性鉸蓋區(qū)以便外先單發(fā)生塔剪切跡破壞叉，可航以看尸到大泉地震稻中剪膛切破盆壞常量常發(fā)客生在虛墩柱迎中部繁。在進(jìn)駁行抗扎震驗(yàn)榮算時亭，為腰了確抹保整爐個墩名柱不飲發(fā)生哀剪切蛇破壞圓，取V=M兵in(愿V1，V2丙)，而Q取塑性裝鉸截面答所受的喚剪力(一般千為墩開柱中淡最大)。5.蹄4橋墩的言塑性鉸區(qū)機(jī)制橋梁結(jié)擁構(gòu)，大探部分的臉質(zhì)量集澆中在上扔部結(jié)構(gòu)晝，由梁屋、板、襖橫隔板欺和道路白表面等爹組成，納地震時勿，慣性桑力主要蠻集中在行上部結(jié)還構(gòu)。由于健地震股產(chǎn)生少的慣激性力(包括愁水平款剪力往、軸版力或?qū)m中心案垂直將力)僅僅對扎柱、墩敗和基礎(chǔ)攏這些下保部結(jié)構(gòu)童施加巨盾大的作箱用力，鳥所以柱啞、墩和售基礎(chǔ)是狠抗震設(shè)枕計的主蔬要部位吩。抗震飛設(shè)計茂時，創(chuàng)應(yīng)使暢下部袍結(jié)構(gòu)甘形成訓(xùn)塑性餓鉸并榆消耗販掉一響部分勺地震鄙能量改，選征定的葡塑性嘉鉸最位好包灶含在岔柱中凍而不畏是在偏基礎(chǔ)午中(基腳、謠樁帽和逐樁)，這訓(xùn)是因租為柱辛的檢雷查和拔修復(fù)雕都比勾較容古易。對單柱奏式橋墩內(nèi)，上部炕結(jié)構(gòu)放立置在支局座上的它情況，寇不管地質(zhì)震作用陶的方向賺如何(順橋方襖向或橫敞橋方向)，塑乳性鉸厭區(qū)域慚通常域只出暈現(xiàn)在伯柱基(見圖5.7鋒)。對多覆柱式甚橋墩坊，上鐮部結(jié)絕構(gòu)放壺置在讀支座押上的斜情況緞，當(dāng)殊地震枕作用聚在橫饞橋方霧向時褲，塑植性鉸尚區(qū)域乳可以罩出現(xiàn)素在柱啟的頂世部或針根部(見圖5.8槳)。對低矮榴的墻式阻橋墩，扮當(dāng)?shù)卣鹪鬃饔迷谥饳M橋方岔向時，斷塑性區(qū)辯域可能墓分布在賢橋墩的溪大范圍葡區(qū)域。店然而，畏當(dāng)?shù)卣鹋c沿順橋勢方向作理用，并透且上部起結(jié)構(gòu)放怎置在支鳥座上的輝時候，荒同柱子領(lǐng)的情況拐一樣，哲塑性鉸穩(wěn)出現(xiàn)在反墻基(見圖5.9背)。5.5提高抗歪彎和抗蠶剪能力密的新技票術(shù)為了糕提高纏鋼筋項(xiàng)混凝阻土墩張柱的述抗彎柱能力派和抗勾剪能槍力，吧各國