橋梁抗震分析與設(shè)計(jì)專題

橋梁抗震分析與設(shè)計(jì)專題CONTENTS目錄橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路Ⅰ反應(yīng)譜分析操作實(shí)例Ⅱ橫向多柱墩Pushover分析Ⅲ人工地震波生成說明ⅣⅠ、橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路Ⅰ、橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路Ⅰ、橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路1957198119902001第一代圖是1957年編制的，當(dāng)時(shí)名稱是“中國(guó)地震區(qū)域劃分圖”，李善邦先生主編，發(fā)表于1957年《地球物理學(xué)報(bào)》，采用的抗震設(shè)防要求指標(biāo)是工程場(chǎng)地可能遭遇的最大地震烈度。該圖的編制原則：地震重現(xiàn)與構(gòu)造類比；由于當(dāng)時(shí)的抗震技術(shù)和國(guó)家財(cái)力限制，未被建設(shè)部門采納。第二代圖是1981年發(fā)布的，當(dāng)時(shí)的名稱是“中國(guó)地震烈度區(qū)劃圖”。采用的抗震設(shè)防要求指標(biāo)是“在未來一百年內(nèi)，該地區(qū)可能遭遇的最大地震烈度”。該圖被國(guó)家建委和國(guó)家地震局批準(zhǔn)作為國(guó)家建設(shè)部門規(guī)劃、中小型工程的抗震設(shè)防時(shí)參考使用。第三代圖是1990年由建設(shè)部和國(guó)家地震局聯(lián)合頒布，并作為一般工業(yè)與民用建筑抗震設(shè)防的依據(jù)。該區(qū)劃圖編制的核心是采用地震危險(xiǎn)性概率分析方法，并結(jié)合中國(guó)地震活動(dòng)特點(diǎn)加以改進(jìn)，反應(yīng)我國(guó)地震活動(dòng)時(shí)、空不均勻性的特點(diǎn)，并吸收地震預(yù)測(cè)方面的研究成果，以50年超越概率10%的地震烈度作為編圖指標(biāo)。第四代圖是2001年以強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB18306-2001發(fā)布，以烈度表述的地震區(qū)劃不能滿足需要，迫切需要以反應(yīng)譜和峰值加速度雙參數(shù)來表述地震動(dòng)的區(qū)劃圖，給出一般場(chǎng)地土條件下、50年超越概率10%（重現(xiàn)期475年）的地震動(dòng)參數(shù)，成果為“兩圖一表一規(guī)定”。最核心的內(nèi)容是采用地震動(dòng)參數(shù)編圖，直接給出工程設(shè)計(jì)所需的地震反應(yīng)譜的關(guān)鍵參數(shù)。中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖Ⅰ、橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路地震概率水準(zhǔn)為50年超越概率10%，對(duì)應(yīng)的場(chǎng)地類別為Ⅱ類場(chǎng)地“兩圖”我國(guó)第五代地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖，實(shí)施國(guó)土全面設(shè)防、地震動(dòng)參數(shù)明確到鄉(xiāng)鎮(zhèn)（兩圖兩表一文本）中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖Ⅰ、橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路“兩表”通過Ⅱ類場(chǎng)地地震峰值加速度

來確定抗震烈度6789Ⅱ類場(chǎng)地Ⅰ、橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路超越概率多遇地震：重現(xiàn)期50年，50年超越概率為設(shè)防烈度地震：重現(xiàn)期475年，50年超越概率為罕遇地震：重現(xiàn)期1600~2400年，50年超越概率為《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范理解與應(yīng)用-2012》重現(xiàn)期《JTG∕TB02-01-2008公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》《JTGD60-2015公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》E1：重現(xiàn)期475年，100年超越概率為E2：重現(xiàn)期2000年，100年超越概率為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年，即50年一遇Ⅰ、橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》Ⅰ、橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路公路橋梁抗震設(shè)防總體思想D類橋梁：采用一水準(zhǔn)設(shè)防，一階段設(shè)計(jì)。B類、C類橋梁：采用兩水準(zhǔn)設(shè)防，兩階段設(shè)計(jì)，第一階段為強(qiáng)度設(shè)計(jì)，第二階段為延性設(shè)計(jì)。

第一階段的抗震設(shè)計(jì)，即對(duì)應(yīng)E1地震作用的抗震設(shè)計(jì)，采用彈性抗震設(shè)計(jì)，保證橋梁結(jié)構(gòu)在E1地震作用下處于彈性狀態(tài)。

第二階段的抗震設(shè)計(jì)，即對(duì)應(yīng)E2地震作用的抗震設(shè)計(jì)，采用延性抗震設(shè)計(jì)，并引入能力保護(hù)設(shè)計(jì)原則A類橋梁、B類和C類中的斜拉橋和懸索橋以及采用減隔震設(shè)計(jì)的橋梁：采用兩水準(zhǔn)設(shè)防，兩階段設(shè)計(jì)，第一階段和第二階段抗震設(shè)計(jì)均采用彈性抗震設(shè)計(jì)。E1地震作用下的抗震計(jì)算應(yīng)采用全截面剛度,控制彎矩My0。E2地震作用下的抗震計(jì)算可采用開裂截面剛度，控制彎矩My（特殊橋梁開裂剛度如何取值：0.8I(9.3.3第5款)。Ⅰ、橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路《公路橋梁抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》兩類地震作用四類設(shè)防類別三類設(shè)計(jì)方法兩種抗震體系兩種橋梁分類兩種主要計(jì)算方法重要概念243222Ⅰ、橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路兩類橋梁地震作用超越概率多遇地震：重現(xiàn)期50年，50年超越概率為設(shè)防烈度地震：重現(xiàn)期475年，50年超越概率為罕遇地震：重現(xiàn)期1600~2400年，50年超越概率為《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范理解與應(yīng)用-2012》重現(xiàn)期《JTG∕TB02-01-2008公路橋梁抗震設(shè)計(jì)細(xì)則》《JTGD60-2015公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》E1：重現(xiàn)期475年，100年超越概率為E2：重現(xiàn)期2000年，100年超越概率為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年，即50年一遇Ⅰ、橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路四類橋梁抗震設(shè)防類別反映建設(shè)規(guī)模反映技術(shù)復(fù)雜程度符合其中一個(gè)指標(biāo)即可Ⅰ、橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路三類橋梁抗震設(shè)計(jì)方法6789Ⅰ、橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路兩種抗震體系延性構(gòu)件：橋墩能力保護(hù)構(gòu)件：蓋梁、基礎(chǔ)、墩柱抗剪、墩頂位移、支座減隔震支座Ⅰ、橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路允許橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形，不僅用構(gòu)件的強(qiáng)度作為衡量結(jié)構(gòu)性能的指標(biāo)，同時(shí)要校核構(gòu)件的變形能力是否滿足要求。核心：何為延性設(shè)計(jì)？規(guī)范中的延性設(shè)計(jì)橋梁體系中設(shè)置延性構(gòu)件，橋梁在E2地震作用，延性構(gòu)件進(jìn)入塑性狀態(tài)進(jìn)行耗能，同時(shí)可以減小結(jié)構(gòu)剛度，增大結(jié)構(gòu)周期，達(dá)到減小地震動(dòng)響應(yīng)的目的。Ⅰ、橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路橋墩的兩種破壞形態(tài)橋墩-彎曲破壞橋墩-剪切破壞Ⅰ、橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路兩種橋梁分類Ⅰ、橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路反應(yīng)譜是單自由度彈性體系在給定的地震作用下，某個(gè)最大反映量（加速度）與體系自振周期的關(guān)系曲線。兩種分析方法-反應(yīng)譜MMⅠ、橋梁抗震設(shè)計(jì)整體思路時(shí)程分析的總體思路時(shí)程分析是純碎的動(dòng)力分析方法，可以考慮各個(gè)時(shí)間點(diǎn)的地震效應(yīng)。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)，地震時(shí)程分析采用的方法：非線性動(dòng)力分析兩種分析方法-時(shí)程法THⅡ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例常規(guī)橋梁總體設(shè)計(jì)流程生成反應(yīng)譜荷載設(shè)置彈塑性材料數(shù)據(jù)生成橋墩M-φ曲線E1驗(yàn)算及結(jié)果輸出折減橋墩剛度E2驗(yàn)算及結(jié)果輸出Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例與靜力分析模型的區(qū)別：不在精細(xì)的模擬，而重點(diǎn)是要真實(shí)、準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)質(zhì)量、結(jié)構(gòu)及構(gòu)件剛度、結(jié)構(gòu)阻尼及邊界條件。需要定義準(zhǔn)確質(zhì)量數(shù)據(jù)定義材料、設(shè)計(jì)反應(yīng)譜、反應(yīng)譜荷載工況準(zhǔn)確模擬支座剛度準(zhǔn)確模擬樁土效應(yīng)上部結(jié)構(gòu)：兩聯(lián)3x32m現(xiàn)澆箱梁，梁高1.6m，單箱三室結(jié)構(gòu)下部結(jié)構(gòu):雙柱式中墩(1.8×1.8）m，雙柱接蓋梁交接墩(1.3×1.6）m基礎(chǔ)：鉆孔灌注樁基礎(chǔ)，樁徑1.5m，樁長(zhǎng)50m分區(qū)特征周期0.4s，場(chǎng)地類別Ⅱ類，抗震設(shè)防烈度7度（0.1g）Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例Tg相較于08細(xì)則，放大1.11倍Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例影響E1與E2峰值Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例荷載轉(zhuǎn)換為質(zhì)量*區(qū)別于常規(guī)結(jié)構(gòu)計(jì)算，二期恒載須考慮轉(zhuǎn)換為質(zhì)量；*自重在結(jié)構(gòu)類型設(shè)置轉(zhuǎn)換為質(zhì)量，在荷載中設(shè)置無效；*為了得到反應(yīng)譜計(jì)算所需的周期和振型，自重、二期均選擇轉(zhuǎn)換為X,Y,Z三個(gè)方向。Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例*采用多重Ritz向量法可以更快的得到三個(gè)方向反應(yīng)譜分析所需的振型。*計(jì)算方向陣型參與質(zhì)量需達(dá)到90%。Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例支座模擬*支座模擬采用彈性連接模擬，水平固定方向約束剛度采用10^5kN/m，豎向剛度采用10^7kN/m。常見支座布置情況示意：Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例樁基模擬（樁土效應(yīng)）m動(dòng)=（2~3）m靜Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例*地震輸入方向：直線橋：順橋向&橫橋向；

曲線橋：相鄰兩橋墩連線方向&垂直于連線水平方向。①②③④⑤Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例*E1進(jìn)行橋墩強(qiáng)度驗(yàn)算。Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例約束混凝土材料本構(gòu)（Mander本構(gòu)）：鋼筋材料本構(gòu)（雙折線）：Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例7.4.8-1：Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例橋墩屈服判斷：*《規(guī)范》6.7.1給出橋墩屈服判斷條件，CDN根據(jù)規(guī)范進(jìn)行判斷。由于《規(guī)范》并未明確橋墩材料強(qiáng)度選用標(biāo)準(zhǔn)值還是設(shè)計(jì)值，CDN中開放選項(xiàng)供選用。*橋墩屈服判斷滿足要求，說明E2地震作用下橋墩仍處于彈性狀態(tài)，驗(yàn)算強(qiáng)度。不滿足屈服判斷，說明橋墩進(jìn)入塑性，需按延性構(gòu)件驗(yàn)算強(qiáng)度及墩頂位移。Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例延性構(gòu)件剛度折減：等效屈服彎矩9848kN.m等效屈服曲率0.002117

等效剛度4651865.848

彈模3.25E+07kN/m2Iyy4.10E-01m4初始剛度1.33E+07

剛度折減系數(shù)3.49E-01

Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例類型序號(hào)驗(yàn)算項(xiàng)規(guī)范條款B、C類橋梁抗震強(qiáng)度驗(yàn)算1橋墩強(qiáng)度驗(yàn)算7.3.12矮墩強(qiáng)度驗(yàn)算7.3.23墩柱塑性鉸區(qū)域斜截面抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算7.3.44樁基承載能力及強(qiáng)度驗(yàn)算7.3.55蓋梁抗彎、抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算7.3.6B、C類橋梁墩柱變形驗(yàn)算6單柱墩容許位移驗(yàn)算7.4.47雙柱墩、排架墩容許位移驗(yàn)算7.4.6B、C類橋梁支座驗(yàn)算9板式橡膠支座厚度驗(yàn)算7.5.1-110板式橡膠支座抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算7.5.1-211盆式支座、球型支座驗(yàn)算7.5.2*E1地震作用下，驗(yàn)算強(qiáng)度；E2地震作用下，驗(yàn)算強(qiáng)度和位移。*D類橋梁支座按E1地震作用驗(yàn)算。抗震驗(yàn)算項(xiàng)目Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例支座驗(yàn)算：橋墩塑性鉸區(qū)域抗剪驗(yàn)算：Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例墩頂位移驗(yàn)算：Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例等效塑性鉸長(zhǎng)度取較小值屈服位移+塑性位移Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例曲率>轉(zhuǎn)角>位移12轉(zhuǎn)角×高度Ⅱ、反應(yīng)譜分析操作實(shí)例Ⅲ、橫向多柱墩Pushover分析Ⅲ、橫向多柱墩Pushover分析目的-雙柱墩、排架墩橫向橋橫橋向容許位移Ⅲ、橫向多柱墩Pushover分析主要思路是橋墩通過位移控制，不斷增加蓋梁中心節(jié)點(diǎn)的橫向位移量，隨著橫向位移的增加，橋墩出現(xiàn)塑性鉸，墩頂（底）的曲率增大。一旦曲率達(dá)到極限曲率（考慮安全系數(shù)2），此時(shí)墩頂蓋梁中心的橫向位移即為所求的位移值。在推的過程中，由于極限曲率與軸力直接相關(guān)，或者說極限曲率是通過計(jì)算橋墩的M-PHI曲線得到的。在整個(gè)過程中軸力在不斷變化，極限曲率也隨之變化，故需要通過迭代的方法才能得到最終的允許位移值。CJJ166-2011Ⅲ、橫向多柱墩Pushover分析Pushover模型說明Pushover模型中需要定義邊界條件與整體模型一致。支座傳遞上部荷載通過節(jié)點(diǎn)荷載施加（僅影響推倒過程中橋墩的軸力），另外需要考慮橋墩自重影響。除此以外，需要設(shè)置一個(gè)Pushover工況，此工況為施加在控制節(jié)點(diǎn)上的一個(gè)水平力（力的大小可任意指定，此例為100kN），用于確定推倒模式。Ⅲ、橫向多柱墩Pushover分析分析步驟Step1-整體控制Step2-荷載工況Ⅲ、橫向多柱墩Pushover分析Pushover的鉸特性中，集中鉸輸出轉(zhuǎn)角結(jié)果，分布鉸輸出曲率結(jié)果。交互類型中“無”需要用戶自己定義彎矩和曲率的非線性關(guān)系，“P-M”是通過屈服面確定彎矩曲率的非線性關(guān)系，“P-M-M”是通過三軸屈服球確定非線性關(guān)系。此處選擇“P-M”,程序這里僅定義屈服面的定義規(guī)則，分配特性鉸后，程序會(huì)根據(jù)這里的規(guī)則和程序的配筋情況計(jì)算最終的鉸特性值。Step3-定義Pushover鉸特性值Step4-分配Pushover鉸特性值分析步驟Ⅲ、橫向多柱墩Pushover分析首先確定荷載作用下橋墩軸力，然后通過彎矩曲率曲線確定極限曲率數(shù)值并和pushover計(jì)算的曲率對(duì)比。Step5-查看恒載軸力Step6-計(jì)算極限曲率分析步驟Ⅲ、橫向多柱墩Pushover分析根據(jù)恒載軸力計(jì)算的極限曲率0.0982在Pushover的步驟中查找相應(yīng)曲率。目標(biāo)位移推到50cm最終的曲率最大值只有0.04549，顯示遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于恒載軸力下的曲率值，說明恒載軸力與極限位移對(duì)應(yīng)步驟的軸力相差較大。將軸力假設(shè)為最后一個(gè)步驟的軸力值再次計(jì)算最大曲率。分析步驟Ⅲ、橫向多柱墩Pushover分析計(jì)算最大軸力（27829.4）下的極限曲率分析步驟查找極限曲率對(duì)應(yīng)的步驟Ⅲ、橫向多柱墩Pushover分析目的-雙柱墩、排架墩橫橋向超強(qiáng)彎矩和剪力設(shè)計(jì)值Ⅲ、橫向多柱墩Pushover分析Pushover分析：Pushover分析的目的：Pushover分析的方法：得到雙柱墩、排架墩橫橋向容許位移得到雙柱墩、排架墩塑性鉸區(qū)域抗剪驗(yàn)算所需的最大、最小軸力得到多柱蓋梁抗剪驗(yàn)算所需的設(shè)計(jì)剪力建立子模型，迭代得到水平力，而后考慮恒載及Push工況，進(jìn)行分析Ⅲ、橫向多柱墩Pushover分析Pushover分析：水平剪力迭代：*迭代方法：M-Phi曲線得到軸力，求得墩頂水平力。*收斂標(biāo)準(zhǔn)：兩次計(jì)算水平剪力相差在10%以內(nèi)。計(jì)算次數(shù)軸力M-phi極限曲率反查步數(shù)反查步驟曲率曲率差反查軸力軸力差異左墩剪力右墩剪力墩頂水平力水平力差異159700.025463046390.0251441.27%12242105.07%3726.14183.47909.5--2122420.017970725270.0179