规范桥梁抗震设计详解

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1、1 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 2 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 3 一、桥梁构造、材料概况 4 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 Strand18

2、60 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 5 预应力 钢束 (15.2 mm 31) 截面面积 : Au = 4340 mm2 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、

3、材料概况 6 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 7 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。 8 2、确定设防烈度： 在 7度区，按 8度设防 三、基本参数确定 9 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 10 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 11 5、确定场地类别： 查得场地类别为 类场地 四、场地

4、 类别 确定 12 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 13 E1地震作用下抗震分析步骤 14 7、确定桥梁类型： 确定为规则桥梁 15 8、确定分析方法： 采用 MM法。 16 E1地震反应谱的确定 17 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 43.0iC 3.1iC E1地震反应谱的确定 iC 18 10、根据基本烈度（非设防烈度）确定场地系数 0.1sC E1地震反应谱的确定 sC 19 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 E

5、1地震反应谱的确定 20 12、调整设计加速度反应谱特征周期 调整后为 ： sT g 4.0 E1地震反应谱的确定 gT 21 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 1 dC E1地震反应谱的确定 22 E1地震反应谱的确定 14、生成反应谱 23 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 24 -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

6、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 25 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 0.

7、02-0.05之间的阻尼比如： 0.04 -参见规范 6.3 05.0 02.0 空间动力分析模型的建立 26 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 27 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

8、用表征土介质弹性的“ M”法 。 空间 动力分析模型的建立 28 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 6.4.3，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 29 SRSS法和 CQC法 ： 根据规范 6.4.3，有 SRSS法和 C QC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 30 根据规范 5.1.1，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 31 桥台 高 4 ， 台背宽 10 ，侧宽 3 ，土 的容重 为 ， 土的内

9、摩擦角为： 根据 规范 5.5.2，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 m m 3/20 mkN 43 mkN /17.41 kN m kN 32 一般冲刷 线算起的水深为： 5m。 水 的容重为 ： ， 根据 规范 5.5.3，地震 动水压力 为 0.92kN 地震动水压力 3/10 mkN 33 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 34 E2地震作用下抗震分析步骤 35 1、确定分析方法： 采用 MM法或 NTH法。 36 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

10、 的取值不同，其他参数相同，得 E2地震 作用下反应谱如下。 iC 37 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 38 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。 39 4、强度验算 MM法 求延性构件的有效 截面抗弯刚度 effI 利用规范公式 6.1.6计算 查附录 A得到 effI effI 理论方法

11、求解 CIVIL程序计算 通过轴压比、纵 筋配筋率查附录 40 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 7.4.4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。 yM y M M M M M 41 4.2、 c

12、ivil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 。 yM y yM yM M yM yM yM 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

13、截面 屈服弯矩 。 两种 方法 42 MM法 4.2、 pushover分析方法 43 i、根据铰的特性值椭圆内插计算 MM法 yM mkNM y 3398 44 ii、利用 pushover分析计算 MM法 yM mkNM y 3376 由程序的 pushover图形结果 得 45 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： effI mkNM y 3398 0 0 3 3

14、1 8.01 0 0 1 6 8.0975.1975.1 H yy 4 7 0315111.025.3003318.0 3398 m eE MI cy ye f f yM y mkNM y 3 32 6 46 5、变形验算 MM法 规范 7.4.2条是对截面层次上的 曲率延性系数验算的变化形式 规范 7.4.6条是对构件层次上的 位移延性系数验算的变化形式 47 5、变形验算 MM法 规则性桥梁，故仅需按 74.6验算墩顶位移 48 6、变形验算 MM法 计算得墩顶纵向水平位移 横向水平位移 0.1c cmd 16 cmd 6.5 计算 E2作用下墩顶双向实际位移 49 6、墩顶容许位移值计算

15、 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 cmL p 30 cmu 54.10 50 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。 51 6、横向容许位移计算 MM法 由规范 7.4.8条知，此时对应的墩顶处处横向水平位移既为容许位移。 52 6、横向容许位移计算 MM法 cmu 13 查看能力曲线： 53 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 cmcm ud 54.1016

16、 cmcm ud 136.5 54 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 55 7、能力保护构件设计 MM法 56 7、能力保护构件设计 MM法 57 7、能力保护构件设计 MM法 C点对应的为极限状态。 58 5、变形验算 MM法 点 C为铰的极限状态点。查看下图 可得 ： 25.1 y u M M 墩底极限弯矩 mknM u 5.4 2 4 73 3 9 8*25.1 墩顶极限弯矩 mknM u 5.4 1 5 73 3 2 6*25.1 双向截面特性完全一样 59 7、能力保护

17、构件设计 MM法 经过程序的 pushover计算得到 ，由上页式（ 6.8.2-2）计算得 到 mkNM szc 5.4 1 5 7 mkNM xzc 5.4 2 4 7 kNV c 3.111 99 5.424 75.415 72.10 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 60 7、能力保护构件验算 MM法 计算得到纵桥向 横桥向 kNVc 1.4370 kNVc 7.1146 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 。 kNV c 3.1 1 1 90 kNV c 3.1 1 1 90 61 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 。 kNVAfkNV sgcc 143)0023.0(3.1119 0 kNVAfkNV sgcc 143)0023.0(3.1119 0